鞍鋼熱軋帶鋼廠智慧制造發展研究

陳百紅，張 華，高恩運，鄭英杰，史乃安，郝利國

（鞍鋼股份有限公司熱軋帶鋼廠，遼寧 鞍山114021）

全球新一輪科技革命和產業變革加緊孕育興起，與我國制造業轉型升級形成歷史性交匯。智能制造在全球范圍內快速發展，融合使用新一代信息技術和人工智能技術［1］已成為制造業重要發展趨勢，對產業發展和分工格局帶來深刻影響，推動形成新的生產方式、產業形態、商業模式。作為傳統制造業，鋼鐵行業發展至今，面臨著越來越苛刻的生存環境，環保、安全、質量、成本等無一不是亟待解決的痛點，而中國制造2025戰略背景下智慧制造顯然是轉型升級新的機遇窗口［2］。智慧鋼廠已日漸成為中國鋼廠高質量發展的清晰藍圖，打造智慧鋼廠是實現轉型發展的一個重大戰略舉措。

1 國內外鋼廠智慧制造發展情況

當前國內外先進的冶金鋼廠不斷向數字化、智能化發展，推進信息化與工業化深度融合［3］，國際上美國大河鋼廠的智能化建設［4］，通過全流程質量數字化和質量管控規則的結合，實現了質量在線管控。浦項、寶武在智能化方面已經領先開展［5］，實現了板坯庫無人吊車，粗軋料形、精軋跑偏等實現了在線控制，熱軋鋼卷端部缺陷、夾送輥輥面缺陷等實現了在線檢測。在鋼鐵行業設備管控中，浦項最先開始智能化的探索，將設備管理作為智能工廠建設的主線。另外寶鋼熱軋在節能、集控、安全、吊車、視覺識別、數字化工廠、設備狀態監測和全自動軋鋼方面積極開展智能化建設［6］，已取得成績。

2 鞍鋼熱軋帶鋼廠信息化現狀

鞍鋼熱軋帶鋼廠（以下簡稱熱軋廠）各產線均采用計算機四級管理，基本實現分應用層次建立網絡架構，各網絡逐級實現互聯互通，利用各系統實現對生產、質量和物流的管理。如ERP集成采購管理系統與生產、倉儲管理系統，實現計劃、流水、庫存、單據的同步，ERP訂單在MES中形成排產計劃，MES支持向ERP上傳計劃執行數據、實際生產信息等功能，采用信息技術手段輔助質量檢驗，關鍵檢測系統或檢驗設備能自動輸出檢測結果數據到相關系統，通過信息系統實現訂單管理、計劃調度、信息跟蹤和運輸資源管理。

1780線經過2015年和2018年兩次三電改造，一二三級計算機系統已經達到國際先進水平。1700線和2150線一二級模型控制相對落后，計劃2020～2021年分別進行升級改造，為智能化建設打下基礎。

3 鞍鋼熱軋帶鋼廠智慧制造發展思路

結合熱軋廠生產經營目標，打造智能化、高效率、低成本的綠色熱軋產線，實現熱軋廠生產組織、制造裝備、質量管控、效率提升、安全保障、成本控制、分析決策過程的智能化。

以重點產線為突破，智慧制造工作將圍繞基礎自動化、無人行車、站所室集控、機器人、模型優化及3D可視化、狀態檢測及智能點檢等方面展開。技術成熟度高、易實現的，以及提質增效顯著的先行實施，并逐步向其他產線推廣。

3.1 生產與質量智能管控

從原料、加熱、連軋、精整全流程生產入手，建立智能生產和質量管控系統，全面實現生產和質量管控智能化。

（1）生產管控智能化。以智慧決策為前提，基于大數據、多模型組合、斷電式優化算法、高階人機交互等策略，建立具備完善的生產全流程資源優化分配、生產自動編排、跟蹤、預警及動態優化調整等功能的跨產線一體化生產智慧管控體系，生產管控智能化簡圖如圖1所示。

圖1 生產管控智能化簡圖Fig.1 Schematic Diagram for Production by Intelligent Control&Management

（2）質量全流程管控系統。建立全流程物質流、信息流時空精準匹配，實現全流程產品質量的溯源分析，構建產品缺陷的自動封鎖系統，以及熱軋帶鋼組織性能智能預測系統［6］，質量全流程管控系統簡圖見圖2。

（3）成本分析系統。精確分析和預測每塊軋件在各工序的能源介質消耗和相應成本，圖3為熱軋各環節能源介質消耗及成本統計流程圖。

圖2 質量全流程管控系統簡圖Fig.2 Schematic Diagram for Quality Control&Management System in Whole Process

圖3 熱軋各環節能源介質消耗及成本統計流程圖Fig.3 Flow Chart for Consumption of Energy&Medium and Cost Statistics in Hot Rolling

3.2 設備智能管控

設備管控的目標是實現 “一個中心，兩條主線，四個維度”。一個中心，即采用智能化手段實現設備的本質安全穩定運行；兩條主線，即感知設備和解放人力；四個維度，即開展自我智能探索、智能監測分析預警、智能點檢及虛擬實踐和周期管理并探索設備剩余使用周期建模。

3.3 智能控制

智能制造的目的是利用自動化、智能化技術以及機器人系統，把人力從繁瑣的、危險的、重復性的勞動中解脫出來，提高工作效率。

（1） 無人吊車

從現場的實際情況出發，綜合考慮板坯庫與鋼卷庫存管理流程，吊車的三維定位，數據的自動采集及無線通訊技術［7］，最終實現板坯庫與鋼卷庫存無人吊車。

（2）加熱爐區智能控制

建立板坯智能識別與核對系統，實現加熱爐自動裝鋼；建立加熱爐燃燒過程控制系統，實現加熱爐自動燒鋼；建立軋制節奏控制系統，實現加熱爐自動出鋼。

（3）中間坯料形智能控制

目前熱軋中間坯鐮刀彎、扣翹頭等料形普遍由操作員手動調整，通過建立鐮刀彎與扣翹頭控制模型，在粗軋入出口安裝料形檢測裝置，實現中間坯鐮刀彎與扣翹頭的自動調整。鐮刀彎檢測系統原理如圖4所示。

（4）帶鋼跑偏及楔形智能控制

目前國內外熱軋帶鋼跑偏及楔形普遍由操作員手動調整，建立精軋跑偏及楔形自動模型控制系統，根據軋機入口、機架間安裝帶鋼跑偏檢測儀表的顯示結果，利用精軋軋件穩定模型控制系統，進行自動水平調節控制跑偏，對設備進行智能調節控制跑偏，建立自動控制模型。

圖4 鐮刀彎檢測系統原理Fig.4 Principle for Detection System for Sickle-like Curvature

（5）中間坯優化剪切閉環控制

鞍鋼各熱軋生產線中間坯優化剪切系統基本都采用開環控制，中間坯與飛剪各自獨立控制，影響中間坯頭尾剪切精度。而采用中間坯優化剪切閉環控制系統，飛剪能智能感知中間坯運行狀態，及時修正飛剪剪鼓加速度，實現中間坯頭尾精準剪切。

（6）熱軋產線智能測控與模型技術

對于熱軋生產過程中機架浪形、卷取形狀等關鍵工藝參數，利用圖像處理技術可實現實時測量，并構建反饋控制系統。通過大數據及AI技術建立更準確的模型，實現全熱軋生產過程的自動化，提升模型控制精度。

（7）軋輥及夾送輥表面質量檢測與控制的智能化技術

開展軋輥輥面質量自動檢測與判定，軋輥健康度全生命周期大數據分析及預測，軋輥磨削控制模型智能化，以及熱軋在線磨輥等技術研究，降低軋輥引起的缺陷,實現夾送輥在線監控。

3.4 智能安全

安全管理是智能工廠要解決的關鍵，也是最具挑戰的問題。智能安全預警分為現場危險區域報警系統和人臉比對系統，通過智能化手段，在廠房區域內設置檢測裝置，對車輛、人員進行聲光綜合預警。智能安全預警項目建設完成后，能夠最大限度彌補本質安全不足，降低作業環境中安全風險，全面提升廠整體安全水平。

3.5 自動化軋鋼、集控

隨著世界軋鋼技術的不斷發展，軋鋼生產在自動控制應用方面取得了較大進步。目前，熱軋生產線部分控制功能仍需要操作員人工干預才能滿足生產要求，由于操作員技能和責任心不同，質量和控制穩定性波動大，無法實現精益生產、柔性制造，距離數字化、網絡化、智能化制造存在較大差距。以數字化網絡化智能化控制為目標，建立先進的軋鋼自動控制系統，自動化程度提升同時可以進行集控改造，便于崗位兼顧，效率提升。

4 實施情況

目前在熱軋產線正在推進站所室集控系統、自動化軋鋼系統、成本分析系統等項目。中間坯優化剪切閉環控制，加熱爐區智能控制及智能安全等取得成效的項目正逐步向其他產線推廣。

5 結語

鞍鋼本部熱軋廠在現有軋線基礎上，開展智慧制造工作，秉承少投入、快產出的原則，優先考慮技術成熟、提質增效顯著的項目。在生產、質量管控智能化，設備智能管控與分析預警，高效率智能裝備，智能安全，以及自動化軋鋼、集控等方面，打造智能化、高效率、低成本的綠色熱軋產線，從而實現無人化、少人化，操檢合一、集中管控，做到提質增效、安全節能，設備狀態及時監控，自動化軋鋼程度提升。