智能化在鋼鐵行業(yè)中的發(fā)展及應用

侯帥松，張潤澤，趙志軍，王玉彬，任世遠，楊志軍

（河鋼集團邯鋼公司，河北邯鄲 056009）

0 引言

鋼鐵制造業(yè)是國民經(jīng)濟的重要支柱產(chǎn)業(yè)，鋼鐵行業(yè)的發(fā)展水平在一定程度上反映了一個國家或地區(qū)的工業(yè)水平。縱觀世界上經(jīng)濟發(fā)達國家，其鋼鐵制造業(yè)水平無一不處于世界領先地位。美國鋼鐵公司（U.S.Steel）、歐洲的安賽樂米塔爾公司（Arcelor Mittal）、德國的蒂森克虜伯公司（Thyssenkrupp）、韓國浦項鋼鐵公司等均為世界頂尖鋼鐵制造企業(yè)，其技術水平，特別是在智能化方面，處于行業(yè)領先地位。

2015 年，國家提出了“中國制造2025”戰(zhàn)略，“智能制造”被予以新的歷史使命，同國家戰(zhàn)略捆綁在一起。智能化在制造業(yè)，特別是鋼鐵行業(yè)中，占有舉足輕重的地位。提升鋼鐵企業(yè)的智能化水平，可以有效提升鋼鐵企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量、設備精度、管理水平等。目前我國鋼鐵行業(yè)產(chǎn)量大，但高端產(chǎn)品占比低、能耗大，特別是處于城市中的鋼鐵企業(yè)面臨著巨大的環(huán)保壓力。鋼鐵企業(yè)急需提升其智能化水平，降低能耗，減少排放。本文以智能化為基礎，結合智能點檢監(jiān)測技術應用實例，分析智能化在鋼鐵行業(yè)中的發(fā)展趨勢及應用前景[1]。

1 智能化概念

美國學者P.K.Wright 和D.A.Bourne 在其著作《Manufacturing Intlligence》（1988 年）中首次提出“智能制造”的概念，將智能制造定義為機器人應用制造軟件系統(tǒng)技術、集成系統(tǒng)工程以及機器人視覺等技術，實行批量生產(chǎn)的系統(tǒng)性過程[2]。目前，普遍意義上智能制造的定義為：智能制造（Intelligent Manufacturing，IM）是一種由智能機器和人類專家共同組成的人機一體化智能系統(tǒng)，它在制造過程中能進行智能活動，諸如判斷、分析、推理、構思和決策等思維過程。通過人與智能機器的合作共事，去延伸、擴大和部分取代人類專家在制造過程中的腦力勞動。智能制造將傳統(tǒng)意義上的自動化擴展到柔性、智能化和高度集成化。

現(xiàn)階段，隨著各項技術的不斷深入發(fā)展，智能制造的定義也隨之發(fā)生了變化，智能制造要以創(chuàng)新驅動發(fā)展為核心，以信息化與工業(yè)化深度融合為主線，以推進智能化為主攻方向。智能制造是一個大系統(tǒng)工程，要從產(chǎn)品、生產(chǎn)、模式、基礎研究4 個維度系統(tǒng)協(xié)同推進[3]。同時，也有學者認為互聯(lián)網(wǎng)加上智能制造是我國制造業(yè)發(fā)展的重要支撐，機器人、智能生產(chǎn)線和3D 打印技術相輔相成，促進智能制造的深度發(fā)展[4]。

2 鋼鐵行業(yè)中智能化的應用實例——設備智能監(jiān)測

目前，對于設備狀態(tài)的監(jiān)測通常做法是日常點檢維護，隨著設備智能化水平以及監(jiān)測手段的提升，智能化監(jiān)測系統(tǒng)在鋼鐵行業(yè)中得到了普遍應用。特別是在軋鋼設備中，對于設備的精度、穩(wěn)定性等要求較高，需要實時關注設備的運行狀態(tài)，以某帶鋼熱軋線為實例，分析智能化在鋼鐵行業(yè)中的實際應用。

2.1 智能在線監(jiān)測系統(tǒng)

智能在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由傳感器、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)采集單元和服務器（數(shù)據(jù)分析）組成，通過傳感器采集到的各種信號，分析設備的運行狀態(tài)，給出合理的保養(yǎng)維護建議。

某帶鋼熱軋線將傳感器安裝在粗軋、精軋和卷曲區(qū)域，將傳感器采集到的信號通過信號電纜接入在線監(jiān)測IMx 數(shù)據(jù)采集單元中，該采集單元將處理完的數(shù)據(jù)通過光纖通信網(wǎng)絡，連接到在線監(jiān)測系統(tǒng)的服務器上，組成網(wǎng)絡化的在線監(jiān)測系統(tǒng)，其基本架構如圖1 所示。

圖1 智能在線監(jiān)測系統(tǒng)架構

2.2 案例分析（軸承監(jiān)測）

軸承是轉動設備的關鍵部件，軸承的異常或損傷會直接影響設備的精度和穩(wěn)定性，嚴重情況下可能會導致大型設備的損傷，給企業(yè)帶來巨大的損失。某帶鋼熱軋線通過在線智能監(jiān)測系統(tǒng)，對關鍵設備——定寬機上的軸承進行監(jiān)測，實時跟蹤定寬機的運行狀況。

在線監(jiān)測系統(tǒng)顯示，定寬機傳動軸運行狀況出現(xiàn)異常，圖2為定寬機傳動軸45 d 內(nèi)的振動趨勢圖，根據(jù)圖中的數(shù)據(jù)可以得出：傳動軸在該段時間內(nèi)整體趨勢保持穩(wěn)定。振動加速度包絡頻譜總值維持在0.07～0.08 gE，如圖3 所示，該監(jiān)測點短時間內(nèi)無明顯惡化趨勢。

圖2 定寬機傳動軸振動趨勢

根據(jù)圖3 中的數(shù)據(jù)信息可以得出，該頻譜在1XRPM（定寬機傳輸軸轉速）處出現(xiàn)了轉頻峰值，并且伴有大量諧波峰值，該頻率的峰值是定寬機的定寬頻率，不屬于設備故障頻率。同時，在0.4XRPM處出現(xiàn)峰值及大量諧波峰值。一般情況下，該頻率被認為是保持架的通過頻率，因此判定該傳輸軸軸承保持架存在激發(fā)振動。

圖3 定寬機傳動軸包絡圖

對該傳輸軸的時域圖（圖4）做進一步分析，根據(jù)圖中數(shù)據(jù)信息，可得到一個明顯的有規(guī)則的沖擊信號，該沖擊信號的時間間隔為4.907 s（0.693 Hz），該頻率為軸承保持架的通過頻率。

圖4 定寬機傳動軸時域圖

綜上得出，該傳動軸軸承保持架存在異常情況，需要根據(jù)實際情況進行維修或者更換。

2.3 經(jīng)濟效益

通過智能在線監(jiān)測系統(tǒng)，可以提高設備運行精度和穩(wěn)定性，降低事故率，從而提升產(chǎn)品的質(zhì)量，提高合同交付率等。其經(jīng)濟效益主要體現(xiàn)在以下3 個方面。

（1）降低備件成本。通過在線監(jiān)測系統(tǒng)，可以有效提高預防性維修率，降低事故性維修率，從而優(yōu)化備件庫存量，做到精確維修維護。

（2）提升設備精度和運行穩(wěn)定性。在線監(jiān)測系統(tǒng)對關鍵大型部件的運行進行實時監(jiān)控，降低了因零部件損傷損壞而造成的設備事故率，提升了設備的穩(wěn)定性。

（3）提高產(chǎn)品質(zhì)量。在線監(jiān)測系統(tǒng)通過提高設備精度，有效提升產(chǎn)品質(zhì)量，降低殘次品率，降低噸鋼成本，提升利潤率。

3 鋼鐵企業(yè)智能化的理論研究

現(xiàn)階段鋼鐵企業(yè)智能化的研究主要集中在技術層面和管理層面，通過技術層面和管理層面的相輔相成，相互促進，提升企業(yè)技術水平和管理水平，從而提升企業(yè)的品牌價值，在市場化經(jīng)濟中占領制高點。企業(yè)的智能化，特別是鋼鐵行業(yè)，可以提升其產(chǎn)品生產(chǎn)的自動化水平，實現(xiàn)研發(fā)和生產(chǎn)的精益化、柔性化和快速化；在管理層面則可以有效提升企業(yè)的整體管理水平，促進企業(yè)管理模式的變革，更高效、智能地分配人力、財力、物力等資源，適應市場經(jīng)濟發(fā)展趨勢和全球經(jīng)濟的一體化[6]。

3.1 技術層面

生產(chǎn)裝備及工藝流程的智能化可以有效提高作業(yè)率和產(chǎn)品質(zhì)量，從而提升企業(yè)競爭力。目前，制造行業(yè)對于技術研發(fā)的投入大幅度提升，主要體現(xiàn)在以下3 個方面。

（1）工業(yè)機器人的廣泛應用。工業(yè)機器人可以解放人力，提升作業(yè)準確率和精確性，特別是在復雜惡劣環(huán)境下，如高溫、高粉塵、高濕度、噪聲大等，機器人替代人力已經(jīng)勢在必行。目前，撈渣機器人、自動拆捆機器人、測溫取樣機器人、自動噴號貼標簽機器人、專業(yè)剪切機器人圖像自動識別機器人等已廣泛應用于鋼鐵行業(yè)，隨著機器人的普遍化應用，鋼鐵行業(yè)也提出了更高的要求和需求，新一代、更加智能化的機器人的研發(fā)也已提上日程[7]。

（2）生產(chǎn)車間、倉儲車間等智能化。鋼鐵行業(yè)智能車間的建設，集中通過智能型PLC、智能裝備等，實現(xiàn)對設備數(shù)據(jù)、生產(chǎn)參數(shù)的實時監(jiān)控和采集，并且對整條產(chǎn)線的工藝、過程參數(shù)以及供應商參數(shù)進行數(shù)據(jù)集成，推進全流程產(chǎn)品質(zhì)量管控與優(yōu)化，最大化利用有效數(shù)據(jù)，實現(xiàn)自動化和智能化[8]。

（3）各項前沿技術的深度應用。各項前沿技術，包括大數(shù)據(jù)分析、物聯(lián)網(wǎng)、5G 通信技術、深度學習、云計算和云存儲、3D 可視化、圖像識別、邊緣計算等[9]，通過不斷的探索和研究，同時結合鋼鐵行業(yè)本身的特點，已廣泛應用于鋼鐵行業(yè)的各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)之中，有效提升了鋼鐵行業(yè)的技術水平。

3.2 管理層面

國外從20 世紀已經(jīng)開始研究企業(yè)管理的智能化，1960 年，美國就出現(xiàn)了物料管理信息系統(tǒng)（MRP），隨后融進財務管理形成閉環(huán)物料管理信息系統(tǒng)（close-MRP），隨著技術的進一步發(fā)展，將生產(chǎn)環(huán)節(jié)進行統(tǒng)一管理，形成了制造資源計劃系統(tǒng)（MRP-Ⅱ）[6]。

目前，BRP（業(yè)務流程重組）項目研究、ERP（企業(yè)資源規(guī)劃）系統(tǒng)研究以及IT 規(guī)劃等已得到了長足發(fā)展，促進了管理系統(tǒng)的智能化，極大的提高勞動生產(chǎn)率，促進企業(yè)內(nèi)部結構的變革，使信息的傳遞由過去的垂直型變?yōu)楸馄叫停瑥亩构芾韺涌梢钥焖俚膶κ袌鲂畔ⅰ⒓夹g信息做出準確反映，制定正確、科學的決策。

4 結語

（1）智能化的理論研究拓展了其應用范圍和思路，在技術層面，將各項新興技術應用于鋼鐵行業(yè)的各個組織環(huán)節(jié)中去，提高了生產(chǎn)效率，促進了鋼鐵企業(yè)的技術革新；在管理層面，優(yōu)化了企業(yè)內(nèi)部結構，使資源的配置更加合理、高效，探索出一條新的發(fā)展道路。

（2）在生產(chǎn)上，智能化系統(tǒng)可以更加精確地對設備及工藝進行控制，提高設備精度，降低事故率，優(yōu)化備件庫存，節(jié)約生產(chǎn)成本，為企業(yè)創(chuàng)造出可觀的經(jīng)濟價值以及品牌價值。

（3）各國已將工業(yè)智能化提升為國家戰(zhàn)略，同時，制造業(yè)的智能化將極大促進其他產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和升級。