數字化時代背景下轉爐集中控制系統的應用研究

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2312-5042-7027

作者簡介：李紅象（1983—），男，本科，工程師，?研究方向為冶金工程技術管理。

摘要：數字化轉型是時代賦予傳統制造業的重大機遇，在這樣的大背景下，轉爐吹煉模式的提質升級十分必要，需要在原有的操作基礎上進行大幅度優化升級，改變傳統的操作模式，把原來的分散控制通過智能化、數字化來實現集中控制。貴溪冶煉廠作為江西銅產業鏈中加工制造的重要一環，在提升產業鏈的現代化水平方面積極探索。轉爐煉銅必然要向集中控制發展，讓生產智能化、產業數字化，打造創新發展的新動能。

關鍵詞：銅冶煉 ?集中控制 ?智能化 ?數字化 ?智能煉銅

中圖分類號：TP393

轉爐主要擔負著閃速爐冰銅吹煉、中間物料處理、行車吊運等工作，為下道工序提供合格的粗銅，為硫酸提供符合制酸條件的煙氣等生產任務。作為中間工序，轉爐的生產情況對于整個工序都有著重要的影響。

轉爐通過優化操作和控制，對開停風操作程序、粗銅終點判斷、爐后捅風眼作業、殘極加入等方式進行優化升級，實現了由人工向自動的轉變，大大提高了生產的安全性和效率，盡管如此，在向打造世界最好煉銅標桿工廠目標前進的進程中仍存在著較大的差距：轉爐操作依賴于操作人員的經驗和操作技能，受到人為因素的影響較大；操作人員需要通過觀察來獲得轉爐的狀態信息，反饋的及時性受到限制；一些參數需要人工干預和調整，人為操作無法及時響應轉爐的快速變化等。

1轉爐煉銅當前現狀

1.1工作區域

轉爐操作人員分散在交替作業的兩臺轉爐旁的操作室內。在傳統生產模式下設計建造的轉爐工段，3臺爐子的操作室緊挨爐體，距離僅有1.1 m，為阻隔爐體的高溫輻射，在操作室外正對爐體側加裝了隔熱水套。操作室上方的廠房頂部裝有行車軌道，操作室正南側為行車頻繁吊運高溫熔體的區域，為確保操作室安全，已對操作室南側采用鋼板封閉。行車向轉爐進冰銅，加冷料時，操作室震動明顯，爐前平臺存在熔體或物料灑落的情況，為此，爐前平臺靠近轉爐爐口側用鋼板封閉，留有可開閉的小門和400 mm×300 mm的窗口用來取樣和查看倒渣倒銅情況。轉爐工段的排班室夾在東西走向的兩臺轉爐鍋爐之間，南側5 m正對8號轉爐，為阻擋噪音和粉塵，操作室窗戶采用雙層玻璃，確保噪音和粉塵值在工業接觸安全范圍內。

1.2數據管理和技術指標有待提高

轉爐智能系統的初步應用，使轉爐操作工獲得了閃速爐和陽極爐的生產情況，但這些信息仍不夠直觀和具體。閃速爐的爐況如何、冰銅質量如何、最新品位的及時獲取、放銅的具體進展、陽極爐澆鑄進展、需要何種終點的粗銅、多久吹煉結束供陽極爐進料等信息都還不直觀迅捷。轉爐操作工需要通過更豐富全面的監控，更加完備的、經過整合的數字平臺，獲取及時詳細的全流程生產現狀，來指導物料的加入、溫度和吹煉節奏的把控、粗銅終點的調整選取，來提高進一步提高爐產和送風時率，提升上下工序的工作效率，降低上下工序的生產成本，下好車間三大爐的一盤棋。

1.3傳統的生產設備向數字化和智能化發展

對于制造企業而言，研發與創新是不斷創造企業核心競爭力、保持競爭優勢的源泉[1]。現在二系統轉爐的造渣和煉銅過程，為操作工人工控制，吹煉中看溫度、看煙氣、用氧等，不同的操作工有各自的一套，這樣各不相同“自成體系”的吹煉控制，物料的處理有多有少，終點和溫度也存在差異，對追求簡潔、高效、低成本的現代工業生產來說，是需要進行改變的。倒渣和出銅作業采用人工控制的方式，在安全和效率方面存在短板。倒渣時根據肉眼看渣和白鈹，面臨超過1?200 ℃的爐渣產生的高溫輻射，以及用試渣板量渣，渣和白鈹不能及時細致分離，存在倒渣不徹底未排凈渣或倒渣過度出現白鈹鍋底的情況。倒銅時，可能出現的石英 “放炮”影響到銅的安全，石英、底渣倒出的情況，也限制了倒銅的效率和質量。

銅水溫度的及時準確檢測，對提高轉爐物料處理量、吹煉中預防高溫噴爐、延長耐火磚的使用壽命，控制出銅溫度降低陽極爐能耗等具有十分必要的現實意義，而當前人工到爐后看火焰判斷溫度，無法很好地滿足以上需求。

1.4推進智能煉銅大發展

當前轉爐吹煉的各個環節，控制和決策都由人來主導。不論是工段的宏觀作業指令，還是具體操作如進料、冷料加入、風量氧量調控、終點的判斷、倒渣出銅等一系列小環節，都是一個一個經驗，風格各異的操作工的經驗和個人判斷。這樣差異化的生產控制，不能將這一爐產高達260 t的成套設備的潛力發揮徹底。生產過程的各項數據，各種情況的處理情況，是生產的一大寶庫，缺乏一個學習型智慧型的決策中心，將這些數據積累、統計分析，優化出靈活準確應對各種生產情況的生產控制體系。

2轉爐集中控制的思考與展望

2.1建設目標

按照《德國工業?4.0》《中國制造 2025》等新一代智能工廠的標準要求，按照“簡單、高效、低成本”原則，轉爐集控項目需建設成為集生產、質量、物流等多專業業務信息深度融合的智能化、信息化控制系統。

在集控中心內，通過大屏幕矩陣和調度工作站對主要生產工序、工藝流程、物流調度等業務進行遠程監控和集中調度，實現對貴冶二系統轉爐區域生產運營的監控、預警、指揮和管理。

集生產、操作、管理、數據等一體的智控中心，提升生產智能化控制水平，降低生產成本，提升操作效率，減少中間環節，提高生產高效化、數據準確化、管理可控化、數據共享化，不斷提升智能化水平，提升作業環境，實現精益生產。

2.2總體設計

（1）本項目建設投用后，集控中心配操作人員2名，實現對貴冶二系統3座轉爐的遠程操控，崗位人員遠離冶煉重大危險區，采用“大規模集中、遠距離控制”提升煉銅的本質化安全。（2）基礎管理再次提升。有效利用監控等裝置與數字化平臺，使崗位人員迅速掌握全流程生產現狀、提高生產效率，促進經濟指標的提升。（3）助力集團智能制造發展，全面提升生產數字化、智能化。（4）為打造一體化集中決策智慧中心，逐步呈現“智能煉銅”打下堅實的基礎。（5）在本項目設計建設時，需充分考慮系統緊急情況下的運行安全， 單獨設置應急操作控制系統，與各需應急操作區域的應急操作并聯工作，確保在突發情況下轉爐運行的安全性。

2.3建設子項

2.3.1建設轉爐一體化集控系統

本項目在貴冶二系統建成轉爐集控中心。基于工業IDC服務器重新梳理轉爐基礎自動化HMI畫面，采用統一的風格進行升級完善，保證風格統一。對ABB DCS現有控制系統軟件升級，完善優化與修改DCS控制程序；集控中心監控系統升級為ABB Ability?系統 800xA，通過更高的集成度，實現全廠的一體化監視與控制。

2.3.2建設轉爐智能裝備控制系統

（1）全自動煉銅系統。利用熔體多光譜測溫探頭，實現轉爐內熔體溫度監測；利用煙氣采樣探頭，實現對煙道氣體的采樣機處理；利用氣體分析儀檢測煙道氣體成分濃度。系統通過熔體溫度、氣體成分、煙氣流量、吹氧量等實時冶煉數據，并結合人工數據分析與大數據自學習模型，不斷優化分析冶煉過程數據，在已有轉爐造銅期終點判斷基礎上，逐步實現造渣期終點精準判斷，最終實現全過程自動煉銅。

（2）全自動出銅系統。利用自動化控制系統、傾角檢測儀、爐襯測量儀、爐口溢渣高溫計、轉爐傾動模型、下渣檢測系統、自動出銅模型等系統，實現無人值守自動出銅，提高出銅量、提高作業效率，實現冶煉的智能化。

（3）智能銅水測溫系統。智能銅水測溫系統代替人工實現冶煉高溫銅水測溫。主要利用機器人、智能裝置、檢測設備等，實現銅液面檢測，自動拆裝測溫彈，實現高溫銅水自動測溫，實現無人化測溫，降低安全事故，提高生產作業效率，使冶煉更加智能化。

（4）智能銅渣檢測系統。智能銅渣檢測系統分為取渣樣機器人系統和銅渣檢測分析系統。取渣樣機器人系統實現無人化自動取渣樣；銅渣檢測分析系統實現渣樣檢測與成分分析。

（5）取渣樣機器人系統代替人工實現冶銅渣自動取樣。主要利用機器人、智能裝置、檢測設備等，實現銅液面檢測，自動拆裝取渣彈，實現銅渣自動取樣，實現無人化取樣，降低安全事故，提高生產取渣樣的穩定性、準確性，提高作業效率，使冶煉更加智能化。

（6）銅渣檢測系統利用圖像及光譜儀進行渣樣檢測與成分分析，實現渣樣自動分析、記錄，并將分析結果反饋給銅冶煉模型，進行實時校正、調整及吹煉，提升銅冶煉質量及終點控制，降低人為因素，提高數據標準化及大數據記錄分析，提升冶煉水平，進一步實現智能煉銅。

（7）智能下渣檢測系統。智能下渣檢測系統利用高清紅外相機獲取圖像，通過圖像處理模型進行分析，實現渣銅判斷。下渣檢測根據銅渣與銅水在特定光波波段的差異，自動分辨出銅流中的白鈹和銅渣，進行預警并自動搖爐，減少下渣量。

（8）智能銅包檢測系統。智能銅包檢測系統利用高清紅外相機獲取圖像，通過圖像處理模型進行分析，判斷銅包耐材厚度，并對銅包進行使用跟蹤，測算銅包使用壽命與全生命周期管理，提升銅包的使用安全性。

（9）風動送樣系統。利用收、發兩端的收發裝置，通過輸送管道將裝有銅、渣試樣的樣盒從車間發送點高速輸送至化驗室，再將空樣盒返回車間發送點。通過智能工廠一期應用系統及時獲取樣品檢驗結果。

2.3.3建設集控工業視頻系統

對二系統轉爐區域原有的模擬攝像頭進行整體更換升級，并在盲區新增高清攝像頭，建設二系統轉爐區域的視頻集中管理平臺，包含視頻展示系統。

2.3.4建設集控與視頻網絡系統

對二系統轉爐區域集控網絡、視頻網絡升級改造及優化設計。集控網絡：控制系統網絡保留，現場控制網到集控中心采用千兆光纖冗余網絡。整體網絡架構采用雙鏈路冗余，保障網絡的高可用性。

2.3.5建設轉爐集控對講系統

為實現二系統轉爐生產信息聯動，構建二系統集控中心和現場人員的快速聯絡機制，滿足二系統轉爐集中控制中心的操控需求，設立一套無線集群對講系統，通過申請頻道分級來實現工業對講機在二系統轉爐區域的全覆蓋，以此實現現場關鍵崗位與集控中心的生產信息共享。

2.3.6建設智慧轉爐數字孿生平臺

數字孿生技術系統可以提供可視化的信息支撐，從而使得決策更加科學、精準、及時[2]。智慧轉爐數字孿生平臺以3D可視化為主題，包含生產看板系統、三維數字化地圖系統、數字化轉爐系統等[3-5]。

3結語

在數字經濟的新浪潮中，貴冶熔煉車間積極投身其中應勢而為，勇于創新增強行業內的核心競爭力。有效利用當今數字技術搭建脈絡，構建轉爐煉銅集中控制體系，將熔體多光譜測溫探頭技術，大數據自學習模型，傾角檢測儀、爐襯測量儀、爐口溢渣高溫計、轉爐傾動模型、下渣檢測系統等先進技術給傳統銅冶煉模式脫胎換骨，優化了轉爐吹煉工藝，保障了吹煉安全，提升了作業效率，提高了核心競爭力。

參考文獻

[1] 李建軍，于志恒.數字經濟時代制造業轉型升級方法探究[J].產業研究，2021（22）：45-48.

[2] 焦勇，包龍杰.數字孿生技術優化制造業企業的決策機制研究：基于數字經濟技術層面的考察[J].現代管理科學，2022（2）：60-67.

[3] 陳林，張璽文.制造業數字化轉型升級的機理研究[J].暨南學報（哲學社會科學版），2023，45（3）：99-110.

[4] 劉檢華，李坤平，莊存波，等.大數據時代制造企業數字化轉型的新內涵與技術體系[J]. 計算機集成制造系統，2022，28（12）：3707-3719.

[5] 周嘉，馬世龍.從賦能到使能：新基建驅動下的工業企業數字化轉型[J].西安交通大學學報（社會科學版），2022，42（3）：20-30.