以動態精準設計思想建設綠色智能示范鋼廠

關鍵詞：動態精準設計；信息物理系統；一體化計劃排程；全流程實時動態調度；全流程工藝數字化；設備智能化運維；能源精細化管控

0 引言

在以往的鋼廠工程設計中，通常立足于各工序/裝置的靜態能力估算和不同富余系數的假定，采用機械論的拆分方法進行鋼廠靜態設計。由于各工序/裝置分別由不同專業人員設計，靜態能力估算和富余能力亦有不同，往往造成鋼廠生產流程內各工序的靜態容量（能力）無法充分發揮，且各工序之間很難實現動態有序協同運行，最終導致空間占用大、投資效率低，生產制造過程時間較長、運行效率低，信息難以貫通、能源能耗高等問題。冶金制造流程追求的目標是物質流、能量流、信息流處在動態-有序、協同-連續的運行狀態（三流一態）。動態精準設計是在鋼鐵制造全流程動態有序、協同連續運行的概念指導下實現的技術創新。河鋼運用最新的鋼廠動態精準設計，在唐鋼新區物理空間應用230多項前沿新工藝和130多項鋼鐵綠色制造技術和智能化大型裝備，通過集成感知、通信、計算和控制等數字技術構建了可與物理空間進行狀態感知、實時分析、科學決策以及精準執行的信息空間，全面設計建設了新一代冶金流程的唐鋼新區。

1 新一代流程鋼廠動態精準設計理念

工程是各類相關技術和相關經濟要素進行相互作用的動態集成系統，是制造業直接生產力和現實生產力的體現。制造業的競爭，從形式上看是產品的競爭，本質上則是源于工程設計的競爭。工程設計是選擇、整合、構建、轉化以及動態運行的重要環節，是將科學技術轉化為直接生產力和現實生產力的橋梁。工程設計既要為工程建設提供圖紙，更要考慮工程運行過程的功能和效率，以及與環境生態的融合。同時，工程設計要將工程運行過程的功能、效率和環境生態等要素融入到工程建設施工圖設計中。

鋼廠設計和生產運行的整體運行過程不是一個孤立系統，而是嵌入在一定周邊環境條件下的開放系統，處于不停地進行物質、能量、信息的輸入/輸出過程中，因此，鋼廠的物理系統實際上處于非平衡的開放狀態，而物理系統結構自組織性的優劣在很大程度上取決于鋼廠工程設計。鋼廠工程設計既要從物理系統一側進行自組織信息流分析，也要理順人工輸入的他組織信息流，以促進制造流程運行本質智能化的實現，因此，需要用動態精準設計的理論和方法來指導鋼廠工程設計，動態精準設計以三流一態為目標任務，在工程設計時就要考慮到工程建造投產后動態、實際的生產運行情況。靜態設計與動態精準設計在理念上的區別如圖1所示。

鋼廠動態精準設計不僅有利于提高各項技術和經濟指標，而且有利于節省投資金額，提高投資效益和環境效益，在鋼廠全流程物質流/能量流動態運行過程中，實現各種信息參量穩定和動態精準可控，有利于進一步發展到信息物理系統。鋼廠動態精準設計的理念為唐鋼新區的設計建設提供了有力的理論支撐。

2 唐鋼新區工程設計中的動態精準設計方法

對唐鋼新區鋼鐵制造流程的設計而言，不僅要為鋼廠提供工程建造方案，以供鋼廠工程建設之用，而且要為鋼廠工程建成后的日常生產運行準備好合理的層流運行路線。唐鋼新區鋼廠的設計方法，從以流程內各工序的靜態能力（容量）的估算和簡單疊加的靜態設計方法推進到以三流一態為目標的動態精準設計方法，即在他組織調控下按照一定的動態運行規則進行適時自適應，其涉及工序功能集合的解析-優化、工序間關系集合的協同-優化和流程中組成工序集合的重構-優化。動態精準設計方法如圖2所示。

傳統鋼鐵企業的鋼廠工程交付模式多依托于藍圖和文檔，會造成不同專業、不同類型文檔之間難以關聯整合，不利于工程信息的查閱與讀取，并且各類紙質文檔圖紙難以與工程后期數字化系統協同互通，導致鋼廠數字化生產運營的數據基礎難以構建。因此，在產業升級和發展新質生產力的時代背景下，唐鋼新區為實現鋼鐵企業全生命周期的數據流通，從規劃設計開始就基于動態精準設計，應用建筑信息模型技術，將唐鋼新區設計中涉及的所有專業放在同一模型中，采用Bentley軟件以1∶1方式及真實尺寸對生產專業設備、電氣外網、水外網、動力外網等進行三維模型建立，并通過三維模型進行合理性檢查及碰撞檢測，保障唐鋼新區工程設計的合理準確和連續緊湊。由于唐鋼新區采用的是長流程生產工藝，投資大、專業面廣、工程復雜，設計建設過程中涵蓋總圖、工藝、建筑、結構、動力、機械、水道、電氣等專業，因此，在數字建模過程中采用“串行+并行”的協同設計方式，以實現各專業快速協同設計，為唐鋼新區物理空間的靜態結構框架以及動態運行的路徑、軌跡和時-空邊界打下了堅實基礎。

為發揮唐鋼新區臨海靠港優勢，在總圖布置主體工藝路徑時，綜合考慮廠區內外部條件，通過貫徹動態精準設計方法，構建形成了由南向北依次布置的封閉式C形料場、直徑為120 m的封閉式圓形料場、2臺360 m2燒結機、2臺624 m2帶式球團焙燒機、3座2922 m3高爐，并由高爐自西往東依次進行煉鋼和軋鋼的廠內建設，實現各生產工序的緊湊連續，不僅減少了物質流的運行時間，還降低了因運輸距離長而導致的能源耗散，更便于唐鋼新區全流程的互通和管理。同時，大量采用物性轉換的“界面”技術、能量-溫度轉換的“界面”技術和物流運行的時-空“界面”技術等，如一罐到底、一包到底、無人天車、輥道輸送、封閉皮帶傳輸等，實現物質流、能量流通路的簡捷化，優化相關的、異質異構的一系列制造單元（工序）之間的非線性相互作用關系，以及物質流的效率和速率。同時，構建形成了唐鋼新區全廠能源利用系統，建設采用煤氣發電的2套78 MW高溫超高壓帶一次中間再熱機組及1套100 MW超高溫亞臨界中間一次再熱機組。另外，還在燒結區域利用燒結環冷機中的低溫廢氣，建設1套25 MW余熱發電機組。根據全廠飽和蒸汽供應及平衡情況，在煉鋼區域建設1套22 MW凝汽式飽和蒸汽發電機組。結合場區的具體情況，在滿足規劃、安全、消防的情況下，在煤氣綜合管理區域自西向東、自北向南分別布置煤氣防護站、煤氣混合站、煤氣加壓站、1座30萬m3稀油密封圓形高爐煤氣柜、2座15萬m3橡膠膜密封轉爐煤氣柜、1座5萬m3稀油密封圓形焦爐煤氣柜，由此可充分發揮唐鋼新區能源轉換功能，合理利用全廠各個生產工序中產生的余熱余能，實現能源的梯級利用和循環使用。通過運用動態精準設計方法，使得建成后的唐鋼新區物理空間總圖布置緊湊、功能分區明確和生產流程順暢，為全流程動態有序、協同連續運行起到“鋪路架橋、快速貫通”的作用。同時，總圖噸鋼用地指標實現0.53 t/ m2，噸鋼投資4800元/t， 該指標處于國內外同級別鋼廠的領先水平。為解決鋼廠建設過程中數字技術與鋼鐵全流程深入融合的問題、新一代流程鋼廠各工序高效銜接問題、鋼鐵工程項目管理手段不統一的問題，研發出了綠色智能鋼廠融合協同的工程建設方法，唐鋼新區綠色智能鋼廠建設路線如圖3所示。

3 動態精準設計方法在唐鋼新區的應用實踐

以動態精準設計為指導的唐鋼新區，在利用建筑信息模型技術提高物理空間自組織性的同時，在信息空間對全流程各個設備進行數字化，便于與物理空間進行數據流轉，并通構建工廠數據庫平臺的數采網關，利用Netshare共享文件采集軟件、IOT-DataBus高性能中間件等實時收集各個設備的PLC、ODG，以及其他設備系統數據，保障各個設備控制系統的生產數據、能源數據、設備狀態的實時數據和緩存數據統一集成到工廠數據庫平臺，打破數據孤島和數據壟斷，并讓數據有清晰的定義和統一的結構，為數字化、智能化系統提供數據供給，目前已實現數據采集率達100%，數據采集周期不超過1 s。為實現全局動態調控，在工廠數據庫平臺的基礎上，構建了一體化高級計劃排程、全流程實時動態調度、全流程工藝數字化和設備智能運維平臺，實現鐵素流的物質銜接性和全流程連續化運行時間的最小化，以及實現能源精細化管控、全廠能源利用效率提升和能源耗散降低。由此，不僅提高了唐鋼新區信息空間的他組織力，還融合了唐鋼新區物理空間和信息空間。

唐鋼新區信息物理系統如圖4所示。

唐鋼新區信息物理系統是集成先進的感知、通信、計算、控制等數字技術構建的一套基于數據自動流動的狀態感知、實時分析、科學決策、精準執行的賦能體系，可使信息空間與物理空間中的人、機、料、法、環主要要素進行相互映射、實時交互和高效協同，使系統內的資源配置和運行可以按需響應、快速迭代、動態優化，解決生產制造和能源耗散過程中的復雜性、不確定性問題。唐鋼新區信息物理系統可實現動態精準設計應遵循的設計原則，即物質流在長時間范圍內動態、穩定、均衡地匹配相等、全流程整體運行時間最小化、能源耗散減少而使流程能耗最小化，這是三流一態的重要標志。動態精準設計應遵循的設計原則可用式（1）～式（3）聯立在一起體現。

Q_PF=Q_FN，Q_F=Q_IN，Q_I=Q_CC=Q_rh=Q_ro（1）

∑t1^set+∑t2^set+∑t3^set+∑t4^set+∑t5^set→min（2）

∑E→min（3）

式中：QPF、QFN分別為鐵前系統平均每分鐘原料供應量、需求量，t/min；QF、QIN分別為煉鋼系統平均每分鐘出鐵量、需鐵量，t/min；QI為煉鋼系統平均每分鐘供鋼水量，t/min；QCC為連鑄機平均每分鐘鑄坯輸出量，t/min；Qrh為加熱爐平均每分鐘鑄坯輸出量， t/min；Qro為軋機運行時平均每分鐘軋制量，t/min；∑為生產物質流在流程各工序、裝置中通過所消耗的實際運行時間總和；∑為生產物質流在流程網絡中運行所消耗的各種實際運輸（輸送）時間總和；∑為生產物質流在流程網絡中運行所消耗的各種實際等待（緩沖）時間總和；∑為影響流程整體運行的各類檢修時間總和；∑為生產物質流在流程網絡中運行時間出現的影響流程整體運行的各類故障時間總和；∑E為噸鋼綜合能耗（以標準煤計），kg/t。

動態精準設計高度重視子系統與子系統之間、節點與節點之間的銜接匹配關系、層流運行的關系、緩沖協調關系乃至簡捷順暢關系。為實現流程網絡的簡捷化、流程運行的順暢化，唐鋼新區鋼鐵制造流程的集成創新不僅包括制造流程物理系統的集成創新，還包括信息系統的集成創新。

3.1 一體化計劃排程

在面對多品種小批量的生產訂單時，既要使生產計劃符合各設備的實際產能，以確保生產質量穩定和連續高效經濟運行，也要平衡前后設備的生產計劃，使得設備產能發揮最大化，還要確保銷售訂單按客戶需求時間進行交付。針對鋼鐵企業生產計劃排程問題，唐鋼新區通過將人工智能與大數據等新技術與銷產轉換和生產計劃優化推薦進行深度融合，構建了先進的一體化計劃排程系統，建設由批量生產計劃和全局/件次計劃排程引導的生產模式，進而快速響應客戶訂單需求，優化生產計劃和執行，為產銷和質量管理提供有效支撐。該系統采用全局和件次的分層優化模型，利用智能算法確定訂單在不同工藝路徑上的最優分配方案，通過考慮每個工序的產能約束、物料庫存、設備檢修計劃、工藝路徑和物流平衡等因素，實現需求訂單中各個品種鋼的最佳產量分配和時序分配，確保生產資源的高效利用和訂單交付的準確性。通過構建全面的產線工序能力模型，依據訂單產品類型、當前產能利用情況、庫存情況、原材料供應情況等多維度信息，智能預測訂單的最快交貨期、計劃交貨期和最遲交貨期，并且系統自動評估產線在指定交貨期內完成訂單的可行性，輔助業務人員做出最佳決策。通過多工序協同計劃排程技術，實現多工序生產計劃的統一查看和監控，各工序生產進度、產能利用情況、設備狀態和物料供應情況等關鍵信息的實時顯示，幫助管理層進行跨工序的生產協同和資源調度，最終實現計劃排程時間縮短20%，板坯平均庫存降低15%。同時，全流程實時動態調度也需要一體化計劃排程的支撐才能發揮最大功效。一體化計劃排程系統技術路線如圖5所示。

3.2 全流程實時動態調度

針對鋼鐵流程運行規律復雜和生產作業計劃實時調整要求高等問題，唐鋼新區以全流程一圖貫通、全廠生產狀態一圖描述、全流程智能化調度一圖指揮為核心，構建了全流程實時動態調度系統。該系統橫向上協同了全流程全部生產工序，是一體化高級計劃排程與生產設備控制系統進行溝通的核心。通過多智能體技術，開發了全流程動態網絡仿真模型，確保鐵素流的物質銜接性和全流程連續化運行時間的最小化。全流程實時動態調度系統利用多智能體技術、圖論、Petri網等數字技術，通過AnyLogic等仿真軟件建立全流程動態網絡仿真模型；同時，通過歸納鋼鐵生產工序界面協同、流程動態有序運行規則，構建起規則數字化知識庫，而后將規則數字化知識庫作為動態仿真模型關鍵技術的輸入，通過引入各區段流程模型，完成場景分析、定量解析和實時優化。該系統可基于仿真平臺的作業計劃，采用智能化制定與動態調整技術，通過運籌學理論和啟發式規則構建動態調度模型進行全流程智能排產，實現在線動態優化調度。在鋼鐵制造流程中，各制造單元以及相關制造單元之間起到鏈接件功能的界面技術的集成，將通過唐鋼新區首創的全流程物質-能量-時間-空間-信息五維動態甘特圖的優化呈現出來，實現各生產單元之間協同-緩沖-鏈接-穩定的互動關系，以此顯著縮短不同工序間的傳擱時間，減少過程溫降，提高流程運行效率。另外，該系統根據實時生產信息，建立了分鐘級鐵素流流量預警模型，對可能產生的生產堵點進行預警和提示，通過信息顯示、工控條件設定和生產過程調整消除非必要生產節奏波動，確保了在線生產順行，保證了鐵素流的物質銜接性。全流程實時動態調度系統的構成如圖6所示。

該系統上線運行后，鐵水運輸時間由123 min降至81 min， 鐵素物質流從KR進站到連鑄開澆時間由171.8 min縮短至155.6 min， 實現生產物質流在流程網絡中運行時所消耗的各種實際運輸時間的總和以及實際等待（緩沖）時間的總和最小化。

3.3 全流程工藝數字化

為使生產設備對物質流處于最優加工時間并獲得良好的鋼鐵產品質量，唐鋼新區通過對象和過程數字化，并根據生產工藝和相關數學模型對冶金全流程上的設備進行優化設定。1）燒結控制系統。應用配料模型實現燒結的精準配料，基于燒結機風箱溫度對燒結終點進行預測和控制，優化燒結過程控制，提高燒結溫度命中精度，降低能源消耗提升燒結礦質量。2）高爐控制系統。基于原料成分進行高爐的精準配料，并進行高爐上料的物料追蹤，根據熱負荷和其他工藝參數變化，通過高爐模型監視和調控高爐爐體和冷卻設備的工作狀態。3）轉爐煉鋼系統。唐鋼新區轉爐煉鋼系統由副槍模塊、音頻化渣模塊和煙氣分析模塊共同組成，通過3個模塊的集成，使得煉鋼全程無人化和智能化，減少因人為因素導致的冶煉過程不良波動，進而降低原材料消耗，縮短冶煉周期，實現煉鋼效率提升和終點命中率的提高。4）一鍵精煉系統。針對不同鋼種，通過專家模型和數學模型規范精煉各操作和運行環節，實現精煉過程的實時跟蹤與檢測，提高精煉各環節的控制精準度，提高鋼水成分控制精度。5）加熱爐控制系統。基于加熱爐加熱工藝，在進行爐溫設定時，充分考慮實際生產過程板坯冷熱混裝、閉環精度較差等因素，將每塊板坯鋼種、規格、溫度和出爐目標溫度、剩余在爐時間等因素進行權重解耦計算。板坯溫度預報按照機理模型分析、在線適配模型調整、試驗參數校正、鋼溫反饋計算、工況智能識別等流程，在保證溫度計算準確性和智能適應性的同時，使加熱爐整個燃燒過程的各個環節自動可控，在降低能耗的同時提高板壞加熱質量。唐鋼新區的全流程工藝數字化橫向貫穿鋼鐵生產過程各個設備，覆蓋率高達98.6%，保障和實現生產物質流在流程各工序、裝置中通過，所消耗的實際運行時間最小化。唐鋼新區典型的工藝數字化匯總情況見表1。

3.4 設備智能運維

唐鋼新區設備智能運維平臺的目標是通過預測性、前瞻性維護減少設備突發事故，將設備停機計劃的隨機性和不確定性轉變成可控和可預測，避免非計劃停機造成的生產連續性中斷；提高人員工作效率，替代人員點檢，降低設備點檢人員的工作負荷；以數據為驅動進行設備管理和預測性維修。智能設備運維方式演變過程如圖7所示。

唐鋼新區設備智能運維平臺由設備全生命周期管理系統和智能點檢維修系統構成，主要圍繞提質增產創效、保障設備高質量的長久安全穩定運行。1）設備全生命周期管理系統。按照設備全生命周期管理思想，覆蓋設備選型到設備淘汰或報廢的整個過程，將各個設備的相關業務數據整合到統一的數據庫，實現設備數據資源的統一化管理，對設備全生命周期做到精細化管理。以設備地理信息和設備型號為基礎，建立以大數據為支撐的周期性維護體系，實現狀態及精度監測管理和周期性維護管理的管控模式。對備品備件進行全生命周期管理，建立指標預警體系、設備運行預警體系和庫存預警體系，通過將備件壽命分析、庫存采購分析、故障分析進行流程化、標準化、數字化，使得有關業務模型具有全局性，進而實行全面管控，提高整個企業的設備管理水平。2）智能點檢維修系統。通過唐鋼新區搭建的工廠數據庫，構建了覆蓋全流程的設備點檢維修系統，利用物聯網技術將全流程監測設備的儀表數據集中到工廠數據庫，實現對設備的狀態進行感知。將存儲在工廠數據庫的實時數據和歷史數據，通過大數據模型實現數據的實時分析以及關鍵隱藏信息的挖掘，將數據作為設備分析模型的輸入值。同時，將設備故障和故障維修知識固化到運維數字化規則庫中，通過設備分析模型對全廠現場設備進行實時監控和異常預警，異常預警可靠性達85%。當監測設備的儀器數據出現較大異常波動時，報警信息會通過微信推送給指定業務人員，保障了信息傳遞的高效性和及時性，并通過多人遠程協助的工作模式高效協同設備廠家和專業專家幫助現場維修人員處理設備異常，使得工作效率提升20%。同時，保障設備全天候實時監控和快速響應，系統運行可靠性達到99%，并且使設備突發故障持續時間降低20%，實現維修成本降低15%。設備智能運維平臺實現了影響流程整體運行的各類故障時間和檢修時間的最小化。

3.5 能源精細化管控

為確保不同能源介質調度的獨立性和相互之間的調度安全，完成對能源介質運行過程的管理與控制，以及產線生產與動力介質之間的協同，依托智能化調度、協同化管控、無人化值守、集中化管理，唐鋼新區圍繞鋼鐵生產過程中的能源介質，構建了覆蓋全流程工序和配套公輔設施的能源精細化管控系統，在確保鋼鐵制造無延遲和無斷檔的前提下，進行集中一貫制管控，達到提高全廠能源利用效率、降低能源耗散的目標。該系統通過構建的主要工序能耗預測模型，可分析現有技術條件下主要工序的理論最小能耗，從而進一步挖掘工藝的節能潛力。同時，建立了全流程層次上的能量流輸入-輸出模型，用于研究能量流產生-儲存-輸送-分配-緩沖-使用-回收-再使用排放等各環節的不平衡性。另外，構建了與物質流聯動的能量流仿真平臺，為多場景能源計劃、多尺度多視角能效評估和多介質能源調配提供工具支持，而后通過全流程生產能源協同優化和動態調配技術，依據全流程實時動態調度預測各種能源介質消耗-回收-緩沖態勢，進行煤氣-蒸汽-電等能源介質的動態調配和高效轉化，保障鋼鐵制造過程順暢、能源調度控制精準，完成能源的精細化管控。唐鋼新區能源管控系統架構如圖8所示。

唐鋼新區通過建立以數據為驅動的能源精細化管控系統，解決了傳統企業存在的能源調度不合理和能源放散問題，同時綜合電量需求、分時電價及能源價格，適時將煤氣存儲于煤氣柜，實現電價谷時存氣少發電，電價峰時用氣多發電，自發電比例最佳水平可達90%以上，支撐鋼鐵生產全流程用能的優化配置和高效供應。由此，將傳統的粗放能源管控轉變為精益化管控，調度職能從經驗型轉變為分析型，降低全流程能源介質耗散，實現噸鋼綜合能耗（以標準煤計）為539.75 kg/t， 使唐鋼新區能效水平處于國內領先。

4 結論

1）相較于傳統的靜態能力估算和不同富余系數假定的鋼廠靜態設計，基于冶金流程工程學的動態精準設計對推進鋼廠動態有序、協同連續運行具有重要的理論支撐和現實意義。在鋼鐵行業進行產業升級過程中，應以動態精準設計指導鋼廠的設計和建設。

2）從物理側和信息側共同發力，相向而行，通過系統層面的集成優化，實現了唐鋼新區物質流在長時間動態-穩定-均衡的匹配、全流程整體運行時間最小化、能源耗散減少而使流程能耗最小化。

3）以動態精準設計方法構建的唐鋼新區信息物理系統，可使系統內的資源配置和運行按需響應和動態優化，解決生產制造和能源耗散過程中的復雜性和不確定性問題。唐鋼新區綠色智能鋼廠的建成為鋼鐵行業提供了示范樣板。

本文摘自《中國冶金》 2024 年第 12 期