5G智能化炼钢系统应用实践

翟宝鹏，金鹏，高大鹏，宋伟豪，孟婷婷，江山，王琦，魏梓轩

（鞍钢集团信息产业有限公司，辽宁 鞍山 114000）

近年来，随着经济的快速发展，我国钢铁产量迅速增长，钢铁产能连续多年排名全球首位。但是钢铁工业能耗大，环境污染和原材料浪费严重等问题束缚了我国钢铁企业提高国际竞争力，制约着钢铁工业的良性发展［1］。为提高我国制造业竞争优势，加速制造业转型升级，助力我国由制造大国向制造强国迈进，国家提出了《中国制造2025》发展规划，钢铁行业积极布局智能制造项目，2015-2018年，共有包含宝钢、鞍钢、河钢等9个智能制造项目被工信部列为 “国家智能制造试点示范项目”［2］。鞍钢股份有限公司炼钢总厂三分厂5号线于2015年1月建设投产，炼钢系统整体配备了副枪、声呐检测、吊车定位与钢水罐定位、下渣检测、PLC及集控设备等，但是实际生产中仍对人工操控较依赖，不利于生产效率与产品质量的提升。为了实现炼钢工序向智能化精细生产转型升级，降低生产成本，对该生产线进行了智能化炼钢系统建设，取得较好效果。

1 炼钢工序原来存在的问题

（1）供货厂商繁多，设计范围、通讯标准各不相同，新旧设备之间数据未能实现互联互通。

（2）一、二、三、四级计算机网络数据通讯协议复杂，很多数据不能自动接收和传送，仍需人工处理。

（3）虽然实现设备集控，但是设备自动化程度不高，仍依赖人工操作。

（4）生产管理信息系统不完善，部分生产数据未进入到鞍钢ERP系统和调度中心。

上述原因使得炼钢生产未能实现上下游统一调控，转炉冶炼钢水各项检验指标受人为因素干扰影响较大，阻碍了转炉自动化生产水平的进一步提升。

2 智能化炼钢系统建设

2.1 自动控制系统改造

原有一级PLC系统仅有静态控制功能，为实现智能化炼钢系统的实时控制功能，对一级PLC系统进行改造。转炉电气PLC、仪表PLC、副枪PLC、合金PLC等实现了重新组网，与二级服务器、声呐系统、“精钢云”平台实现了高速、稳定、低延时互联互通，实现了云端对氧枪、副枪、料仓等设备的实时控制。

2.2 系统通信建设

应用炼钢总厂厂区基于4.9 GHz频段的5G钢铁专网进行智能化炼钢系统通讯传输。该专网采用SA组网模式+MEC边缘计算架构，通过在厂区机房内独立建设边缘计算设备（MEC）与“精钢云”平台进行对接，实现数据不出厂，保障工业数据和生产信息的安全。5G钢铁专网见图1。

图1 5G钢铁专网Fig.1 5G Special Network for Iron and Steel Enterprises

2.3 系统网络与功能架构

智能化炼钢系统网络架构如图2所示。5G通讯技术具有高速率、低时延、广连接的特点，5G钢铁专网打通鞍钢集团一、二、三、四级计算机网络，解决了无线终端、声呐、摄像头等设备与各计算机层级通讯问题，畅通上下工序信息通道，解决长流程工序衔接问题。智能化炼钢系统功能架构分三大层次建设：本地执行层、生产监控层和云端，如图3所示。

图2 智能化炼钢系统网络架构Fig.2 Network Architecture for Intelligent Steelmaking System

图3 智能化炼钢系统功能架构Fig.3 Functional Architecture for Intelligent Steelmaking System

2.3.1 本地执行层

本地执行层以一键式智能化炼钢为核心建设目标，分为声呐氧枪控制模块、副枪自动测试模块、自学习投料模块、智能终点控制模块四部分。

（1）声呐氧枪控制模块

声呐氧枪控制模块由计算静态枪谱、声呐信号分析、控制氧枪枪位、控制氧气流量四部分组成。研究表明，特征频率的声强与渣面水平有关，噪声中心频率主要取决于转炉的尺寸，现场其他共鸣条件和各种干扰源。噪声强度等级取决于炉渣水平面距氧枪枪口的距离或浸入程度所引起的衰减。吹炼开始时噪声强度很高，与转炉的低渣面相一致，随着吹炼造渣的进行，渣面逐渐升高，噪声等级逐渐下降。选出特定转炉吹炼时能代表渣面变化的“特征”噪声信号，滤除和抑制杂散干扰后，如果噪声信号大幅度下降，则表示炉内泡沫急剧增多，即所谓“喷溅”现象；反之，噪声等级在吹炼几分钟以后又出现增大的现象，就意味着炉内泡沫的减少，即所谓“返干”现象；如无明显变化，则证明此时炉内化渣良好。

（2）副枪自动测试模块

副枪自动测试模块由探头种类选择、探头自动安装、TSC自动测试、TSO自动测试四部分组成。

副枪是重要的转炉冶炼检测设备，是一键式智能化炼钢的重要组成部分，每炉钢水的冶炼通常需要过程测试（TSC）、终点测试（TSO）两次副枪测试。

（3）自学习投料模块

自学习投料模块由自学习参数、碱镁平衡计算、热平衡计算、料仓自动控制四部分组成。

通过云端智能专家系统对历史数据的分析与优化，确认自学习参数；通过碱镁平衡计算确定熔剂种类及加入量［3-4］；通过热平衡计算选择降温材料或升温材料并计算出其加入量；通过料仓自动控制将各熔剂与降温材料或升温材料通过模拟人工手动加入方式，多批次小批量适时加入炉内，防止因加入批次、单批次加料量、加料时机的错误计算与错误执行，对造渣造成不良影响。

（4）智能终点控制模块

智能终点控制模块由计算冶炼目标、计算实时碳温、料仓自动控制、终点自动控制四个部分组成。

终点自动控制是通过七段论转炉冶炼终点控制法生成转炉终点操作指令，通过在转炉电气PLC、仪表PLC编写转炉终点控制程序及增加通讯接口，实现冶炼终点自动控制。七段论包含了转炉冶炼终点可能出现的七种状态，各种状态都给出合理的解决方案，在保护设备安全的前提下，可实现任何情况下最理想的碳温平衡输出结果。

生产监控层包括转炉监控系统和工业大数据平台两大部分。

（1）转炉监控系统

转炉监控系统包含HMI人机界面和专家指导两部分。

HMI人机界面包括生产控制和状态监视。生产控制包括对氧枪控制参数进行设定、副枪过程测试时机设定、冶炼终点判断原则设定、终点测试等候时间设定等参数设定。状态监视包括氧枪吹氧过程曲线、声呐曲线、副枪测试氧副枪联动曲线、冶炼后期碳温实时曲线等冶炼数据动态监视。

专家指导作为智能专家系统的本地端，拥有决策指导与闭环控制两种模式，既可以由系统设置为智能专家系统直接执行分析优化后的生产指令，也可以设置为只为生产操控人员提供操作指导。当操作人员选择自动控制模式时，智能化炼钢系统根据生产状态自动启动运行，根据智能专家系统分析优化后发送的生产指令，自动进行氧枪、副枪、料仓及冶炼终点自动生产控制；当操作人员选择手动操作时，专家指导系统将给出推荐计算结果，为操作人员提供决策指导。

（2）工业大数据平台

工业大数据平台作为系统数据核心，主要包括数据接入、数据集控、数据过滤、数据存储四大部分功能。

（2）标准之间存在交叉、矛盾和冗余。一般油田企业的标准体系中，既包含油气储运专业的国标、行标和企标，同时也包含其他如工程建设、仪表自动化、安全环保、计量等专业的国标、行标和企标。这些标准的制定部门不同，制定时间不同，制定背景也不同，导致标准之间缺乏协调，不可避免的存在交叉、矛盾、冗余和不符合实际需要之处。[3]

数据接入包括一二级系统数据实时通讯和三四级系统数据实时通讯，二级向一级延伸（转炉倾动系统、氧枪系统、副枪系统、料仓系统、煤气回收系统等）、三级向四级延伸（化检验系统、MES系统等）的数据实时通讯功能。

数据集控包括声呐数据集控，吊车定位数据集控两部分。通过将声呐仪表和吊车系统接入实时通讯网络，声呐数据、吊车数据实时写入数据库，将声呐信号和吊车信号接入数据集控平台，实现声呐数据和吊车数据接入智能化炼钢系统。

数据过滤包括数据清洗与数据整理。通过高效的过滤处理，抽取各环节的有效数据，将生产过程中的分散、零乱、标准不统一的数据整合到一起，将设备故障、仪表故障、人为操作失误等造成的错误数据进行清洗，避免对自动生产控制产生影响，为数据分析提供坚实的基础。

数据存储包括数据记录与参数维护。数据记录采用海量数据仓库管理及分布式数据处理技术，不但提高了系统的可靠性、可用性和存取效率，而且易于扩展。数据存储机制通过多节点的冗余处理有效保障了系统的数据安全。先进的流处理技术使得系统具备高速的数据采集能力，满足钢铁企业各生产车间，尤其是毫秒级数据采集存储需求。数据存储后形成数据湖，为数据挖掘，工艺改进，生产问题查询，模型优化提供了数据基础。

采用数据集控平台与数据库孪生技术实现炼钢冶炼参数与数据传递，不但提高了系统的可靠性，而且提高了大数据平台数据传递效率。先进的流处理技术使系统具备高速的数据传递能力，满足HMI人机界面、一键式智能化炼钢控制模型、云端的参数运算需求。

2.3.3 云端

云端即利用“精钢云”搭建的智能化炼钢支撑系统，主要功能为炼钢工业大数据的管理和对本地算法模型进行训练优化，包含大数据管理、模型优化、质量判定、指标分析系统四部分。

（1）大数据管理系统

大数据管理系统收集所有工序的生产、控制、工艺、能源介质、设备运行、质量参数等数据资料，将这些多源、多类型数据经过清洗和转换形成统一格式存入数据仓库。此外，大数据管理系统将收集订单、技术协议、产品质量、原料成本数据形成钢铁产品全生命周期大数据，收集炼铁、预处理、转炉、氩站、精炼、连铸等全工序大数据，为后期数据挖掘、模型开发提供数据湖。

（2）模型优化系统

在大数据湖的基础上，通过数据挖掘，利用云端算力优势进行智能化炼钢参数自优化计算。通过云边数字孪生技术进行智能化炼钢系统参数动态更新，实现智能化炼钢生产工艺参数在线动态优化。

（3）质量判定系统

利用大数据湖对影响钢种质量的数据进行分析，根据钢种作业指导书，对转炉生产工序质量进行预判，提出操作建议。

（4）指标分析系统

利用大数据湖对影响成本的钢铁料、白灰单耗、氧气单耗等指标进行分析，当指标异常时，通过HMI画面及声音报警等方式对现场生产进行提示。

3 应用效果

3.1 钢水质量控制水平提高

智能化炼钢系统于2021年底在炼钢总厂三分厂5号线改造完成投入使用。统计了9罐SPCC钢种冶炼数据见表1所示。由表1可以看出，钢水终点碳含量和终点温度基本达到目标要求，不低于人工控制水平。

表1 SPCC钢种冶炼数据Table 1 Smelting Data of SPCC Steel Grade

该系统已稳定运行近一年，实现了冶炼过程模型数据动态可视化和一键式炼钢，减轻了劳动强度，提高了炼钢质量控制水平，钢水一次拉碳命中率从投入前的92.3%提高至96.5%，减少了点吹冶炼时间。

3.2 经济与环保效益显著

智能化炼钢系统精准控制炼钢过程，通过降罩冶炼，提高了烟气中一氧化碳回收率；通过提高一次拉碳命中率降低氧气消耗量，优化石灰石与活性石灰配比，降低了生产成本。降低原材料损耗和生产能耗，减少有害废气废物的排放，符合国家“碳中和”绿色发展规划，取得较好的经济与环保效益。

4 结语

随着“中国制造2025”、“碳中和”等发展规划的相继提出，国内各大钢铁企业都在加快提升自身数字化、信息化、智能化水平，摒弃过去粗放式钢铁生产模式，向低碳环保、高效率、高质量的智能化精细生产方式转型升级。鞍钢股份有限公司炼钢总厂智能化炼钢系统建设应用后，提高了炼钢工序控制水平，钢水一次拉碳命中率由92.3%提高至96.5%，提高了烟气中一氧化碳回收率，降低原材料损耗和生产能耗，减少有害废气废物的排放，取得较好的经济与环保效益。