中冶京诚：钢铁工业全流程智能过程控制系统

在新一代钢铁工业智能制造体系架构中，智能过程控制系统是承上启下的关键，是实现自学习、自适应的优化控制技术的核心所在，也是全面实现智能工厂的基础。智能过程控制系统融合各工艺阶段特点，立足工艺模型，结合最新计算机技术，支撑智能工厂实现由点到面的全面优化管控，挖掘钢铁企业最大生产潜力，为企业实现全面智能化奠定了基础平台。

中冶京诚集近70年为国内外众多大中型钢铁企业提供工程设计和实施的丰富经验，全新打造了覆盖原料场、烧结、高炉、炼钢、连铸、轧钢等钢铁工业全流程的智能过程控制系统；通过结合先进的模型算法和智能化控制技术，有效标准化企业的操作和智能化调节控制，实现了各工序生产过程的自动化、少人化和智能化闭环管理，并稳定和提高了产品质量；通过在生产过程的各个阶段结合智能控制模型，从企业生产管理系统接收企业生产计划、质量标准、工艺控制标准等信息，根据企业计划调度安排统一组织生产，实现全流程智能化生产控制（图1）。  

图1  钢铁工业全流程智能过程控制系统 

智能原料场过程控制系统

智能原料场过程控制系统以“堆取料机智能作业”为核心，由自动生成循环作业菜单和全自动的料堆三维扫描成像技术形成堆取料机的智能作业计划，最终实现堆取料机的全程无人智能化作业。

详细功能包括计划管理、作业指令、仓群管理、运行管理、库存管理、设备管理和质量管理等。通过料场综合调度管理平台实现料场的来料、送料、混合作业，采用旋转分层自动切入控制策略实现堆取料机自动化作业，结合智能物流技术、自动道闸控制、移动终端导引、自动化称量实现网络物流智能化；通过三维数字化扫描盘点动态反映料场库存信息，依据物料特性参数计算最大堆料量等核心技术实现料场智能化管理，全面提升优化钢铁企业物流效率，合理优化料场库存结构，提高料场生产运转效率，保证后续烧结、高炉等下游冶炼工序的生产节奏（图2）。

图2 无人化智能料场

高炉专家系统

中冶京诚高炉专家系统是建立在人工智能、专家知识库、模糊推理等技术基础上，适合我国高炉炉料结构和冶炼特点的智能化专家预报系统。高炉专家系统根据大量的高炉设计和实施经验，充分结合大数据技术，提炼出多个系列的专家规则组，可对高炉炉热状态、燃料比消耗、各种事故预警进行整理归纳分析，实现事前预报、事中建议，事后分析，全面满足高炉炉长操炉需要。通过自动分析高炉的各项生产工艺参数，对高炉悬料、偏料、炉凉等各种异常炉况进行提前预报，并给出高炉调节建议，减少炉况波动，阻止异常炉况发生，协助工长维护高炉顺行，同时，通过智能化、标准化的操作，减少燃料比消耗，保障铁水温度成分稳定、产量稳定，更好地满足下游炼钢生产要求，提高全流程经济效益（图3）。

图3  高炉专家系统

智能炼钢过程控制系统

智能炼钢过程控制系统包含铁水预处理、转炉、精炼等工序，可对炼钢全流程各工艺段的冶炼物料添加、冶炼事件、吹炼节奏、冶炼终点温度和成分进行全自动智能化一键炼钢。

核心冶炼模型包括：转炉原辅料计算模型、转炉合金加料计算模型、转炉吹氧控制模型、转炉碳含量及温度预测模型、精炼合金计算模型、精炼成分预报模型和精炼终点温度预报模型等。通过上述动态模型和静态模型的结合，实现对各冶炼工序产量、质量和成本的全方位管控。转炉终点碳含量及温度预测双命中率均达到90%以上（图4）。

图4  炼钢冶炼过程跟踪

智能连铸过程控制系统

智能连铸过程控制系统包含自动开浇控制技术、在线调宽技术、结晶器专家系统、凝固传热模型、二冷水模型、软压下模型、重压下模型、质量跟踪判定模型、切割优化模型、混钢跟踪模型等全系列的控制技术和优化模型。

二冷水模型和轻压下及重压下模型结合凝固传热原理，采用有限差分算法，从结晶器弯月面开始计算，直至二次冷却结束，跟踪铸坯整个冷却过程。模型控制能抑制异常干扰对冷却效果的影响，最大可能地减少铸坯表面温度波动，温度控制偏差在±30℃，同时，准确地计算凝固终点位置，通过动态轻压下设定控制精度在0.2mm，使铸坯内部晶粒破碎和滑移，可得到较细的晶粒，降低铸坯中心疏松和偏析，大大提升内部质量。系统在兴澄特钢、河北钢铁、南京钢铁、柳州钢铁等多套板坯连铸机、方圆坯连铸机上得到应用，其中厚板连铸坯断面最大为450mmx2600mm，矩形断面达到410mmx530mm，圆坯直径达到1000mm。

质量跟踪判定模型结合连铸生产的各项工艺标准，针对连铸坯的表面质量、内部质量、夹杂缺陷等典型缺陷建立专家判定规则，通过大数据算法优化各缺陷判定规则组的参数组成和权重系数，实现连铸全过程质量动态跟踪和在线铸坯质量判定（图5）。

图5  连铸动态二冷水模型 

智能行车管理系统

作为炼钢车间的核心运转设备，行车的智能化调度是实现炼钢车间内智能物流管理、保障整个炼钢物流跟踪连续性的重要手段。

智能行车管理系统通过编码电缆实现炼钢车间各跨行车位置的精准定位，通过对行车位置及起包、放包动作跟踪，实现对整个炼钢车间内钢包和铁包的冷修、热修、烘烤、上线周转的全生命周期管理，实现寿命自动预警，保障钢包和铁包的使用安全。

同时，系统结合各工序的冶炼状态以及钢包的周转情况，实现智能化的天车调度作业和钢包配包管理，实现天车作业的优化分配、合理调度和均衡作业，合理提高钢包调度的精准度，延长钢包的使用率和使用寿命，确保生产顺利进行。

无人天车控制，主要通过天车自动运行，提高运行的可靠性和生产效率；减少天车运行过程中的人为干扰因素，减少人力资源投入；为实现“黑灯工厂”奠定坚实基础，大量节省电能消耗。天车自动运行系统包括天车定位、无线数据传输、防摆控制、车辆自动识别等系统。

通过对轧钢车间的智能行车与库存管理软件相结合，可实现钢坯、钢卷的智能化堆取作业、各行车分工和调度合理，避免作业冲突，在高自动化水平下实现智能化的调度指令，实现轧钢区库存智能化管理，真正提升作业效率（图6、图7）。

图6  智能行车跟踪

图7  智能库管

智能轧钢过程控制系统

智能轧钢过程控制系统包括钢管、高线、中厚板、棒线等智能控制系统，可全程跟踪控制物料接收、切割、加热、轧制、锯切、冷床、挂牌、入库和发运等生产工序，实现对设备、计划、作业、物料、能源等生产要素的智能化管理与监控，满足智能燃烧控制、轧制模型计算、智能盘库、跟踪定位等功能要求（图8）。

加热炉燃烧模型可根据钢种自动选择加热制度，实现加热炉的全自动燃烧控制，大大减低加热炉的操作强度，在提高钢坯加热质量的同时，可大量节省燃气消耗约5%。

棒材负偏差在线测量系统模型，可取代传统人工计算负偏差的办法，将负偏差公差带控制在5%以内，负偏差控制精度可提高0.2~0.4%，为用户创造了巨大经济效益，同时降低了对负偏差控制操作人员的技术要求。

穿水冷却温度闭环控制模型，可实现出口控温精度在±10℃以内，头尾不冷段长度视规格最小可控制在3圈以内，可精确控制轧件的头尾不冷段长度，减少头尾切损，极大提高成材率，使生产更加稳定。

厚板轧制专家模型，在轧制规程计算上采用集成化设计理念，将粗轧和精轧两个工艺过程看成一个整体，统一考虑成形、展宽和延伸三个轧制阶段的轧制过程，同时计算粗轧和精轧的轧制规程，可自由选择中间坯厚度，有效控制粗轧和精轧的生产节奏和轧制负荷。高精度的轧制力预报模型以及先进的自动厚度控制（AGC）算法，可以实现高精度的厚度命中率和同板差。对20mm以下钢板，厚度命中率一般控制±0.1mm以内，同板差（极差）控制在0.25mm以内。

图8  轧钢物料跟踪系统

应用及前景

中冶京诚全流程智能过程控制系统已经成功应用于首钢京唐、宝钢、江阴兴澄特钢、河北钢铁集团等国内众多大中型钢铁企业，为客户实现了全程自动跟踪、智能控制、智能分析和动态指导生产，运行效果良好，获得了客户的高度认可。通过充分结合云技术、虚拟化技术、人工智能技术进一步优化升级，可全面实施中冶京诚新一代钢铁工业智能制造整体解决方案，为推进互联网技术、大数据技术、人工智能技术与钢铁工业的深度融合，实现全流程自学习、自优化的智能钢厂奠定了坚实而有力的基础。