连铸生产线智能化方向的初步探究

何 冰，米进周，王旭英，蔡 运

(1.陕西铁路工程职业技术学院,陕西 渭南 714000;2.中国重型机械研究院股份公司,陕西 西安 710032)

·专题综述·

连铸生产线智能化方向的初步探究

何 冰1，米进周2，王旭英2，蔡 运2

(1.陕西铁路工程职业技术学院,陕西 渭南 714000;2.中国重型机械研究院股份公司,陕西 西安 710032)

针对目前工信部大力推进钢铁行业两化融合，开展智慧工厂和智能制造示范应用的规划,本文对连铸生产线实现智能化的具体内容进行了介绍。结合连铸生产线的特点,对连铸生产数字采集、连铸生产网络架构、连铸生产过程控制、连铸设备管理、连铸智能远程诊断这些方面如何应用数字化技术、网络技术、智能化技术以及物联网技术进行了介绍和探讨。这些先进技术在连铸生产线中的应用，使得生产过程从“闭环”走向“开放”，走向客户化定制,对生产过程中生产线设备形成全生命周期管理，对于连铸生产效率的提升、管理水平的提高以及产品质量的提升具有重要意义。

连铸生产线；智能化；网络结构

0 前言

钢铁产业作为国家的支柱性产业，根据工信部2015年2月发布的《原材料工业两化深度融合推进计划(2015～2018年)》总体部署,结合国务院2015年5月发布并即将实施的《中国制造2025》，以及工信部2016年11月发布的《钢铁工业调整升级规划(2016～2020年)》，其意味着2015年后工信部将大力着重推进钢铁行业两化融合，开展智慧工厂和智能制造的示范应用和打造。因此，探讨“中国制造2025”战略下钢铁行业两化融合、智慧工厂建设具有重要意义[1]。近年来，在两化融合的战略目标下，以信息化带动工业化，钢铁工业在生产过程自动化、智能化、管理信息化和管控一体化等方面都取得了进步, 中国冶金行业企业的信息化建设正走向一个新的高度[2-4]。冶金智能化具有以智能工厂为载体、以关键制造环节智能化为核心、以端到端数据流为基础、以网络互联为支撑等特征，可有效缩短产品研制周期，降低运营成本，提高生产效率，提升产品质量，降低资源能源消耗。

连铸生产线是钢铁生产的重要工序, 它是物理过程和化学过程的充分反应和实现，需要对信息网络系统建设进行特殊设计和考虑以及实施，通过核心物联网和信息采集传输系统的建设，对连铸生产管理中薄弱环节的提升、安全生产的监管、大数据统计和处理分析以及知识产权的保护将起到巨大作用。同时，借鉴德国工业4.0中的信息物理系统，实施数字化、网络化、智能化的制造系统，可以将传统连铸生产从一个封闭的生产环境转变为一个在信息交互和传感上开放的智能生产空间[5]。连铸生产线智能化系统主要包括有：数字信息采集、网络架构、连铸生产过程智能控制、连铸设备，消耗材料和产品智能管理、远程诊断快速技术服务。

1 连铸生产数字信息采集

计算机网络的迅速崛起，为数字化生产信息铺平了道路。连铸自动化系统将生产现场的物理量信号转化为数字量信号采集到可编程控制器中，可编程控制器再将数字信号进行处理后发送到HMI人机界面进行人性化显示，显示的形式有数字直接显示、棒图显示、曲线显示、3D图形显示及动画跟踪显示等。

同时，连铸过程控制系统(PCS)从可编程控制器中采集重要的设备状态数据、工艺数据和生产过程数据，再进行数据存储、信号处理、统计分析，形成一定格式的报表传送给炼钢制造执行系统(MES)和轧钢制造生产过程执行系统。目前,连铸生产数字信息采集系统已经非常成熟了。

2 连铸生产网络架构

钢铁企业信息化系统整体架构网络自上而下通常分为4层：企业资源计划(ERP)层、制造执行系统(MES)层、过程控制(PCS)层和基础自动化(BA)层。

钢铁企业资源计划系统是实现钢铁企业管理控制一体化、对企业资源(人、财、物及信息)进行整合、优化的系统。它是建立在信息技术基础上，以系统化的管理思想，为企业决策层提供决策运行手段的管理平台。此系统面向生产方面的功能是跟据销售订单来生成初步的生产计划和收集MES系统上传的生产实绩。

MES是介于ERP和过程控制系统PCS之间的系统，是管控一体化的桥梁， MES可以深入地将生产过程以及智能信息整合到企业管理运营当中，将生产管理信息传递到控制层。同时，MES负责将ERP生成的初步生产计划细化为各工序具体的日生产计划，并且动态地根据生产计划实施反馈信息对生产计划做实时调整[6-7]。

连铸过程控制系统是建立智慧型连铸生产线的重要部分，连接着连铸基础自动化(L1级)系统和生产制造执行系统(MES)系统，使生产信息化系统和生产基础自动化系统实现了一体化，它包括连铸生产计划的接收和执行、生产过程设备运行数据、工艺数据的收集、生产物料流程跟踪；同时,它应用多个连铸工艺数学模型优化生产,是提高产品质量不可替代的重要环节。

连铸基础自动化系统主要完成的功能有：将连铸生产现场的分布式传感器信号、仪器仪表物理量信号转化为数字量信号，集中输送到可编程序控制器中进行处理和存储；收集生产设备状态信息进行友好的人机交互显示；自动准确地执行系统设备动作指令和PCS系统下发的生产制造命令。

连铸生产网络系统应用的网络技术有：INTERNET网、信息局域以太网、工业以太网、工业无线网、物联网以及现场总线网技术。INTERNET网用于远程诊断快速技术服务系统；信息局域以太网应用在工厂ERP、MES及PCS系统；工业以太网主要应用在基础自动化系统，以适应连铸生产现场恶劣的工业环境；物联网主要应用在原材料、生产设备、最终产品的全流程跟踪管理；现场总线网主要应用于基础自动化层的传感器、仪器、仪表的信号采集和传送。

3 连铸生产过程控制

连铸生产过程控制系统主要包括连铸生产物料跟踪与制造命令执行系统和连铸生产工艺数学模型控制系统两个部分。

3.1 连铸生产物料跟踪与生产制造命令执行

3.1.1 连铸生产物料跟踪

连铸生产物料跟踪系统对各包钢水从到达连铸机回转台开始跟踪，直至切割成定尺铸坯，再经过多个处理工位，最后下线或热送。物料跟踪主要包括炉次跟踪、铸流跟踪、板坯跟踪三个部分[8]。

(1)炉次跟踪。炉次跟踪主要包括每一包钢水信息(浇次、炉次、钢种及钢水成份等)；钢水从到达回转台直到离开回转台的过程信息(钢包到达时间、离开时间、重量及温度等)。这些数据都保存到数据库中，将用于操作员查询、分析和报表生成；同时，系统根据预定规则自动进行异钢种连浇的混钢区长度计算。

(2)铸流跟踪。铸流跟踪从中间罐、结晶器、铸流支撑设备到板坯切割整个过程中的生产信息，系统会自动跟踪记录浇铸过程中的各铸流浇铸长度、拉速、中间罐温度、结晶器振频、振幅、水量及二冷区水量等；同时，系统自动根据生产计划在扇形段中预生成计划长度的铸坯号，并记录切割的铸坯实绩(包括坯号、炉次及坯序等信息)。这些数据均存入数据库中。

(3)板坯跟踪。板坯跟踪区域为从切割机开始到板坯下线或热送为止，收集每块铸坯经过的处理信息(包括喷号、去毛刺及称重等)；同时也收集上线板坯的信息。

3.1.2 生产制造命令执行

生产制造命令执行系统是过程控制系统接受MES系统下达的生产计划中的制造命令，从冶金数据库中提取相应的铸造设定参数，主要有一次冷却水设定参数、二次冷却水设定参数、结晶器振动设定参数、远程辊缝设定参数、切割定尺参数等下发给基础自动化系统来执行；同时，由切割实绩产生的铸坯号经过顺序跟踪后，自动发送到铸坯喷号机控制系统完成铸坯编号的喷印。

3.2 连铸生产过程数学模型智能控制

智能控制,使生产控制设备具有类似人的逻辑思考、判断推理、自主决策等能力。例如，设置智能I/O接口和智能工艺数据库，会给使用、操作和维护带来极大的方便。随着模糊控制、神经网络、灰色理论、小波理论等人工智能技术的进步与发展，为连铸智能技术发展开辟了广阔天地。就连铸生产线而言，用到智能化技术的系统主要包括冶金智能数据库系统、混钢浇铸控制系统、一键开浇智能系统、结晶器漏钢预报系统、在线铸坯质量智能评估系统、铸坯切割长度优化系统、动态二冷水控制技术和动态轻压下控制系统等。

智能冶金工艺数据库系统应用长期生产过程中积累的大量的实绩数据，根据一定的规则和智能化算法进行大数据分析、挖掘、提炼出新的适合既定连铸生产线的优化工艺数据存储到冶金数据库中。此数据库中包含了大量的专家经验，对连铸生产过程精确提升的意义很大。

结晶器漏钢预报系统在工程应用上，多采用热电偶检测结晶器内温度场分布的方法，使用人工智能技术(人工神经元网络)、多模型和多种技术直接在HMI显示屏上显示出结晶器内钢水及铸坯各部分的温度并以不同颜色显示(叫热成像图)，从而可直接观察出铸坯凝固结壳的物理状况。结晶器漏钢预报系统应用了神经元网络和模糊控制技术对长期生产中的漏钢事故大数据进行统计、分析，应用分析结果，对漏钢预报系统参数进行自学习优化修正，不断提高结晶器漏钢预报系统的准确率[9]。

在线铸坯质量智能评估系统中应用了连铸生产过程数据专家库、神经元网络和模糊控制技术等多个智能化手段[10]。由于生产过程中出现的质量相关异常事件与可能造成的铸坯质量问题之间的关系非常复杂，它包括了铸钢宏观外形变化、微观组织的变化，涉及到了复杂的铸坯受力力学性能理论、铸坯动态凝固传热理论等专业知识领域，造成了连铸过程异常事件与可能造成的铸坯质量缺陷之间的关系经常是非线性、多输入/多输出形式，不能用解析式来准确表达[11-12]。应用涵括大量专家经验的生产数据库技术、神经元网络和模糊控制技术为解决这一难题提供了很好的技术支撑。目前国内很多科研院所与钢铁生产企业都在积极采用这些现代化技术对铸坯质量智能评估系统进行研发，取得了一定的积累，并且已有应用到生产现场的案例，但在实际的应用中往往只是对几种常规钢种的直接经验判定，其效果有很大的局限性。中国重型机械研究院与钢铁研究总院共同开发的铸坯在线质量判定系统中建立了连铸冶金过程专家库，收录了大量的连铸冶金设备数据、工艺数据，并正在不断丰富专家库内容，包括了很多连铸专家多年来积累的设计、生产和设备维修管理等经验数据。系统应用了智能专家库技术、神经元网络和模糊控制技术对质量相关异常事件与可能造成的铸坯质量缺陷之间的关系进行处理。此系统具有智能的自学习功能，可以对生产现场工艺人员或操作人员长期根据自身经验进行人工判定的质量信息大数据进行定期的分析、统计，得到质量相关异常事件与可能造成的铸坯质量缺陷之间的以隶属度关系或者以此结果对已存在数据库中的相关隶属度参数进行修正，不断提高铸坯在线质量判定的准确度。

铸坯切割长度优化系统，它是建立在切割计划中切割定尺长度基础之上制定的可变切割长度的“最大-最小”值范围，它通过修改相关“铸坯数量”和过程变量“最佳的坯长”来实现新的设定切割长度,并下载到L1级系统。优化切割长度系统主要包括尾坯优化、多流停浇优化、质量缺陷铸坯切割优化和混钢切割优化。切割长度优化不仅应用了最佳长定尺、短定尺最佳组合计算，而且遵循最佳定尺专家库规则，使得切割定尺更加符合生产需要和客户订制要求。

动态二冷水控制系统与动态轻压下控制系统均建立在凝固传热数学模型基础上，凝固传热模型中连铸冶金参数专家库又是模型能否计算准确的关键，数据库参数包括钢种固有热物性参数、冶金专家经验数据等[13-14]。另外，动态二冷水系统还包括动态二冷水控制规则库，包括低拉速水量控制规则、零拉速水量控制规则等；轻压下系统还包括扇形段动作规则库。包括头坯尾坯扇形段动作规则、升速降速扇形段动作规则等。这些专家库系统的合理应用将大大提高连铸坯质量。

4 连铸设备管理、生产消耗材料管理及最终产品管理

连铸设备主要包括钢包、中间罐、结晶器、扇形段等；生产消耗材料主要包括中间罐覆盖剂、结晶器保护渣、塞棒、长水口、浸入式水口等；最终产品为具有一定规格尺寸的铸坯，这些铸坯或者直接热送到下一工序，或者下线临时存储到板坯库中。这三项相对应的仓库分别为设备备品备件仓库、生产消耗材料仓库和铸坯仓库。对于仓库的智能化管理目前国内已经有较为成熟的技术，包括了自动轨道小车(AGV)、二维码或射频识别(RFID)技术、仓库存储优化策略等技术。

对于连铸设备和生产消耗材料的智能化管理和维护，可以应用二维码或者射频识别(RFID)技术，对每一个设备进行唯一编码定义，再对其入库、库内定位、出库、上线、累计过钢量和累计使用时间、下线以及维修的全生命周期信息进行识别跟踪，系统自动将这些信息进行记录、整理；同时，系统配置无线移动终端，使得操作和维护人员可以随时随地实时地通过本地终端或移动终端对设备信息进行查询和维护。另外，智能设备管理系统还具有设备使用寿命报警提示功能，系统将实时对在线设备的累计过钢量和累计使用时间与预先定义的设备寿命报警值进行比较，给出当前设备使用的寿命报警信息。通过此功能，维护人员或操作人员可以预先掌握设备的运行状态，保证生产的顺利进行。

对于铸坯智能管理，每个铸坯在切割完成时由PCS系统自动生成唯一的板坯识别号和对应的二维码或射频识别码。铸坯下线时，PCS系统将铸坯相关信息传送给铸坯智能管理系统，铸坯智能管理系统通过在天车和跨梁上安装的射频识别(RFID)设备对天车承载的铸坯进行行走位置定位、入库，库内定位、出库的全流程跟踪。系统自动将这些信息进行记录、整理；同时，系统配置无线移动终端，使得操作和维护人员可以随时随地实时地通过本地终端或移动终端对设备信息进行查询和维护。

5 智能远程诊断快速技术服务平台

智能远程诊断快速技术服务平台应用建立在Internet公网之上的专有VPN(Virtual Private Network：虚拟专用网络)通道技术。其连接智能远程诊断快速技术服务中心与分布在不同区域的连铸生产线，实现对处于异地的连铸生产线设备状态和参数的远程监控。当连铸设备或者生产过程中出现现场人员不能短时间内解决的异常事件或者生产故障时，现场人员可以通过此系统实时向智能远程诊断快速技术服务中心发出帮助请求，技术服务工程师可以通过此平台在第一时间收集到准确、全面的事故相关数据，进行分析，进而给出合理的解决方案。此平台的建立，不需要技术服务工程师亲临现场解决问题，提高了连铸生产线的正常生产率，最大限度减少用户损失，实现了高效率、低成本、高品质服务。

建立连铸生产专家诊断知识库是智能远程诊断快速技术服务平台的另一项重要功能。其目标是将连铸生产中经常出现的各种问题进行整理、分类，并且将连铸冶金知识以及大量连铸专家成功的连铸问题解决经验输入到此系统中，连铸生产线的技术人员在需要寻求技术支持时，通过登陆智能远程诊断快速技术服务平台进行相关问题的索引查询，便能快速地得到解决问题的相关方案。

6 结束语

目前，国内钢材市场上同质化竞争严重，钢铁产能过剩，而高端产品稀缺，无法满足市场需求。因此，适合钢铁企业的“智慧工厂”模式的探讨和设计迫在眉睫。从数字化向“中国制造2025”方向发展，除了技术本身的发展以外，更多地应该使得生产过程从“闭环”走向“开放”，走向客户化定制。工厂和生产的管理不再局限于流水线本身的自动化和智能化，而在于对生产过程中生产线设备的全生命周期管理和全要素覆盖，并引入市场和客户驱动，走向市场引导和参与的“双向智慧驱动”[15-16]。实现连铸生产线的智能化是实现智慧钢铁工厂的重要组成部分，需要积极地引入先进的智能化技术和理念，对于连铸生产效率的提升、管理水平的提高以及产品质量的提升具有重要意义。

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Exploration of intelligent continuous casting production

HE Bing1,MI Jin-zhou2,WANG Xu-ying2,CAI Yun2

(1.Shaanxi Railway Institue,Weinan 714000,China;2.China National Heavy Machinery Research Institute Co.,Ltd.,Xi’an 710032,China)

The MIIT strongly carries forward the integration of iron and steel industrial automation，develops smart factories and plans intelligent manufacturing demonstration project. While，the concrete content of realizing intelligent continuous casting production was introduced in this paper. It explored how to apply digital technology, net technology, intelligent technology and thing internet technology into CC production’s digital information collection, net architecture, production process control, device management and remote intelligent diagnose. These advanced technology could make the whole closed line to a new open one, and realize personal tailor. It has a great significance for lifting continuous casting production efficiency, enhancing management level and improving the product quality.

continuous casting production;intelligence;network configuration

TP273;TP393

A

1001-196X(2017)05-0001-05

2017-03-06；

2017-04-10

何冰(1976-),男,讲师,硕士研究生，主要从事铁道工程机电一体化系统的研究。