智能化在钢铁行业中的发展及应用

侯帅松，张润泽，赵志军，王玉彬，任世远，杨志军

（河钢集团邯钢公司，河北邯郸 056009）

0 引言

钢铁制造业是国民经济的重要支柱产业，钢铁行业的发展水平在一定程度上反映了一个国家或地区的工业水平。纵观世界上经济发达国家，其钢铁制造业水平无一不处于世界领先地位。美国钢铁公司（U.S.Steel）、欧洲的安赛乐米塔尔公司（Arcelor Mittal）、德国的蒂森克虏伯公司（Thyssenkrupp）、韩国浦项钢铁公司等均为世界顶尖钢铁制造企业，其技术水平，特别是在智能化方面，处于行业领先地位。

2015 年，国家提出了“中国制造2025”战略，“智能制造”被予以新的历史使命，同国家战略捆绑在一起。智能化在制造业，特别是钢铁行业中，占有举足轻重的地位。提升钢铁企业的智能化水平，可以有效提升钢铁企业的产品质量、设备精度、管理水平等。目前我国钢铁行业产量大，但高端产品占比低、能耗大，特别是处于城市中的钢铁企业面临着巨大的环保压力。钢铁企业急需提升其智能化水平，降低能耗，减少排放。本文以智能化为基础，结合智能点检监测技术应用实例，分析智能化在钢铁行业中的发展趋势及应用前景[1]。

1 智能化概念

美国学者P.K.Wright 和D.A.Bourne 在其著作《Manufacturing Intlligence》（1988 年）中首次提出“智能制造”的概念，将智能制造定义为机器人应用制造软件系统技术、集成系统工程以及机器人视觉等技术，实行批量生产的系统性过程[2]。目前，普遍意义上智能制造的定义为：智能制造（Intelligent Manufacturing，IM）是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化智能系统，它在制造过程中能进行智能活动，诸如判断、分析、推理、构思和决策等思维过程。通过人与智能机器的合作共事，去延伸、扩大和部分取代人类专家在制造过程中的脑力劳动。智能制造将传统意义上的自动化扩展到柔性、智能化和高度集成化。

现阶段，随着各项技术的不断深入发展，智能制造的定义也随之发生了变化，智能制造要以创新驱动发展为核心，以信息化与工业化深度融合为主线，以推进智能化为主攻方向。智能制造是一个大系统工程，要从产品、生产、模式、基础研究4 个维度系统协同推进[3]。同时，也有学者认为互联网加上智能制造是我国制造业发展的重要支撑，机器人、智能生产线和3D 打印技术相辅相成，促进智能制造的深度发展[4]。

2 钢铁行业中智能化的应用实例——设备智能监测

目前，对于设备状态的监测通常做法是日常点检维护，随着设备智能化水平以及监测手段的提升，智能化监测系统在钢铁行业中得到了普遍应用。特别是在轧钢设备中，对于设备的精度、稳定性等要求较高，需要实时关注设备的运行状态，以某带钢热轧线为实例，分析智能化在钢铁行业中的实际应用。

2.1 智能在线监测系统

智能在线监测系统主要由传感器、数据传输网络、数据采集单元和服务器（数据分析）组成，通过传感器采集到的各种信号，分析设备的运行状态，给出合理的保养维护建议。

某带钢热轧线将传感器安装在粗轧、精轧和卷曲区域，将传感器采集到的信号通过信号电缆接入在线监测IMx 数据采集单元中，该采集单元将处理完的数据通过光纤通信网络，连接到在线监测系统的服务器上，组成网络化的在线监测系统，其基本架构如图1 所示。

图1 智能在线监测系统架构

2.2 案例分析（轴承监测）

轴承是转动设备的关键部件，轴承的异常或损伤会直接影响设备的精度和稳定性，严重情况下可能会导致大型设备的损伤，给企业带来巨大的损失。某带钢热轧线通过在线智能监测系统，对关键设备——定宽机上的轴承进行监测，实时跟踪定宽机的运行状况。

在线监测系统显示，定宽机传动轴运行状况出现异常，图2为定宽机传动轴45 d 内的振动趋势图，根据图中的数据可以得出：传动轴在该段时间内整体趋势保持稳定。振动加速度包络频谱总值维持在0.07～0.08 gE，如图3 所示，该监测点短时间内无明显恶化趋势。

图2 定宽机传动轴振动趋势

根据图3 中的数据信息可以得出，该频谱在1XRPM（定宽机传输轴转速）处出现了转频峰值，并且伴有大量谐波峰值，该频率的峰值是定宽机的定宽频率，不属于设备故障频率。同时，在0.4XRPM处出现峰值及大量谐波峰值。一般情况下，该频率被认为是保持架的通过频率，因此判定该传输轴轴承保持架存在激发振动。

图3 定宽机传动轴包络图

对该传输轴的时域图（图4）做进一步分析，根据图中数据信息，可得到一个明显的有规则的冲击信号，该冲击信号的时间间隔为4.907 s（0.693 Hz），该频率为轴承保持架的通过频率。

图4 定宽机传动轴时域图

综上得出，该传动轴轴承保持架存在异常情况，需要根据实际情况进行维修或者更换。

2.3 经济效益

通过智能在线监测系统，可以提高设备运行精度和稳定性，降低事故率，从而提升产品的质量，提高合同交付率等。其经济效益主要体现在以下3 个方面。

（1）降低备件成本。通过在线监测系统，可以有效提高预防性维修率，降低事故性维修率，从而优化备件库存量，做到精确维修维护。

（2）提升设备精度和运行稳定性。在线监测系统对关键大型部件的运行进行实时监控，降低了因零部件损伤损坏而造成的设备事故率，提升了设备的稳定性。

（3）提高产品质量。在线监测系统通过提高设备精度，有效提升产品质量，降低残次品率，降低吨钢成本，提升利润率。

3 钢铁企业智能化的理论研究

现阶段钢铁企业智能化的研究主要集中在技术层面和管理层面，通过技术层面和管理层面的相辅相成，相互促进，提升企业技术水平和管理水平，从而提升企业的品牌价值，在市场化经济中占领制高点。企业的智能化，特别是钢铁行业，可以提升其产品生产的自动化水平，实现研发和生产的精益化、柔性化和快速化；在管理层面则可以有效提升企业的整体管理水平，促进企业管理模式的变革，更高效、智能地分配人力、财力、物力等资源，适应市场经济发展趋势和全球经济的一体化[6]。

3.1 技术层面

生产装备及工艺流程的智能化可以有效提高作业率和产品质量，从而提升企业竞争力。目前，制造行业对于技术研发的投入大幅度提升，主要体现在以下3 个方面。

（1）工业机器人的广泛应用。工业机器人可以解放人力，提升作业准确率和精确性，特别是在复杂恶劣环境下，如高温、高粉尘、高湿度、噪声大等，机器人替代人力已经势在必行。目前，捞渣机器人、自动拆捆机器人、测温取样机器人、自动喷号贴标签机器人、专业剪切机器人图像自动识别机器人等已广泛应用于钢铁行业，随着机器人的普遍化应用，钢铁行业也提出了更高的要求和需求，新一代、更加智能化的机器人的研发也已提上日程[7]。

（2）生产车间、仓储车间等智能化。钢铁行业智能车间的建设，集中通过智能型PLC、智能装备等，实现对设备数据、生产参数的实时监控和采集，并且对整条产线的工艺、过程参数以及供应商参数进行数据集成，推进全流程产品质量管控与优化，最大化利用有效数据，实现自动化和智能化[8]。

（3）各项前沿技术的深度应用。各项前沿技术，包括大数据分析、物联网、5G 通信技术、深度学习、云计算和云存储、3D 可视化、图像识别、边缘计算等[9]，通过不断的探索和研究，同时结合钢铁行业本身的特点，已广泛应用于钢铁行业的各个生产环节之中，有效提升了钢铁行业的技术水平。

3.2 管理层面

国外从20 世纪已经开始研究企业管理的智能化，1960 年，美国就出现了物料管理信息系统（MRP），随后融进财务管理形成闭环物料管理信息系统（close-MRP），随着技术的进一步发展，将生产环节进行统一管理，形成了制造资源计划系统（MRP-Ⅱ）[6]。

目前，BRP（业务流程重组）项目研究、ERP（企业资源规划）系统研究以及IT 规划等已得到了长足发展，促进了管理系统的智能化，极大的提高劳动生产率，促进企业内部结构的变革，使信息的传递由过去的垂直型变为扁平型，从而使管理层可以快速的对市场信息、技术信息做出准确反映，制定正确、科学的决策。

4 结语

（1）智能化的理论研究拓展了其应用范围和思路，在技术层面，将各项新兴技术应用于钢铁行业的各个组织环节中去，提高了生产效率，促进了钢铁企业的技术革新；在管理层面，优化了企业内部结构，使资源的配置更加合理、高效，探索出一条新的发展道路。

（2）在生产上，智能化系统可以更加精确地对设备及工艺进行控制，提高设备精度，降低事故率，优化备件库存，节约生产成本，为企业创造出可观的经济价值以及品牌价值。

（3）各国已将工业智能化提升为国家战略，同时，制造业的智能化将极大促进其他产业的发展和升级。