关于智能化钢厂的讨论——从物理系统一侧出发讨论钢厂智能化

 钢铁工业是典型的流程制造业,制造流程是其物理特征。通过对钢铁制造流程内在特征的研究,阐述了对钢厂智能化的认识,探讨了推进钢厂智能化的思路及其内涵,包括智能化设计、智能化物流、智能化物质流/能量流/信息流的组织与调控、智能化经营和服务等。指出流程型智能化制造的物理系统要以动态-有序、协同-连续运行为其网络结构及程序优化的导向,并以此物理系统（流程系统）为本体与智能化信息网络系统融合,实现全厂性动态运行、管理、服务等过程的自感知、自决策、自执行和自适应。智能化钢厂的建设,需要深刻理解制造流程动态运行过程的物理本质,构建起植根于流程运行要素及其优化的运行网络、运行程序的物理模型,进而构建全流程网络化、层次化信息流模型。钢厂智能化不只是数字信息系统,必须高度重视物理系统的研究,必须是有物理输入/输出的物质流网络、能量流网络和信息流网络“三网协同”的信息物理系统。钢厂智能化既要重视数字化信息网络系统的研发,更要重视制造流程（物理系统）中物质流网络、能量流网络的结构优化和运行程序优化,通过以制造流程物理系统结构优化和数字化信息系统相互融合来实现钢厂智能化。     

钢铁智能制造背景下物质流和能量流协同方法

钢铁企业面临库存增加、产能过剩、盈利艰难等问题,迫切需要通过绿色化和智能化的发展来应对当前的严峻形势.基于钢铁企业制造流程特点,通过分析企业以铁素流为核心的物质流和相应能量流网络特征,针对企业现有信息化系统在物质流和能量流协同方面存在的问题,提出钢铁制造过程的物质流和能量流的协同方法,明确物质流和能量流的耦合应从钢铁制造的单元工位设备与整体流程网络两个层面进行规划、设计和实施,并且指出可从完善信息监控、进行计划协同和调度协同三个方面来实现协同优化.构想基于现有信息系统架构,通过增加相应企业资源计划系统、制造执行系统、能源管理系统等信息系统的功能,以及建立物质流和能量流协同优化信息子系统的方式,以钢铁制造过程的物质流和能量流相关信息的数字化及模型化为支撑,实现制造流程的物质流和能量流协同优化,达成生产优化、资源优化和能源优化的效果.      

钢铁制造流程物质流与能量流协同优化研究进展

 钢铁企业具有流程长、能耗高、排放量大等特点,钢铁制造流程物质流与能量流的协同优化是实现高层次系统节能的关键。为此,对钢铁制造流程物质流和能量流优化的研究进展与应用进行了综述,在此基础上阐述了钢铁制造流程物质流与能量流协同优化的主要研究方向,即物质流与能量流的相互影响和协同规律研究、考虑能源约束的生产计划编制和物流与能流耦合调度。提出了解决协同优化模型构建和求解的关键在于科学的物质流与能量流协同表征方法、生产计划与能源计划时间粒度的统一和智能算法的优化。     

基于物质流、能量流与信息流的钢铁厂智能调控系统架构研究

大型钢铁企业调度对象具有大规模、多目标、复杂约束及动态不确定性等特征,常规人工调度方法难以实现资源能源合理调配及作业实时最优,本文在对先进钢铁企业生产调度现状研究的基础上,根据钢铁制造流程特点,探索适合钢铁流程工业新一代调度指挥系统的整体架构,从信息化、集成化、智能化三个层面对生产制造流程进行升级;同时,针对现有调度指挥系统在物质流、能量流与信息流融和协调上存在的问题,提出建设基于物质流、能量流与信息流"三流合一"的钢铁厂智能调控系统,实现钢铁制造流程中物质流、能量流与信息流的协同优化,以适应智能制造对生产流程优化调度要求,促进冶金流程工业调度指挥系统的发展。     

钢铁制造流程铁钢界面时间参数“涨落”特征

 时间是钢铁制造流程物质流的基本参数之一,研究其“涨落”特征对钢铁制造流程的动态有序运行、动态精准设计和结构重构优化具有重要意义。以钢铁制造流程铁钢界面为例,采用以中位数和稳健变异系数为主要指标的稳健统计方法,对物质流运行过程各环节时间的集中性和离散性特征及其影响因素进行深入分析。研究结果表明,铁钢界面物质流运行过程中,各作业环节的时间集中性指标和离散性指标的差异均较大,主要与作业内容和主体独立性有关;而各等待环节的时间集中性指标差异较大而离散性指标差异较小,主要受系统结构及生产组织的综合影响。工序自身生产特点、流程静态物理结构和物质流动态运行程序是影响钢铁制造流程多维物质流时间参数“涨落”特征的主要因素。     

钢铁制造流程能源转换机制与能源利用效率分析

 从钢铁制造流程的属性和动态运行过程的物理本质出发，阐述了钢铁制造流程中铁素物质流和碳素能量流的行为规律和钢铁制造流程的能源转换机制，得出能源转换过程必然伴随能量的耗散，因此应尽量减少能源转换次数，并指出在钢铁制造流程中，铁素物质流与碳素能量流相伴而行，而碳素能量流与铁素物质流则时合时分。还构建了一个年产290万t的棒线材流程企业，计算了该流程的余热余能资源量及回收利用情况，并剖析了该流程的能源利用效率。最后指出高效回收利用余热余能和构建合理的物质流网络和能量流网络及两者协同优化的能源管控中心是提高钢铁企业能源利用效率的重要手段。     

钢铁企业轧制计划与能源调度协同优化

钢铁企业物质流网络与能量流网络的协同优化是实现钢铁行业高层次系统节能的关键。钢铁企业在不同工况下煤气的富余量以及蒸汽和电力需求量不同，轧制工序(含加热炉)作为电力和煤气消耗大户，轧制计划的改变会影响能量流网络中能源介质的分配和调度。提出了钢铁流程物质流与能量流协同优化方法，在分时电价的条件下，利用启发式规则调度方法对一天内的轧制单元进行合理的排程，然后用线性规划方法以系统运行能源成本最小为目标函数，建立钢铁企业煤气 蒸汽 电力系统不同工况下的耦合优化调度模型。通过LINGO求解出模型的最优解，得到了轧制单元的最优排程以及不同工况下煤气、蒸汽、电力的最优实时生产调度方案，用于指导实际生产。利用S钢厂实际数据进行实例分析，得出的调度方案可实现煤气 蒸汽 电力系统的最优化分配，系统运行的能源成本降低8.54%，验证了模型的有效性。     

钢铁流程煤基能量高效转换与钢-电联产模式

针对钢铁制造流程能源结构特点,在解析流程中能量转换过程的基础上,提出了钢铁制造流程煤基能量系统的概念,并对煤基能量及煤基能量系统进行了界定。通过定量与定性分析,研究了煤基能量在钢铁制造流程中的转化与耗散规律。在系统效率分析的基础上,指出钢铁制造流程能量流的核心是煤的转换与二次能源的回收利用问题,当前实现煤气资源与余热资源的高效回收利用是提升钢铁制造流程系统能源效率的关键。在"冶金流程工程学"等理论的指引下,提出了实现钢铁制造流程煤基能量系统集成优化及高效运行的主要原则,并通过开展建模与实践研究,探索了以系统优化方法优化能量流网络、构建高效钢-电联产运行模式的可行性。     

钢铁制造流程炼铁区段耗散结构的解析

为了研究钢铁制造流程耗散结构的本质及其特征,以高炉炼铁区段为对象,研究解析了多工序协同动态运行条件下的耗散结构优化问题.由料场、焦化、烧结、球团、高炉等工序所组成的炼铁区段,不仅是钢铁制造流程中重要的物质/能源转换中心,也是全流程动态有序、协同连续运行的关键和基础环节.炼铁区段的物理本质是铁素物质流在碳素能量流的驱动和...     

关于钢铁制造流程优化与产品优化问题的讨论

强调在新世纪里中国钢铁企业要注意研究钢铁制造流程的功能,指出制造(生产)流程对钢厂的生存和发展有着广泛的关联度和综合影响力,制造流程的结构优化是钢厂增强市场竞争力和拓展社会经济功能的有效手段。简要地叙述了钢铁制造流程的构成要素是“流”、“流程网络”和“程序”。“流”按一定的“程序”在“流程网络”中动态有序地、准连续地、紧凑地运行,可以实现多目标优化。讨论了中国钢铁企业生产流程优化的现状和发展方向,还就中国钢铁产品优化过程中有关炼钢、轧钢方面的问题进行了总体性探讨。在新世纪前20年,要集中有关资源加速发展薄板及其深加工产品,以实现中国钢铁产品的结构调整,同时,促进钢厂结构的优化。     

论钢厂制造过程中能量流行为和能量流网络的构建

 本文对钢厂制造流程动态运行过程的物理本质进行了概要的描述,并在此基础上进一步指出：在钢厂制造流程中,铁素物质流与碳素能量流的关系是相伴而行的,而碳素能量流与铁素物质流的关系则是时合时分的。在钢厂制造流程中,不仅存在着铁素物质流网络及相关的运行程序,而且也存在着与铁素物质流转换有关的能量流网络及其运行程序。本文强调在研究钢厂的能源转换功能的方法时指出,不能停留在物料平衡、热平衡的方法上,而应该以动态的输入-输出概念和能量流网络的概念来进一步推动钢厂节能减排工作。本文还讨论了钢厂能量流运行的动力学机制以及能源管控中心的设计原则。进而从铁素物质流系统和碳素能量流系统提出了一系列钢厂节能减排的着手环节。特别对钢厂“只买煤、不买电、不用燃料油”的内涵与煤气等含能介质“近零”排放作了解释。提出中国钢厂的节能减排应该进入以建立能量流网络——能源管控中心为主要标志的新阶段。     

钢铁制造流程的物质流和能量流协同优化

智能制造和绿色制造已成为制造业的发展趋势,钢铁企业具有资源和能源消耗大、排放高等特点而面临着严峻挑战。为此,运用冶金流程工程和系统工程的原理,对钢铁企业物质流和能量流的协同优化问题进行分析。通过对钢铁企业信息系统 ERP、MES 和 EMS 的分析,从信息流角度阐述了改善钢铁制造流程物质流和能量流的系统协调方法,探讨了基于信息流的物质流和能量流的协同优化机制及可能途径,为从设备单元的过程控制与流程整体生产以及能源管理的不同层面进行物质流和能量流的协同优化提供了思路。     

炼钢厂多尺度建模与协同制造

在阐述炼钢厂多尺度建模与协同制造技术架构的基础上,分别从单体工序尺度、车间区段尺度与炼钢厂运行尺度开展了炼钢厂协同制造的研究。从工序/装置过程控制系统（PCS）到炼钢厂制造执行系统（MES）进行了较为系统的建模研发,构建了包括转炉工序、精炼工序与连铸工序在内的工序工艺控制模型以及以生产计划与调度模型为核心的物质流运行优化模型,并通过工序工艺控制和生产计划与调度的动态协同,实现了炼钢厂多工序/装置的高效运行。研发了炼钢?连铸过程工序工艺控制模型、生产计划与调度模型同MES之间的数据接口,实现了MES与生产工艺控制、流程运行控制、生产计划与调度系统的有机融合,形成了以机理模型与数据模型协同驱动的工艺精准控制、多工序协同运行、基于“规则+算法”的生产计划与调度为支撑的炼钢?连铸过程集成制造技术,通过多层级的纵向协同与多工序的横向协同,实现了炼钢厂的协同运行与控制。研究成果是炼钢?连铸过程智能制造的有益探索与实践,对流程工业智能制造企业具有很强的参考价值,对冶金工业绿色化、智能化发展具有示范与借鉴作用。应用后,明显提升了炼钢厂的协同制造水平,取得了显著的经济与社会效益。      

基于绿色钢铁的转炉炼钢工艺设计及生产

 “碳达峰”和“碳中和”目标的提出,使得绿色钢铁的概念受到广泛关注。绿色钢铁不仅是指钢铁企业的排放指标优良、环境优美,更是要打造工艺优化、设备优化、流程优化的铁素流、能量流和信息流“三流归集”的低碳、低成本的生产线,实现企业从设计、建造、生产到淘汰的全寿命成本最低的目标。当前以降低生产排放,合理循环利用为主要目的的长流程生产工艺,以副枪+动态控制的自动炼钢,集成废钢预热、一罐到底、钢包加盖、合金烘烤、下渣检测、滑板挡渣、余热回收利用、干式一次除尘+二、三次除尘+散点除尘、钢渣综合利用等设备和技术,在已投产的项目取得了良好的效果,且仍在持续改进和提高。此外,在进行平面设计和工艺设计时,应充分利用场地天然地势高差,重视降低生产运行成本。同时,生产企业还应培养建立绿色钢铁生产的专业化人才队伍,注重从生产管理入手,规范信息管理,优化生产调度和工序衔接,提高全流程的物质转化与能量转换效率。建立着眼于从原料到成品的全流程的物质流、能量流和信息流的管理,实现以产品质量定原料的“定制化”生产模式。以打造全寿命成本最低的钢铁企业为目标,开发涵盖工厂设计、建造和生产运行的全寿命智能管理软件,管控全寿命周期内的各阶段成本,从而实现真正意义上的绿色钢铁生产。