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玉鼠辞旧,金牛迎春!2020,北科工研驱动智造蝶变

单位(作者):工研院 | 来源:本站原创 | 更新时间:2021-03-17 | 点击数:

极不平凡的2020,让无数平凡人凝聚起来,齐心抗击疫情,携手决战脱贫攻坚。榜样、信念力量无穷,鼓舞人、启迪人。作为北京科技大学倾力打造的科技成果转化品牌,钢铁及有色关键共性技术研发的垦荒者和引领者,2020年北科工研勇立潮头,敢于担当,聚焦新一代绿色、高效的冶金工艺装备及控制技术革新,创新性提出了包含多层级、多工序的冶金智能制造整体技术方案,并积极推进各项智能化技术落地。

智造规划:谋定而后动

2020年9月28日,三钢集团公司智能制造总体规划验收汇报会圆满召开,北科工研负责编制的三钢智能制造总体规划方案将作为指导性文件,助力三钢实现从“钢铁制造”向“钢铁智造”的跨越。三钢智能制造总体规划按照“总体规划、分步实施,由点及面、由低到高,先搭框架、后逐渐填充完善“的总体思想,围绕“一中心、三协同”分为三期进行建设,重点突破跨地域、跨系统、跨流程、跨专业的业务壁垒。以大数据中心为基础,通过集中操作和协同管控打破业务壁垒,实现公司数据透明化、业务协同化、管控智慧化,该规划方案得到了三钢的高度认可和好评。2020年11月,北科工研再次获得莱钢智能制造规划项目,并有多个意向项目正在落地。

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智能支撑:九层之台,起于垒土

智能支撑层作为智能制造的基础,瞄准冶金工厂基础设施的短板补齐、增强感知、机器代人、数据中心建设等,实现生产全过程自动化、现场值守无人化和产品全生命周期数字化。

iBKLinker冶金工业互联网平台

2020年12月,北科工研发布了“更懂冶金流程”的工业互联网平台iBKLinker。该平台包括工业资源层、边缘和基础服务层,平台层,工业应用层四个层级,集成边缘计算、数据治理、应用服务、算法集成、前端开发、监控运维六大核心板块,全面支撑智能制造应用场景。继马钢、鞍钢、涟钢、沙钢、淮钢、建龙等应用业绩后,2020年,该平台继续成功应用于鞍钢、石家庄智慧物流园、迁钢硅钢智能仓库、新钢中厚板、梅钢冷热轧、攀钢西昌钢钒等。以鞍钢为例,目前平台用户注册总数1350,构建机理类仿真模型及数据类分析模型35个,集成回归、分类、聚类等机器学习算法9类,接入关键机组或单体设备89个,采集包括实时数据、关系数据、图片数据、视频数据等多种类型数据,年存储数据达110TB,打破传统工控封闭生态以及西门子、施耐德等自动化厂商的技术垄断,降低构建平台软件采购成本50%以上。该项目已入选工信部2020年工业互联网试点示范项目,助力鞍钢智能化转型进程。

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基于深度学习的新一代表面检测系统

作为冶金行业表面在线视觉检测技术的先行者,北科工研结合上百套国内外表面检测系统的实践经验,将传统缺陷检测算法和深度学习技术深度融合,进一步提高算法的识别准确率,形成了更适用于冶金领域复杂边界条件下的表面缺陷检测技术。基于这一技术,北科工研新一代表面检测系统不断得到用户认可,近两年在马钢、太钢等多个企业成功替换掉百思泰、康耐视等外方产品,引领核心技术国产化。系统应用现场后,由于周期表面缺陷产生的质量问题下降90%,生产效率和效益大大提高。2020年,新一代表面质量在线检测系统继续在马钢2250、太钢热轧横切线及平整线、浦项不锈钢热轧带钢等项目上成功应用,为客户产线质量控制和智慧制造添砖加瓦。《基于深度学习的热轧带钢表面在线检测与质量评级》项目在2020年荣获冶金科学技术进步一等奖。

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热轧自动轧钢关键测控技术

粗轧镰刀弯、翘扣头与精轧机架间跑偏是造成热轧堆钢、甩尾、轧破的直接原因,严重影响生产顺行,导致轧线难以实现完全意义上的自动化,人工干预多。2020年9月,北科工研开发的热连轧机架间跑偏检测系统应用于马钢2250机组,同年12月实现自动纠偏控制系统上线。同时,北科工研也为首钢京唐1580、马钢1580、邢台德龙1250等机组提供了粗轧镰刀弯、翘扣头测控等系统,开发了包括粗轧镰刀弯、翘扣头以及精轧机架间跑偏在内的热轧全线运行非对称检测与自动控制系统。该系统的应用将操作人员的频繁干预转变为监控为主,有效降低甩尾与堆钢概率,提升生产稳定性、生产效率与产品质量。该成套技术引领行业,对国内宽带钢热连轧以及中厚板产线具有普遍适用性,成为智能工厂建设中面向“无人驾驶”的全线自动轧钢重要支撑技术。

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过程控制系统在线改造技术

随着产品结构和工艺装备的升级,对于热连轧生产线来说,控制系统的更新迭代和模型精度优化提升是建设智能产线的首要任务。为了在热连轧过程控制系统升级过程中不影响正常生产,降低项目实施风险,北科工研开发的高性能专用数据网关服务器,可以实现新老系统无缝切换和在线平滑升级过渡,结合北科工研新一代数学模型,实现零风险改造的同时又达到既定效果。该技术于2016年在马钢CSP成功应用并替换掉西门子系统,在2020年又分别中标酒钢CSP二级改造、沙钢1450模型在线优化升级,将再次替换掉西马克和ABB二级系统,推进轧制模型技术国产化。《面向多品规高精度轧制的CSP过程控制系统关键技术》在2020年荣获冶金科学技术进步一等奖。

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轧制高精度及高效生产技术

高精度和高效生产是智能制造最为关键的指标之一,北科工研人一直为之不懈努力。2020年8月13日,由北科工研承担的四川罡宸1450mm不锈钢热连轧生产线L1、L2、L3自动化系统热负荷试车一次成功,随后在短时间内即稳定生产出厚度为2.0~9.75mm的产品。通过采用多机架协调厚度控制、自适应头尾厚度控制、微恒张力控制、活套软接触等专有控制技术,厚度控制精度可实现3.0mm产品厚差±20μm以内、9.0mm产品的厚差±40μm以内,大大增强了企业的竞争力。2020年6月,由北科工研承接的福建三宝耐腐蚀热轧卷板生产线实现1.0mm薄规格冷轧基料的热试和量产,这是继在马钢1700mm CSP产线实现1.2mm冷轧基料、日钢1580mm半连轧实现1.1mm花纹板后,又一次在常规热轧产线上实现超薄带钢的突破。2020年在重钢1780mm产线年修期间,北科工研通过软件升级实现生产节奏的优化,完成了粗轧道次摆位速度优化,提升粗轧轧制节奏8.3s;完成精轧、层冷、卷取双钢程序逻辑改进,厚规格轧制节奏提升超过30s;完成运输区逻辑优化,运输步进梁节奏提高6s。年修结束后重钢1780产线的月产量稳定提升8.1%,为企业创造了显著的经济效益。

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智能生产:草枯鹰眼疾,雪尽马蹄轻

智能生产层瞄准高效生产和高精度控制。有了自动化、信息化、数字化作为支撑,可针对性挖掘和解决生产过程的痛点问题,推进多类生产单元操维的高度集控,实现生产过程的智能化、少人化和集控化。

无人行车及智能库管技术

原料、成品库区一直是多数生产流程的断点和智能工厂推进的短板,人员操作频繁、工作环境恶劣、运行效率受限、物料跟踪缺失、装备维护困难等问题长期存在,使库区的无人化、智能化改造成为智能工厂建设体系中的关键环节。北科工研整合自动控制、物流调度、检测仪表、机械装备、冶金工艺等优势学科方向,打造出融合“库区立体目标识别-无人天车精准执行控制-物流设备集群自主协同-网络互联智能调度”的无人天车与智能库管系统技术综合体,经过多年的持续研发攻关与工业现场实践迭代,在完善板卷无人库技术的基础上,成功实现棒材无人库、高线无人库以及多功能物流库的业务拓展,引领着智能库区技术的技术发展。2020年,北科工研获得珠海粤裕丰智能棒材物流库(国内棒材平面智能库唯一成功业绩)、中冶新材冷轧硅钢智能成品库验收证书,并启动实施鞍钢冷轧三分厂和四分厂智能库改造工厂设计、马钢特钢公司高线成品库智能库区改造、河北省智慧物流产业园区西区信息系统工程、首钢迁安硅钢成品库智能仓储系统等多个项目。

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板材热处理智慧集控产线

2021年2月4日,南钢板材事业部中厚板卷厂热处理集控示范线发布会在南京钢铁圆满召开。南钢和北科工研合力打造的示范产线成功上线应用,标志着钢铁行业首套板材热处理炉智慧集控产线取得重大成功,成为我国钢铁智能化建设的又一经典案例。该项目应用了北科工研研发的新一代数学模型、机器视觉、大数据智能分析等多项先进技术,成功建成智慧远程集控的同时,在少人化、产量提升、节能降耗等方面均取得了巨大进步,其中产品性能合格率较2018年提高2.63%,接近100%,操作岗位减少30%,能耗大幅度降低,水、电、风、气各项消耗下降均超过12%,直接经济效益达到998万元/年。该集控示范线的建成,为南钢板材后期的“一线一室”钢轧集控项目推进积累了经验,更加坚定了南钢持续加大力度推进智能化建设的信心和决心,为南京钢铁集团数字化、智能化建设打下了坚实的基础,也为钢铁行业智能制造模式探索起到了良好的示范作用。

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智能磨辊间系统

2020年9月,北科工研实施的马钢四钢热轧智能磨辊间系统成功上线。系统以大数据管理平台为基础,构建智能综合信息管控、大数据智能分析、生产运行智能决策、磨床状态智能诊断、中央协同集控中心等体系。以轧辊、轴承(座)全生命周期管理为主线,实现磨辊间生产信息、运维信息、管理信息的整体集成;以智能推送系统为核心驱动,自动下发各项作业工单,实现全流程无纸化作业;以规则知识库为算法驱动,开发出电子辊票和磨床加工优先级功能,实现动态匹配轧线计划、动态调整磨削计划,确保轧辊高效周转运行。同时,智能磨辊间系统融入刚度数字化分析、磨损辊形图形化评价、成本一键式分析、移动终端操作等诸多技术,在质量提升、稳定生产、降本增效和综合优化等方面取得显著成效。

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设备状态与工艺精度智能监控分析

2020年北科工研着力打造的设备状态与工艺精度监控分析系统,在马钢2250及其他热连轧厂得以推广应用,首次实现了对每一卷钢轧制过程中的设备运行状态进行实时监控,并对设备精度进行数字化评价、智能分析和实时预警,为提升生产稳定性发挥了积极作用。该系统通过对设备运行状态进行实时监控,建立生产线关键机械、液压、仪表及控制等设备及功能的服役过程评价模型,对其服役质量和状态演变趋势进行监控和预警,并通过与生产稳定性、产品质量和控制精度等过程数据之间进行关联分析,挖掘设备服役质量与生产状态之间的影响规律,为设备精度和功能管理提供科学依据。

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冷轧智能化工艺诊断系统建设

2021年2月1日,北科工研承担的国内首例冷轧智能化工艺诊断系统完成功能验收。系统以鞍钢三冷轧酸轧生产线、连退生产线为依托,重点开发了酸轧机组轧制打滑及热划伤预测模型,酸轧机组轧制断带分析模型,酸轧机组轧辊服役状态预测模型,酸轧跑偏预测及分析模型,连退机组活套、炉内带钢跑偏预测及分析模型,连退机组带钢打滑预测模型,连退产品全长性能均匀性分析模型,酸轧及连退机组排产优化模型,产量执行情况KPI指数模型等9大工艺模型。系统解决冷轧现场生产过程中遇到的与生产稳定性及质量控制相关的痛点难点问题,实现了“智能生产”。该系统通过“事前”预测、“事中”监测、“事后”分析,结合语音报警系统,现场反响热烈,深受一线工作人员好评,从2020年1月2日上线至今,平均每月断带率减少5%,因生产过程参数异常造成的酸轧连退非计划停机时间平均每天减少5分钟,间接提高年产量1万吨,为企业创造了切实的经济效益。

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智能检化验系统

基于北科工研自主研发的iBKLinker工业互联网平台开发的新疆众和铝箔智能检化验系统于2020年12月初顺利完成用户验收,系统上线当年便荣获新疆众和股份有限公司2020年度管理信息化项目一等奖。新疆众和股份有限公司是全国最大的高纯铝和铝电解电容器用光箔生产企业,该系统是北科工研助力新疆众和建设国内首个高精电子铝箔智能工厂的智能系统之一。系统主要实现从MES系统自动接收试验委托物料信息、智能配置检测计划及制样要求、自动采集与归集性能和油品试验数据、全部检测项目自动合格判定、智能推判终判、不合格品流程审批到终判、智能审核及发布判定结果到MES系统的全过程管理等。该系统双向打通了与MES系统之间的数据壁垒,实现了数据不落地,显著提高检化验工作效率和数据的准确性,系统上线后使众和铝箔公司检测效率提升了60%,检测精度提高了40%,数据使用效率提升了70%以上,为企业创造了显著的经济效益。

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智能管控:会当凌绝顶,一览众山小

智能管控层聚焦数据背后潜在的价值,实现多业务协同管控。以数字产品为核心,以KPI指标为引领,使得生产、质量、成本、能源、设备、安防、交付、人员等多要素实现大尺度协同优化,促进流程信息的透明化,工厂管理的扁平化和业务决策的精准化。

冶金全流程质量管控系统

北科工研自主研发的冶金全流程质量管控系统已成功应用于全国20余家大型钢铁和有色行业,涵盖卷板、中厚板、优特棒、高线、轨梁等多类企业,业绩和技术实现双领跑。2020年,北科工研继续加大科技成果转化力度,研发了面向工业互联网的边缘计算平台,实现了多协议适配、边缘侧数据处理、语义自动关联融合、IT与OT协作的网络安全管控;采用可配置的工艺质量状态在线监控与预警、数据驱动与机理模型相结合的质量预测、产品质量在线精准评判等先进算法,实现了生产过程中的过程监控、质量预测、过程判定的在线管控新模式;融合设备、生产、能源等数据,实现质量与多要素之间的协同管控与优化。基于该系统,应用产线缺陷外放风险下降40%以上,工艺人员的劳动效率提升50%以上,质量不良率下降20%以上,为企业创造了巨大的经济效益。2021年01月08日,中国金属学会在北京组织召开了 “钢铁产品质量全过程智能管控技术与平台”科技成果评价会,该项成果总体达到国际先进水平。

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能源介质智能化管理系统

2020年,北科工研负责的“鞍钢1780产线能源介质智能化管理系统”稳步推进,相继完成了项目设计审查、能源介质数据的采集、处理和模型应用开发等工作。该项目所提供的产线级能源介质智能化管理系统实现对车间内各种能源介质数据做到实时采集、集中监控、实时计量,实时核算物料单件次的能源介质消耗,及时核算工序能耗成本,并与生产过程数据多维关联和挖掘分析,深挖产线的节能降本潜力。将钢卷信息、生产计划、品种规格、能源介质消耗、工序、机组等多个维度建立数学模型,从板坯进入加热炉开始,直至卷取机卸卷完成的整个过程中,采用能源介质基础测量数据与理论能耗模型分析相结合的方法,实时动态跟踪并科学分摊轧件对应的能源介质消耗。系统部分功能模块目前正在陆续开始调试,初步实现了主要能介计量数据的集中监控,并实时科学分摊到卷。

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冶金全流程工艺过程数字化仿真系统

2020年8月沙钢“高端线材全流程智能制造新模式应用项目”顺利通过专家组验收,北京科技大学承担的“全流程工艺过程数字化仿真系统”是其中重要实施内容之一,主要是针对我国高端产品供给能力不足,稳定性、均匀性、一致性差等问题,通过探索材料化学成分、组织结构、工艺参数与产品性能的对应关系,实现产品研发与材料设计过程中数字化、可视化和智能化,为制定工艺规范和质量体系提供决策支持,达到缩短产品研发周期、提高产品质量稳定性、提升产品个性化定制能力的目标。该项目首次打通了从炼钢到冷却的全流程工艺参数和过程质量的数字化模拟,实现产品质量生产前的仿真预测与生产后的分析改进,并通过与实际生产过程在线融合,利用工业大数据技术,不断迭代优化仿真模型精度。目前项目组正在承担 “宝钢BSCCR 铁素体轧制专业化产线设计模拟仿真平台”的研发工作。

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样板工厂:长风破浪会有时,直挂云帆济沧海

2021年1月4日,热轧智慧工厂“双线双智控”模式首次亮相中国宝武绿色发展与智慧制造现场会,并引起业内的广泛关注。双线双智控指项目构建的热轧智控中心覆盖2250和1580两条热轧产线,并包含操维集控平台和协同智慧平台,实现操维和业务双智控,追求产线极度自动化和业务高效协同化。作为马钢-北科大产学研合作“基地+”理念的践行者和项目主要建设方,依托“马钢-北科大冶金智能制造技术创新中心”,北科工研与宝信软件等单位一起携手打造服务于马钢热轧智慧工厂的高质量技术生态圈。在本项目中,北科工研承担了板坯裂纹检测、精轧跑偏检测与自动调平、新一代密集冷却技术、智能磨辊间、钢卷数据服务、数据可视化、生产任务、质量任务、设备任务、员工成长任务等17个大项。

操维智控平台建成后,高效生产模式带来可见效益,马钢四钢轧2250和1580热轧2个分厂整合为1个分厂,12个作业区变为4个作业区,将两线15个岗位整合为“1+2+1” 的新岗位模式,主线减员超过35%,劳动生产率提升15%。协同智慧平台完成热轧工厂全要素、全区域、全业务10万个数据的集成和融合,构建热轧物理车间的数字孪生体。平台以21个一级指标、420个二级、三级指标为牵引,将热轧车间运行过程生产、质量、设备、能源、成本、交付、人员、安环八大任务进行串接,开发44个智能化模型,从全维度提升工厂的智能化水平和软实力,为热轧产能提升15%,成本下降10%,质量提升10%提供强有力保障。

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展望

2020年,北科工研人齐心协力,深耕冶金智能制造关键技术,并致力推动智造落地;

2021年,北科工研人将继续发挥孺子牛、拓荒牛、老黄牛精神,砥砺奋进,开拓冶金智能制造新征程。

(图片:工研院)

(责编:付云笛)

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