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高爐冶煉專家系統(tǒng)研發(fā)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

2019-12-06 11:01:00

  摘 要:從20 世紀(jì)90 年代開始,專家系統(tǒng)在國外高爐得到推廣應(yīng)用。同時(shí)期,我國采用多種模式開發(fā)與應(yīng)用高爐專家系統(tǒng),但由于操作理念、檢測數(shù)據(jù)、維護(hù)等原因,國內(nèi)高爐專家系統(tǒng)沒有達(dá)到預(yù)期效果。在新形勢下,結(jié)合信息化技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),專家系統(tǒng)應(yīng)該向高爐集約化、可視化管理模式發(fā)展。

 

  國外高爐專家系統(tǒng)

  高爐數(shù)學(xué)模型:

  在高爐專家系統(tǒng)形成以前,計(jì)算機(jī)技術(shù)在高爐冶煉過程中的應(yīng)用是從數(shù)學(xué)模型開始的。最早是20 世紀(jì)50 年代初期的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型,例如前蘇聯(lián)的拉姆配料計(jì)算模型、美國內(nèi)陸鋼鐵公司的物料平衡計(jì)算數(shù)學(xué)模型等。20 世紀(jì)70 年代,由于石油危機(jī),降低高爐焦比成為企業(yè)重點(diǎn),以降低高爐焦比為主要目的數(shù)學(xué)模型相繼被開發(fā)與應(yīng)用出來,如法國鋼鐵研究院開發(fā)的Rist 模型、Wu 模型,比利時(shí)冶金研究中心開發(fā)的Ec 模型,日本住友公司開發(fā)的Ts 模型。

  20 世紀(jì)80 年代,日本鋼鐵工業(yè)開始崛起,對9 座720m3~1420m3 在線生產(chǎn)高爐和4 座實(shí)驗(yàn)小高爐進(jìn)行整體解剖調(diào)查分析,以及對系統(tǒng)物理模型模擬實(shí)驗(yàn),了解高爐冶煉過程中發(fā)生一些現(xiàn)象的內(nèi)在規(guī)律、現(xiàn)象,推進(jìn)高爐數(shù)學(xué)模型快速發(fā)展,相繼開發(fā)與應(yīng)用動態(tài)數(shù)學(xué)模型、一維和二維數(shù)學(xué)模型,高爐數(shù)學(xué)模型不僅種類繁多,而且覆蓋范圍廣,具體見表1。

  20 世紀(jì)90 年代由于“多流體理論”問世,該理論將爐內(nèi)各物質(zhì)分成氣相、固相、液相和粉相,并被用來描述高爐下部區(qū)域反應(yīng)的結(jié)構(gòu)。該階段數(shù)學(xué)模型基本上采用CFD-DEM 相結(jié)合開發(fā)方法,數(shù)學(xué)模型從一維模型發(fā)展到二維模型和三維模型。經(jīng)過20 年發(fā)展,一些應(yīng)用效果較好的數(shù)學(xué)模型融合到高爐專家系統(tǒng)中。

  日本高爐專家系統(tǒng):

  日本首先提出開發(fā)高爐專家系統(tǒng),首先是集成數(shù)學(xué)模型。1986 年,該模型首次在日本鋼管公司福山高爐應(yīng)用,之后日本大型鋼鐵公司相繼開發(fā)與應(yīng)用不同的高爐專家系統(tǒng),例如新日鐵大分廠SAFAIA 系統(tǒng)和君津高爐ALIS 系統(tǒng),用于軟融帶判斷、高爐開爐及休風(fēng)恢復(fù)操作指導(dǎo)。京濱高爐專家系統(tǒng)包含無鐘爐頂布料模型、裝料制度、煤氣流分布、爐體溫度場、風(fēng)量、風(fēng)壓、透氣性等數(shù)學(xué)模型。日本鋼管福山廠BAISYS 系統(tǒng),包含爐況檢測診斷與控制、異常爐況預(yù)報(bào)與控制、布料控制和爐溫預(yù)報(bào)等數(shù)學(xué)模型。日本住友金公司HYBRID系統(tǒng),將數(shù)學(xué)模型和高爐專家規(guī)則相結(jié)合,用于判斷爐況、計(jì)算爐熱指數(shù)TS、鐵水[Si]含量與鐵水溫度的預(yù)報(bào)和高爐操作指導(dǎo)。

  日本川崎GO-STOP 系統(tǒng)由8 種指數(shù)計(jì)算模型構(gòu)成,對高爐操作因素做定量分析,將各種因素控制在最佳范圍內(nèi),使用8 個(gè)指數(shù)檢驗(yàn)、評價(jià)和診斷高爐冶煉過程爐況狀態(tài),抽取230 個(gè)監(jiān)測信息用于推理機(jī)推理,建立600 條專家知識規(guī)則。日本川崎之后在GO-STOP 基礎(chǔ)上,又開發(fā)與應(yīng)用Advanced GO-STOP,目前GO-STOP系統(tǒng)已經(jīng)成為各種專家系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

  芬蘭Rautaruuki 高爐專家系統(tǒng):

  芬蘭Rautaruuki 高爐專家系統(tǒng)主要由4 個(gè)子系統(tǒng)組成:

  高爐熱狀態(tài)系統(tǒng)。計(jì)算高爐熱指數(shù)、下料指數(shù)、直接還原度指數(shù)及碳素熔損指數(shù)、煤氣成分指數(shù)、渣皮脫落指數(shù)、透氣性指數(shù)、阻力系數(shù)及Rist 操作線等,通過8 個(gè)指數(shù)計(jì)算,識別操作參數(shù)對爐溫影響程度,并根據(jù)計(jì)算結(jié)果提出操作建議。

  高爐操作爐型管理。計(jì)算冷卻壁熱負(fù)荷、計(jì)算爐體溫度場分布,監(jiān)控渣皮脫落、渣皮厚度。

  高爐爐況診斷。判斷滑料、管道發(fā)生概率,計(jì)算爐頂壓力、爐頂溫度及變化幅度、計(jì)算料速。對每班及全天煤氣流分布進(jìn)行評價(jià),對煤氣利用率、總壓差、局部壓差做短周期、中周期和長周期評價(jià),分析煤氣利用率變化原因。

  高爐爐缸平衡管理。高爐物料平衡計(jì)算,實(shí)時(shí)計(jì)算爐缸內(nèi)渣鐵生成量和殘余量,并與爐缸安全容鐵量進(jìn)行比對,指導(dǎo)高爐出鐵操作,間接判斷軟融帶上下移動程度。

  奧鋼聯(lián)VAiron 高爐專家系統(tǒng):

  1992 年的早期專家系統(tǒng)是咨詢式專家系統(tǒng),主要功能是對工藝參數(shù)進(jìn)行評估和提出操作建議,1996 年升級為具有部分閉環(huán)式功能專家系統(tǒng),閉環(huán)功能主要用于焦比控制、入爐堿度控制和蒸汽噴吹量控制。系統(tǒng)由過程信息管理系統(tǒng)、過程數(shù)學(xué)模型、爐況的診斷評估系統(tǒng)、爐況調(diào)節(jié)和執(zhí)行系統(tǒng)組成。

  其他類型高爐專家系統(tǒng):

  德國帝森克虜伯公司高爐專家系統(tǒng)(THYBAS)。THYBAS 系統(tǒng)用于判斷軟熔帶、計(jì)算最低燃料比、預(yù)報(bào)鐵水溫度、計(jì)算爐缸內(nèi)渣鐵液位高度。

  瑞典高爐智能報(bào)警系統(tǒng)。應(yīng)用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)和專家規(guī)則預(yù)測爐溫。

  法國高爐高級監(jiān)控系統(tǒng)。法國的SOLLAC 公司開發(fā)SACHEM 高爐高級監(jiān)控系統(tǒng),用于異常爐況預(yù)報(bào)和實(shí)時(shí)爐況診斷。

  國外最典型高爐專家系統(tǒng)主要有3個(gè),分別是日本的GO-STOP 系統(tǒng)、芬蘭Rautaruuki 高爐專家系統(tǒng)和奧鋼聯(lián)VAiron 高爐專家系統(tǒng)。目前,德國西門子公司組合芬蘭Rautaruuki 和奧鋼聯(lián)VAiron 高爐專家系統(tǒng),開發(fā)新一代高爐專家系統(tǒng)。

  我國高爐專家系統(tǒng)

  我國高爐數(shù)學(xué)模型和專家系統(tǒng)起步相對較晚,發(fā)展過程與國外基本類似,首先從數(shù)學(xué)模型開始,之后開展高爐專家開發(fā)與應(yīng)用。

  我國高爐數(shù)學(xué)模型開發(fā)過程:

  我國最早的高爐數(shù)學(xué)模型是1987 年由清華大學(xué)與鞍鋼合作開發(fā)的鐵水[Si]含量預(yù)報(bào)模型,應(yīng)用在鞍鋼9號高爐和4 號高爐,預(yù)報(bào)命中率82%,用于輔助高爐操作人員判斷爐溫發(fā)展趨勢。20 世紀(jì)90 年代,一些企業(yè)與科研機(jī)構(gòu)合作開發(fā)與應(yīng)用一些數(shù)學(xué)模型,見表2。

  我國高爐數(shù)學(xué)模型種類少,前期主要集中在鐵水[Si]含量預(yù)報(bào)模型,雖然后期相繼開發(fā)一些數(shù)學(xué)模型,但應(yīng)用效果均沒有達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

  我國高爐專家系統(tǒng)開發(fā)過程:

  20 世紀(jì)90 年代以后,隨著國內(nèi)高爐急速向大型化、現(xiàn)代化發(fā)展,許多大型高爐在基礎(chǔ)自動化改造中采用計(jì)算機(jī)一級和二級系統(tǒng),為高爐專家系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。國內(nèi)高爐專家系統(tǒng)主要有三種類型。

  引進(jìn)國外高爐專家系統(tǒng)。如寶鋼引進(jìn)日本的GO-STOP 系統(tǒng),1996 年投入運(yùn)行;武鋼、本鋼、首鋼和唐鋼引進(jìn)芬蘭高爐專家系統(tǒng);攀鋼、沙鋼、昆鋼、重鋼和南鋼引進(jìn)奧鋼聯(lián)的高爐專家系統(tǒng)。

  在引進(jìn)國外專家系統(tǒng)基礎(chǔ)上,國內(nèi)企業(yè)與科研機(jī)構(gòu)合作開發(fā)的高爐專家系統(tǒng)。例如,寶鋼在引進(jìn)與消化日本“GO-STOP”系統(tǒng)基礎(chǔ)上,與復(fù)旦大學(xué)合作開發(fā)了“爐況監(jiān)視和管理系統(tǒng)”。武鋼在引進(jìn)芬蘭高爐專家系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,與北京科技大學(xué)合作在1 號高爐開發(fā)自己的高爐專家系統(tǒng)。

  自主開發(fā)的高爐專家系統(tǒng)。例如首鋼與原冶金部自動化研究院合作開發(fā)的“人工智能高爐冶煉專家系統(tǒng)”,系統(tǒng)包括爐體熱狀態(tài)判斷系統(tǒng)、異常爐況判斷和爐體狀態(tài)判斷3個(gè)子系統(tǒng);馬鋼與原冶金部自動化研究院合作開發(fā)“馬鋼高爐爐況診斷專家系統(tǒng)”;南鋼與重慶大學(xué)合作開發(fā)的“南鋼高爐操作管理系統(tǒng)”;鞍鋼開發(fā)的“11 號高爐人工智能系統(tǒng)”;浙江大學(xué)開發(fā)的“高爐煉鐵優(yōu)化專家系統(tǒng)”分別在杭鋼、新臨鋼鐵、萊鋼、濟(jì)鋼和邯鋼高爐得到推廣與應(yīng)用。該系統(tǒng)針對國內(nèi)高爐實(shí)際條件,利用動態(tài)規(guī)劃理論建立多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,尋找冶煉參數(shù)的最佳范圍、最佳組合,從而實(shí)現(xiàn)爐況故障診斷、爐溫預(yù)報(bào)與高爐生產(chǎn)報(bào)表自動打印,對爐況進(jìn)行綜合推斷,使高爐順行穩(wěn)定程度提高,實(shí)現(xiàn)控制、管理一體化。

  國內(nèi)高爐專家系統(tǒng)存在問題:

  與國外企業(yè)相比,國內(nèi)高爐專家系統(tǒng)起步晚,整體上高爐專家系統(tǒng)遠(yuǎn)沒有達(dá)到預(yù)期目標(biāo),大部分企業(yè)在嘗試應(yīng)用一段時(shí)間后,由于各種原因,最終還是選擇放棄。國內(nèi)專家系統(tǒng)不成功主要原因如下:

  高爐操作理念差異。國內(nèi)高爐操作者側(cè)重自身經(jīng)驗(yàn),主要靠監(jiān)控一級畫面來操作高爐,國外高爐大部分常規(guī)操作均由專家系統(tǒng)自動閉環(huán)控制或按高爐專家系統(tǒng)指導(dǎo)操作;

  化檢驗(yàn)數(shù)據(jù)失真或輸入滯后,專家系統(tǒng)得到數(shù)據(jù)不可靠或數(shù)據(jù)時(shí)效性差,造成推理機(jī)給出錯(cuò)誤的反饋信息,造成高爐操作人員對專家系統(tǒng)失去信任;

  一級自動化檢測系統(tǒng)不可靠,例如,大部分高爐提供的爐頂煤氣成分在線自動分析和爐身靜壓力儀表數(shù)據(jù)均不準(zhǔn)確;

  高爐專家系統(tǒng)缺少有效維護(hù),尤其引進(jìn)的高爐專家系統(tǒng),由于沒有培養(yǎng)自己的專業(yè)維護(hù)人員,專家系統(tǒng)得不到有效維護(hù)與完善,最后被迫放棄。

  高爐專家系統(tǒng)發(fā)展方向

  在新形勢下,我國經(jīng)濟(jì)已由高速增長階段轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段,《鋼鐵“十三五”規(guī)劃》和《鋼鐵行業(yè)投資指南》中明確提出培育形成一批鋼鐵智能制造工廠,尤其是支持鋼鐵生產(chǎn)關(guān)鍵工序的大數(shù)據(jù)中心平臺建設(shè)。因此,結(jié)合信息化技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),鋼鐵聯(lián)合企業(yè)高爐生產(chǎn)智慧化和集約化,將成為新的發(fā)展方向。

  推動高爐生產(chǎn)向智慧化和集約化發(fā)展

  目前我國高爐基本上完成大型化、現(xiàn)代化改造,高爐裝備水平達(dá)到世界領(lǐng)先,要結(jié)合先進(jìn)信息技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在高爐上應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)高爐大數(shù)據(jù)云平臺、大數(shù)據(jù)挖掘與智能分析,實(shí)現(xiàn)智慧化、集約化管理模式。

  建立以高爐為核心覆蓋其他煉鐵工序數(shù)據(jù)源和大數(shù)據(jù)處理中心的信息系統(tǒng),打破信息“孤島”,建立集團(tuán)公司級煉鐵大數(shù)據(jù)智能網(wǎng)絡(luò)平臺,為高爐群實(shí)現(xiàn)集約化管理模式奠定基礎(chǔ);

  建立高爐機(jī)理模型與數(shù)字化模擬相融合系統(tǒng)。建立“數(shù)字化高爐”仿真平臺,深度解析高爐冶煉機(jī)理以及高爐多元、多相、多場強(qiáng)烈耦合的內(nèi)部現(xiàn)象,將高爐冶煉機(jī)理與數(shù)據(jù)分析融合,修正與重構(gòu)高爐數(shù)學(xué)模型。

  高爐大數(shù)據(jù)全流程挖掘與云計(jì)算。將歷史數(shù)據(jù)與當(dāng)前操作關(guān)聯(lián),實(shí)現(xiàn)高爐生產(chǎn)過程多種操作參數(shù)優(yōu)化,推算最佳高爐工藝路線。

  建立高爐操作指導(dǎo)系統(tǒng)。匯集全方位數(shù)據(jù),對數(shù)據(jù)溯源分析,對特征數(shù)據(jù)提取、整合、結(jié)果推送,推送變更操作影響因素和上一班次操作參數(shù)爐況評價(jià)和運(yùn)行趨勢分析結(jié)論。

  推動高爐冶煉過程向可視化技術(shù)發(fā)展

  將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VR)應(yīng)用于高爐冶煉生產(chǎn)過程,構(gòu)建多源信息融合交互性的高爐冶煉環(huán)境,充分發(fā)揮大數(shù)據(jù)的價(jià)值,實(shí)現(xiàn)高爐大數(shù)據(jù)云平臺交互,高爐冶煉全過程可視化管理,實(shí)現(xiàn)“黑盒子”向“白盒子”的突破性進(jìn)步。

  開發(fā)爐頂料面三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)。采用多項(xiàng)高爐可視化監(jiān)控和仿真技術(shù),使用爐頂攝影圖像和激光料面掃描檢測儀表,通過圖像識別技術(shù)建立料面形狀分布參數(shù),指導(dǎo)高爐布料操作。

  開發(fā)高爐操作爐型三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)。建立高爐爐內(nèi)不同區(qū)域爐墻內(nèi)型變化和爐內(nèi)氣流分布判斷模型,實(shí)現(xiàn)對爐體的內(nèi)襯厚度、渣皮厚度、操作爐型的在線監(jiān)測和圖像重建,對爐墻結(jié)瘤、渣皮頻繁脫落、操作爐型不合理等異常情況進(jìn)行診斷。

  開發(fā)高爐風(fēng)口回旋區(qū)三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)。應(yīng)用多視角的高爐風(fēng)口CCD 圖像,利用圖像識別技術(shù)建立高爐風(fēng)口回旋區(qū)模型,可視化地反映回旋區(qū)分布情況,監(jiān)控風(fēng)口區(qū)域焦炭運(yùn)動、噴吹煤粉流股大小,及時(shí)發(fā)現(xiàn)風(fēng)口區(qū)域生降等,判斷高爐爐缸工作狀態(tài)。

  開發(fā)三維數(shù)字化爐缸內(nèi)襯侵蝕可視化診斷系統(tǒng)。有效實(shí)現(xiàn)復(fù)雜條件和不充分條件下的爐缸內(nèi)襯侵蝕三維可視化監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)各個(gè)服役階段爐缸的侵蝕診斷和安全評估,科學(xué)確定爐缸內(nèi)襯的安全厚度和安全預(yù)警線,科學(xué)制定目標(biāo)爐缸安全維護(hù)技術(shù),保證高爐安全受控。

  結(jié)語

  雖然我國高爐專家系統(tǒng)起步晚,但我國高爐數(shù)量眾多,而且基本上完成現(xiàn)代化改造,配置先進(jìn)基礎(chǔ)自動化和先進(jìn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng),具備開發(fā)高爐專家系統(tǒng)基礎(chǔ)條件。在國家鼓勵(lì)制造業(yè)加速向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向拓展政策引導(dǎo)下,鋼鐵企業(yè)應(yīng)根據(jù)自身高爐裝備水平、原燃料條件,開發(fā)符合自身特點(diǎn)、針對企業(yè)自身存在主要問題的專家系統(tǒng)。

  具有多座高爐的企業(yè)應(yīng)該將數(shù)據(jù)庫、物聯(lián)網(wǎng)、高爐專家系統(tǒng)充分融合,在新形勢下,結(jié)合信息化技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),實(shí)現(xiàn)高爐群集約化管理模式,開發(fā)與應(yīng)用高爐冶煉過程可視化集成技術(shù),實(shí)施高爐冶煉全過程可視化管理模式,努力實(shí)現(xiàn)高爐生產(chǎn)過程的精確在線控制,達(dá)到高效、綠色、安全的生產(chǎn)目標(biāo)。

 

作者:車玉滿 郭天永 孫鵬 姜喆 姚碩 費(fèi)靜 劉炳南

來源:中國冶金報(bào)-中國鋼鐵新聞網(wǎng)

編輯:陳曦

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