一、研究的背景与问题

钢铁企业进行智能工厂建设方兴未艾，钢轧方面的智能化需求日趋明确：生产工艺和设备高度集成，生产过程自感知、自执行、自决策、自学习、自适应，满足生产过程“无人干预”，从而达到钢轧生产运行安全稳定、节能减排、降本增效、优化生产、质量升级等目标。以加热炉为代表的加热设备，经过几十年的发展，硬件设施已经逐步趋同。要进一步适应钢铁工业智能化的新需求特别是钢轧产线智能化的总体发展趋势，有必要开发加热炉群智能管控一体化系统，实现工业炉群有人监控、无人化操作的控制要求，以及加热炉区设备管理、智能化分析要求。

轧钢加热炉的能耗占钢铁企业总能耗的10%左右，占轧钢厂能耗的70%左右。完善和优化加热炉工序,降低加热炉能耗的同时，提高产品质量，对“碳达峰、碳中和”目标的实现起着举足轻重的作用。本课题主要应用场景为轧钢加热炉群。由于加热炉本身的复杂性，传统的热工机理模型算法很难满足加热炉群的动态控制要求，精确的数学模型算法往往计算量巨大，无法满足实时性的要求，受到控制节奏的限制而无法在线应用。因此，需要研究新的方法和技术解决加热炉生产过程中的产量、质量、能耗等多目标、非线性、多约束的在线优化问题。

“加热炉群智能管控一体化系统研发及应用”相当于加热炉区的智慧大脑。系统的应用，可实现加热炉群生产的智能化组织、无人化燃烧控制、优化的能源消耗、环保的污染物排放以及设备的全生命周期健康管理。致力于解决加热工艺环节面临的以下一些问题：

1）实现加热过程无人为因素干扰，确保炉内加热过程符合加热工艺要求以及对工艺变化的开放性。

2）合理组织生产，保障生产节奏变化时生产过程的平稳性。

3）基于数据平台的能源优化分析，改进生产控制。

4）加热炉全区域设备管理，重点设备状态监控，保障设备健康运行。

二、解决的问题的思路与技术方案

课题以数采平台数据为基础开发了工序智能化管控一体化系统，实现加热炉区域生产组织和设备管理及加热工序实时在线调控，通过建立数据和机理双轮驱动模式，机理模型和数据挖掘相辅相成智能化控制生产，实现可视化、可操作、可优化、可分析、可诊断等加热炉智能化管控，本系统包括以下六部分：

1、适合加热炉群的数采系统建立与配置研究；

2、钢坯炉区运行的全过程管控模型研究与开发；

3、全息生产数据分析模型研究与开发；

4、加热炉核心热工设备状态监控，预测模型；

5、生产数字仿真模型研究及开发；

6、分角色信息推送系统开发。

三、主要创新性成果

加热炉群智能管控一体化系统研发及应用课题在以下的一些方面取得了创新性的成果：

1、面向加热炉及关键热设备集群上下游协同优化控制的需求，构建了轻量化软硬件与智能化特征的管理控制一体化系统解决方案。以加热炉和关键热设备全息生产数据解析为纽带，耦合加热炉群上下游全过程智能管控、关键热设备运行状态动态监控及其产品性能预测，形成了加热炉及关键热设备集群的高效管控。

2、提出了炉群运行大数据模型和热工机理模型互促驱动的生产过程数值模拟、加热质量在线预测和动态优化的协同调控新方法。通过高效、轻量化的全息数据采集软硬件设备提供基础信息，动态预测加热炉及关键热设备集群的非线性行为，耦合加热炉群热工机理数学模型，实现了加热炉群双轮驱动智能管控一体化系统。

3、构建了加热炉及关键热设备集群的数字孪生体。耦合分角色信息推送系统，实施加热工艺、关键设备、产品质量的全过程动态监控，实时呈现设备状态、产品状态，支撑可追溯的加热炉及关键热设备集群全生命周期的过程管理与控制。

四、应用情况与效果

本项目全部或者部分研究成果，先后应用海内外多个项目。综合比较国内外智能化加热炉控制系统的各项技术经济指标以及本项目成果指标，本项目的研究成果提高了产品质量，降低了燃料消耗，提高了自动化水平，经济效益和社会效益显着，各项技术经济指标达到了国际领先水平。

实施案例1：加热炉智能管控一体化系统于2022年6月，在某钢铁企业实现全功能模块上线运行，智能管控系统投运前加热炉单耗为1.32GJ/t，系统投运后能耗降低到1.16GJ/t，钢坯氧化烧损从0.8%降低到了0.65%，系统无需操作人员干涉的智能化生产时间保持在95%以上的较高水平。

实施案例2：加热炉群智能管控一体化系统于2023年1月在某轧上线运行，实现了热轧四座加热炉的坯温跟踪、智能燃烧控制和基于历史生产数据的智能优化等功能。投运至今，系统运行稳定，各项性能指标优良。连续投运率达到了95％以上，极大提高了生产线的自动化水平。此外，系统的使用，减少了钢坯的氧化烧损，提高了产品成材率，降低了能耗，综合效益良好。

随着市场对数字化加热炉的需求以及智能化制造的要求，本项目的研究成果必将具有更为广阔的应用前景，必将给企业带来显著的经济效益，给国家带来巨大的社会和环境效益。

信息来源：中冶赛迪工程技术有限公司