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      玉鼠辭舊,金牛迎春!2020,北科工研驅動智造蝶變

      單位(作者):工研院 | 來源:本站原創 | 更新時間:2021-03-17 | 點擊數:

      極不平凡的2020,讓無數平凡人凝聚起來,齊心抗擊疫情,攜手決戰脫貧攻堅。榜樣、信念力量無窮,鼓舞人、啟迪人。作為北京科技大學傾力打造的科技成果轉化品牌,鋼鐵及有色關鍵共性技術研發的墾荒者和引領者,2020年北科工研勇立潮頭,敢于擔當,聚焦新一代綠色、高效的冶金工藝裝備及控制技術革新,創新性提出了包含多層級、多工序的冶金智能制造整體技術方案,并積極推進各項智能化技術落地。

      智造規劃:謀定而后動

      2020年9月28日,三鋼集團公司智能制造總體規劃驗收匯報會圓滿召開,北科工研負責編制的三鋼智能制造總體規劃方案將作為指導性文件,助力三鋼實現從“鋼鐵制造”向“鋼鐵智造”的跨越。三鋼智能制造總體規劃按照“總體規劃、分步實施,由點及面、由低到高,先搭框架、后逐漸填充完善“的總體思想,圍繞“一中心、三協同”分為三期進行建設,重點突破跨地域、跨系統、跨流程、跨專業的業務壁壘。以大數據中心為基礎,通過集中操作和協同管控打破業務壁壘,實現公司數據透明化、業務協同化、管控智慧化,該規劃方案得到了三鋼的高度認可和好評。2020年11月,北科工研再次獲得萊鋼智能制造規劃項目,并有多個意向項目正在落地。

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      智能支撐:九層之臺,起于壘土

      智能支撐層作為智能制造的基礎,瞄準冶金工廠基礎設施的短板補齊、增強感知、機器代人、數據中心建設等,實現生產全過程自動化、現場值守無人化和產品全生命周期數字化。

      iBKLinker冶金工業互聯網平臺

      2020年12月,北科工研發布了“更懂冶金流程”的工業互聯網平臺iBKLinker。該平臺包括工業資源層、邊緣和基礎服務層,平臺層,工業應用層四個層級,集成邊緣計算、數據治理、應用服務、算法集成、前端開發、監控運維六大核心板塊,全面支撐智能制造應用場景。繼馬鋼、鞍鋼、漣鋼、沙鋼、淮鋼、建龍等應用業績后,2020年,該平臺繼續成功應用于鞍鋼、石家莊智慧物流園、遷鋼硅鋼智能倉庫、新鋼中厚板、梅鋼冷熱軋、攀鋼西昌鋼釩等。以鞍鋼為例,目前平臺用戶注冊總數1350,構建機理類仿真模型及數據類分析模型35個,集成回歸、分類、聚類等機器學習算法9類,接入關鍵機組或單體設備89個,采集包括實時數據、關系數據、圖片數據、視頻數據等多種類型數據,年存儲數據達110TB,打破傳統工控封閉生態以及西門子、施耐德等自動化廠商的技術壟斷,降低構建平臺軟件采購成本50%以上。該項目已入選工信部2020年工業互聯網試點示范項目,助力鞍鋼智能化轉型進程。

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      基于深度學習的新一代表面檢測系統

      作為冶金行業表面在線視覺檢測技術的先行者,北科工研結合上百套國內外表面檢測系統的實踐經驗,將傳統缺陷檢測算法和深度學習技術深度融合,進一步提高算法的識別準確率,形成了更適用于冶金領域復雜邊界條件下的表面缺陷檢測技術?;谶@一技術,北科工研新一代表面檢測系統不斷得到用戶認可,近兩年在馬鋼、太鋼等多個企業成功替換掉百思泰、康耐視等外方產品,引領核心技術國產化。系統應用現場后,由于周期表面缺陷產生的質量問題下降90%,生產效率和效益大大提高。2020年,新一代表面質量在線檢測系統繼續在馬鋼2250、太鋼熱軋橫切線及平整線、浦項不銹鋼熱軋帶鋼等項目上成功應用,為客戶產線質量控制和智慧制造添磚加瓦?!痘谏疃葘W習的熱軋帶鋼表面在線檢測與質量評級》項目在2020年榮獲冶金科學技術進步一等獎。

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      熱軋自動軋鋼關鍵測控技術

      粗軋鐮刀彎、翹扣頭與精軋機架間跑偏是造成熱軋堆鋼、甩尾、軋破的直接原因,嚴重影響生產順行,導致軋線難以實現完全意義上的自動化,人工干預多。2020年9月,北科工研開發的熱連軋機架間跑偏檢測系統應用于馬鋼2250機組,同年12月實現自動糾偏控制系統上線。同時,北科工研也為首鋼京唐1580、馬鋼1580、邢臺德龍1250等機組提供了粗軋鐮刀彎、翹扣頭測控等系統,開發了包括粗軋鐮刀彎、翹扣頭以及精軋機架間跑偏在內的熱軋全線運行非對稱檢測與自動控制系統。該系統的應用將操作人員的頻繁干預轉變為監控為主,有效降低甩尾與堆鋼概率,提升生產穩定性、生產效率與產品質量。該成套技術引領行業,對國內寬帶鋼熱連軋以及中厚板產線具有普遍適用性,成為智能工廠建設中面向“無人駕駛”的全線自動軋鋼重要支撐技術。

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      過程控制系統在線改造技術

      隨著產品結構和工藝裝備的升級,對于熱連軋生產線來說,控制系統的更新迭代和模型精度優化提升是建設智能產線的首要任務。為了在熱連軋過程控制系統升級過程中不影響正常生產,降低項目實施風險,北科工研開發的高性能專用數據網關服務器,可以實現新老系統無縫切換和在線平滑升級過渡,結合北科工研新一代數學模型,實現零風險改造的同時又達到既定效果。該技術于2016年在馬鋼CSP成功應用并替換掉西門子系統,在2020年又分別中標酒鋼CSP二級改造、沙鋼1450模型在線優化升級,將再次替換掉西馬克和ABB二級系統,推進軋制模型技術國產化?!睹嫦蚨嗥芬幐呔溶堉频腃SP過程控制系統關鍵技術》在2020年榮獲冶金科學技術進步一等獎。

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      軋制高精度及高效生產技術

      高精度和高效生產是智能制造最為關鍵的指標之一,北科工研人一直為之不懈努力。2020年8月13日,由北科工研承擔的四川罡宸1450mm不銹鋼熱連軋生產線L1、L2、L3自動化系統熱負荷試車一次成功,隨后在短時間內即穩定生產出厚度為2.0~9.75mm的產品。通過采用多機架協調厚度控制、自適應頭尾厚度控制、微恒張力控制、活套軟接觸等專有控制技術,厚度控制精度可實現3.0mm產品厚差±20μm以內、9.0mm產品的厚差±40μm以內,大大增強了企業的競爭力。2020年6月,由北科工研承接的福建三寶耐腐蝕熱軋卷板生產線實現1.0mm薄規格冷軋基料的熱試和量產,這是繼在馬鋼1700mm CSP產線實現1.2mm冷軋基料、日鋼1580mm半連軋實現1.1mm花紋板后,又一次在常規熱軋產線上實現超薄帶鋼的突破。2020年在重鋼1780mm產線年修期間,北科工研通過軟件升級實現生產節奏的優化,完成了粗軋道次擺位速度優化,提升粗軋軋制節奏8.3s;完成精軋、層冷、卷取雙鋼程序邏輯改進,厚規格軋制節奏提升超過30s;完成運輸區邏輯優化,運輸步進梁節奏提高6s。年修結束后重鋼1780產線的月產量穩定提升8.1%,為企業創造了顯著的經濟效益。

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      智能生產:草枯鷹眼疾,雪盡馬蹄輕

      智能生產層瞄準高效生產和高精度控制。有了自動化、信息化、數字化作為支撐,可針對性挖掘和解決生產過程的痛點問題,推進多類生產單元操維的高度集控,實現生產過程的智能化、少人化和集控化。

      無人行車及智能庫管技術

      原料、成品庫區一直是多數生產流程的斷點和智能工廠推進的短板,人員操作頻繁、工作環境惡劣、運行效率受限、物料跟蹤缺失、裝備維護困難等問題長期存在,使庫區的無人化、智能化改造成為智能工廠建設體系中的關鍵環節。北科工研整合自動控制、物流調度、檢測儀表、機械裝備、冶金工藝等優勢學科方向,打造出融合“庫區立體目標識別-無人天車精準執行控制-物流設備集群自主協同-網絡互聯智能調度”的無人天車與智能庫管系統技術綜合體,經過多年的持續研發攻關與工業現場實踐迭代,在完善板卷無人庫技術的基礎上,成功實現棒材無人庫、高線無人庫以及多功能物流庫的業務拓展,引領著智能庫區技術的技術發展。2020年,北科工研獲得珠?;浽XS智能棒材物流庫(國內棒材平面智能庫唯一成功業績)、中冶新材冷軋硅鋼智能成品庫驗收證書,并啟動實施鞍鋼冷軋三分廠和四分廠智能庫改造工廠設計、馬鋼特鋼公司高線成品庫智能庫區改造、河北省智慧物流產業園區西區信息系統工程、首鋼遷安硅鋼成品庫智能倉儲系統等多個項目。

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      板材熱處理智慧集控產線

      2021年2月4日,南鋼板材事業部中厚板卷廠熱處理集控示范線發布會在南京鋼鐵圓滿召開。南鋼和北科工研合力打造的示范產線成功上線應用,標志著鋼鐵行業首套板材熱處理爐智慧集控產線取得重大成功,成為我國鋼鐵智能化建設的又一經典案例。該項目應用了北科工研研發的新一代數學模型、機器視覺、大數據智能分析等多項先進技術,成功建成智慧遠程集控的同時,在少人化、產量提升、節能降耗等方面均取得了巨大進步,其中產品性能合格率較2018年提高2.63%,接近100%,操作崗位減少30%,能耗大幅度降低,水、電、風、氣各項消耗下降均超過12%,直接經濟效益達到998萬元/年。該集控示范線的建成,為南鋼板材后期的“一線一室”鋼軋集控項目推進積累了經驗,更加堅定了南鋼持續加大力度推進智能化建設的信心和決心,為南京鋼鐵集團數字化、智能化建設打下了堅實的基礎,也為鋼鐵行業智能制造模式探索起到了良好的示范作用。

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      智能磨輥間系統

      2020年9月,北科工研實施的馬鋼四鋼熱軋智能磨輥間系統成功上線。系統以大數據管理平臺為基礎,構建智能綜合信息管控、大數據智能分析、生產運行智能決策、磨床狀態智能診斷、中央協同集控中心等體系。以軋輥、軸承(座)全生命周期管理為主線,實現磨輥間生產信息、運維信息、管理信息的整體集成;以智能推送系統為核心驅動,自動下發各項作業工單,實現全流程無紙化作業;以規則知識庫為算法驅動,開發出電子輥票和磨床加工優先級功能,實現動態匹配軋線計劃、動態調整磨削計劃,確保軋輥高效周轉運行。同時,智能磨輥間系統融入剛度數字化分析、磨損輥形圖形化評價、成本一鍵式分析、移動終端操作等諸多技術,在質量提升、穩定生產、降本增效和綜合優化等方面取得顯著成效。

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      設備狀態與工藝精度智能監控分析

      2020年北科工研著力打造的設備狀態與工藝精度監控分析系統,在馬鋼2250及其他熱連軋廠得以推廣應用,首次實現了對每一卷鋼軋制過程中的設備運行狀態進行實時監控,并對設備精度進行數字化評價、智能分析和實時預警,為提升生產穩定性發揮了積極作用。該系統通過對設備運行狀態進行實時監控,建立生產線關鍵機械、液壓、儀表及控制等設備及功能的服役過程評價模型,對其服役質量和狀態演變趨勢進行監控和預警,并通過與生產穩定性、產品質量和控制精度等過程數據之間進行關聯分析,挖掘設備服役質量與生產狀態之間的影響規律,為設備精度和功能管理提供科學依據。

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      冷軋智能化工藝診斷系統建設

      2021年2月1日,北科工研承擔的國內首例冷軋智能化工藝診斷系統完成功能驗收。系統以鞍鋼三冷軋酸軋生產線、連退生產線為依托,重點開發了酸軋機組軋制打滑及熱劃傷預測模型,酸軋機組軋制斷帶分析模型,酸軋機組軋輥服役狀態預測模型,酸軋跑偏預測及分析模型,連退機組活套、爐內帶鋼跑偏預測及分析模型,連退機組帶鋼打滑預測模型,連退產品全長性能均勻性分析模型,酸軋及連退機組排產優化模型,產量執行情況KPI指數模型等9大工藝模型。系統解決冷軋現場生產過程中遇到的與生產穩定性及質量控制相關的痛點難點問題,實現了“智能生產”。該系統通過“事前”預測、“事中”監測、“事后”分析,結合語音報警系統,現場反響熱烈,深受一線工作人員好評,從2020年1月2日上線至今,平均每月斷帶率減少5%,因生產過程參數異常造成的酸軋連退非計劃停機時間平均每天減少5分鐘,間接提高年產量1萬噸,為企業創造了切實的經濟效益。

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      智能檢化驗系統

      基于北科工研自主研發的iBKLinker工業互聯網平臺開發的新疆眾和鋁箔智能檢化驗系統于2020年12月初順利完成用戶驗收,系統上線當年便榮獲新疆眾和股份有限公司2020年度管理信息化項目一等獎。新疆眾和股份有限公司是全國最大的高純鋁和鋁電解電容器用光箔生產企業,該系統是北科工研助力新疆眾和建設國內首個高精電子鋁箔智能工廠的智能系統之一。系統主要實現從MES系統自動接收試驗委托物料信息、智能配置檢測計劃及制樣要求、自動采集與歸集性能和油品試驗數據、全部檢測項目自動合格判定、智能推判終判、不合格品流程審批到終判、智能審核及發布判定結果到MES系統的全過程管理等。該系統雙向打通了與MES系統之間的數據壁壘,實現了數據不落地,顯著提高檢化驗工作效率和數據的準確性,系統上線后使眾和鋁箔公司檢測效率提升了60%,檢測精度提高了40%,數據使用效率提升了70%以上,為企業創造了顯著的經濟效益。

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      智能管控:會當凌絕頂,一覽眾山小

      智能管控層聚焦數據背后潛在的價值,實現多業務協同管控。以數字產品為核心,以KPI指標為引領,使得生產、質量、成本、能源、設備、安防、交付、人員等多要素實現大尺度協同優化,促進流程信息的透明化,工廠管理的扁平化和業務決策的精準化。

      冶金全流程質量管控系統

      北科工研自主研發的冶金全流程質量管控系統已成功應用于全國20余家大型鋼鐵和有色行業,涵蓋卷板、中厚板、優特棒、高線、軌梁等多類企業,業績和技術實現雙領跑。2020年,北科工研繼續加大科技成果轉化力度,研發了面向工業互聯網的邊緣計算平臺,實現了多協議適配、邊緣側數據處理、語義自動關聯融合、IT與OT協作的網絡安全管控;采用可配置的工藝質量狀態在線監控與預警、數據驅動與機理模型相結合的質量預測、產品質量在線精準評判等先進算法,實現了生產過程中的過程監控、質量預測、過程判定的在線管控新模式;融合設備、生產、能源等數據,實現質量與多要素之間的協同管控與優化?;谠撓到y,應用產線缺陷外放風險下降40%以上,工藝人員的勞動效率提升50%以上,質量不良率下降20%以上,為企業創造了巨大的經濟效益。2021年01月08日,中國金屬學會在北京組織召開了 “鋼鐵產品質量全過程智能管控技術與平臺”科技成果評價會,該項成果總體達到國際先進水平。

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      能源介質智能化管理系統

      2020年,北科工研負責的“鞍鋼1780產線能源介質智能化管理系統”穩步推進,相繼完成了項目設計審查、能源介質數據的采集、處理和模型應用開發等工作。該項目所提供的產線級能源介質智能化管理系統實現對車間內各種能源介質數據做到實時采集、集中監控、實時計量,實時核算物料單件次的能源介質消耗,及時核算工序能耗成本,并與生產過程數據多維關聯和挖掘分析,深挖產線的節能降本潛力。將鋼卷信息、生產計劃、品種規格、能源介質消耗、工序、機組等多個維度建立數學模型,從板坯進入加熱爐開始,直至卷取機卸卷完成的整個過程中,采用能源介質基礎測量數據與理論能耗模型分析相結合的方法,實時動態跟蹤并科學分攤軋件對應的能源介質消耗。系統部分功能模塊目前正在陸續開始調試,初步實現了主要能介計量數據的集中監控,并實時科學分攤到卷。

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      冶金全流程工藝過程數字化仿真系統

      2020年8月沙鋼“高端線材全流程智能制造新模式應用項目”順利通過專家組驗收,北京科技大學承擔的“全流程工藝過程數字化仿真系統”是其中重要實施內容之一,主要是針對我國高端產品供給能力不足,穩定性、均勻性、一致性差等問題,通過探索材料化學成分、組織結構、工藝參數與產品性能的對應關系,實現產品研發與材料設計過程中數字化、可視化和智能化,為制定工藝規范和質量體系提供決策支持,達到縮短產品研發周期、提高產品質量穩定性、提升產品個性化定制能力的目標。該項目首次打通了從煉鋼到冷卻的全流程工藝參數和過程質量的數字化模擬,實現產品質量生產前的仿真預測與生產后的分析改進,并通過與實際生產過程在線融合,利用工業大數據技術,不斷迭代優化仿真模型精度。目前項目組正在承擔 “寶鋼BSCCR 鐵素體軋制專業化產線設計模擬仿真平臺”的研發工作。

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      樣板工廠:長風破浪會有時,直掛云帆濟滄海

      2021年1月4日,熱軋智慧工廠“雙線雙智控”模式首次亮相中國寶武綠色發展與智慧制造現場會,并引起業內的廣泛關注。雙線雙智控指項目構建的熱軋智控中心覆蓋2250和1580兩條熱軋產線,并包含操維集控平臺和協同智慧平臺,實現操維和業務雙智控,追求產線極度自動化和業務高效協同化。作為馬鋼-北科大產學研合作“基地+”理念的踐行者和項目主要建設方,依托“馬鋼-北科大冶金智能制造技術創新中心”,北科工研與寶信軟件等單位一起攜手打造服務于馬鋼熱軋智慧工廠的高質量技術生態圈。在本項目中,北科工研承擔了板坯裂紋檢測、精軋跑偏檢測與自動調平、新一代密集冷卻技術、智能磨輥間、鋼卷數據服務、數據可視化、生產任務、質量任務、設備任務、員工成長任務等17個大項。

      操維智控平臺建成后,高效生產模式帶來可見效益,馬鋼四鋼軋2250和1580熱軋2個分廠整合為1個分廠,12個作業區變為4個作業區,將兩線15個崗位整合為“1+2+1” 的新崗位模式,主線減員超過35%,勞動生產率提升15%。協同智慧平臺完成熱軋工廠全要素、全區域、全業務10萬個數據的集成和融合,構建熱軋物理車間的數字孿生體。平臺以21個一級指標、420個二級、三級指標為牽引,將熱軋車間運行過程生產、質量、設備、能源、成本、交付、人員、安環八大任務進行串接,開發44個智能化模型,從全維度提升工廠的智能化水平和軟實力,為熱軋產能提升15%,成本下降10%,質量提升10%提供強有力保障。

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      展望

      2020年,北科工研人齊心協力,深耕冶金智能制造關鍵技術,并致力推動智造落地;

      2021年,北科工研人將繼續發揮孺子牛、拓荒牛、老黃牛精神,砥礪奮進,開拓冶金智能制造新征程。

      (圖片:工研院)

      (責編:付云笛)

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