高爐冶煉專家系統(tǒng)研發(fā)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

發(fā)布時間：2019-12-18 08:51:01

　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)、維護等原因,，國內(nèi)高爐專家系統(tǒng)沒有達到預(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,，計算機技術(shù)在高爐冶煉過程中的應(yīng)用是從數(shù)學(xué)模型開始的。***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)的拉姆配料計算模型,、美國內(nèi)陸鋼鐵公司的物料平衡計算數(shù)學(xué)模型等。20 世紀(jì)70 年代,，由于石油危機，降低高爐焦比成為企業(yè)重點,，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 座實驗小高爐進行整體解剖調(diào)查分析,，以及對系統(tǒng)物理模型模擬實驗,，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***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)報與控制、布料控制和爐溫預(yù)報等數(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、計算爐熱指數(shù)TS,、鐵水[Si]含量與鐵水溫度的預(yù)報和高爐操作指導(dǎo),。

　　日本川崎GO-STOP 系統(tǒng)由8 種指數(shù)計算模型構(gòu)成,，對高爐操作因素做定量分析,，將各種因素控制在***佳范圍內(nèi),，使用8 個指數(shù)檢驗,、評價和診斷高爐冶煉過程爐況狀態(tài)，抽取230 個監(jiān)測信息用于推理機推理,，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 個子系統(tǒng)組成：

　　高爐熱狀態(tài)系統(tǒng),。計算高爐熱指數(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 個指數(shù)計算,，識別操作參數(shù)對爐溫影響程度，并根據(jù)計算結(jié)果提出操作建議,。

　　高爐操作爐型管理,。計算冷卻壁熱負(fù)荷,、計算爐體溫度場分布，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,，計算爐頂壓力、爐頂溫度及變化幅度,、計算料速。對每班及全天煤氣流分布進行評價,，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，分析煤氣利用率變化原因,。

　　高爐爐缸平衡管理,。高爐物料平衡計算，實時計算爐缸內(nèi)渣鐵生成量和殘余量,，并與爐缸安全容鐵量進行比對,，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,、計算***低燃料比,、預(yù)報鐵水溫度、計算爐缸內(nèi)渣鐵液位高度,。

　　瑞典高爐智能報警系統(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***監(jiān)控系統(tǒng)。法國的SOLLAC 公司開發(fā)SACHEM 高爐***監(jiān)控系統(tǒng),，用于異常爐況預(yù)報和實時爐況診斷,。

　　國外***典型高爐專家系統(tǒng)主要有3個，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***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)報模型，應(yīng)用在鞍鋼9號高爐和4 號高爐,，預(yù)報命中率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算機一級和二級系統(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。

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

　　在引進國外專家系統(tǒng)基礎(chǔ)上,，國內(nèi)企業(yè)與科研機構(gòu)合作開發(fā)的高爐專家系統(tǒng)。例如,，寶鋼在引進與消化日本“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***佳范圍、***佳組合,，從而實現(xiàn)爐況故障診斷,、爐溫預(yù)報與高爐生產(chǎn)報表自動打印，對爐況進行綜合推斷,，使高爐順行穩(wěn)定程度提高,，實現(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)遠沒有達到預(yù)期目標(biāo),，大部分企業(yè)在嘗試應(yīng)用一段時間后，由于各種原因,，***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,，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)時效性差,，造成推理機給出錯誤的反饋信息，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,，尤其引進的高爐專家系統(tǒng)，由于沒有培養(yǎng)自己的專業(yè)維護人員,，專家系統(tǒng)得不到有效維護與完善,，***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,，高爐裝備水平達到***,，要結(jié)合先進信息技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在高爐上應(yīng)用,，實現(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”,，建立集團公司級煉鐵大數(shù)據(jù)智能網(wǎng)絡(luò)平臺,，為高爐群實現(xiàn)集約化管理模式奠定基礎(chǔ)；

　　建立高爐機理模型與數(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理以及高爐多元、多相,、多場強烈耦合的內(nèi)部現(xiàn)象,，將高爐冶煉機理與數(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)全流程挖掘與云計算,。將歷史數(shù)據(jù)與當(dāng)前操作關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)高爐生產(chǎn)過程多種操作參數(shù)優(yōu)化,，推算***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)爐況評價和運行趨勢分析結(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)的價值，實現(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,，實現(xiàn)“黑盒子”向“白盒子”的突破性進步。

　　開發(fā)爐頂料面三維可視化監(jiān)控系統(tǒng),。采用多項高爐可視化監(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)域焦炭運動,、噴吹煤粉流股大小，及時發(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,，實現(xiàn)各個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，配置先進基礎(chǔ)自動化和先進計算機系統(tǒng),，具備開發(fā)高爐專家系統(tǒng)基礎(chǔ)條件,。在***鼓勵制造業(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,、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),，實施高爐冶煉全過程可視化管理模式,，努力實現(xiàn)高爐生產(chǎn)過程的***在線控制，達到高效,、綠色,、安全的生產(chǎn)目標(biāo)。


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