犯其至難而圖其至遠(yuǎn)：北科工研2022年十大科技創(chuàng)新盤點
“路雖遠(yuǎn)，行則將至；事雖難，做則必成。只要有愚公移山的志氣、滴水穿石的毅力，腳踏實地，埋頭苦干，積跬步以至千里，就一定能夠把宏偉目標(biāo)變?yōu)槊篮矛F(xiàn)實。”
- 習(xí)近平總書記在2023年新年賀詞
揚帆起航正當(dāng)時，繼往開來譜新篇！以高效軋制與智能制造國家工程研究中心和國家板帶生產(chǎn)先進裝備工程技術(shù)研究中心兩個國家級平臺為依托，北科工研面向國家和行業(yè)重大需求，從未停止創(chuàng)新的腳步。盤點2022年的科技創(chuàng)新，北科工研將繼續(xù)前行，堅守初心，使命擔(dān)當(dāng)，為行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型貢獻(xiàn)北科智慧。
1.基于5G+AI的多產(chǎn)線鋼板表面檢測集控及自動判定技術(shù)
2022年8月，北科工研和華菱漣鋼、中國移動、華為合作，在世界上規(guī)模最大的高強鋼熱處理基地，全行業(yè)首創(chuàng)基于5G+AI的20條產(chǎn)線鋼板表檢集控及自動判定技術(shù)，以5G與私有云平臺作為基礎(chǔ)設(shè)施，基于深度學(xué)習(xí)的表檢系統(tǒng)作為上層應(yīng)用，形成端到端的整體解決方案。通過表檢集控一體化技術(shù)實現(xiàn)少人化、高效率和表面質(zhì)量一貫制管理，打破表檢傳統(tǒng)的“一機一班”生產(chǎn)模式，實現(xiàn)了“增機不增人”，讓多工序、多產(chǎn)線表檢質(zhì)量一體化管控成為可能。高速率、低時延的5G網(wǎng)絡(luò)使得表檢系統(tǒng)部署更靈活，降低投資40%以上，作業(yè)效率提升60%以上，20條熱處理產(chǎn)線從表檢抽檢到實現(xiàn)全檢。項目預(yù)計在2023年第三季度完成整體交付。
圖1 基于5G+AI的多產(chǎn)線鋼板表面檢測集控及自動判定技術(shù)構(gòu)架
2.基于機器視覺的中厚板自動轉(zhuǎn)鋼和冷床無人化技術(shù)
中厚板生產(chǎn)節(jié)奏快、品種多，長期以來，因技術(shù)局限性，粗軋轉(zhuǎn)鋼、冷床上下料和布料、雙邊剪自動對中和剪切無人化主要依靠人工操作，新一代信息技術(shù)為解決上述問題提供契機。2022年8月，在中信富泰興澄特鋼厚板生產(chǎn)線，北科工研基于在自動化技術(shù)上的深厚底蘊，融入機器視覺及AI技術(shù)，實現(xiàn)粗軋自動轉(zhuǎn)鋼、冷床上下料跟蹤智能化、雙邊剪自動對中。項目實施中創(chuàng)新性采用自主學(xué)習(xí)人工轉(zhuǎn)鋼經(jīng)驗，形成輪詢位置組合，鋼坯實現(xiàn)360°精準(zhǔn)跟蹤，實現(xiàn)長寬比＞2的鋼板一次轉(zhuǎn)鋼命中率≥90%；在冷床跟蹤采取雙冷床聯(lián)動模式，通過機器視覺+AI技術(shù)實現(xiàn)鋼板重復(fù)測量位置精度控制在20mm以內(nèi)，保證了冷床最大化布料能力；采用級聯(lián)的視覺識別算法模型，鋼板對中測量精度控制在5mm以內(nèi)，首次在中厚板生產(chǎn)線上實現(xiàn)多個關(guān)鍵設(shè)備的一體化智能控制。項目預(yù)計在2023年4月完成整體交付。
圖2 中厚板自動轉(zhuǎn)鋼和雙邊剪自動對中系統(tǒng)
3. 板帶熱連軋高效生產(chǎn)和高質(zhì)量高穩(wěn)定性控制技術(shù)
作為板帶熱連軋自動化控制國家隊，北科工研承載著國內(nèi)熱連軋自動化技術(shù)革新的使命。面向高效率、高質(zhì)量目標(biāo)，2022年積極研發(fā)全寬幅多目標(biāo)板形控制、綜合厚度控制、液壓活套三環(huán)控制、高效軋制節(jié)奏提升等創(chuàng)新技術(shù)，實現(xiàn)了精軋雙鋼軋制、粗精軋R2和FO連軋、超薄帶穩(wěn)定生產(chǎn)、超寬幅板形綜合控制等功能，精軋F1的咬鋼間隔時間和卷取機切換時間可控制在10秒以內(nèi)，大大減少了中間輥道上的板坯溫度損失，同時板形、厚度、寬度質(zhì)量均得到保障，從而在提高軋制穩(wěn)定性的同時實現(xiàn)了高效生產(chǎn)和節(jié)能降耗。2022年4月，由北科工研承建的世界最寬的德龍鋼鐵2550mm熱連軋不銹鋼生產(chǎn)線順利投產(chǎn)，該產(chǎn)線使用了多項自主研發(fā)創(chuàng)新成果，各指標(biāo)均處于領(lǐng)先水平。
圖3 精軋雙鋼軋制與粗精軋連軋技術(shù)
4. 面向“無人駕駛”的熱連軋粗精軋一體化自動調(diào)平糾偏控制技術(shù)
熱連軋粗軋中間坯鐮刀彎、翹扣頭與精軋機架間帶鋼跑偏長期缺乏測控技術(shù)，人工頻繁干預(yù)，生產(chǎn)穩(wěn)定性與質(zhì)量一致性均難以保證。面向“無人駕駛”的粗精軋一體化自動調(diào)平糾偏技術(shù)被認(rèn)為是熱軋智能化核心技術(shù)。經(jīng)過3年的技術(shù)沉淀和分項技術(shù)推廣，北科工研將基于深度學(xué)習(xí)的視覺檢測、非約束金屬三維變形特性分析、輥系軋件一體化非對稱控制機理模型、“人-機-料-法-環(huán)-測”數(shù)字化偏差溯源等技術(shù)深入融合，實現(xiàn)熱軋全工序一體化在線檢測與自動調(diào)平糾偏控制。2022年4月，北科工研和鞍鋼鲅魚圈熱軋部合作，6個月時間在1580m完成設(shè)備安裝、調(diào)試和全部功能上線，是繼首鋼、馬鋼、鞍鋼本部等12項業(yè)績之后的全工序一體化控制的里程碑案例。系統(tǒng)應(yīng)用后，可實現(xiàn)粗軋無人化，精軋減少60-80%操作干預(yù)，提高楔形命中率5-10%，并有效減少堆鋼甩尾頻次與處理廢鋼時間效率損失，為熱軋智能工廠高效集約生產(chǎn)奠定堅實基礎(chǔ)。
圖4 鞍鋼鲅魚圈1580熱軋粗精軋一體化自動調(diào)平控制團隊
5.薄規(guī)格板材生產(chǎn)庫區(qū)智能化管控技術(shù)
以智能庫管和無人天車為主要特征的卷、線、棒等庫區(qū)無人化技術(shù)已相對成熟，因生產(chǎn)工序繁多、物流流向復(fù)雜，板材智能庫區(qū)一直未能實現(xiàn)突破，轉(zhuǎn)運過程精準(zhǔn)跟蹤、識別及庫區(qū)精準(zhǔn)管控是解決這些問題的關(guān)鍵。2022年，北科工研相繼與南鋼板材事業(yè)部和漣鋼高強鋼熱處理線合作，首創(chuàng)機器視覺、AI識別、邏輯跟蹤與物理跟蹤相互校驗的薄板精準(zhǔn)跟蹤系統(tǒng)及板材多品規(guī)、定制化小批量庫區(qū)管理系統(tǒng)，通過基于多傳感器的空間位置計算及高精度重量識別系統(tǒng)，解決了吊運過程單張薄板及板材捆包的精準(zhǔn)跟蹤問題，首次實現(xiàn)板材智能庫的落地應(yīng)用，使板材庫區(qū)的智能無人化建設(shè)成為可能，項目預(yù)期2023年5月完成整體交付。
圖5 板材熱處理庫區(qū)集控中心
6. 面向多目標(biāo)的扁平材及長材生產(chǎn)計劃智能排程技術(shù)
多品種、小批量、嚴(yán)格周期的生產(chǎn)組織模式倒逼企業(yè)須打造智能化生產(chǎn)排程系統(tǒng)。從板帶到無縫鋼管、型材、棒線等產(chǎn)線，生產(chǎn)計劃大都由計劃員依靠工作經(jīng)驗手工編制，效率低下、效果不佳。因多目標(biāo)優(yōu)化復(fù)雜、約束條件多、異常事件干擾等因素，自動排程系統(tǒng)難度較大。2022年依托南鋼、大冶特鋼項目，通過建立計劃排程知識庫、開發(fā)優(yōu)化排程模型和啟發(fā)式算法等，實現(xiàn)了多計劃并行排程、一鍵自動配料、一鍵智能排產(chǎn)、余材充當(dāng)?shù)裙δ?，提升排產(chǎn)工作效率90%以上，減少倒垛、提升備料效率30%，實現(xiàn)鋼管的精準(zhǔn)配料與計算，直接提升成材率0.5%以上。
圖6 無縫鋼管產(chǎn)線生產(chǎn)自動排程系統(tǒng)
7. 軋制全流程產(chǎn)品組織性能預(yù)報與研發(fā)平臺
目前產(chǎn)品研發(fā)大多采用實驗和試生產(chǎn)多輪試錯方式，研發(fā)周期長、成本高。2022年年初，北科工研在某高品質(zhì)帶鋼生產(chǎn)基地，通過打通熱軋、冷軋、連退全流程工藝、質(zhì)量數(shù)據(jù)鏈路，建立產(chǎn)品溫度履歷、變形履歷、組織履歷、性能履歷模型，研發(fā)產(chǎn)品知識庫，構(gòu)建工藝和質(zhì)檢人員統(tǒng)一工作平臺，實現(xiàn)全流程產(chǎn)品組織性能預(yù)報、產(chǎn)品開發(fā)與工藝推優(yōu)。通過項目實施，能夠?qū)崿F(xiàn)在線性能判鋼，提升訂單準(zhǔn)時交貨率、庫存周轉(zhuǎn)率50%以上。數(shù)字試錯可以提前發(fā)掘生產(chǎn)過程中可能遇見問題，不僅提升研發(fā)效率，也降低質(zhì)量損失率，如實現(xiàn)連退卷工藝-組織-性能在熱軋、冷軋上下游工序間的遺傳分析，對連退工藝預(yù)警與工藝挽救。項目預(yù)計在2023年6月整體完工。
圖7 產(chǎn)品組織性能預(yù)報與研發(fā)系統(tǒng)架構(gòu)
8. 面向多業(yè)務(wù)的冷軋大數(shù)據(jù)智能分析與決策系統(tǒng)
2022年6月，北科工研與馬鋼合作，基于已有的冷軋17條產(chǎn)線智控中心，開發(fā)冷軋大數(shù)據(jù)智能分析與決策系統(tǒng)，旨在從大數(shù)據(jù)應(yīng)用層面突破冷軋“工序間相互耦合，生產(chǎn)效率難以突破”的智能制造發(fā)展瓶頸。利用“AI算法庫+工藝思想”雙輪驅(qū)動，從生產(chǎn)工序、生產(chǎn)要素、時間歷程3個維度對多元異構(gòu)數(shù)據(jù)按照生產(chǎn)、質(zhì)量、效率等具體主題進行整定分析，針對尺寸精度、軋制斷帶、軋制跑偏、連退跑偏、連退溫度模型精度、連退性能等現(xiàn)場關(guān)注的焦點問題，采用“模型+決策”雙層模式，形成智能化分析模型，系統(tǒng)采用“智能化預(yù)警+分析報告+參數(shù)推優(yōu)”方式輔助現(xiàn)場進行決策，助力現(xiàn)場實現(xiàn)小時產(chǎn)量提高0.6%，成材率提高0.05%的目標(biāo)。項目預(yù)計2023年第二季度完成整體交付。
圖8 冷軋大數(shù)據(jù)智能分析與決策系統(tǒng)系統(tǒng)框架圖
9. 大規(guī)模小批量定制化生產(chǎn)模式下特鋼數(shù)字化轉(zhuǎn)型關(guān)鍵技術(shù)
物料跟蹤和業(yè)務(wù)上線一直是特鋼數(shù)字化轉(zhuǎn)型的兩座大山，無論是板、管、型、棒、輪、軌梁，從計劃排程開始到物料完工報產(chǎn)繳庫，所有中間環(huán)節(jié)幾乎都是線下作業(yè)，實現(xiàn)生產(chǎn)精益化管控難度極大。2022年4月，北科工研承接大冶特鋼460鋼管精益數(shù)字化平臺項目，這也是國內(nèi)在大規(guī)模、多品種、小批量、定制化生產(chǎn)模式下實現(xiàn)老線數(shù)字化轉(zhuǎn)型的首次挑戰(zhàn)。項目創(chuàng)新技術(shù)包括：冶金工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺、鋼管三維表面缺陷檢測技術(shù)及智能裝備、基于機器視覺-多場景標(biāo)簽-邏輯跟蹤融合的鋼管全生命周期逐支跟蹤系統(tǒng)、一鍵排程、生產(chǎn)自動跟蹤與精益分析、質(zhì)量一貫制推送與管理、精細(xì)化能源管控、數(shù)字孿生技術(shù)等功能。本次“組合拳”式的數(shù)字化解決方案，旨在提升訂單準(zhǔn)時交貨率、庫存周轉(zhuǎn)率、資源利用率、生產(chǎn)效率、降低質(zhì)量損失率等，項目預(yù)計在2023年4月整體完工。
圖9 大冶特鋼460產(chǎn)線精益數(shù)字化平臺實施團隊
10.面向多場景的“雙智控”智能工廠整體解決方案
北科工研首創(chuàng)的“一基兩翼”的冶金智能工廠“雙智控”技術(shù)體系以iBKLinker工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺為基礎(chǔ)，以操控中心和協(xié)同中心為雙翼，全方位落實工廠高質(zhì)量發(fā)展目標(biāo)。iBKLinker融合時空變換、數(shù)據(jù)再生、數(shù)據(jù)字典等技術(shù)，破解數(shù)據(jù)使用最后一公里難題，讓數(shù)據(jù)“看得見、流得暢、管得住、用得好”。智能操控中心突破智能感知、物料跟蹤、信息互聯(lián)、業(yè)務(wù)上線等技術(shù)瓶頸，開發(fā)多類工業(yè)模型，在生產(chǎn)層面實現(xiàn)操作室集中操控，打造極致制造能力。智能協(xié)同中心以KPI為牽引，借助數(shù)字孿生、智能算法等手段，聚焦生產(chǎn)、質(zhì)量、能源、設(shè)備、成本、交付、人員等業(yè)務(wù)，實現(xiàn)事前策劃、在線預(yù)判、實時監(jiān)控、異常診斷、過往追溯和決策優(yōu)化。“雙智控”實現(xiàn)造物育人雙管齊下，崗位優(yōu)化35%，產(chǎn)量提升8%，質(zhì)量不良率下降10%。多次引領(lǐng)板帶、鋼管、寬厚板、軌梁等產(chǎn)線的組織變革與技術(shù)創(chuàng)新（2022年：南鋼板材鋼軋一體化智能工廠、承德建龍258鋼管智能工廠），打造了新一代信息化與鋼鐵工業(yè)深度融合的智能工廠示范群。2022年底，承德建龍258智能工廠和馬鋼熱軋“雙線雙智控”智能工廠均評價為整體技術(shù)國際領(lǐng)先，“雙智控”智能工廠方案獲得第四屆中國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大賽領(lǐng)軍組三等獎。
圖10 南鋼板材鋼軋一體化數(shù)字孿生系統(tǒng)