一、研究的背景與問(wèn)題：

湛江鋼鐵煉鐵廠(chǎng)一、二高爐系統焦化工程于2015年7月投產(chǎn)，設有4×65孔JNX3-70-2型復熱式頂裝焦爐，布置于同一條中心線(xiàn)，同時(shí)配套3套焦爐機車(chē)及4套干熄爐。

鑒于湛江鋼鐵焦爐當時(shí)的運營(yíng)狀況，裝煤車(chē)、推焦車(chē)、導焦車(chē)以及電車(chē)、上升管系統、爐蓋澆漿、爐前作業(yè)、爐門(mén)清掃、爐框清掃等環(huán)節均采用手動(dòng)、半自動(dòng)操作。其中，爐前作業(yè)、爐頂作業(yè)環(huán)境惡劣、勞動(dòng)強度大，存在危害作業(yè)人員健康及安全的潛在隱患。為確?，F場(chǎng)作業(yè)人員身心健康，協(xié)同推進(jìn)寶鋼智慧制造與焦爐機車(chē)無(wú)人化作業(yè)，在工業(yè)系統自動(dòng)化的大趨勢下，湛江鋼鐵對焦爐機車(chē)進(jìn)行了綜合性升級改造，旨在減少重復性高強度勞動(dòng)程度，提高智能化設備水平、設備自動(dòng)智能水平，提高競爭力。

二、解決問(wèn)題的思路與技術(shù)方案：

1、總體思路

（1）通過(guò)推焦車(chē)、裝煤車(chē)、導焦車(chē)、電車(chē)的無(wú)人化改造，采用5G信號傳輸、自動(dòng)檢測技術(shù)等技術(shù)，使用自動(dòng)作業(yè)流程代替焦爐機車(chē)司機的操作。

（2）進(jìn)行通用自動(dòng)化改造，包括無(wú)線(xiàn)數傳改造、焦爐機車(chē)自動(dòng)運行安全保障系統、焦爐機車(chē)信息收集分析系統、焦爐機車(chē)自動(dòng)作業(yè)管理系統、控制軟件升級，實(shí)現車(chē)輛的遠程集中控制、智能監盤(pán)以及設備狀態(tài)分析。

（3）提升輔助作業(yè)自動(dòng)化水平。主要通過(guò)上升管自動(dòng)化改造、新增焦爐自動(dòng)測溫、改進(jìn)推焦車(chē)與導焦車(chē)清門(mén)清框裝置及爐前扒焦裝置，減少操作工的勞動(dòng)強度、同時(shí)確保安全，也是焦爐車(chē)輛全自動(dòng)安全運行的必備條件。

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圖1 解決思路流程圖

2、技術(shù)方案

（1）作業(yè)車(chē)輛無(wú)人化改造

①推焦車(chē)。推焦車(chē)全自動(dòng)模式的投運可在遠程控制室進(jìn)行，車(chē)上控制系統保留現有全部的單元自動(dòng)及機旁手動(dòng)控制功能，同時(shí)操作室配置自動(dòng)語(yǔ)音播報系統。增加尾焦處理自動(dòng)補水裝置、爐門(mén)啟閉到位檢測裝置、小爐門(mén)到位檢測裝置、頭尾焦斗料位檢測以及調度機車(chē)裝置，對余煤回送及石墨吹掃進(jìn)行改造、對小爐門(mén)開(kāi)閉機構進(jìn)行改造、同時(shí)增加淌焦板清理機械臂。

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圖2 推焦車(chē)自動(dòng)推焦、平煤

改造后推焦車(chē)運作流程：

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圖3 推焦車(chē)改造后運行流程圖

②裝煤車(chē)無(wú)人化改造.裝煤車(chē)全自動(dòng)模式的投運可在遠程控制室進(jìn)行，車(chē)上控制系統保留現有全部的單元自動(dòng)及機旁手動(dòng)控制功能，操作室配置自動(dòng)語(yǔ)音播報系統，自動(dòng)播報四大車(chē)關(guān)鍵作業(yè)以及主要故障信息。增設加煤口堵塞檢測裝置，取蓋裝置改造。

圖4 調整車(chē)輛對位精度、檢查裝煤車(chē)取蓋裝置

改造后裝煤車(chē)運作流程：

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圖5 裝煤車(chē)改造后運行流程圖

③導焦車(chē)無(wú)人化改造。導焦車(chē)全自動(dòng)模式的投運可在遠程控制室進(jìn)行，車(chē)上控制系統保留現有全部的單元自動(dòng)及機旁手動(dòng)控制功能。操作室配置自動(dòng)語(yǔ)音播報系統，自動(dòng)播報改造車(chē)輛關(guān)鍵作業(yè)以及主要故障信息。具體改項內容：停電應急裝置改造、增加尾焦處理自動(dòng)補水裝置、增設爐門(mén)啟閉到位檢測裝置、導焦車(chē)增加淌焦板清理機械臂。

圖6 探討自動(dòng)化過(guò)程中存在的問(wèn)題、導焦車(chē)自動(dòng)導焦

改造后導焦車(chē)運作流程：

圖7 導焦車(chē)改造后運行流程圖

④電車(chē)無(wú)人化改造

電車(chē)設備改造：電車(chē)定位、臺車(chē)與牽引中心位置校對、電車(chē)與牽引對位、電車(chē)與導焦車(chē)對位。

?電車(chē)檢測系統改造：設備自檢系統、故障檢測、故障分離、故障評價(jià)、故障決策。

檢測系統穩定性提升：在電車(chē)從動(dòng)輪增加走行編碼器，采用雙編碼器設計，確保定位的準確性；增加每臺電車(chē)制動(dòng)器開(kāi)到位檢測，保證走行系統穩定可靠、運行；變頻器負荷平衡控制；增加3個(gè)高音報警器，緊急情況下能夠進(jìn)行報警提示；優(yōu)化臺車(chē)鎖閉位置檢測傳感安裝方式、檢測方式位置，提高檢測精度；擴展PLC數據采集模塊，對新增檢測裝置進(jìn)行數據采集。

電車(chē)控制系統改造：停車(chē)按鈕。在新設門(mén)禁旁邊增設正常、緊急停車(chē)按鈕，便于進(jìn)入電車(chē)區域的人員可快速進(jìn)行相應的操作；電車(chē)與導焦車(chē)對位聯(lián)鎖。將感應信號采集進(jìn)電車(chē)控制系統，用來(lái)聯(lián)鎖電車(chē)的動(dòng)作；異物入侵報警。將電子圍欄和門(mén)禁系統的入侵信號采集進(jìn)干熄焦電氣室，送至干熄焦系統新增的信號輸入卡。通過(guò)地面系統通訊給電車(chē)控制系統，用來(lái)聯(lián)鎖電車(chē)的動(dòng)作。當檢測到有入侵信號時(shí)，系統報警并根據需要禁止電車(chē)走行；防碰撞優(yōu)化。采用集成繼電器開(kāi)關(guān)的緊湊型距離傳感器來(lái)測量電車(chē)之間的距離，將可配置的繼電器開(kāi)關(guān)檢測信號送入控制系統進(jìn)行電車(chē)的聯(lián)鎖控制，達到防碰撞的目的；走行控制智能化。升級現有電車(chē)走行控制軟件功能，在人工手動(dòng)指定的基礎上，實(shí)現電車(chē)接焦爐號的自動(dòng)智能化識別功能，做到走行控制智能化；電車(chē)、牽引和吊車(chē)智能運行模型。實(shí)現電車(chē)作業(yè)自動(dòng)化；紅焦到干熄爐路徑最優(yōu)化、模型化；四大車(chē)和干熄爐生產(chǎn)節奏協(xié)調智能化。

改造后電車(chē)運作流程：

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圖8 電車(chē)改造后運行流程圖

（2）通用自動(dòng)化改造

通用部分主要包括以下改造：

高溫區液壓系統改造：對處于高溫區的關(guān)鍵部位液壓系統進(jìn)行改造，將機車(chē)上處于高溫環(huán)境油缸增加高溫區液壓系統冷卻裝置。在靠近高溫熱源區的帶內置傳感器液壓缸增設壓縮空氣吹掃冷卻。

車(chē)輛自動(dòng)對位改造：改造存在對位問(wèn)題的裝煤車(chē)及電車(chē)對位裝置，采用進(jìn)口自動(dòng)對位裝置替換目前產(chǎn)品，從動(dòng)輪增加重型編碼器及計數模塊進(jìn)行距離檢測，提高自動(dòng)對位系統的可靠性、穩定性。

（3）橫鐵入位改造

設計并更換一、二號焦爐機、焦側共計爐門(mén)538個(gè)，保證在推焦車(chē)關(guān)爐門(mén)時(shí)能一次性關(guān)門(mén)成功。

（4）無(wú)線(xiàn)數傳改造

車(chē)輛自動(dòng)化無(wú)線(xiàn)傳輸系統為視頻傳輸和信號傳輸共用，在推焦車(chē)工作區域新建一套無(wú)線(xiàn)傳輸系統用于機車(chē)作業(yè)集控，提供穩定可靠工作的通信網(wǎng)絡(luò )。

（5）焦爐機車(chē)自動(dòng)運行安全保障系統

建立自動(dòng)化生產(chǎn)要求的安全系統，在機車(chē)區域內，建立探測/識別/定位系統，提前發(fā)現安全隱患，并通過(guò)計算幫助現場(chǎng)人員處理安全狀況，同時(shí)生產(chǎn)人員可不斷提出新需求，持續優(yōu)化安全處理模式，實(shí)現智能化管理。

（6）焦爐機車(chē)信息收集分析系統

①車(chē)輛新增檢測設備：液壓與空壓系統增加檢測裝置；增加主電源檢測裝置；每臺取門(mén)機臺車(chē)進(jìn)退機構、導焦柵進(jìn)退機構各增加1個(gè)前限位、后限位；增加車(chē)輛運行模式指示。

②設備數據收集分析軟件的開(kāi)發(fā)：信息定義與編碼；電源系統狀態(tài)信號收集，連鎖控制與故障顯示模塊；油缸傳感器分析模塊；各爐門(mén)的取門(mén)機前后行程統計、基準測量、自適應行程參數記錄；各車(chē)輛狀態(tài)信息收集和控制邏輯；各車(chē)輛設備的運行記錄數據庫建立；各車(chē)輛設備的操作記錄數據庫建立；設備信息及故障判斷數據庫的建立。

（7）焦爐機車(chē)自動(dòng)作業(yè)管理系統

①服務(wù)器上數據庫模型的開(kāi)發(fā)；設備狀態(tài)信息的匯總、歸檔；作業(yè)車(chē)輛的遠程監控；統計報表系統；車(chē)輛作業(yè)時(shí)間和出爐效率統計；操作站HMI；推焦作業(yè)計劃的調整和根據出爐實(shí)績(jì)下發(fā)車(chē)輛作業(yè)系統。

（8）控制軟件升級

①?L2系統改造：推焦作業(yè)計劃優(yōu)化、推焦實(shí)績(jì)完善及新增功能的整合等；新增加的直行溫度自動(dòng)測溫數據；優(yōu)化火落判定模型。

②機車(chē)作業(yè)連鎖控制改造：開(kāi)發(fā)通信校驗軟件；改進(jìn)車(chē)輛間協(xié)調作業(yè)模式，增加中控機車(chē)作業(yè)集控系統；開(kāi)發(fā)炭化室作業(yè)狀態(tài)數據庫；開(kāi)發(fā)車(chē)輛作業(yè)時(shí)間和協(xié)調作業(yè)時(shí)間自動(dòng)記錄和統計軟件。

③?車(chē)輛作業(yè)新增功能：推焦車(chē)新增自動(dòng)放余焦、自動(dòng)換爐門(mén)、橫鐵到位自動(dòng)判定、自動(dòng)清爐門(mén)、自動(dòng)清框、自動(dòng)換車(chē)等自動(dòng)功能。導焦車(chē)新增自動(dòng)換爐門(mén)、自動(dòng)清爐門(mén)、自動(dòng)清框、尾焦處理自動(dòng)補水功能、橫鐵到位自動(dòng)檢測、自動(dòng)換車(chē)等功能。裝煤車(chē)新增自動(dòng)換車(chē)等自動(dòng)功能。4）推焦、裝煤、導焦新增自動(dòng)換車(chē)功能。

（3）爐頂作業(yè)自動(dòng)化改造

①上升管系統自動(dòng)化改造：增加氣動(dòng)設備。中央控制系統改造。在各焦爐煤塔電氣室新增上升管用PLC盤(pán)，用于對上升管系統進(jìn)行控制。配套設施改造。采用全新開(kāi)發(fā)并使用效果良好的新型上升管水封蓋及座、多功能執行機構；輔助增加上升管隔熱設施及對操作臺進(jìn)行改造。

②立火道自動(dòng)測溫及火落

立火道自動(dòng)測溫：在焦爐爐頂立火道配置紅外自動(dòng)連續測溫及其配套裝置，安裝于有特征點(diǎn)的立火道，通過(guò)算法模型，根據測溫結果，作為焦爐加熱控制重要參數。裝置能在線(xiàn)測量，不受雨天、裝煤車(chē)走行等因素干擾，實(shí)現焦爐立火道自動(dòng)連續測溫。

火落管理：更換性能無(wú)法滿(mǎn)足檢測要求的熱電偶；優(yōu)化熱電偶安裝位置，使之測得數據真實(shí)高效；更新數據模型，使曲線(xiàn)在對比度、反饋真實(shí)度等指標具備指導焦爐加熱條件。

③煤塔下料口安全改造：改造后每個(gè)漏嘴將有2個(gè)關(guān)到位冗余的限位開(kāi)關(guān)；增加一套獨立的PLC系統，將所有煤塔漏嘴的開(kāi)到位、關(guān)到位、裝煤車(chē)到位、漏嘴開(kāi)、漏嘴關(guān)等信號送該PLC系統進(jìn)行控制。實(shí)現PLC自動(dòng)控制后，任何一次漏嘴關(guān)閉而沒(méi)有同時(shí)收到兩個(gè)關(guān)到位限位開(kāi)關(guān)的信號時(shí)，裝煤車(chē)不能移車(chē)。

三、主要創(chuàng )新性成果

本項目獲授權專(zhuān)利10項，企業(yè)技術(shù)秘密6項。

圖9 主要技術(shù)成果

四、應用情況與效果

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圖10?焦化集控

首次運用數字孿生技術(shù)，成功收集并整合車(chē)輛運行信號與數據。通過(guò)3D建模，實(shí)時(shí)展示車(chē)輛狀態(tài)，并配合遠程控制系統，實(shí)現了國內首套完全遠程操控的焦爐四大車(chē)設備。

首次引入5G遠程視頻監控系統。在湛江鋼鐵、大重與聯(lián)通的聯(lián)合下，車(chē)輛安裝了首套5G網(wǎng)絡(luò )高清視頻遠程傳輸系統。該系統可根據車(chē)輛運行狀態(tài)，自動(dòng)切換監盤(pán)畫(huà)面至當前運行機構，有效解決了畫(huà)面雜亂無(wú)序的問(wèn)題。

此外，我們首次在焦爐機車(chē)上搭載智能分析系統，并新建數據服務(wù)器。實(shí)時(shí)收集車(chē)輛狀態(tài)、運行時(shí)間與參數、故障信息，并對這些數據進(jìn)行存檔與分析。從繼電器工作次數到設備整體狀態(tài)評分，我們能夠預判設備壽命并提供維護建議，使設備管理更加智能化。

應用上述成果后，湛江鋼鐵焦爐區域的勞動(dòng)效率、經(jīng)濟效益和社會(huì )效益得到顯著(zhù)提升。具體體現在以下幾個(gè)方面：

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圖11 焦爐機車(chē)自動(dòng)化率效果對比

湛江鋼鐵1、2#焦爐四大車(chē)全自動(dòng)運行率達95.6%。本項目使用新工藝及設備代替了部分在現場(chǎng)作業(yè)的操作人員，使得員工遠離現場(chǎng)惡劣作業(yè)環(huán)境、降低了勞動(dòng)負荷，提高了自動(dòng)化率。項目實(shí)現后正式員工優(yōu)化64人，協(xié)力員工優(yōu)化24人。

在全自動(dòng)集中控制的統一調度下，湛江鋼鐵一二焦爐作業(yè)速度由247.7爐/天提升到了257.5爐/天，大大提高了作業(yè)效率，提高了生產(chǎn)力，3年總效益可達2829.41萬(wàn)元。

湛江鋼鐵積累了大量創(chuàng )新經(jīng)驗，不僅在智能生產(chǎn)方面有較明顯進(jìn)步，而且在機車(chē)之間的安全連鎖等方面，也取得了長(cháng)足的進(jìn)步，為行業(yè)內的改造提供了相關(guān)經(jīng)驗，加速了國內焦爐機車(chē)智能化新技術(shù)的發(fā)展。?????

信息來(lái)源：寶鋼湛江鋼鐵有限公司