赵光远
（广东镭目华远智能科技有限公司）
摘要：本文介绍包括铁-钢-材全流程准时化生产智能管控系统的背景、构成（铁水罐智能管控系统、炼钢准时化生产智能管控系统、钢-材衔接准时化智能管控系统）、技术架构及系统详细解决方案及应用等内容。
关键词：准时化模型；生产导航；智能调度；时间流；周期；时长；时间点；钢水时刻表；管控模型；数字看板
1 系统背景
炼铁、炼钢、轧钢是长流程钢铁企业的三大核心工序，这三大工序的生产、工艺、技术和流程都非常复杂，分属不同的厂管理，从铁-钢-材全流程来看，重点和难点在于铁-钢衔接过程、炼钢生产过程、钢-材衔接过程，这三个关键过程普遍存在以下问题：
铁-钢衔接过程：铁水罐管理是铁-钢衔接过程的核心，铁水的去向分配、铁水罐的运行效率等一直制约炼钢生产；铁水调度工作强度异常大、所需掌控信息量繁多、业务流程复杂；出铁时间、铁水运输时间、温度、成份等信息进行人工记录，工作量大，容易出现错误；铁水质量、铁水重量、铁水使用管理、铁水罐管理等信息不能及时跟踪掌握，影响了铁钢平衡精细化管理；生产技术经济指标（特别是铁水过程温降较大）存在较大提升空间；铁-钢生产数据没有形成完整的数据流，一直制约铁-钢生产效率的提升。
炼钢生产过程：炼钢生产承上启下，炼钢生产若不稳定顺行，将成为整个生产流程的瓶颈。但是炼钢现场生产信息大部分是人工记录及人工传递，工序之间无法实现实时互动，生产指挥一直依靠现场调度人工或通过MES下达炉机生产计划，缺乏系统化、模式化的炉机匹配系统，经常性出现由于调整不及时或者调整不断造成被动调整和生产中断。生产物流一直处于相互干扰与相互影响，经常性出现转炉之间等待加铁水、废钢，浇铸跨钢水等天车吊运、等钢包等现象，制约转炉、连铸快节奏的生产。炼钢生产、技术、消耗指标炉、机、班组之间差异明显，缺乏规范与统一的横班生产组织模式。
钢-材衔接过程：钢-材衔接涉及到钢坯库存（钢坯流转时间）、资金库存（订单匹配效率）、低碳低耗（钢坯红装热送）；钢企工序流程时间存在几小时到几天之间的差异，库存资金存在几十万到上千万资金占用的差异，钢坯温度存在几十度到几百度的差异，钢坯热利用率就有从10%到90%的差异；铁-钢衔接过程无论汽车运输时间、钢坯红送率、钢坯库存等指标均有较大的提升改进空间。
作者在钢企工作了20多年，历任炼钢、炼铁、设备部等多个技术和管理岗位，他从全流程准时化的角度，把钢企按工序划分为周期、时长和时间点，融合生产技术、管理技术和计算机技术，将生产对象、生产过程和生产规则数字化，创新推出铁-钢-材全流程准时化生产智能管控系统，满足了生产过程数据实时可视化的需求、生产过程及时诊断预警的需求、生产管控过程复杂智能决策的需求，实现了铁-钢-材全流程从结果管理到过程管理的转变，不仅能“看”，而且能“管”。该系统（包括各子系统）在近20家钢企分期分阶段推广应用，在准时准点、高效低碳方面均取得了显著效果。
2 系统构成
铁-钢-材全流程准时化包括三个相对独立的子系统（铁水罐智能管控系统、炼钢准时化生产智能管控系统、钢-材衔接准时化智能管控系统），三个子系统可以分工序独立运作，又能统一数据，统一应用平台，统筹到一个框架进行管理。通过数据汇聚、联接，形成铁-钢-材全流程准时化生产智能管控系统。
3 系统技术架构
PC端：采用B/S架构；业务逻辑层、B/S查询界面层的开发工具采用的是Visual Studio和IDEA；前端平台采用.net模板引擎和vue技术，后端平台使用c#和JAVA技术；Server端采用J2EE、C#技术。前端与Server的通信采用基于HTTP协议的JSON数据格式传输，服务器间数据库相互热备份，保证硬件故障后数据安全能够及时恢复。
移动端：界面前端采用安卓和IOS使用UNI-APP框架以及HTML5方式开发。Server端采用C#和J2EE做为接口。Client端支持IOS、安卓以及微信，能够提供可复用组件快速进行开发；Client与Server使用json数据格式进行数据交换。
数据库：采用Oracle数据库，与数据库交互采用JDBC连接。数据采集站采用字符集为WE8DEC,能够自动清理历史数据，而且能够支持续传。
系统接口：与其它应用系统（MES、计量、检化验）的数据交换主要通过中间件实现。系统与系统间的数据交换，采用标准的JSON格式。
网络通讯：建立三级网络包括独立生产网、公司办公网、外部网。分工序独立进行配置，分别配置采集服务器、应用服务器、WEB服务器、交换机、防火墙等硬件设备。
4 三大系统解决方案
4.1铁水罐智能管控系统
4.1.1系统内容
4.1.2系统目标
实现铁水、铁水罐的时间流、位置、重量精准管控；
建立铁水准时化四大生产模型，提高铁水罐的运行效率，提升铁-钢生产效率；
通过铁水罐四大管控技术，减少铁水罐温降、降低铁水过程温降、稳定入炉铁水温度，全面降低生产成本。
4.1.3系统范围
铁水：从高炉出铁、称量到炼钢入炉全过程的管控
铁水罐：从铁水罐的停用、修砌、上线、下线全周期的管控。
实现铁水罐温降周期与生命周期的全流程管理。
温降周期：入炉结束--空罐出站--高炉进站--出铁--炼铁出站--去向分配--称量--炼钢进站--折罐（入混铁炉）--炼钢入炉结束；
生命周期：铁水罐修砌--烘烤--上线运行--在线罐龄--下线小修--烘烤--上线运行--在线罐龄--下线大修（停修）。
4.1.4定位技术
车架、机车头、铁水罐采用电磁微声（EMMA）识别技术。硬件主要包括脉冲雷达、微声标识器和网络通讯装置。
4.1.5数据采集
数据采集包括时间、重量、温度、成份、工艺参数、位置等数据。铁水罐、车架、火车头、台车等识别跟踪信息通过电磁微声（EMMA）技术实现自动采集。炼钢铁水入炉温度、时间及入炉重量数据通过转炉二级机系统实现采集，匹配后通过接口方式完成数据的收集。其他数据通过与PLC及检化验系统采集。对采集的数据，通过条件判断、生产逻辑并结合工艺特点，进行规范定义、关联，建立数据库，实现查询与集成需要。
4.1.6四大生产管控模型
出铁准时化模型：根据出铁周期、间隔时间、出铁次序，编制出铁计划时间与对罐时间；编制对罐模式、主副线计划、对罐罐号、过渡罐号；编制计划炼铁出站时间、计划炼钢进站时间、铁水去向。实现高炉计划开口时间、预计堵口时间及实际开口、堵口时间，计划开口铁口及实际开口铁口，高炉铁次号显示及每日、每班次出铁次数和实际出铁重罐数显示。
炼钢计划需求模型：转炉铁水入炉计划时间对应出铁计划时间。
配罐模型：高炉配罐主副线（线路名称）、铁口、配罐罐号、数量及重量、出铁顺序显示，配罐开始时间与配罐到位时间及实际用时显示，配罐超时警示。
重罐模型：根据受铁情况，确认重罐与预重罐，按出铁时间计划炼铁出站的计划指令；按铁水去向计划重罐的去向；计划指令下达同时信息推送到高炉、炼钢、铁运和铁水运行信息。
4.1.7时间流管控
规范时间定义、时间术语，展示时间点、管控运行时长与间隔时长。
铁水罐两大周期（使用周期和温降周期），定义六大时长，26个时间节点。
通过大数据计算时长控制标准（计划值），超出时长计划值分2-3级报警。
重罐从高炉至站场、站场至炼钢、炼钢兑铁时间及实际耗时，炼钢兑完铁落空罐时间、空罐从炼钢至站场时长及实际用时。
铁水罐周转时间超长警示，重罐从装铁完毕到炼钢兑铁停留时间超长警示，空罐从投入运行至高炉开始装铁时间超长警示，空罐炼钢停留时长超长警示。
4.1.8铁水温降预测模型
根据铁水温度、铁水罐空罐重量、铁水罐状态（停留时间），综合各因素影响的程度，系统自动计算铁水温降、提供铁水入炉的预测温度。
系统自动提醒铁水罐的异常罐况信息。
铁水温度模型采用4个维护、12个因子条件；全开放的调整模式；经验公式与数据回归结合；采用增量法法则计算，可实现指导生产、替代人工测温。
4.1.9铁水库存
根据出铁节奏、炼钢生产节奏、铁水库存情况、铁水入炉计划时间，建立铁水库存模型，计算最大极限计划炼钢进站时间、铁水预计炼钢进站时间，及时预警铁水衔接状态，确保铁水低库存运行，防止铁水衔接问题造成影响炼钢生产。
4.1.10大数据标准
建立时长标准、温度标准、成份标准、皮重标准、重量标准、装入量标准。系统根据大数据建立评价标准，设定参数标准。
4.1.11铁水温降管控
实现（出铁）铁水温度、铁水入炉温度、配料后单罐次的预测温度、铁水温降、平均温降、最大温降、最小温降、分钟温降、温降合格率。铁水从高炉至炼钢铁水兑铁罐号（折罐罐号）、转炉冶炼炉号等温度自动匹配。
4.1.12铁水罐生产导航
生产导航包括座高炉出铁+铁路沿线+炼钢工序（进站铁路线）+修包虚拟区+铸铁区。铁水罐号、车架号、火车头的位置、时间，铁水重量、温度，铁水罐的停留时长、出铁主副线、炼钢道次等信息的流转与互动。
4.1.13铁水罐温降控制技术
通过管控出铁准点率、铁水罐周转次数、铁水罐的上下线次数、铁水罐均衡使用次数来加强铁水罐温降控制。
4.1.14综合报表
包括铁水罐运行日报、月报，炼铁日报、月报等报表。
重点指标如：在线铁水罐个数、在线铁水罐平均运行周期、周转次数、平均温降、温降合格率、铁水温度合格率、铁水装入量合格率、铁水罐运行周期合格率、一罐到底率、平均罐龄、空罐超重个数，超出停留时间的铁水罐个数等，改善影响因素与薄弱环节，找出班组组织指挥、执行的差异，不断提升管理水平。
4.2 炼钢准时化生产智能管控系统
4.2.1 系统主要内容
4.2.2系统目标
构建炼钢准时化生产管控平台，打造智能化与数字化工厂，精准高效、准时准点，全面提高炼钢生产效率、降低生产成本。
4.2.3炼钢数据中心
系统自动采集包括转炉、精炼、连铸生产运行过程信息（物质、温度、成份、重量、数量、时间等数据）。数据实现毫秒的采集、存储。对采集的时间、重量、温度、工艺参数、成份、位置等数据，通过条件判断、生产逻辑并结合工艺特点，进行规范定义、关联、建立数据库，实现查询与集成需要。
自动识别生产过程的作业动作，自动生成作业时间点、作业时长、作业周期，自动生成转炉炉号、连铸连浇炉数。
4.2.4智能调度
将生产计划、炉机生产节奏、生产条件调整、工艺流程需求、异常状态调控等生产要素进行集中管控，实现一个操作界面、一套模型、一个指挥中心、全流程准时化；构建自动匹配、自动纠错、效率优先的准时化生产模型，实现科学、高效、精准、均衡的生产目标。
浇次计划：系统贯彻以连铸为中心的生产组织模式，以连铸换浇次作为生产计划安排的落脚点，通过浇次计划实现转炉与连铸的匹配，实现生产计划的落实，具体包括计划生产的钢种、计划开浇时间、计划浇钢炉数、浇钢周期以及钢坯去向等。
准时化模型：系统根据连铸开浇时间自动编制炼钢全流程的准时化的计划时间流。自动匹配进/出站时间、座包时间、出钢时间、开吹时间等时间点，匹配钢水去向、精炼工艺路线，与生产实际情况对接及关联，形成具有指导生产的钢水时刻表，各区域根据钢水时刻表上的时间要求组织生产操作，达到生产系统整体的协调统一，实现调度集中指挥、有序生产。
4.2.5钢水时刻表（转炉、精炼、连铸、天车）
全流程的钢水运行时刻表，系统自动编制开浇时间、浇完时间、精炼出站时间、出钢时间、冶炼开始，自动生成准时化模型。准时化生产模型与生产实际情况对接、关联，形成具有指导生产的钢水时刻表，各区域根据钢水时刻表上的时间要求进行生产操作，达到生产系统整体协调统一。在钢水时刻表中，可以根据实际情况进行生产条件调整计划及调整实绩判定。
4.2.6时间流管控模型
系统建立炼钢全流程时间管控模型，其中包括全流程四大周期，十大时长，20个时间节点（衔接时间与操作步骤时间)，规范时间流专业术语与统计口径，明确时间流中基准值与岗位责任，提升作业效率。
炼钢全流程时间流：系统全面跟踪转炉炼钢、精炼、连铸各工序操作步骤开始时间、结束时间，自动计算各周期时长并与标准实时对比评价，提醒岗位员工标准化作业，调整生产节奏。
准点率评价：在系统建立时间管控标准，对转炉、出站、运行、连铸准点率进行命中率（准点率）评价，同时准时化日报月报包括分炉、分机、分班的准点率评价：工序准时率，出钢准时率、浇铸准时率。
4.2.7技术模型
冶炼模型：根据废钢品种结构、废钢重量，铁水重量、铁水温度，铁水Si、S、P成份，石灰质量、渣料类型，渣碱度控制标准、钢种等，利用经验数据（增量计算法）和历史数据（回归计算法）计算加料时间与重量，准确指导操作、评价操作差异、提升操作水平。
出站温度（温度补偿）模型：大数据推荐钢种出站温度标准，模型计算温度补偿，基本消除拒浇钢水，实现中包温度窄幅控制。
根据钢水罐上线时间、钢水罐当前状态、罐龄、空罐停留时间、重罐停留时间、出钢量、执行路线、生产节奏、操作控制、连铸中包温度等10大要素建立钢水罐温降预测模型和出站温度。
连铸分坯模型：系统根据回转台称量计算钢水量、按照米单重、定尺规格，并与实际分坯进行人工调整，自动计算产量与钢水收到率。
拉速回零管控模型：系统自动采集连铸出现拉速回零的情况，包括炉号、浇次号、流号、拉速回零开始时间及结束时间，同时提供按时间、浇次号、炉号查询界面，管理人员可从中查找拉速回零的情况，加强拉速回零管控。
铜管过钢量管控模型：系统自动跟踪结晶器铜管的过钢量，并进行统计分析对比，便于现场对结晶器铜管的上下线管理和过钢量的管控（说明：在系统设置了结晶器铜管厂家维护、结晶器编号维护）。
自动配罐模型（配合钢水罐定位）：根据钢水罐位置与运行情况，自动匹配钢水罐，自动推送天车操作人员与热修人员，自动采集钢水罐的热修时间。根据生产工艺流程特点建立钢水罐的匹配模型（周转个数），按照准时化模型匹配钢水的运行周期与天车计划，连铸机与转炉按照准时化生产周期错开，实现天车有序运行，缩短钢水罐周转时间，提高钢水罐的热效益。
行车吊运模型（配合行车定位）：根据生产计划、出钢时间、工艺路线、钢水去向、连铸浇钢、当前炉机匹配模式，匹配天车正常运行模型，利用无线通信，将天车吊运计划推送到每台天车，并及时反馈每台天车的执行情况。实现无人在地面指挥天车吊运计划。通过天车动态称量ADM精准算法，自动计算出钢量、铁水量、钢包渣量、钢铁量消耗与连铸收得率。
4.2.8温度管控
系统按炉号全面采集从铁水到炼钢、精炼、连铸各工序的温度，客观真实记录每一炉温度、温度变化、温降以及测温时间，大数据的温度标准进行评价，查找温度异常的情况，及时加强管控。
4.2.9 成本管控
钢铁料耗、铁耗、连铸收得率、头尾坯；
渣料消耗、氧气消耗、精炼电耗、合金消耗。
4.2.10大数据标准
建立大数据标准：包括连铸大数据、冶炼大数据、品种管理，时间流标准、温度标准、准点率标准、拉速匹配标准等大数据标准。大数据计算模型、匹配四大周期的计划，统一标准、统一计算口径，消除横班执行差异，建立偏差值，根据阶段性生产情况及时调整，根据钢种、流数、断面进行大数据计算。
4.2.11 机器人播报
生产指挥可实现机器人播报。实时播报生产节奏控制情况，重要生产过程情况（出完、开始、浇完、出站时间，温度、重量等）实时播报给各岗位，统一指挥标准，杜绝人为的指挥上差异；对每一炉的时间流、温度、重量的执行情况进行播报，对每炉钢水的操作进行回头式播放；每班分时段通报班组的计划情况、当班生产情况、指标完成情况。
4.2.12 综合数字看板
数字看板是现场生产管理互动的“窗口”，在转炉、精炼、连铸主控操作室均设置数字看板，各工序按照看板组织生产。
看板实时显示转炉、精炼、连铸工序的生产状态、生产参数、时间流；实时提示生产异常情况、各工序完成生产计划的偏差值，提高管理人员对现场生产掌控能力，辅助生产管控决策，提高生产掌控能力，提高全流程生产运作效率。
4.2.13 移动端应用（手机APP）
按炉号、班组、日期提供生产、技术、工艺数据、指标，系统模型情况，时间流的管控情况，生产导航，数据集成报表、生产日报、成本报表等，通过手机进行直观、同步、即时的管控，随时、随身可以了解生产情况。移动终端APP安装包确保安卓、苹果系统全面运用。
4.2.14 综合报表
数据查询：按炉、按机；按日、月；按班组查询系统的数据集成表与数据汇总表。
四大综合记录：调度综合记录、转炉综合记录、精炼综合记录、连铸综合记录。
综合报表：16项消耗指标、20项评价指标、28项生产技术指标。
4.3钢-材准时化生产智能管控系统
4.3.1系统管控目标
建立铁、钢、材全流程准时化生产一体化管控体系；
实施钢坯时间流管控，减少流转时间、降低钢坯过程温降；
提高钢坯红送率，降低钢坯库存、降低生产成本。
4.3.2数据采集
系统管控范围钢坯收集到干皮出加热炉。数据采集包括对接炼钢生产数据，钢坯运输数据，轧材的钢坯入炉、出炉数据，轧钢的生产计划。
4.3.3大数据标准
三大温降周期和时长的大数据标准；钢坯运输标准线路；钢坯输送方式（直送、红送、热装、冷送）；铸机、轧线规格品种的小时产量；工艺技术标准等。
4.3.4钢-材准时化模型
根据炼钢出坯模型、钢坯分坯模型、钢坯运输模型、轧制计划模型编制钢-材的准时化模型。
连铸出坯模型：包括钢水浇完、钢坯收集、钢坯判定，根据开浇、浇完、拉速、钢种、定尺、断面、米单重计算钢坯开始和结束时间，再通过各铸机到冷床周期计算每支钢坯到冷床时间，最终与实际判定支数进行一次匹配。分为计划支数、生产支数、判定支数、入炉支数。
钢坯运输：系统编制钢坯的运输计划（辊道直送、转供），跟踪运输线路、运输时间、汽车号、运输量、炼钢出站、轧线进站，根据大数据运输周期计算需求运输时间，匹配分坯模型。
钢坯轧制计划（入炉）：对接钢坯的轧制计划，系统编制钢坯的入炉时间、轧制小时产量、按炉、支的轧制计划，根据出坯计划运算轧制计划，再通过连铸、轧机的小时产量进行匹配。
钢坯分配（生产计划）：铸机-钢坯-轧线的节奏匹配、产能匹配与分配模式，根据大数据计算的小时产量，计算铸机-钢坯-轧线的节奏匹配生产计划，分为按支数、按炉的两个分配计划表，按照计划跟踪时间执行情况，分析评价铸机、轧线的计划执行情况。
钢坯分配模型：根据当前轧机的生产周期、小时产量、大数据结果，提出钢坯去向模式、运输方式以及分配比例。
4.3.5钢材全流程时间流
三大温降周期：炼钢停等周期、运输周期、轧钢停等周期。
八大时长：出坯时长、判定时长、待装时长、装车时长、运输时长、卸车时长、待轧时长，加热时长。
连铸出坯时间流：包括钢水浇完、钢坯收集、钢坯判定，根据开浇、浇完、拉速、钢种、定尺、断面、米单重计算钢坯开始和结束时间，再通过各铸机到冷床周期计算每支钢坯到冷床时间，最终与实际判定支数进行一次匹配。分为计划支数、生产支数、判定支数、入炉支数，最终形成计划与实际出坯相关时间流。
钢坯运输时间流：系统编制钢坯的运输计划，跟踪运输线路、运输时间、汽车号、运输量、炼钢出站、轧线进站，系统自动计算需求运输时间，匹配坯料分配计划，再解析实际运输数据、最终形成钢坯运输计划与实际运输相关时间流。
钢坯加热炉时间流：根据与进出加热炉数据对接，分析出进加热炉时间，出加热炉时间，以及进加热炉温度、出加热炉温度，形成加热炉时间流及热效率管理分析，最终降低轧材煤气消耗；
钢坯轧制时间流：对接钢坯的轧制计划，系统编制钢坯的入炉时间、轧制小时产量、按炉、支的轧制计划，根据出坯计划运算轧制计划，再通过连铸、轧机的小时产量进行匹配，最终形成轧制计划与实际相关时间流。
准点率： 三大温降周期（炼钢停等周期、运输周期、轧钢停等周期）的准点率、全流程时间准点率。
4.3.6温度（温降）管控
中包温度、出坯温度、入炉温度（进加热炉温度）、轧制温度（出加热炉温度），钢坯温降、温降评价（正常、异常、损失）。
4.3.7技经指标管控
红送率管控、钢坯热效率（温降）、钢坯库存时长、钢坯库存量、煤气消耗、升温成本。
4.3.8钢-材的生产导航
工序的数字化大屏看板。
4.3.9生产报表
生产日报、月报表（按铸机与轧线的班组、日期）、红送率报表（按铸机与轧线）、综合分析报表。
4.3.10手机APP
通过手机24小时进行直观、同步、实时管控，管理人员随时、随身可以掌控钢-材的生产情况。
5 系统的作用及效果
5.1 系统的作用
（1）打造透明化的管理模式：通过系统，打通人、设备、系统之间的关系，解决碎片化管理，实现全局感知，做到数据公开，让管理人员更了解现场、更了解岗位，提高过程监督控制、现场执行力和对异常情况的处理速度。
（2）缩小差异，减少对人的依赖：通过班组数据对比，操作过程对比，缩小操作人员之间的差异，缩小班组之间的差异，达到操作标准化，管理规范化，从而减少对人的依赖。使生产组织集中化、统一化、高效化。
（3）缩短时间，提高生产效率：通过系统，重点管控辅助时间，集中精力整改和消除前十大延误时间。从而缩短全流程时间，提高生产运行效率。
（4）通过算法模型，降低生产成本：利用算法模型，对冶炼历史数据归纳分析，快速实现转炉物料平衡和热平衡计算，解决经验炼钢的弊端，提高终点碳合格率、终渣成份合格率等指标，稳定转炉生产，降低冶炼成本。
5.2 系统应用效果
目前,各子系统在近20家钢企推广应用（主要有宝武韶钢、宝武重钢、华菱阳春钢铁、广西贵港钢铁、山东临沂不锈钢、广西北海北港、陕西龙钢等），在提高生产效率、缩短生产过程时间、降低能耗、减少浪费、降低成本、提高工作绩效、提升管理水平等方面都取得了显著效果。系统在钢企上线后，生产现场逐步稳定顺行，准点率提高幅度达到90%，冶炼周期缩短1-3分钟、精炼周期缩短25分钟；生产运行效率提升10-20%，产能提升10-30%，降低生产成本10 -30元/吨，铁水温降减少了60度以上，给钢企带来直接经济效益最高达到了1亿元以上。
6 小结
钢铁企业降本增效，传统的降成本靠人是有极限的，必须要有技术支撑。
生产管理的三个基本原则是经济性、批量性和节奏性，准时化生产就是节奏性的重要体现，各工序的节奏性体现出来，批量和节奏相辅相成，准时化生产管控系统就是以生产节奏准时准点为核心的组织生产、组织物流移动的制造技术。准时化生产管控，可以缩短生产作业时间，根本性改善作业流程时间流，提高生产效率；通过减少过程停滞时间减少生产过程库存，从而降低生产过程浪费；减少班组之间的差异与波动值，追求极致，实现指标、效益最大化。