犯其至難而圖其至遠：北科工研2022年十大科技創新盤點
“路雖遠，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變為美好現實?！?/strong>
- 習近平總書記在2023年新年賀詞
揚帆起航正當時，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先進裝備工程技術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重大需求，從未停止創新的腳步。盤點2022年的科技創新，北科工研將繼續前行，堅守初心，使命擔當，為行業數字化轉型貢獻北科智慧。
1.基于5G+AI的多產線鋼板表面檢測集控及自動判定技術
2022年8月，北科工研和華菱漣鋼、中國移動、華為合作，在世界上規模最大的高強鋼熱處理基地，全行業首創基于5G+AI的20條產線鋼板表檢集控及自動判定技術，以5G與私有云平臺作為基礎設施，基于深度學習的表檢系統作為上層應用，形成端到端的整體解決方案。通過表檢集控一體化技術實現少人化、高效率和表面質量一貫制管理，打破表檢傳統的“一機一班”生產模式，實現了“增機不增人”，讓多工序、多產線表檢質量一體化管控成為可能。高速率、低時延的5G網絡使得表檢系統部署更靈活，降低投資40%以上，作業效率提升60%以上，20條熱處理產線從表檢抽檢到實現全檢。項目預計在2023年第三季度完成整體交付。
圖1 基于5G+AI的多產線鋼板表面檢測集控及自動判定技術構架
2.基于機器視覺的中厚板自動轉鋼和冷床無人化技術
中厚板生產節奏快、品種多，長期以來，因技術局限性，粗軋轉鋼、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線，北科工研基于在自動化技術上的深厚底蘊，融入機器視覺及AI技術，實現粗軋自動轉鋼、冷床上下料跟蹤智能化、雙邊剪自動對中。項目實施中創新性采用自主學習人工轉鋼經驗，形成輪詢位置組合，鋼坯實現360°精準跟蹤，實現長寬比＞2的鋼板一次轉鋼命中率≥90%；在冷床跟蹤采取雙冷床聯動模式，通過機器視覺+AI技術實現鋼板重復測量位置精度控制在20mm以內，保證了冷床最大化布料能力；采用級聯的視覺識別算法模型，鋼板對中測量精度控制在5mm以內，首次在中厚板生產線上實現多個關鍵設備的一體化智能控制。項目預計在2023年4月完成整體交付。
圖2 中厚板自動轉鋼和雙邊剪自動對中系統
3. 板帶熱連軋高效生產和高質量高穩定性控制技術
作為板帶熱連軋自動化控制國家隊，北科工研承載著國內熱連軋自動化技術革新的使命。面向高效率、高質量目標，2022年積極研發全寬幅多目標板形控制、綜合厚度控制、液壓活套三環控制、高效軋制節奏提升等創新技術，實現了精軋雙鋼軋制、粗精軋R2和FO連軋、超薄帶穩定生產、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，大大減少了中間輥道上的板坯溫度損失，同時板形、厚度、寬度質量均得到保障，從而在提高軋制穩定性的同時實現了高效生產和節能降耗。2022年4月，由北科工研承建的世界最寬的德龍鋼鐵2550mm熱連軋不銹鋼生產線順利投產，該產線使用了多項自主研發創新成果，各指標均處于領先水平。
圖3 精軋雙鋼軋制與粗精軋連軋技術
4. 面向“無人駕駛”的熱連軋粗精軋一體化自動調平糾偏控制技術
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，人工頻繁干預，生產穩定性與質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平糾偏技術被認為是熱軋智能化核心技術。經過3年的技術沉淀和分項技術推廣，北科工研將基于深度學習的視覺檢測、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-測”數字化偏差溯源等技術深入融合，實現熱軋全工序一體化在線檢測與自動調平糾偏控制。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完成設備安裝、調試和全部功能上線，是繼首鋼、馬鋼、鞍鋼本部等12項業績之后的全工序一體化控制的里程碑案例。系統應用后，可實現粗軋無人化，精軋減少60-80%操作干預，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奠定堅實基礎。
圖4 鞍鋼鲅魚圈1580熱軋粗精軋一體化自動調平控制團隊
5.薄規格板材生產庫區智能化管控技術
以智能庫管和無人天車為主要特征的卷、線、棒等庫區無人化技術已相對成熟，因生產工序繁多、物流流向復雜，板材智能庫區一直未能實現突破，轉運過程精準跟蹤、識別及庫區精準管控是解決這些問題的關鍵。2022年，北科工研相繼與南鋼板材事業部和漣鋼高強鋼熱處理線合作，首創機器視覺、AI識別、邏輯跟蹤與物理跟蹤相互校驗的薄板精準跟蹤系統及板材多品規、定制化小批量庫區管理系統，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，解決了吊運過程單張薄板及板材捆包的精準跟蹤問題，首次實現板材智能庫的落地應用，使板材庫區的智能無人化建設成為可能，項目預期2023年5月完成整體交付。
圖5 板材熱處理庫區集控中心
6. 面向多目標的扁平材及長材生產計劃智能排程技術
多品種、小批量、嚴格周期的生產組織模式倒逼企業須打造智能化生產排程系統。從板帶到無縫鋼管、型材、棒線等產線，生產計劃大都由計劃員依靠工作經驗手工編制，效率低下、效果不佳。因多目標優化復雜、約束條件多、異常事件干擾等因素，自動排程系統難度較大。2022年依托南鋼、大冶特鋼項目，通過建立計劃排程知識庫、開發優化排程模型和啟發式算法等，實現了多計劃并行排程、一鍵自動配料、一鍵智能排產、余材充當等功能，提升排產工作效率90%以上，減少倒垛、提升備料效率30%，實現鋼管的精準配料與計算，直接提升成材率0.5%以上。
圖6 無縫鋼管產線生產自動排程系統
7. 軋制全流程產品組織性能預報與研發平臺
目前產品研發大多采用實驗和試生產多輪試錯方式，研發周期長、成本高。2022年年初，北科工研在某高品質帶鋼生產基地，通過打通熱軋、冷軋、連退全流程工藝、質量數據鏈路，建立產品溫度履歷、變形履歷、組織履歷、性能履歷模型，研發產品知識庫，構建工藝和質檢人員統一工作平臺，實現全流程產品組織性能預報、產品開發與工藝推優。通過項目實施，能夠實現在線性能判鋼，提升訂單準時交貨率、庫存周轉率50%以上。數字試錯可以提前發掘生產過程中可能遇見問題，不僅提升研發效率，也降低質量損失率，如實現連退卷工藝-組織-性能在熱軋、冷軋上下游工序間的遺傳分析，對連退工藝預警與工藝挽救。項目預計在2023年6月整體完工。
圖7 產品組織性能預報與研發系統架構
8. 面向多業務的冷軋大數據智能分析與決策系統
2022年6月，北科工研與馬鋼合作，基于已有的冷軋17條產線智控中心，開發冷軋大數據智能分析與決策系統，旨在從大數據應用層面突破冷軋“工序間相互耦合，生產效率難以突破”的智能制造發展瓶頸。利用“AI算法庫+工藝思想”雙輪驅動，從生產工序、生產要素、時間歷程3個維度對多元異構數據按照生產、質量、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、連退性能等現場關注的焦點問題，采用“模型+決策”雙層模式，形成智能化分析模型，系統采用“智能化預警+分析報告+參數推優”方式輔助現場進行決策，助力現場實現小時產量提高0.6%，成材率提高0.05%的目標。項目預計2023年第二季度完成整體交付。
圖8 冷軋大數據智能分析與決策系統系統框架圖
9. 大規模小批量定制化生產模式下特鋼數字化轉型關鍵技術
物料跟蹤和業務上線一直是特鋼數字化轉型的兩座大山，無論是板、管、型、棒、輪、軌梁，從計劃排程開始到物料完工報產繳庫，所有中間環節幾乎都是線下作業，實現生產精益化管控難度極大。2022年4月，北科工研承接大冶特鋼460鋼管精益數字化平臺項目，這也是國內在大規模、多品種、小批量、定制化生產模式下實現老線數字化轉型的首次挑戰。項目創新技術包括：冶金工業互聯網平臺、鋼管三維表面缺陷檢測技術及智能裝備、基于機器視覺-多場景標簽-邏輯跟蹤融合的鋼管全生命周期逐支跟蹤系統、一鍵排程、生產自動跟蹤與精益分析、質量一貫制推送與管理、精細化能源管控、數字孿生技術等功能。本次“組合拳”式的數字化解決方案，旨在提升訂單準時交貨率、庫存周轉率、資源利用率、生產效率、降低質量損失率等，項目預計在2023年4月整體完工。
圖9 大冶特鋼460產線精益數字化平臺實施團隊
10.面向多場景的“雙智控”智能工廠整體解決方案
北科工研首創的“一基兩翼”的冶金智能工廠“雙智控”技術體系以iBKLinker工業互聯網平臺為基礎，以操控中心和協同中心為雙翼，全方位落實工廠高質量發展目標。iBKLinker融合時空變換、數據再生、數據字典等技術，破解數據使用最后一公里難題，讓數據“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、業務上線等技術瓶頸，開發多類工業模型，在生產層面實現操作室集中操控，打造極致制造能力。智能協同中心以KPI為牽引，借助數字孿生、智能算法等手段，聚焦生產、質量、能源、設備、成本、交付、人員等業務，實現事前策劃、在線預判、實時監控、異常診斷、過往追溯和決策優化。“雙智控”實現造物育人雙管齊下，崗位優化35%，產量提升8%，質量不良率下降10%。多次引領板帶、鋼管、寬厚板、軌梁等產線的組織變革與技術創新（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國際領先，“雙智控”智能工廠方案獲得第四屆中國工業互聯網大賽領軍組三等獎。
圖10 南鋼板材鋼軋一體化數字孿生系統