С конца прошлого века подразделение ABB в металлургической отрасли прокладывает путь к расширению цифровых возможностей металлургов: анализирует и объединяет наборы данных для стимулирования автоматизации, обеспечения более масштабной электрификации, снижения выбросов, а также повышения эффективности и контроля процессов. Здесь мы освещаем ключевые вехи этого пути, которые дополняют друг друга, способствуя росту и устойчивому развитию отрасли в соответствии с Парижским соглашением об изменении климата.
Специальный репортаж
1970-01-01
Команда ABB в металлургии воплощает в себе десятилетия коллективного труда по сбору критически важных и новых данных, генерируемых металлургическими процессами, и их использованию для сокращения отходов, повышения производительности и качества. Начав с решения задач клиентов, команда постепенно электрифицировала и автоматизировала процессы производства стали, нержавеющей стали и цветных металлов, признавая, что автоматизация является обязательным условием для дальнейшей интеграции цифрового мониторинга и анализа. Это привело к созданию передовых программных решений, способных управлять сложной комбинацией технологических переменных для достижения оптимальных результатов. Цели ABB, которые начинались с повышения энергоэффективности и производительности, в течение многих лет косвенно сводились к сокращению выбросов углекислого газа, а теперь вопросы устойчивости определяют каждый шаг команды на рубежах прибыльного роста.
1. ВСЕ НАЧАЛОСЬ С ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЯ DC/AC
Частотные преобразователи ABB помогают металлургам повысить энергоэффективность, надежность оборудования, производительность, безопасность и эксплуатационные характеристики.
Технологический прорыв, внесший вклад в повышение эффективности и, следовательно, устойчивого развития, был достигнут в 1992 году: тогда ABB начала заменять менее эффективные электроприводы постоянного тока (DC) на станах холодной прокатки металлургической промышленности электроприводами переменного тока (AC), объясняет Фредерик Эстерхюйзен (Frederik Esterhuizen), глобальный менеджер по развитию бизнеса в сегменте металлургии и преобразования энергии в ABB.
"Автоматизация процессов металлургического производства имеет решающее значение для повышения эффективности и экологичности", — говорит он. "Электрификация этих процессов — ключевой шаг на пути к достижению данной цели, и частотные преобразователи играют ключевую роль в этой трансформации. Их уникальная эффективность в сочетании с использованием электродвигателей и улучшенной оптимизацией привела к снижению энергопотребления на 12–15%. Это не только снижает эксплуатационные расходы, но и значительно уменьшает углеродный след металлургического производства".
Более того, возможность подключения нескольких электродвигателей к частотным преобразователям через общую шину постоянного тока позволяет оптимизировать работу нескольких двигателей с помощью одного многоприводного преобразователя. Эта функция расширяет возможности автоматизации процессов, обеспечивая более точный контроль и координацию различных этапов металлургического производства. В результате отрасль может достичь более высокой производительности и лучшего управления ресурсами.
Примерно в то же время компания ABB также начала разрабатывать "модели настройки", которые оптимизировали производство на пределе установленной мощности прокатных станов. Иными словами, каждый стан или завод имеет ограничения, например, по крутящему моменту, мощности или генерируемым усилиям. Используя спецификации входных параметров процесса, желаемого результата и известные возможности оборудования, были разработаны математические модели, помогающие установить граничные условия для максимально эффективного выпуска продукции.
Первая модель настройки ABB была установлена в 1994 году, и этот путь продолжился благодаря постоянному совершенствованию программного обеспечения, позволяющего эксплуатировать оборудование с большей эффективностью. "Затем мы также применили программное обеспечение для повышения производительности, качества и выхода продукции", — говорит Эстерхюйзен, добавляя: "Если мы можем сократить количество отходов в процессе, стабильно производя металлопродукцию требуемого качества и увеличивая выход продукции от каждого технологического процесса, это, конечно же, также экономит энергию и предотвращает материальные отходы. Это еще один шаг к лучшему и более ресурсоэффективному будущему".
2. СТРЕМИТЕЛЬНЫЙ РОСТ ПЛАТФОРМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ — СИСТЕМА 800xA
Система 800xA — это не просто распределенная система управления (РСУ), это также система электрического управления, система безопасности и среда для совместной работы, способная повысить эффективность инжиниринга, производительность операторов и использование активов.
Развитие платформы автоматизации ABB, ABB Ability System 800xA, получило мощный импульс благодаря интеграции уникальной функции аспектов объектов (Aspect Object).
Буквы xA в названии платформы ABB расшифровываются как "расширенная автоматизация" (extended automation). То есть 800xA объединяет несколько библиотек типов объектов в одну совместную систему. Эстерхюйзен объясняет: вместо того чтобы система содержала единственный объект или модель данных реального объекта или процесса, различные аспекты отдельно моделируются, хранятся и управляются оптимальным для разных пользователей информации образом. Каждый пользователь — менеджер, оператор, специалист по обслуживанию — может щелкнуть правой кнопкой мыши по объекту, чтобы получить информацию, имеющую отношение именно к нему.
Затем 800xA органично интегрирует эти данные в самый широкий спектр приложений. Она также поддерживает сторонние системы, такие как видеоданные и компьютеризированные системы управления техническим обслуживанием. "Операторы предприятий получают не только представление о данных, связанных с их ключевыми показателями эффективности (KPI), но и возможность простого взаимодействия с пользователями в различных зонах среды управления процессами", — говорит Эстерхюйзен. Результатами являются улучшение процесса принятия решений, повышение производительности и снижение затрат.
Первая установка 800xA в металлургии была осуществлена на заводе по производству нержавеющей стали ThyssenKrupp (ныне Outokumpu) Nirosta в Крефельде, Германия, в 2004 году. На новом 20-валковом стане холодной прокатки, работающем на базе электроприводов и контроллеров ABB, система обеспечила комплексное управление технологическим процессом, включая толщину, плоскостность и прямое натяжение, а также компенсацию эксцентриситета рулона. Кроме того, она включала решение ABB Ability™ Manufacturing Operations Management для металлургической промышленности, содержащее математическую модель настройки для дальнейшей оптимизации работы стана.
Сегодня Тарун Матур (Tarun Mathur), глобальный менеджер по портфелю и продажам цифровых решений подразделения ABB Metals & Power Conversion, говорит: "Хотя цифровые технологии в металлургии всегда сводились к использованию данных для все более сложных уровней контроля процессов, сегодня открывается гораздо больше возможностей для их наиболее эффективного применения, например, для обучения операторов или принятия более обоснованных бизнес-решений, которые также повышают экологичность металлургического производства". Система 800xA расширяет свои возможности и поддерживает эти новые требования.
3. ОБРАБОТКА ДАННЫХ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ПРОКАТНЫХ СТАНОВ
Платформа анализа данных ABB Ability™ Data Analytics Platform для металлургии — это цифровое решение, которое собирает, анализирует и визуализирует данные из различных подсистем и устройств на металлургическом заводе, обеспечивая комплексное представление об операциях в режиме реального времени с помощью мощных инструментов.
В середине 1990-х годов центральное программное обеспечение для сбора данных, известное как ibaPDA, стало стандартом в металлургической промышленности. Использование этой аппаратно-независимой системы для регистрации данных с высоким разрешением «первоначально помогло инженерам ABB точно настроить наши контуры управления, а также обеспечило эффективный поиск и устранение неисправностей для повышения производительности, качества и выхода годной продукции в металлургическом производстве», — говорит Эстерхёйзен.
Это стало отправной точкой цифровых предложений для анализа данных. Сегодня платформа ABB Ability Data Analytics Platform для металлургии выполняет автоматический анализ и формирует отчеты, включая анализ первопричин проблем и сбоев. Она собирает, анализирует и визуализирует данные из широкого спектра подсистем и устройств в рамках процессов металлургического производства для оптимизации работы предприятий в целом и/или конкретных технологических участков, таких как станы холодной прокатки и сортовые станы.
Одним из первых глобальных внедрений интегрированной системы мониторинга предприятий ABB стала система на металлургическом комбинате Sunflag Iron and Steel Company в Бхандаре, Индия. «В 2018 году, — вспоминает Эстерхёйзен, — мы интегрировали платформу ABB AbilityTM Data Analytics Platform, объединив все производственные и операционные данные электросталеплавильного цеха и прокатных станов компании Sunflag для улучшения планирования производства и эффективности работы предприятия».
Предприятие, способное производить 500 000 метрических тонн высококачественной специальной стали в год, внезапно получило возможность интегрировать источники данных в 17 операционных зонах, включая системы сторонних производителей, не входящие в экосистему ABB. Например, информационные технологии (ИТ) и операционные технологии (ОТ) объединились, чтобы оказать положительное влияние на сталеплавильный цех и прокатные станы компании Sunflag.
4. МАКСИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ПЛАВКИ
Цифровой Fingerprint создаст эталон для текущих уровней производительности процессов и управления, а также послужит основой для оценки и выявления возможностей для улучшения.
Примерно с 2015 года во всех подразделениях ABB нарастала волна цифрового развития. В металлургическом секторе компания работала над тем, чтобы продемонстрировать клиентам преимущества, которые автоматизация и цифровые технологии могут принести с помощью так называемого цифрового Fingerprint.
«Мы хотели разработать решения для более качественного обслуживания отдельных клиентов, — говорит Матур, — поэтому мы собрали данные о производительности нашего оборудования, такого как двигатели и приводы, используемые на их заводах». «Затем мы проанализировали эту производительность в отчет о сравнительном анализе — Fingerprint, и впоследствии смогли помочь клиентам более эффективно эксплуатировать наше оборудование для выполнения их технологических процессов», — говорит он.
Fingerprint стал основой, с которой ABB в металлургическом секторе начала внедрять цифровые платформы, предлагающие передовые аналитические приложения. Например, Fingerprint обеспечивает управление жизненным циклом установок в отношении автоматизации, развертывания персонала, а также превентивных, аварийных стратегий и стратегий жизненного цикла для поддержания производительности, качества и выхода продукции.
Матур, возглавляющий команду цифровых решений ABB в металлургии с 2018 года, отмечает: «Значительные инвестиции ABB в исследования и разработки привели к постоянным цифровым инновациям, которые обеспечивают улучшение результатов для металлургического сообщества».
5. ТО, ЧТО «ХОРОШО» ДЛЯ НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ... «ПРЕКРАСНО» И ДЛЯ МЕТАЛЛУРГИИ
Передовое управление процессом используется, например, в горелках обжиговых машин фабрик окомкования для повышения качества окатышей и снижения расхода топлива.
Усовершенствованное управление процессом (Advanced Process Control, APC) — это цифровая технология, которая применяется в нефтегазовой промышленности с 1980-х годов. Матур изучал эту тему и имел опыт работы в нефтегазовой сфере, поэтому, по его словам, «когда я присоединился к команде ABB в металлургии в 2011 году, мы начали задаваться вопросом, почему эта способность не получила более широкого распространения в металлургии. Когда мы попытались применить ее, мы поняли, что ее нельзя просто так перенести на любой технологический процесс». Тем не менее металлургическая команда чувствовала, что APC применима в металлургии, и начала искать часть процесса, где она могла бы принести пользу.
Предшествующий процесс в производстве железа, известный как фабрика окомкования или агломерационная фабрика, продемонстрировал сходства, и подразделение ABB Metals применило практически тот же программный механизм, который использовался в нефтегазовой отрасли, настроив его с поправкой на немного другие технологические сигналы. Примененная автоматизация и аналитические данные принесли значительную пользу клиенту.
С тех пор APC успешно применяется в самых разных ситуациях: например, в горелках обжиговых машин фабрик окомкования она позволила повысить качество окатышей и снизить расход топлива. В контуре измельчения сырья, включающем валкий пресс и однокамерную шаровую мельницу, она улучшила показатели управления, обеспечив увеличение производительности на 4%, экономию энергии на 3% и сокращение стандартного отклонения возврата на 60%.
6. ИСКУССТВЕННЫЙ ИНТЕЛЛЕКТ ВХОДИТ В СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫЙ ЦЕХ
ABB Ability™ Smart Melt Shop собирает данные от различных датчиков, новых для условий сталеплавильного цеха, включая камеры и радары, которые отслеживают положение всего движущегося оборудования.
Одной из движущих сил команды цифровых решений ABB в металлургии является вклад в операционное совершенство ее клиентов. Запатентованное решение ABB Ability™ Smart Melt Shop было разработано в сотрудничестве с компанией JSW Steel на ее заводе Dolvi Works в Индии. В нем используются передовые модели искусственного интеллекта (ИИ) для повышения производительности сталеплавильного производства.
Smart Melt Shop собирает данные от различных датчиков, новых для условий сталеплавильного цеха, включая камеры и радары, которые отслеживают положение всего движущего оборудования, такого как краны. Затем ИИ точно прогнозирует тепловые потери, тесно связанные с перемещением ковшей и подводом тепла на всех этапах сталеплавильного производства.
Эти аналитические данные, полученные с помощью искусственного интеллекта, выдают операторам рекомендации в режиме реального времени, гарантируя, что каждая плавка достигнет оптимальных температур перегрева на МНЛЗ. Это предотвращает задержки, вызванные чрезмерным перегревом, и минимизирует сброс плавок из-за недостаточного перегрева.
«Результат? — рассуждает Матур. — Заметный рост — до 5% — производительности машин непрерывного литья заготовок и снижение энергозатрат в процессе работы печи-ковша примерно на 5 °C за плавку. Это повышение операционной эффективности и значительная экономия энергии и сокращение выбросов парниковых газов».
7. ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ ГОРИЗОНТОВ ДЛЯ ПРЕОДОЛЕНИЯ ПИКОВ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ
Данные в сочетании с интеллектуальными устройствами и такими технологиями, как распознавание образов, позволяют металлургическим предприятиям достигать новых высот производительности.
Исследования и применение цифровых возможностей для металлургических предприятий со стороны ABB никогда не останавливаются. В следующее десятилетие или два Матур видит комплексное управление технологическими процессами и качеством — от закупки исходных материалов до выпуска продукции высочайшего качества. Это будет способствовать производству рентабельной низкоуглеродистой стали. Новые процессы, такие как использование водорода вместо угля при восстановлении железной руды, уже закладываются в общую цифровую модель.
В рамках этого пути микроуправление этапами производства является важным фактором. Матур приводит в качестве примера режимы ожидания: «Мы изучаем ситуации, когда металлургический завод останавливается по тем или иным причинам. Нам удалось настроить, какие именно устройства можно отключать в такой ситуации или переводить в режим ожидания, чтобы они не работали и не расходовали энергию. Такие небольшие элементы помогают шаг за шагом повышать общую эффективность производства металлов и снижать его углеродный след».
В конечном счете, говорит Матур, производители металлов будут использовать автоматизацию и другие источники цифрового интеллекта не только для управления процессами, но и для принятия бизнес-решений. «Нужно ли мне инвестировать больше в эту часть процесса или в другую? Нужно ли мне модернизировать это оборудование? Данные, а не интуиция, должны подсказать вам, куда инвестировать, чтобы развивать свой бизнес и повышать его экологичность».
Эстерхейзен соглашается с этим, добавляя, что использование данных в сочетании с интеллектуальными устройствами и такими технологиями, как распознавание образов, позволит таким новаторам, как ABB, и их клиентам достичь новых высот производительности. Цифровые технологии продолжат формировать будущее промышленности, предоставляя сотрудникам возможности принимать более обоснованные решения на всех уровнях организации и обеспечивая более безопасные, умные и экологичные операции.
