«Горячий» интернет вещей:
какие возможности открывает IoT в металлургии

Производственные стадии в черной металлургии отличаются характеристиками с прилагательным «высокая»:

• Высокая материалоемкость: для производства требуется много сырья, электроэнергии, воды и т.д.
• Высокая наукоемкость: завод регулярно осваивает выпуск уникальной продукции, например, цельнокатаные железнодорожные колеса для высокоскоростных поездов, колеса с низконапряженной конструкцией диска для вагонов метрополитена нового поколения, которые отличаются высокой прочностью, износостойкостью и оснащены устройствами, снижающими уровень шума поезда. Специально для экстремальных условий добычи нефти и газа в Сибири один из заводов разработал собственную марку стали 05ХГБ. Продукция, изготовленная из этой стали, отличается повышенной коррозионной стойкостью и эксплуатационной надежностью.
• Высокая капиталоемкость: основные производственные фонды — крупномасштабные и дорогостоящие, для развития требуются большие инвестиции.

Именно так можно охарактеризовать комплекс по производству труб диаметром до 1420 мм вместе с прокатным станом-5000, который был построен на одном из крупнейших металлургических комбинатов России.

Металлургический комплекс стан-5000 (МКС-5000) специально спроектирован под производство толстого листа для труб большого диаметра. Здесь слябы (заготовки из стали, похожие на большие стальные плиты) превращаются в листы высокопрочной стали и далее отправляются в цех, где их превращают в трубы больших диаметров.

Стан-5000 ставит нетривиальную задачу

На МКС-5000 заготовки в буквальном смысле проходят огонь и воду: нагревание в течение 4—5 часов при температуре от 900 0С до 1300 0С и охлаждение. Причем, в цепочке операций обработки есть участок замедленного охлаждения листов (УЗО) длительностью не менее 48 часов. Проблема заключается в том, что специальных измерительных приборов и приспособлений для контроля температуры центральной части листов на этом участке не предусмотрено. В то же время нахождения листов в яме охлаждения и температурный фон имеют большое значение: если листы изъять раньше, чем они достигнут нужной степени охлаждения, они или уйдут в брак или придется добавить операции по дальнейшей обработке, что нарушит ритм работы оборудования следующих участков. А если держать листы в яме дольше, чем нужно, это негативно повлияет на производительность участка.

Это очень актуальная задача для металлургического предприятия — улучшить качество планирования работы участка замедленного охлаждения в линии стана-5000 за счет уточнения времени остывания листов, — говорит Дмитрий Ракович, директор по продукту «Интернет вещей» «АТБ Электроника (ATB Electronics)»

Кто может взяться за проект?

Готовых решений, подходящих для решения проблемы, на рынке нет. Условия эксплуатации и специфика технологического процесса делают искомое оборудование уникальным. С одной стороны, участок остывания листов требует от аппаратуры способности работать в очень широком диапазоне температур. С другой стороны, нужна высокая точность измерений — вплоть до 0,1 0С. С третьей стороны, речь идет об индустриальном решении с высоким классом защиты, способном работать в суровых условиях металлургического производства. Вишенка на торте — требование низкого энергопотребления устройства. Для разработки, производства и поставки датчиков для высокоточного определения температурных режимов температуры на остывающих листах металла была выбрана компания «АТБ Электроника». Специфика ее деятельности отлично подходит для решения задач, стоящих перед заводом, ведь компания совмещает функции разработчика и производителя уникальной электронной аппаратуры в формате OEM, то есть с оптимальными сроками поставки, стоимостью и гарантиями на уровне вендора.

Как поставщик IoT-оборудования, «АТБ Электроника» предлагает клиентам широкий спектр стандартных аппаратных модулей, которые легко кастомизируются под любые специфические требования заказчика, и из них как из элементов конструктора можно составить нужное заказчику готовое решение: датчики, модемы для передачи данных и т.д. При этом «АТБ Электроника» выступает и как разработчик оборудования, поскольку изготовлению нужного датчика предшествует полноценный этап НИОКР, необходимый, в частности, для уточнения параметра точности измерений датчика на базе разработанной специалистами «АТБ Электроника» математической модели остывания листов на участке замедленного охлаждения МКС-5000.

Не так много компаний на нашем рынке готовы взять на взять такую ответственность разработчика и поставщика уникального оборудования, — комментирует Дмитрий Ракович. — Так что выбор «АТБ Электроника» в качестве партнера во многом был очевиден.

Специфика НИОКР

Разработанный в ходе НИОКР алгоритм расчета температуры листов основан на решении нестационарной краевой задачи теплопередачи с переменными граничными условиями для штабелей листов, находящихся на УЗО. Для решения системы уравнений теплопроводности, баланса тепловой энергии и граничных и контактных условий использован метод конечных разностей с применением неявной схемы аппроксимации производных функции температуры в указанных уравнениях. Применение разработанной модели помогло достичь точности расчета температуры листов на уровне 89%, по сравнению с данными, полученными при измерении температур листов на участке замедленного остывания (УЗО) с помощью тепловизора. В целом, такая точность является удовлетворительной, но недостаточной для завода, поскольку обусловливает слишком большую погрешность расчета времени остывания — 1,5—2 час.

Для того чтобы лучше понять, какие теплофизические параметры оказывают наибольшее влияние на процесс остывания, был спланирован лабораторный эксперимент. В нем оценивалась степень влияния температуры окружающей среды на процесс остывания. Экспериментальное подтверждение получила гипотеза о том, что температура окружающей среды оказывает существенное влияние на процесс остывания. Причем, среди других факторов, влияющих на процесс — температуропроводность материала листов, коэффициенты контактного и внешнего теплообмена — температура окружающей среды наиболее легко измеряется.

Существенных затрат времени и сил на этапе научно-исследовательской работы (НИР) потребовали также эксперименты с подбором материалов для корпуса датчика и коммуникационных элементов — далеко не все материалы выдерживают высокие температуры и загрязненную среду. По оценке Дмитрия Раковича, правильный подбор комплектующих, которые будут взаимодействовать в одной единой системе, и проработка конструктива стали наиболее сложными и ответственными задачами НИР: Если какой-то элемент любого устройства не выдержит заданный температурный диапазон, то из строя выйдет вся система. Поэтому мы не имели права на ошибку.

Дополнительная сложность задачи заключалась еще и в том, что нужно было найти такой комплект компонентов, который, с одной стороны, гарантированно справлялся со всеми температурными режимами и возможными условиями эксплуатации, с другой стороны, обеспечивал минимальную стоимость технического решения для заказчика.

Этот баланс между надежностью и ценой мы стремились выдержать на первом этапе НИРа, — подчеркивает Дмитрия Ракович. — Мы во всех своих проектах четко соблюдаем этот баланс, и эта одна из причин, по которой завод выбрал нас для реализации данного проекта.

Особенности технического решения

В рамках проекта на производственном участке УЗО внедрено программно-аппаратное решение для измерения температуры окружающей среды, разработанное «АТБ Электроника». Датчики производят измерения с высокой точностью — 0,10С и соответствуют высокому классу защиты — IP68.

Алгоритм применения модели при планировании

Связать яму с остывающим металлом с точкой обработки данных проводным каналом связи невозможно, да и большинство радиотехнологий работают в таких условиях недостаточно устойчиво. Поэтому были выбраны беспроводные датчики с протоколом передачи LoRaWAN, обеспечивающим устойчивую связь датчиков с базой приема сигналов в условиях цеховых радиопомех.

В силу некоторых монтажных ограничений на пульте управления УЗО антенна базовой станции для приема сигналов установлена в серверной комнате, которая, вообще говоря, представляет собой «клетку Фарадея», то есть конструкцию с эффектом экранирования от внешних электромагнитных полей. Тем не менее, удалось обеспечить стабильный прием сигнала с датчиков на базовой станции.

У сетей беспроводных датчиков, особенно при большой частоте опроса данных проблемной точкой является срок службы батарейки. Если в условиях офисного здания замена батарейки, скажем, один раз в месяц, не представляет особой проблемы, то для датчиков в яме УЗО это становится критичным.

Заказчик просил максимально увеличить срок службы датчиков без замены батареек, и мы нашли решение. Срок службы одной батарейки в этом проекте составляет около двух лет при максимально необходимой частоте опроса, — рассказывает Дмитрий Ракович.

Оптимальное количество датчиков — по четыре штуки в каждой яме охлаждения – выбирали опытным путем вместе со специалистами завода. Эти высокоточные датчики отправляют данные температуры в корпоративную базу данных и далее - на программную обработку.

Аналитическое ПО обработки данных с датчиков написали заводские программисты, а работы по интеграции решения в ИТ-системы предприятия партнеры осуществили совместно.

Результаты проекта

Проект для оптимизации режимов остывания листов был запущен на МКС-5000 в 2019 г. По оценкам заводских специалистов, применение системы беспроводных датчиков «АТБ Электроника» позволило достичь точности расчета температур на уровне 94—96%. При этом погрешность расчета времени остывания листов снизилась до 0,5—1 ч, а ведь раньше период остывания листа мог достигать 12 часов. Это значительно улучшило качество планирования работы УЗО, позволило существенно снизить количество простоев технологического оборудования на предшествующих и последующих производственных участках стана МКС-5000.

Завод получил и конкретный экономический эффект от внедрения новой системы. Так, годовой экономический эффект от внедренной системы, официально подтвержденный дирекцией завода по экономике, составляет от 4,6 до 16,5 млн. рублей на один участок, в зависимости от годового объема выпуска годной продукции цеха МКС-5000.

Такие результаты вдохновили руководство металлургического холдинга на тиражирование успешно внедренного технического решения по другим предприятиям.

Фактически мы нашли решение актуальной проблемы, которая в том или ином виде имеется на каждом металлургическом предприятии, — отмечает Дмитрий Ракович. — Но поскольку у каждого комбината своя специфика производства и используемых технологий, сейчас идет подготовка обобщенного ТЗ. Далее будет разрабатываться типовое решение для всех металлургических заводов холдинга.