研究人员不得不与工人一样

2017-05-16 16:26

据课题组成员丁进良副教授介绍,竖炉的生产需要通过加热煤气燃烧加热矿石,和还原煤气发生还原反应还原弱磁性的赤铁矿石,以提高铁矿石的磁性,便于选别和金属回收。之前依靠人工设定矿石搬出时间、燃烧室温度和还原带温度,由于人工操作会造成搬出和上料配合不好,一旦料仓料层薄,无法密封煤气,就可能导致煤气泄露,将造成不可估量的损失。为了保障生产安全,课题组成员工作在第一线,熟悉操作规程、设计并验证竖炉焙烧运行反馈控制技术和系统,实现矿石搬出时间、燃烧室温度和还原煤气流量的优化设定。不仅保证生产安全,还提高了产品的质量和竖炉的台时处理量、减少了煤气消耗。

辽宁营口大石桥是中国的镁都,电熔镁是这里的支柱产业。电熔镁生产平均电量单耗为2900千瓦时/吨,明显高于国外发达国家电量单耗,是高耗能企业,正好符合实验的要求。实验室充满期待地与企业联系,得到的却是企业冷淡的拒绝。

控制系统需要精确的数据,工作人员就不间断地进行收集整理。大家干脆就把住所搬到了生产现场,在满是粉尘的生产现场铺上一个凉席,席地而卧,轮流休息和工作。一个晚上下来,每个人都精疲力竭。白天,工人们都休息了,而他们却仍旧要分析数据,研究回路控制策略方案,设计编程。吴永建和学生一起,以这种高强度的工作状态持续工作近5个月的时间,终于在生产线上实现了自动控制,并确保了企业的安全稳定生产。

实验室在进行科技攻关的同时,还积极为研究生创新能力的培养提供平台。在国家重大科研项目研究过程中,实验室主任柴天佑大胆地启用学生参与科研实践,让年轻人有了施展才华的空间。“真刀真枪”的实战环境,极大地培养了研究生的动手能力、科研能力和创新能力。吴志伟、周平、汤建、张猛、管聪等一批优秀学生在实践中脱颖而出,他们从工程实际中提炼科学问题,并结合工业实际开展原创性学术研究,取得了丰硕的科研成果。实验室以战代练,通过科研项目培养学生的方式,为高水平人才培养提供了可借鉴的成功模式。

理论成果只有应用于生产实践才能转化为生产力。实验室人员在取得系列理论成果后,开始尝试如何将理论成果运用到生产实际工作之中,真正解决企业的高耗能问题。柴天佑院士将科研人员分成不同的小组,分头开始针对电熔镁炉、磨机、竖炉、回转窑等耗能设备展开研究。

东北大学制造的超强大脑,成功实现了对磨机、竖炉、电熔镁炉和回转窑等我国企业常用的大型耗能设备的节能控制,这是信息化与工业化的深度融合,是流程工业绿色化与自动化的成功范例。

2007年,柴天佑院士凭借在控制领域取得的突破性成果,在新加坡召开的ieeemulti-conferenceonsystemsandcontrol国际会议上获得首届国际控制研究杰出工业成就奖(ieeecontrolsystemssociety),并应邀做一小时大会报告。前ieeecontrolsystemsociety主席johnbaillieul教授,奖励委员会主席lalitk.mestha博士等都对柴天佑院士的控制理论给予高度评价。“中国独树一帜的研究特色,非常值得我们关注”,“为全世界控制领域树立一个成功典范”,这些国际权威人士的评价,不仅提高了我国在国际控制领域的学术影响,更激发了实验室工作人员攻克生产实际问题的信心和勇气。

2006年,柴天佑院士的博士研究生吴志伟,勇挑重担,带领硕士研究生王富力等一起继续对电熔镁炉运行反馈控制系统进行完善和改进。由于实验不能影响正常的生产,因此可用的时间节点很少,科研人员必须抓住每一个时机进行试验。吴志伟等人采取数据后,就拿着数据回到学校,在全国最大的仿真模拟系统上进行仿真实验,以取得近乎实践的结果。模拟成功后,再到企业进行生产实验。第二批炉子改变了炉型,增加了加料的控制环节,并找到了企业设备匹配的最佳设定值,保证了生产过程中电流的稳定,进一步减少了能耗,提高了产品质量。

实验室结合竖炉、磨机等企业常用耗能设备的特点,围绕运行反馈控制结构,在国际上首次提出了运行反馈控制、控制器驱动模型和虚拟未建模动态的新概念。

针对流程工业绿色化与自动化的重大需求和控制技术的前沿问题,东北大学流程工业综合自动化国家重点实验室在柴天佑院士的带领下,围绕电熔镁炉、竖炉、磨机和回转窑等重大耗能设备,在国际上首次发明了以节能降耗、提高产品质量和产率为目标的耗能设备智能运行反馈控制技术及装置,为高耗能、重污染企业打造出能够对生产全流程进行精确控制的超强大脑,显著降低了能耗物耗指标,提高了产品质量与产量。2009年至2012年应用四年,新增产值3.2亿元,新增利润1.53亿元,新增税收1377万元。

在这些私营企业眼中,效益是第一位的,对需要承担风险的科研实验,企业老板们不愿意尝试。一些企业主表示,他们曾尝试过使用美国等发明的plc工业编程控制设备,却没有得到预期的效果,成为了企业的一个摆设。外国的产品不好使,国内的一所高校,能创造出自己的节能控制产品吗?企业主都持怀疑的态度。

东北大学在零失误的情况下,完成了电熔镁炉专用智能运行反馈控制技术的的研究与实践工作,发明了针对电熔镁炉单独运行的特点的嵌入式控制系统,研制了电熔镁炉智能运行反馈控制软件,在电熔镁企业实现了全流程控制,得到了企业的高度认可。截至2006年底,电熔镁炉专用智能运行反馈控制技术成功应用于49台电熔镁炉,使得电熔镁炉单吨能耗平均降低了5.12%,电熔镁砂成品率平均提高2.5%,电极消耗降低2.7%;单台炉直接经济效益为72.84万元/年,49台炉每年可新增经济效益3569.16万元,仅三年就累积为企业节支1.07亿元。

2010年,东北大学已经走出国门,先后将东北大学制造的超强大脑成功应用于越南林同氧化铝综合自动化系统和巴布亚新几内亚瑞木镍钴生产线自动化系统,迈出东北大学品牌走向世界的坚实步伐。

2005年,实验室先后获得了国家973计划、863计划、支撑计划、自然科学基金重点和自然科学基金重大国际合作等项目的资金支持,基于数据与模型的复杂工业过程的整体优化控制研究、流程工业一体化控制若干关键技术研究、复杂生产制造过程一体化控制系统理论和技术基础研究等项目快速推进。

通过参加科研项目,吴志伟获得了对电熔镁炉进行节能降耗、优化控制研究的第一手宝贵资料,先后发表论文6篇,发明专利3项,1篇论文获张仲俊优秀论文奖(技术奖),并以学生的身份成为该国家奖的完成人。吴志伟表示,作为学生,有机会参加学科的前沿科研项目,是很幸运的事,十分感谢柴天佑院士为学生创造了这种机会。

高耗能设备是企业生产的必要设备,在设备无法进行改进的前提下,采用优化控制系统实现全流程的最优化,无疑成为减少能耗的最佳选择。按照柴天佑院士的思路,只有根据工业需求,对控制系统设定值进行优化设定,进而通过对温度、压力、流量等的控制,实现对生产全流程的控制,才能提高产品质量,减少能耗,提高生产效率。思路清晰,目标明确,在实验团队的共同努力下,理论研究很快取得了突破性科技成果。由设备控制层回路设定值闭环优化控制和跟踪设定值切换控制组成的以节能降耗为目标的运行反馈控制结构,两项研究成果成为新的流程工业控制的理论基础。相关研究成果获授权国家发明专利15项,计算机软件著作权11项,发表sci论文39篇,其中团队在控制领域最权威的会刊上就发表长文20多篇,成为我国控制技术领域发表长文最多的技术团队。关于竖炉运行反馈控制的论文入选第17届国际自动控制联合会(ifac)世界大会应用论文奖的finalist(大陆学者第一次入选);回转窑控制技术的论文获第十届全球智能控制与自动化大会最佳应用论文奖;电熔镁炉控制技术的论文和磨机负荷预报论文分别获第22和23届张钟俊优秀论文奖。

2006年在试验炉上取得成功后,节能效果明显,尝到甜头的电熔镁企业老板又在5台炉子上安装了运行反馈控制系统,五台炉子很快投产,节能增效的效果更加明显。

实验室采用设定值闭环优化控制结构和采用跟踪设定值切换控制结构发明的电熔镁炉、竖炉、磨机和回转窑专用设定值智能闭环优化控制技术和专用跟踪设定值智能切换控制技术已被广泛应用。钢铁选矿、电熔镁、氧化铝、水泥等行业的很多企业的耗能设备都配备了东北大学制造的超强大脑,成功实现了对磨机、竖炉、电熔镁炉和回转窑等我国企业常用的大型耗能设备的节能控制,这是信息化与工业化的深度融合,是流程工业绿色化与自动化的成功范例,为我国流程工业绿色化和自动化抒写了浓墨重彩的一笔。实验室主任柴天佑院士表示,实验室结合不同企业的生产环境,不断整合优化控制,建成了自动控制领域的示范应用,在全国叫响了东北大学的品牌。

电熔镁炉智能优化运行控制技术难度大,在电熔镁炉自动化方面有重大突破,整体技术国际先进。以节电与提高电熔镁砂高品位率为目标的电熔镁炉智能运行优化控制技术及其应用处于国际领先水平。

柴天佑院士结合竖炉、磨机等企业常用耗能设备的特点,围绕运行反馈控制结构,在国际上首次提出了运行反馈控制、控制器驱动模型和虚拟未建模动态的新概念,并组织丁进良、吴永建、岳恒等骨干力量开始进行深入研究。

东北大学流程工业综合自动化实验室从成立之初,就确立了在生产实践中发现问题、提炼科研课题的发展模式。实验室主任柴天佑院士身先士卒,经常带领科研团队深入到生产第一线,寻找科研课题。早在2001年,柴天佑带领课题组成员到某钢厂进行实地调研。在生产现场,柴天佑和课题组成员一起沿着狭窄廊道考察整个生产流程。廊道内有时尘土飞扬,有时脏水飞溅,十分难走,柴天佑仍坚持走完了迂回曲折的廊道,详细考察了选矿生产的全过程。回到实验室后,他就组织实验室的精英,开始向着攻克全流程复杂控制的难题,改变落后的高耗能生产方式,最大限度地减少能耗、提高生产效率的目标迈进。

2011年8月14日,电熔镁炉智能运行反馈控制技术通过了辽宁省科技厅组织的科技成果鉴定,以中国工程院院士王天然教授和工程院院士唐任远教授为首的鉴定委员会一致认为:“电熔镁炉智能优化运行控制技术难度大,在电熔镁炉自动化方面有重大突破,整体技术国际先进。以节电与提高电熔镁砂高品位率为目标的电熔镁炉智能运行优化控制技术及其应用处于国际领先水平。该项目是采用运行优化控制技术实现重大耗能设备的节能降耗的成功范例,具有广阔的推广应用前景。”

善于在生产实践中提炼科研课题,是东北大学流程工业综合自动化国家重点实验室的优势和传统,实验室的每个控制技术研究人员都要深入企业生产的第一线,了解生产实际。在走访中小型选矿企业的过程中,面对企业那堆积如山的各类尾矿与煤矸石和随意排放的工业废气废水废渣每个人的第一感觉都是触目惊心。一次次心灵的触动,激起了实验室工作人员改变落后现状的不竭动力,为了保护人们赖以生存的家园,东北大学流程工业综合自动化国家重点实验室在柴天佑院士的带领下开始了艰难的攻关历程。

面对企业的怀疑,柴天佑院士亲自与企业联系,并表示,目前被企业广泛应用的外国产的plc控制设备是根据国外的生产环境制造的,无法适应我国企业粉尘大、电磁干扰大、工作现场温度高等众多不利因素的影响,使用效果自然不理想,是水土不服。我们就是要找出原因,并认真地加以解决,打造出适应中国企业恶劣环境的可靠的快速稳定的控制系统。柴天佑强调,东北大学对企业提供的是私人订制式的服务,一个企业一套系统,一定能够成功。柴天佑院士的承诺得到了企业的支持,2005年,吴永建和几个科研人员一起进驻大石桥辽宁群益集团营联镁质耐火材料有限公司,开始在电熔镁生产上的实验研究。

电熔镁生产线大都工艺落后,设备简陋,由人工控制,极大地影响了控制精度,增加了能源的浪费。由于电熔镁是高耗电产业,企业为了使用低价电费,不得不在电价最便宜的夜间生产,每天晚上9点钟开始生产,到第二天早上7点半结束。这种黑白颠倒的工作时间给实验室的工作人员带来了很多的困难,但为了熟悉全流程工作,研究人员不得不与工人一样,在夜晚进行工作。为了更快地熟悉工作流程,大家还放下身段,虚心地向工人师傅学习生产的操作过程,不放过任何一个细节。

实验室“耗能设备智能运行反馈控制技术”在电熔镁炉行业成功应用,极大地鼓舞了实验室的士气。实验室人员发挥专啃硬骨头的精神紧密配合,协同合作,很快就在选矿竖炉和磨机、氧化铝磨机和回转窑、水泥回转窑和其他有色金属行业取得突破性进展,一时间,实验室捷报频传,人心大振。

东北大学流程工业综合自动化国家重点实验室凭借强大的科研实力和勇于挑战的精神,攻艰克难,取得了一系列令人羡慕的科研成果,在自动控制打造出超强大脑,树起了东北大学的品牌。在国家重拳治理雾霾、大力提倡流程工业绿色化和自动化的今天,实验室作为控制领域的科技龙头,必将在流程工业发展中扮演更重要的角色,在减少能耗、提高产率方面为国家作出更大的贡献。

恶劣的环境没有阻止实验室人员工作的热情,他们苦中作乐,以自己的方式笑对生活,用自己渊博的知识和丰富的实践经验,战胜了一个又一个困难,使东北大学的控制系统在中国铝业山西分公司、酒钢集团宏达建材有限责任公司、中国铝业山东分公司、山西联华伟业科技有限公司等企业的生产线上成功运行,显著提高了企业整体自动化水平,实现了节能降耗、提高质量的绿色化生产目标,取得了巨大的经济效益和社会效益。

课题组成员岳恒教授幽默地介绍,防尘面具、对讲机、强光手电筒和煤气监测仪是四件必须配备的宝贝。强光手电筒用来观察料仓的下料情况,对讲机用来与监控大厅随时保持联系,而最重要的就是煤气监测仪,它是安全的重要保证。与竖炉的高温、高粉尘相比,在检测磨矿过程的泵池时,则完全又是另外一种状态。在这里,头上是飞溅的泥浆,脚下是不知软硬的地面,有时一脚下去,就能没到膝盖。此外,泵池是由大马力的发动机带动水泵进行生产,现场的噪音大到相距1米远的两人说话都听不见,岳恒等人就通过短信与主控室的工作人员进行联系如何调控液位。

随着经济的快速发展,中国已成为当之无愧的世界制造业大国。钢铁、有色金属、石化、纺织和电子等制造业已成为我国的支柱产业。然而这些企业的工业能耗也很突出,占总能耗的70%左右。与发达国家相比,这些行业普遍存在能耗高的问题。据统计,其单位能源消耗比发达国家高30%以上。高能耗意味着高耗煤、高污染,也意味着高成本、高价格。减少能耗,成为企业提高经济效益和市场竞争力的共识,然而如何在当前的环境下减少能耗又成为困扰企业的难题。