鋼鐵冷軋智能工廠解決方案

北京首鋼自動化信息技術有限公司

一、解決方案概況

（一）背景和需求介紹

冷軋工廠作為鋼材生產(chǎn)的最末端，內(nèi)部工藝流程和物流過程復雜，質(zhì)量控制難度大，面對客戶個性化的挑戰(zhàn)多，是決定產(chǎn)品競爭力的最重要環(huán)節(jié)。我國有300多條冷軋產(chǎn)線，對比國際上最先進的冷軋工廠，普遍存在勞動效率低、產(chǎn)品研發(fā)能力弱、質(zhì)量水平差距較大等問題。企業(yè)力圖通過智能化提升競爭力，但因欠缺方法，在實施過程中往往缺乏整體設計的模板，路徑不清晰，只能在分散的點上探索嘗試，投入雖大，卻達不到預期效果。

北京首鋼股份有限公司（簡稱“首鋼股份公司”）硅鋼一冷軋廠是首鋼集團在國家鼓勵和發(fā)展的新能源、清潔型能源以及高效節(jié)能型產(chǎn)品應用的宏觀背景下，以低能耗高效率電工鋼新材料提供商為定位，以引導市場需求策略及領先服務商策略為目標的核心發(fā)展載體，代表了國內(nèi)硅鋼產(chǎn)銷研用一體化工廠的領先水平。

硅鋼一冷軋主要產(chǎn)線包括：1條酸軋產(chǎn)線，4條連退產(chǎn)線，4條重卷產(chǎn)線，2條包裝產(chǎn)線，形成了4大系統(tǒng)29個產(chǎn)品生產(chǎn)體系，已經(jīng)建立了較完整的全流程基礎自動化系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)、MES系統(tǒng)、ERP系統(tǒng)等4級體系。本項目是在傳統(tǒng)數(shù)字化工廠基礎上進行智能化的提升和改造，重在對物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新技術和智能裝備的創(chuàng)新應用，探索智能工廠建設的整體解決方案，提升智能化程度，為智能制造提供持續(xù)推動力。

（二）解決方案介紹

本項目在硅鋼一冷軋工廠現(xiàn)有基礎上，對設備進行升級改造，深入應用新技術，提升智能化程度，顯著改善硅鋼一冷軋工廠的經(jīng)濟技術指標，建成冷軋示范工廠，形成一系列可示范、可復制、可推廣的智能制造技術。以工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺為基礎為產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量管理、設備管理、能源管理等產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)環(huán)節(jié)的橫向集成提供支撐。以無人天車、智能裝備、調(diào)度排產(chǎn)優(yōu)化、EMS、ERP等系統(tǒng)功能完善、工藝優(yōu)化等手段，為增強產(chǎn)線的柔性化水平提供支撐。通過現(xiàn)有設備改造，控制系統(tǒng)優(yōu)化等方法，為降低全生產(chǎn)流程的水、電、氣等能源消耗和環(huán)境控制提供支撐。構建數(shù)字化虛擬工廠與實際工廠并行，通過對實體工廠模擬、優(yōu)化等方法，支撐實體工廠的感知層、智能制造層、智能感知層的縱向集成。通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術，支撐智能工廠內(nèi)部端到端的集成。

核心的技術研發(fā)突破點如下：基于知識庫的產(chǎn)品智能設計技術、工藝流程及過程控制數(shù)字化仿真技術、柔性化生產(chǎn)計劃調(diào)度優(yōu)化技術、融合工業(yè)大數(shù)據(jù)的新一代冷軋工藝及過程控制模型、基于軋輥全生命周期管理的磨輥間智能化提升技術、基于數(shù)據(jù)挖掘的全流程質(zhì)量智能管控與溯源技術、針對裝備服役質(zhì)量的故障診斷技術、基于智能化決策的能源協(xié)同管控技術、污染物泄露智能分析與應急處理決策支持技術、支持多源異構的時空數(shù)據(jù)挖掘技術、基于大數(shù)據(jù)平臺的數(shù)據(jù)分析與應用技術。同時，結(jié)合項目實踐完成冶金行業(yè)生產(chǎn)工藝系統(tǒng)功能安全評估標準研究。

二、解決方案詳細介紹

（一）技術和實施方案

1.技術方案

該項目整體架構分為四個層級：智能決策層、智能制造層、智能感知層、智能支撐層。工廠內(nèi)部主要依靠工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)進行端到端聯(lián)通，外圍以物聯(lián)網(wǎng)（IOS）對外提供云服務對接。整體架構以產(chǎn)品智能設計、工廠柔性化制造、營銷服務為核心，以質(zhì)量、能源、設備、綠色安全為支撐。

在通信網(wǎng)絡的基礎支撐下，利用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)等技術，搭建功能完備的企業(yè)大數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的采集和存儲；同時深入研究基于大數(shù)據(jù)平臺的數(shù)據(jù)分析與應用技術，集成計算與數(shù)據(jù)分析算法，通過回歸、聚類、分類、關聯(lián)等大數(shù)據(jù)應用分析方法，為感知層、制造層、決策層的優(yōu)化提供決策支撐。

產(chǎn)品智能設計方面，將涉及的工藝過程相關知識，產(chǎn)品設計規(guī)則，研發(fā)人員多年積累的經(jīng)驗，客戶端的加工、成本、物流等要素進行整合，構建產(chǎn)品設計知識庫并對其動態(tài)優(yōu)化。采用基于知識庫的產(chǎn)品智能設計技術，實現(xiàn)精確識別客戶需求的產(chǎn)品智能設計和主導市場型產(chǎn)品智能設計，并通過減少人工干預環(huán)節(jié)，有效縮短研發(fā)周期。

工廠柔性化制造方面，通過工藝流程及過程控制數(shù)字化仿真技術，從產(chǎn)品設計思想的產(chǎn)生、設計、研發(fā)、到生產(chǎn)制造全過程進行仿真，實現(xiàn)在實體產(chǎn)品生產(chǎn)制造以前，就可以精準預估產(chǎn)品功能及生產(chǎn)工藝，降低產(chǎn)品開發(fā)及生產(chǎn)制造成本；通過柔性化生產(chǎn)計劃調(diào)度優(yōu)化技術，實現(xiàn)資源綜合利用，提高生產(chǎn)效率；通過自動化運輸鏈跟蹤、格雷母線天車定位、手持終端、重量感應、二維碼識別等智能裝備和技術的應用，實現(xiàn)智能化廠內(nèi)倉儲物流，達到提高倉庫利用率、縮短產(chǎn)品制造周期的目的；通過融合工業(yè)大數(shù)據(jù)的新一代冷軋工藝及過程控制模型，提高產(chǎn)品質(zhì)量、性能的控制精度；通過基于軋輥全生命周期管理的磨輥間智能化提升技術、滿足個性化需求的智能包裝技術，對磨輥間和包裝機組進行智能化升級，提高制造單元的自主性和適應性。

營銷服務方面，通過精準質(zhì)量服務、精準供貨服務、產(chǎn)業(yè)鏈延伸服務三方面的研究，加速硅鋼一冷軋工廠轉(zhuǎn)型升級，真正成為創(chuàng)新驅(qū)動式鋼鐵材料綜合供應商。

質(zhì)量方面，通過基于數(shù)據(jù)挖掘的全流程質(zhì)量智能管控與溯源技術，實現(xiàn)實時質(zhì)量檢測、預警與決策，對工序質(zhì)量缺陷進行快速診斷與調(diào)控；依托數(shù)據(jù)倉庫，使用算法分析模型，甄別不同生產(chǎn)階段質(zhì)量數(shù)據(jù)間的關聯(lián)性，快速準確提供工序改進措施及質(zhì)量設計的改進意見，實現(xiàn)質(zhì)量閉環(huán)管控。

能源、設備、綠色安全方面，通過基于智能化決策的能源協(xié)同管控技術、基于時空數(shù)據(jù)的挖掘技術、基于故障知識庫的故障診斷、污染物泄露智能分析與應急處理決策支持等技術，實現(xiàn)能源、設備、綠色安全的智能化管理，為硅鋼一冷軋工廠的智能化奠定基礎。

2.實施方案

本項目從硅鋼冷軋實際制造過程智能制造需求出發(fā)，依據(jù)產(chǎn)品制造企業(yè)對冷軋硅鋼生產(chǎn)的具體需求，在項目執(zhí)行過程中，首鋼股份公司作為用戶單位負責具體需求提出，首自信公司負責整個項目實施中系統(tǒng)集成以及信息系統(tǒng)實施及部分核心技術研發(fā)，同時負責研發(fā)成果產(chǎn)品化，推向國內(nèi)外市場。在項目執(zhí)行過程中，根據(jù)遇到的問題進行項目開發(fā)內(nèi)容及具體技術路線的優(yōu)化、完善，以“智造”為目標，創(chuàng)造價值為核心，全面提升項目的實用性，形成具有共性的技術與解決方案，最終達到在企業(yè)內(nèi)部和行業(yè)的整體推廣應用。

本項目以北京首鋼股份有限公司為責任單位，聯(lián)合北京首鋼自動化信息技術有限公司、北京科技大學、機械工業(yè)儀器儀表綜合技術經(jīng)濟研究所、冶金自動化研究設計院。四家單位分別負責北京首鋼股份有限公司硅鋼一冷軋智能工廠項目的系統(tǒng)集成、軟件開發(fā)、科研開發(fā)、標準制定、核心裝備制造，組建產(chǎn)學研用的一體化聯(lián)合體，按照市場化原則組建，簽署協(xié)議，明確組織方式，明晰責權利。設立項目總體組和顧問專家組對項目進行綜合管理。各個單位組成專門項目組，實行組長負責制。研發(fā)工作過程中實行定期例會制度、定期匯報制度、重大和關鍵問題顧問組匯報和咨詢制度、周期性的項目研討會，確保各個研發(fā)階段工作的一致性。同時，項目組定期與顧問組召開咨詢會議，指導工作，有助于明確和把握項目實施的總體方向，確保項目研發(fā)工作的順利實施和完成。本項目的開發(fā)與實施，將對培養(yǎng)我國冶金行業(yè)信息化技術研發(fā)、工業(yè)實踐等各個環(huán)節(jié)的專業(yè)技術人才提供全方位支持。

（二）核心優(yōu)勢

1.創(chuàng)新優(yōu)勢

項目以擁有酸軋、連退、精整等多產(chǎn)線的硅鋼一冷軋工廠為載體，應用智能工廠升級的12項技術，直面下游客戶，以客戶需求為導向，通過產(chǎn)品智能設計、工廠柔性化生產(chǎn)、面向客戶價值的精準營銷服務、全流程質(zhì)量管控與溯源、關鍵裝備服役質(zhì)量預警與管控、能源管理智能決策及協(xié)同管控、綠色安全環(huán)境智能監(jiān)控、大數(shù)據(jù)平臺、基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集與集成融合平臺、生產(chǎn)過程和工藝系統(tǒng)功能安全評估等十個方面展開應用，提升硅鋼一冷軋工廠生產(chǎn)的柔性化、穩(wěn)定性、高效性，降低制造成本，節(jié)約能源，提升產(chǎn)品質(zhì)量，打造智能化的硅鋼一冷軋工廠。

2.競爭優(yōu)勢

本項目是在硅鋼一冷軋工廠傳統(tǒng)的數(shù)字化工廠基礎上進行智能化的提升和改造，重在應用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動應用等新技術，探索智能工廠建設的整體解決方案，為智能制造提供持續(xù)推動力。

硅鋼一冷軋廠主要產(chǎn)品為無取向硅鋼，目前覆蓋通用產(chǎn)品、高效產(chǎn)品、退火產(chǎn)品以及中頻薄帶產(chǎn)品等四大類產(chǎn)品，共23個鋼種，87個牌號，廣泛應用在工業(yè)電機、中小型電機、定頻變頻壓縮機等領域。無取向硅鋼年產(chǎn)量突破118萬噸，同類型產(chǎn)品市場占有率達到16.33%，產(chǎn)銷量躋身全國第一，產(chǎn)品綜合性能指標達到國際先進水平。

3.推廣優(yōu)勢

智能制造是一個長期過程，通過項目實施打破原有思維局限，形成的一些鋼鐵行業(yè)智能制造經(jīng)驗和理念，對類似企業(yè)提升智能制造的信心、復制智能制造的技術和方法有較好的示范作用。另外，本項目在實施過程進行的頂層規(guī)劃與設計，并逐步實施的解決方案，保證了各項目之間協(xié)調(diào)與統(tǒng)一，也在行業(yè)內(nèi)許多企業(yè)實施智能制造過程中形成了共識。本項目可通過智能制造整體方案規(guī)劃與設計、智能工廠集成實施、智能制造單項技術實施應用等模式，在鋼鐵冶金企業(yè)進行推廣。聯(lián)合實施單位已結(jié)合本項目實施的經(jīng)驗，為沙鋼、馬鋼、鞍鋼等多家鋼鐵企業(yè)提供了智能制造整體規(guī)劃方案，同時也推動了多項智能制造單項技術在企業(yè)的應用推廣。

三、實施成效

（一）實施效果

本項目主要適用于鋼鐵冶金行業(yè)，要求企業(yè)具備比較完整的基礎自動化系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)，自動化程度高和基礎的數(shù)據(jù)采集功能。實施后解決的重大問題有：

1.制造過程柔性化，解決多品種、小批量多樣化客戶需求情況下，高精度和高效率生產(chǎn)問題；

2.狀態(tài)感知智能化，解決控制層級的縱向互聯(lián)、生產(chǎn)流程的橫向互聯(lián)和控制單元的端到端互聯(lián)問題；

3.裝備/設備智能化，提高關鍵設備過程控制能力，實現(xiàn)產(chǎn)線無人化（少人化）目標；

4.工業(yè)大數(shù)據(jù)應用，解決關鍵設備運行狀況分析和全流程工藝過程分析和優(yōu)化；

5.物理制造過程的虛擬仿真，解決產(chǎn)品研發(fā)周期長和研發(fā)試制成本高的問題；

6.制造執(zhí)行系統(tǒng)的智能化，解決產(chǎn)品全生命周期智能管控的問題；

7.資源管理系統(tǒng)的智能化，解決冷軋長流程、多工序生產(chǎn)過程的智能協(xié)調(diào)問題；

8.客戶服務智能化，解決供應鏈上下游數(shù)字化協(xié)同問題，提高智能化營銷服務水平；

9.生產(chǎn)過程的安全綠色智能化，全面建立能源利用監(jiān)控體系和安防監(jiān)控體系，解決能源利用率偏低和環(huán)境實時監(jiān)控滯后的問題。

（二）經(jīng)濟效益

本項目2015年8月啟動，2018年12月投入使用。通過該新模式項目實施，解決了企業(yè)在實施智能制造項目中硅鋼生產(chǎn)過程大數(shù)據(jù)平臺與運營決策系統(tǒng)構建、面向客戶定制化需求的研產(chǎn)銷一體的協(xié)同制造體系、工業(yè)大數(shù)據(jù)驅(qū)動的硅鋼產(chǎn)品質(zhì)量全流程閉環(huán)管控技術、提升作業(yè)效率的無人化/少人化裝備與智能化單元、硅鋼冷軋過程關鍵設備與輔助系統(tǒng)智能制造能力提升等5項影響智能制造整體目標的關鍵問題，突破形成了12項關鍵技術與短板裝備，其中6項實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。

通過該項目實施，改善了主要技術經(jīng)濟指標：硅鋼一冷軋產(chǎn)品研發(fā)周期縮短30%；運營成本整體降低20%；生產(chǎn)效率整體提高20%；產(chǎn)品不良品率降低20%；能源利用率提高10%。

同時，形成硅鋼一冷軋智能工廠的安全完整性等級確定（SIL定級）報告；形成硅鋼一冷軋智能工廠的安全完整性等級驗證（SIL驗證）報告；制定硅鋼一冷軋智能工廠功能安全評估標準草案。按計劃完成5項專利、6項軟件著作權、1項企業(yè)標準（草案），形成24項自主知識產(chǎn)權的核心技術或產(chǎn)品，并將15項成果推廣應用到其他產(chǎn)品或相關企業(yè)。