工業(yè)爐設(shè)備數(shù)字化改造和信息化應(yīng)用

張 軍

（西馬克集團(tuán) 阿瑞斯工業(yè)爐有限公司，天津 300392）

當(dāng)前我國(guó)制造業(yè)規(guī)模龐大、體系完備，但大而不強(qiáng)問(wèn)題突出，對(duì)于鋼鐵和有色行業(yè)，信息化程度不高，自主創(chuàng)新能力不強(qiáng)，生產(chǎn)管理效率較低，無(wú)法適應(yīng)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。

目前很多企業(yè)加大了這方面的投入，使用了ERP系統(tǒng)、MES系統(tǒng)等，但是這些系統(tǒng)主要關(guān)注于公司層面的企業(yè)管理方法，制定生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)調(diào)度等，這些系統(tǒng)開(kāi)發(fā)費(fèi)用很高，但都沒(méi)有對(duì)單一的工業(yè)爐設(shè)備進(jìn)行深入的數(shù)據(jù)挖掘和管控。圖1是正在運(yùn)行的工業(yè)爐設(shè)備。

圖1 工業(yè)爐設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)圖

工業(yè)爐設(shè)備的特點(diǎn)是高溫，高耗能，在高溫工況下，我們無(wú)法開(kāi)出一個(gè)窗口，讓我們看到爐內(nèi)到底發(fā) 生了什么，它就像是一個(gè)封閉的黑箱子，我們只知道在入口端投入了原料、能源等生產(chǎn)資料，在出口端得到產(chǎn)品，然而我們無(wú)法了解爐內(nèi)到底發(fā)生了什么，生產(chǎn)是怎么進(jìn)行的，怎么安排生產(chǎn)才是最優(yōu)的，怎么才能做到節(jié)能減排，怎么在生產(chǎn)中掌控它的質(zhì)量，怎么讓工業(yè)爐健康生產(chǎn)。

在此情況下，生產(chǎn)管理者無(wú)法洞悉生產(chǎn)過(guò)程，也就無(wú)法對(duì)生產(chǎn)過(guò)程采取正確的措施和決策，造成設(shè)備生產(chǎn)效率低，能效管理粗放、生產(chǎn)過(guò)程黑箱化、燃燒狀態(tài)不透明、維護(hù)低效化、安全隱患高，產(chǎn)品質(zhì)量上不去，成本上升，利潤(rùn)率降低。

信息世界與物理世界的深度融合是未來(lái)世界發(fā)展的總趨勢(shì)，隨著我國(guó)“十四五”計(jì)劃的實(shí)施，按照《“十四五”信息化和工業(yè)化深度融合發(fā)展規(guī)劃》要求：我們要促進(jìn)信息化和工業(yè)化深層次的融合，以信息化帶動(dòng)工業(yè)化，走新型工業(yè)化道路，以達(dá)到可持續(xù)發(fā)展模式。在我國(guó)制造業(yè)低成本優(yōu)勢(shì)逐步減弱的背景下，必須著力提高產(chǎn)品品質(zhì)和生產(chǎn)管理效率，重塑競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

全面加速企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，建設(shè)數(shù)字工廠，智能工廠，讓信息技術(shù)在生產(chǎn)制造、經(jīng)營(yíng)管理、運(yùn)維服務(wù)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)發(fā)揮廣泛作用，從而推動(dòng)制造業(yè)企業(yè)形態(tài)、生產(chǎn)方式、業(yè)務(wù)模式等發(fā)生根本性變革。

為了適應(yīng)工業(yè)企業(yè)的數(shù)字化，信息化和智能化的建設(shè)需求，對(duì)于鋼鐵和有色行業(yè)內(nèi)部設(shè)備管理方面存在的問(wèn)題，能源消耗大的問(wèn)題，設(shè)備利用率低的問(wèn)題，設(shè)備工藝設(shè)定和工藝轉(zhuǎn)換等問(wèn)題，我們從信息化管理的角度，采用大數(shù)據(jù)建模和分析的方法，試圖去幫助企業(yè)更好地解決這些問(wèn)題，以達(dá)到更好地利用設(shè)備，提高工作效率和生產(chǎn)效率，向信息化要效益，向管理要效益。

1 工業(yè)爐設(shè)備如何實(shí)現(xiàn)信息化管理

1.1 數(shù)字化轉(zhuǎn)型

要想實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的信息化管理，首先要實(shí)現(xiàn)設(shè)備信息的數(shù)字化。數(shù)字化是信息化管理的基礎(chǔ)，沒(méi)有數(shù)字，信息化就是“無(wú)米之炊”，所以首先要做的是工業(yè)爐設(shè)備信息的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。讓數(shù)據(jù)可視化，讓數(shù)據(jù)透明化。

首先要掌握設(shè)備的第一手信息，要獲得設(shè)備的實(shí)時(shí)的、精準(zhǔn)的和詳盡的信息，如運(yùn)行信息、工況信息、生產(chǎn)信息等，當(dāng)這些多元數(shù)據(jù)不斷地被采集上來(lái)以后，數(shù)據(jù)量逐漸積累和增大，就為信息化管理提供了基礎(chǔ)和先決條件。其次對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘與歸集，從而生成工業(yè)爐大數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)之上，對(duì)這些大數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析和預(yù)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的信息化管理。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)

為了能夠?qū)崟r(shí)感知工業(yè)爐設(shè)備在運(yùn)行狀態(tài)下的各種信息，需要建立起物聯(lián)網(wǎng)，也就是把設(shè)備這個(gè)物體作為網(wǎng)絡(luò)的一部分，鏈接到網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中；然后在設(shè)備上安裝多個(gè)信息采集點(diǎn)，這些采集點(diǎn)通過(guò)工業(yè)線(xiàn)纜與PLC控制單元相連，PLC再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和中心交換機(jī)與數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器相連，這些信息采集點(diǎn)就像神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一樣，把感知到的信息實(shí)時(shí)地傳送到中樞控制單元（PLC）上，這些信息按照大數(shù)據(jù)建設(shè)的規(guī)則進(jìn)行歸集，然后存放到數(shù)據(jù)庫(kù)中，供信息化管理系統(tǒng)調(diào)用。圖2為信息化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)布置圖。

圖2 信息化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)布置圖

2 信息化管理系統(tǒng)的特點(diǎn)與功能

信息化的目的是使管理更加簡(jiǎn)便化、可視化，信息化管理系統(tǒng)要更加具備場(chǎng)景化的智能管理能力，來(lái)幫助生產(chǎn)管理者從海量數(shù)據(jù)中快速定位問(wèn)題所在，洞悉數(shù)據(jù)的規(guī)律，提高數(shù)據(jù)分析效率，更好地輔助決策。

阿瑞斯公司基于在工業(yè)爐設(shè)備制造領(lǐng)域的長(zhǎng)期實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)，不斷提高設(shè)計(jì)水平和制造技術(shù)，在五年前提出了對(duì)工業(yè)爐設(shè)備信息化管理的設(shè)想，繼而開(kāi)發(fā)出了生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)FDAS V1.05產(chǎn)品，該產(chǎn)品集生產(chǎn)、能效、質(zhì)量、設(shè)備、績(jī)效、工藝、綜合分析等模塊，利用FDAS+工業(yè)算法和數(shù)據(jù)模型，為鋼鐵和有色行業(yè)提供了信息化管理工具，使企業(yè)對(duì)工業(yè)爐設(shè)備管理更加透明、直觀、智能。

2.1 FDAS系統(tǒng)的特點(diǎn)

（1）實(shí)時(shí)性：實(shí)時(shí)感知設(shè)備生產(chǎn)狀況、工況信息以及發(fā)生的任何事件；

（2）數(shù)據(jù)精確：系統(tǒng)中的所有數(shù)據(jù)均來(lái)自于設(shè)備，數(shù)據(jù)非常精確，依此得到的統(tǒng)計(jì)和分析數(shù)據(jù)也是精確的；

（3）可視化程度高：系統(tǒng)經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)，提供圖形化界面，結(jié)果一目了然；

（4）上傳下達(dá)：通過(guò)該系統(tǒng)可以把工業(yè)爐設(shè)備運(yùn)行中的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳給三級(jí)系統(tǒng)，也可以把三級(jí)系統(tǒng)下發(fā)的指令傳給一級(jí)執(zhí)行，它就是信息交互的樞紐；

（5）通用性和個(gè)性化相結(jié)合：在保留系統(tǒng)主要功能模塊的基礎(chǔ)上，可以根據(jù)客戶(hù)的要求進(jìn)行個(gè)性化開(kāi)發(fā)，模塊、頁(yè)面、報(bào)表均可擴(kuò)展。

2.2 FDAS系統(tǒng)的功能

FDAS系統(tǒng)主要有設(shè)備的綜合分析、實(shí)時(shí)的生產(chǎn)監(jiān)控、能效管理、生產(chǎn)數(shù)據(jù)的詳細(xì)匯總、設(shè)備有效作業(yè)率的分析、產(chǎn)品的質(zhì)量跟蹤、設(shè)備健康管理及生產(chǎn)工藝的管理等幾大功能模塊。系統(tǒng)的功能模塊界面如圖3所示。

圖3 生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)FDAS功能模塊界面圖

（1）設(shè)備的綜合分析

生產(chǎn)管理者最關(guān)心的就是設(shè)備的整體運(yùn)行情況、生產(chǎn)計(jì)劃完成情況、產(chǎn)品質(zhì)量、能源消耗、節(jié)能措施、設(shè)備利用情況及設(shè)備是否會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，針對(duì)這些問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了綜合分析功能模塊，以可視化的方式讓管理者全面掌握設(shè)備的有效信息，并根據(jù)提示信息發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行中存在的問(wèn)題，為管理者采取有效措施提供決策依據(jù)。綜合分析界面如圖4所示。

圖4 設(shè)備的綜合分析界面圖

（2）實(shí)時(shí)的生產(chǎn)監(jiān)控

該功能模塊可以實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)狀態(tài)，了解設(shè)備的動(dòng)態(tài)信息，確保生產(chǎn)正常運(yùn)行。實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)顯示爐內(nèi)的坯料運(yùn)行情況，實(shí)時(shí)顯示爐內(nèi)各區(qū)的溫度；實(shí)時(shí)顯示各種流量計(jì)的值和總值；實(shí)時(shí)顯示正在發(fā)生的報(bào)警和提醒。通過(guò)該功能模塊，一目了然發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)當(dāng)中存在的問(wèn)題，直觀生動(dòng)。

（3）能效管理

由于工業(yè)爐設(shè)備能源消耗大，很多企業(yè)還是粗放式生產(chǎn)方式，那么如何及時(shí)掌握設(shè)備的能源消耗信息呢？針對(duì)此問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)了能效管理模塊，用來(lái)更加精準(zhǔn)、詳細(xì)的能源統(tǒng)計(jì)和分析，實(shí)時(shí)掌握能源消耗情況，通過(guò)對(duì)比和分析，讓管理者找到減少能源消耗的關(guān)鍵問(wèn)題所在，從而采取有效措施。

（4）生產(chǎn)數(shù)據(jù)的詳細(xì)匯總

現(xiàn)在很多企業(yè)的生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)還停留在人工計(jì)算上，耗時(shí)費(fèi)力的同時(shí)還不夠準(zhǔn)確，也易出現(xiàn)計(jì)算失誤，我們?cè)O(shè)計(jì)了生產(chǎn)匯總模塊，就是要達(dá)到更加精確的統(tǒng)計(jì)生產(chǎn)情況的目的，讓管理者實(shí)時(shí)掌握生產(chǎn)情況，同時(shí)還可以輕松實(shí)現(xiàn)班組績(jī)效考核。

（5）設(shè)備有效作業(yè)率的分析

設(shè)備有效作業(yè)率是單位時(shí)間段內(nèi)設(shè)備正常生產(chǎn)產(chǎn)品的時(shí)間與單位時(shí)間的比率，空載率就是設(shè)備正常運(yùn)行，但是沒(méi)有進(jìn)行任何有效生產(chǎn)的時(shí)間與單位時(shí)間的比率。

工業(yè)爐設(shè)備能耗大，生產(chǎn)產(chǎn)量不穩(wěn)定，往往與設(shè)備的有效作業(yè)率和空載率有關(guān)，設(shè)計(jì)這個(gè)功能模塊就是對(duì)設(shè)備的有效作業(yè)率和空載率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、對(duì)比和分析，從而找出設(shè)備空載率高的原因，進(jìn)而采取相應(yīng)的措施。

（6）產(chǎn)品的質(zhì)量跟蹤

很多企業(yè)出現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題，往往找不出原因所在。質(zhì)量跟蹤模塊可以打印出任何一批產(chǎn)品出爐的質(zhì)量跟蹤報(bào)告并存檔，從而幫助企業(yè)建立起完善的質(zhì)量跟蹤體系，便于質(zhì)量回溯。

（7）設(shè)備健康管理

工業(yè)爐設(shè)備由于設(shè)備的高溫特點(diǎn)加之不間斷連續(xù)運(yùn)行，出現(xiàn)部件故障的概率較高，應(yīng)及時(shí)掌握故障情況，找出故障位置及原因，及時(shí)維修從而保障設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)。這個(gè)功能模塊就是用來(lái)及時(shí)掌握設(shè)備的報(bào)警、維護(hù)等信息，分析報(bào)警原因，感知設(shè)備健康情況，預(yù)測(cè)性設(shè)備維護(hù)，有效減少設(shè)備停產(chǎn)時(shí)間。

（8）生產(chǎn)工藝的管理

這個(gè)功能模塊主要是為企業(yè)提供各種生產(chǎn)工藝集，針對(duì)不同的鋼種和不同的工藝，給出該工藝的速度信息，各區(qū)溫度信息，該功能極大地方便了工藝設(shè)計(jì)人員，為提高企業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量發(fā)揮出重要的作用。

各個(gè)功能模塊界面如圖5所示。

圖5 FDAS各功能模塊界面圖

3 工業(yè)爐信息化為企業(yè)帶來(lái)效益

我們通過(guò)對(duì)工業(yè)爐設(shè)備實(shí)現(xiàn)信息化管理，及時(shí)準(zhǔn)確地了解生產(chǎn)情況、能耗情況和設(shè)備運(yùn)行情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的問(wèn)題，合理安排生產(chǎn)計(jì)劃，有效降低工藝轉(zhuǎn)換時(shí)間，減少人為造成的空爐現(xiàn)象，及時(shí)維護(hù)設(shè)備部件，提高生產(chǎn)效率和收益。

在國(guó)家十三五重點(diǎn)項(xiàng)目“典型高耗能工業(yè)設(shè)備節(jié)能NQI技術(shù)集成及應(yīng)用示范”的研究中，F(xiàn)DAS系統(tǒng)對(duì)研究設(shè)備的能源消耗提供了準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)和分析數(shù)據(jù)，為研究搭建了數(shù)據(jù)平臺(tái)，該項(xiàng)目已經(jīng)順利通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收。

同時(shí)FDAS系統(tǒng)已經(jīng)在馬鞍山鋼鐵公司、石家莊鋼鐵公司和濟(jì)源鋼鐵公司安裝使用，并得到了這些公司的好評(píng)。在2019年該系統(tǒng)還獲得了由國(guó)家版權(quán)局頒發(fā)的計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)證書(shū)。

4 結(jié)語(yǔ)

為了實(shí)現(xiàn)工業(yè)企業(yè)信息化的目標(biāo)，我們從單一生產(chǎn)設(shè)備出發(fā)，實(shí)時(shí)感知設(shè)備的工況數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)等信息。通過(guò)這些工業(yè)爐大數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行詳盡的統(tǒng)計(jì)和分析，從而提高設(shè)備的有效作業(yè)率和生產(chǎn)效率，讓數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)業(yè)務(wù)增長(zhǎng)，未來(lái)我們將更加深入地挖掘數(shù)據(jù)潛力，讓信息更好地服務(wù)于企業(yè)。