鋼鐵冷軋智能工廠解決方案

北京首鋼自動化信息技術(shù)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(fù)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(shè)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(yù)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(yīng)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(dǎo)市場需求策略及領(lǐng)先服務(wù)商策略為目標(biāo)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(lǐng)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(chǔ)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(chǔ)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(shù)和智能裝備的創(chuàng)新應(yīng)用，探索智能工廠建設(shè)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(chǔ)上，對設(shè)備進行升級改造，深入應(yīng)用新技術(shù)，提升智能化程度，顯著改善硅鋼一冷軋工廠的經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)，建成冷軋示范工廠，形成一系列可示范、可復(fù)制、可推廣的智能制造技術(shù)。以工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺為基礎(chǔ)為產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量管理、設(shè)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(shè)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(gòu)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(shù)，支撐智能工廠內(nèi)部端到端的集成。

核心的技術(shù)研發(fā)突破點如下：基于知識庫的產(chǎn)品智能設(shè)計技術(shù)、工藝流程及過程控制數(shù)字化仿真技術(shù)、柔性化生產(chǎn)計劃調(diào)度優(yōu)化技術(shù)、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(shù)、基于數(shù)據(jù)挖掘的全流程質(zhì)量智能管控與溯源技術(shù)、針對裝備服役質(zhì)量的故障診斷技術(shù)、基于智能化決策的能源協(xié)同管控技術(shù)、污染物泄露智能分析與應(yīng)急處理決策支持技術(shù)、支持多源異構(gòu)的時空數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、基于大數(shù)據(jù)平臺的數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用技術(shù)。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(biāo)準(zhǔn)研究。

二、解決方案詳細介紹

（一）技術(shù)和實施方案

1.技術(shù)方案

該項目整體架構(gòu)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(wù)對接。整體架構(gòu)以產(chǎn)品智能設(shè)計、工廠柔性化制造、營銷服務(wù)為核心，以質(zhì)量、能源、設(shè)備、綠色安全為支撐。

在通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)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(shù)，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(yīng)用技術(shù)，集成計算與數(shù)據(jù)分析算法，通過回歸、聚類、分類、關(guān)聯(lián)等大數(shù)據(jù)應(yīng)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(shè)計方面，將涉及的工藝過程相關(guān)知識，產(chǎn)品設(shè)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(gòu)建產(chǎn)品設(shè)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(shè)計技術(shù)，實現(xiàn)精確識別客戶需求的產(chǎn)品智能設(shè)計和主導(dǎo)市場型產(chǎn)品智能設(shè)計，并通過減少人工干預(yù)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(shù)，從產(chǎn)品設(shè)計思想的產(chǎn)生、設(shè)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(zhǔn)預(yù)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(shù)，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(yīng)、二維碼識別等智能裝備和技術(shù)的應(yīng)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(shù)、滿足個性化需求的智能包裝技術(shù)，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(yīng)性。

營銷服務(wù)方面，通過精準(zhǔn)質(zhì)量服務(wù)、精準(zhǔn)供貨服務(wù)、產(chǎn)業(yè)鏈延伸服務(wù)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(yīng)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(shù)，實現(xiàn)實時質(zhì)量檢測、預(yù)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(guān)聯(lián)性，快速準(zhǔn)確提供工序改進措施及質(zhì)量設(shè)計的改進意見，實現(xiàn)質(zhì)量閉環(huán)管控。

能源、設(shè)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(shù)、基于時空數(shù)據(jù)的挖掘技術(shù)、基于故障知識庫的故障診斷、污染物泄露智能分析與應(yīng)急處理決策支持等技術(shù)，實現(xiàn)能源、設(shè)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(chǔ)。

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(zé)具體需求提出，首自信公司負責(zé)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(shù)研發(fā)，同時負責(zé)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(shù)路線的優(yōu)化、完善，以“智造”為目標(biāo)，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(shù)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(yīng)用。

本項目以北京首鋼股份有限公司為責(zé)任單位，聯(lián)合北京首鋼自動化信息技術(shù)有限公司、北京科技大學(xué)、機械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟研究所、冶金自動化研究設(shè)計院。四家單位分別負責(zé)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(biāo)準(zhǔn)制定、核心裝備制造，組建產(chǎn)學(xué)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(zé)權(quán)利。設(shè)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(zé)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(guān)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(dǎo)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(shù)研發(fā)、工業(yè)實踐等各個環(huán)節(jié)的專業(yè)技術(shù)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(yīng)用智能工廠升級的12項技術(shù)，直面下游客戶，以客戶需求為導(dǎo)向，通過產(chǎn)品智能設(shè)計、工廠柔性化生產(chǎn)、面向客戶價值的精準(zhǔn)營銷服務(wù)、全流程質(zhì)量管控與溯源、關(guān)鍵裝備服役質(zhì)量預(yù)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(yīng)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(chǔ)上進行智能化的提升和改造，重在應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動應(yīng)用等新技術(shù)，探索智能工廠建設(shè)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(yīng)用在工業(yè)電機、中小型電機、定頻變頻壓縮機等領(lǐng)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(biāo)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(fù)制智能制造的技術(shù)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(shè)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(shè)計、智能工廠集成實施、智能制造單項技術(shù)實施應(yīng)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(shù)在企業(yè)的應(yīng)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(chǔ)自動化系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)，自動化程度高和基礎(chǔ)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(shè)備智能化，提高關(guān)鍵設(shè)備過程控制能力，實現(xiàn)產(chǎn)線無人化（少人化）目標(biāo)；

4.工業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用，解決關(guān)鍵設(shè)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(wù)智能化，解決供應(yīng)鏈上下游數(shù)字化協(xié)同問題，提高智能化營銷服務(wù)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(gòu)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(shù)、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(guān)鍵設(shè)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(biāo)的關(guān)鍵問題，突破形成了12項關(guān)鍵技術(shù)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(shù)經(jīng)濟指標(biāo)：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(biāo)準(zhǔn)草案。按計劃完成5項專利、6項軟件著作權(quán)、1項企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（草案），形成24項自主知識產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)或產(chǎn)品，并將15項成果推廣應(yīng)用到其他產(chǎn)品或相關(guān)企業(yè)。