钢铁企业智能制造实施方案

韩俊峰，区兴华，杨文峰

(中国重型机械研究院股份公司,陕西 西安 710032)

0 前言

当前,随着“中国制造2025”上升为国家发展战略,我国制造业正经历着由大向强、由分散向聚集的深刻转变。而智能制造作为中国制造2025战略的主攻方向，数字化、网络化、物联网、智能化等基础设施的发展，已为其提供了技术和环境支撑。对我国制造业迎来不可避免的制造模式转型，智能制造关键在智，这就要求制造企业、制造工序、生产线、生产设备等不仅仅是高精度、高质量、高效率执行终端，更要求这些单元本身是具有信息感知、自我分析优化、决策、信息交互的智能单元，是信息技术、智能技术与装备制造技术的深度融合。

智能制造本身是一个复杂的系统，没有标准的实施路径，在制造业企业实施中，是一个混合探索，持续优化的过程。目前典型的ERP-MES-PCS三层架构在企业智能化改造中提供了一个总体规划、分层实施的参考模式，也解决了信息化过程中互联互通、管理控制一体化的问题，但其分层实施，环节较多，对制造企业实施起来，难度较大且周期较长。

智造单元的实施，正是根据制造企业智能制造的实施对象而提出，作为智能制造的企业落地方案，它是一个最小的数字化智能化单元，企业可以根据实际情况将功能相近的设备进行组合划分成各个智造单元，在局部实现智能制造，各智造单元进行组装，拓展到车间、分厂、企业，最终实现企业的智能制造。

冶金装备制造业是我国制造业中的最重要的基础行业，其智能化实施起步较早，各项应用技术一直紧跟国际领先水平。以下主要以钢铁企业炼钢厂一个精炼工序作为的实施对象，探讨智造单元的实施，以期探索出一个先局部智能，再扩展企业智能的智能制造落地路线图。

1 精炼智造单元机理

精炼炉智造单元SMU(Smart Made Unit)是以炼钢厂精炼工序为智能制造研究实施对象，立足于解决现场设备的智能化提升,建立具有完善的生产管理、设备感知、智能决策与实时控制的智造单元平台。该平台采用模块化设计理念，实现精炼工序多功能模块的集成，可链接企业ERP及相关管理模块。每台单体设备是一个小的智能单元，将全厂的单机智能单元连接起来构建全厂智能化系统，将所有工厂智能化系统连接起来可构建企业级智能化系统，如图1所示。

图1 智造单元实施体系

精炼炉智造单元实现企业职能部门(如安全、消防、生产、设备、物流、仓储、成本核算、环保、动力、人力等)的动态敏捷管理与实施监控和调度，可通过智能化系统的公开接口连接到任意一台单机智能化单元，读取相关数据和下达相关指令，达到优化和提升各职能部门所对应的业务管理水平，实现数字工厂所需要的设备自动化、智能化控制，管理信息化、人员高效化，提高企业生产和管理水平，降低企业成本。

智造单元的实施路线是将精炼炉工序的软硬件一体化，围绕设备执行的要素及约束，从管理、资源和执行三个维度进行智能化功能实施，系统的设计模型如图2所示。

图2 精炼智造单元设计模型

精炼炉智造单元的实施，立足于建立一套标准化的智能炼钢单元管控系统。实现以生产计划为主线，从生产计划集成、调度、预警，计划执行过程的自动识别，智能控制，生产结果的智能预报，将生产全过程所涉及的所有因素以资源体为定义对象(设备、计划、人员、物料等)进行全要素跟踪管理、做到计划实绩智能判定预警，持续优化。智能化系统向外提供标准化的服务接口，可与企业ERP系统、前后工序智造单元及各管理系统进行信息集成。

2 精炼智造单元结构

2.1 功能体系

本系统以实现“一键炼钢”为目标，结合精炼炉本身工艺流程特点，深入分析每一个工艺步骤和工艺过程，并对工艺步骤界面进行技术参数描述，将人工经验及判定规则等知识进行可识别化描述，实现智能化系统建设内容。在分析了现场设备智能化、设备信息化、管理智能化的目标后，主要实现智能工序的生产计划管理，生产进度监控，过程控制管理，设备管理，成本管理，能源管理，质量管理，人员管理，环境管理等。功能模块结构如图3所示。

2.2 系统实施架构

作为一个功能完备的基本智能化实施单元，精炼炉智造单元在实现功能体系所要求的各模块的基础上，结合目前软件工程的发展，考虑将系统建设成为对外接口标准可自定义、对内各功能之间松耦合的应用系统，实施架构如图4所示。

图3 功能结构图

图4 智造单元实施架构

2.3 通讯架构

精炼炉智能化系统配置有数据库服务器、应用服务器、操作客户端、工程师客户端等，考虑到系统响应的稳定性，采用C/S结构。系统网络使用千兆以太网为主干，内部使用以太网链接；与ERP系统和自动化系统之间的链接通过光通讯以减少通讯干扰窜入。系统与MES系统使用当前成熟的通讯方式，提供数据库接口表/WCF服务/WebService/电文定制等方式进行通讯，保证通讯的稳定性,提供以XML、JSION格式的高效自定义数据交互格式与外部系统之间的数据交互，系统通讯架构如图5所示。

图5 智造单元通讯架构

3 功能实施

精炼炉智能单元是一套单体工序全信息集成综合分析的智能化系统，涵盖了精炼智造工序的所有资源的管理与控制，是一个实时过程智能控制与管理系统，是企业管控一体化体系实现的重要环节，是实施设备智能化生产的主要平台。从体系结构上看，系统以MES为核心接收生产计划，并把精炼工序的运转信号及生产数据发送给管理系统，从化验室获得钢水成分分析结果，从上道工序获得钢水基本信息使用智能优化模型进行控制工艺优化。同时进行生产过程管理数据的监视和参数设定。存储工艺过程数据及生产实绩数据，为工艺模型计算提供输入参数，做到准确预报，对生产过程中的设备、人员、质量、能源、成本、安全等生产要素进行实时跟踪与监控，实现精炼炉智能化准确精细的过程控制目标，同时实现与其他智造单元和前后工序的信息智能交互。

3.1 生产计划管理

在分层管理的模式下，根据管理系统下达的日生产订单数据、连铸浇次、炉次生产计划，按质量生产标准和相关生产设备状况确定具体的生产工艺路线。厂级系统制订出钢计划，完成前工序的生产计划后通知、并下达到精炼炉智造单元。制造命令和出钢计划的制订将可在本单元内实现。生产计划的内容包括：计划到达时间、炉次号、钢种、计划开始时刻和计划结束时刻、计划生产时间、上工序号、下工序号、工艺路径、计划种类、计划员等信息。

如果管理系统因故无法下发生产计划时，为了不影响精炼炉的正常作业，可由指定操作人员在精炉系统的炼钢计划画面中进行生产计划的排定，系统将自动在操作中标注该生产计划的来源及录入者。接受生产计划后，系统自动校验该生产计划格式及内容是否合法，若不合法则认为计划无效并报警。对有效的生产计划进行整理，生成/修正数据库中的各个炉次的生产计划信息。生产中每一炉次的生产计划有效期从计划排定(接受)到处理结束(或该计划取消)。生产计划有关键字，依靠关键字进行数据的检索，生产计划有三种处理规则，即新规、消除和变更，生产处理流程如图6所示。

图6 生产计划管理流程

3.2 生产计划监控

对当前库存的生产计划进行实时监控、调度处理，对计划的实时性要求进行判定给出预警及发布。提供根据实际自动或手动调度计划处理信息。可根据计划的到站温度、成分计算出站时间，并能给出不能满足下道工序要求时间的预警，调整措施建议报警。可根据下工序(连铸机)要求到站时间、精炼工序标准处理时间计算应到时间，不能满足时给出预警。对当前在线炉次，根据生产过程模型，自动调度处理过程步骤，协调统一调度各冶金工艺模型，过程跟踪模型、实际收集处理、和各专家子系统，控制L1过程控制系统执行相应的控制步骤的实现。可实时监控预警各库存计划的符合性，根据进度要求预警计划的正确率。对计划的执行结果进行汇总分析，给出执行结果判断，时间的满足性，质量的合格率，成本控制的符合率，能源消耗和设备使用情况，环保设备的运行状态等，形成完备的炉次执行实绩，计划调度流程如图7所示。

图7 计划调度流程

3.3 过程控制管理

精炼炉的核心管理控制模块，完成精炼工序生产的过程实时处理系统，与PLC控制系统及各控制子系统实时通讯，按照工艺标准实时控制各子系统协同运行，完成生产过程处理。主要跟踪生产过程事件信息、过程计算、加料实绩、测温实绩和成份实绩信息。系统在收到各种状态变化信息后要进行相应的处理，如：数据初始化、设备使用次数累计、初始值设定和实际值计算累计等。所收集的实绩数据经处理后送往MES系统，功能结构如图8所示。

图8 过程控制系统功能图

3.4 设备管理

设备管理把设备按类型进行分类，如机械设备、电气设备等；每个单独的设备都具有详细的信息，包括，生产厂家、尺寸、投入时间点、检修周期、在线使用时间、维修时间及次数、维修原因、报废时间点等。设备管理模块会根据以上信息及该设备上发生的故障事件进行分析，提供给用户维修和更换的建议；当故障发生时，会给用户建议检查方向。同时提供设备状态管理界面，维护设备状态信息。

设备管理主要包含：对精炼区域的在线/离线设备进行类别划分，根据重要程度，易耗程度分级别划分设备种类；设备基础信息管理，对设备的规格、尺寸、厂家、投用状态、使用年限(周期)、巡检周期等信息进行录入，可提供外部接口，从外部设备系统登录数据；根据过程控制系统的执行信息，自动更新各设备的使用次数，使用时间，实时统计各设备的使用负荷。利用可工作流引擎实现设备定期检查过程，可根据设备的保养检修要求，自动或人工制定检修计划，在检修周期到达前可自动提示；可与设备巡检系统进行集成，自动记录巡检结果，预防巡检拖期或检查不规范造成的故障漏检；记录每次设备的故障发生时间、原因、修复手段、改进措施，形成知识库，以便预防设备故障的重现。

3.5 质量管理

本文主要对精炼炉的产品质量、原材料质量及生产过程中的介质质量等进行综合管理。对各钢种的出钢标准进行管理，可接收质量管理或工艺管理部门的标准要求，作为生产控制的目标进行过程控制。主要有：钢种元素成分目标控制范围，主要控制成分，出钢温度，出钢周期等；对工序使用的各种合金成分，来料成分(可从采购配料系统登录数据)进行管理，用于准确控制各种原料的使用标准使用率；对生产过程的钢水采样、钢渣采样经分析后，数据进入质量系统，对生产过程进行指导(模型优化及控制)；对处理完成的炉次质量信息进行综合判定，从处理周期、控制目标合格率(成分、温度等)进行综合判定炉次处理质量结果。

3.6 能源管理

本文建立能源台账，对精炼工序使用的各种能源介质进行综合管理。对精炼工序所使用的能源介质进行定义，包括：名称、代码、使用点、统计来源等基本信息，能源介质主要包括水、电、气(氩气、氮气等)；通过能源采集系统自动采集各能源介质的使用量，使用时间等信息，对于不能够自动采集的消耗量可通过采集系统人工录入使用信息；根据生产数据综合能源使用量，分析统计能源的使用率，包括单位出钢量能源耗量、班组消耗量，日消耗量等。有利于进行各种维度的消耗对比分析；对能源耗量和分析结果，系统提供数据接口可对外部系统发布数据，可以标准格式导出文件TXT、XML等。

3.7 成本管理

成本管理模块主要对精炼炉生产过程中的各种直接成本(物料、能源)进行收集分析，与成本管理部门的成本标准进行实时比对统计分析。接受成本控制部门或工序拟定的成本控制标准，如吨钢电耗、合金耗量、氩气耗量等作为炉次核算基准；接收过程控制模块对生产过程中的成本发生项数据进行分类存储统计；根据给定条件(炉次、班次、月)统计成本变化，分析成本异常(超限/优质)的炉次数据，结合炉次跟踪(处理过程步骤)分析节省成本的工艺方法。根据设定的时机，系统可将成本统计信息(当期或指定条件)通过接口发布到外部系统等。

3.8 人员管理

人员管理模块主要对精炼工序的人员信息、生产业绩、工况统计等进行管理。可接收人事部门的数据信息，在系统建立每个人员的工号及相关基本信息(名称、职称、职务等)。可与车间门禁打卡系统集成，记录每个人员的班次打卡信息，有效考核工时。可以与人员定位系统集成，对进入危险区域的人员实时监控，预警提示。与过程统计模块集成，可统计人员的生产量、成本控制水平、质量控制水平，准确评价人员生产业绩。掌握员工的工作效率，增强对员工的管理。

3.9 环境管理

本模块主要针对精炼工序的环保设备，主要监控区域的环境标准数据，实时监测数据以进行动态综合管理。

对精炼工序划分区域，制定各区域的环境监测数据标准，如温度、湿度、粉尘浓度、有害气体量等的国标及企业控制标准。主要对精炼的环保设备(除尘等净化设备)、各区域的环境数据检测设备(温湿度检测、粉尘检测、有害气体)，将环境设备的实时运行数据采集到环境管理系统存储分析，根据检测数据实时预警和制定控制措施。根据环境数据的异常变化，结合生产过程的控制步骤，统计分析引起异常的操作因素、设备因素等。对高压室、变压器室、液压站引入温度监控，在监控终端上以独立界面显示、报警，提供语音报警支持，方便操作人员了解设备运行参数和状态。

3.10 系统功能

提供支持智能化系统的基础支持功能，主要包括：对不同操作级别人员分配不同功能操作权限，只能操作权限范围内的功能；对不同角色人员赋予不同的关注点和操作界面；记录系统的操作日志；基础数据管理是控制系统内部生产标准数据的存储功能，主要对精炼炉生产所需的基本标准信息进行处理。所有与处理过程相关的数据都存储在系统中，以便能够以最佳方式存取数据；数据备份与恢复：对历史生产数据可异地备份，保障数据安全。在需要时可恢复历史数据进行数据分析。

4 系统特点

智能化系统建立在智能传感器、智能执行机构和专家系统等基础上的精炼过程智能生产管控系统，是“智能制造2025”和“互联网+”在炼钢厂精炼区域的具体实践，具有智能化、模块化、实时性、工艺性强等技术特点，将精炼炉生产区域内的物质流、信息流、能量流互联互通，实现三网一体化，推动精炼炉智能化单元落地实施。

本智能单元具有以下特点：

(1)具有标准化自描述的交互接口(互联)功能的标准化智造工序。

(2)具有独立功能的精炼工序为处理对象，以功能标准化、接口标准化、对象自描述基础，设计开发的智造单元具有独立可实施，单元可组装，系统可装配的特点，使精炼智造工序成为企业智能化的基本实施单元，并具有示范推广价值。

(3)保证生产与计划的一致性：通过智能管理系统的实施，工序生产信息汇报，可以及时获悉生产过程的进度信息，从而了解进度与计划的偏离程度，方便及时采取纠正偏差的行动，保证出钢准确性。

(4)降低成本，最优化生产过程：根据实际生产情况，实现资源优化配置，提高资源利用率，挖掘设备/工艺/操作潜能，保证成本优化，最大提升生产效率。

5 结束语

本系统将“人机网”一体化、“人机物”与“信息流、物流”等智造单元紧密地融合在一起。将工序所有信息进行统一集成、统一进出口，解决了传统的“智能制造”实施中功能分层、分系统带来的信息碎片化。把人的因素和管理考虑进来。为降低制造成本、提升运营效率、提高生产质量、减少人员劳动强度，在一定技术条件下实现少人操作，并最终努力实现无人操作。将人员从单调、程序化的工作中解放出来，把精力集中在创新和增值业务上，从而提升制造的智能化。系统的实施路线为智能制造在制造企业的落地实施提供了有益的探索。