近年钢铁主业智能制造发展综述(下篇)

林安川 杜顺林 向艳霞 朱永华 赵红全 邝昌云 王 萍

(昆钢技术中心)

1 概 述

智能制造是以网络互联为支撑、制造关键环节智能化为基础特征，显著提升生产效率、产品质量，降低企业营运成本的新型生产方式。钢铁生产流程具有工艺系统复杂、物料消耗量庞大及数据关联性大的特点。基于信息化技术，构建与建设适合钢铁企业生产经营、企业发展需求的包括计划、生产、调度、质量、检测、能源、设备、物流等在内的信息化综合管理体系是提升钢铁企业竞争力、实现可持续发展力的根本途径。以达到工艺工序结构优化，生产效率、产品质量和价值提升，有效利用能源资源，提升管控能力和水平为目标，最终实现钢铁生产全流程“工艺上物流最佳，装备上信息化、智能化程度最高，成本最低”。

钢铁业是我国国民经济的重要基础产业，钢铁智能制造体系的的构建与建设是一个复杂、系统的工程，从钢铁智能制造体系构建出发，应包括：建设覆盖ERP、MES、APS、EMS系统及生产调度、仓储物流管理等全流程的信息化综合智能管理体系，实现订单、计划、生产、仓储物流、服务等全过程的实时跟踪、动态闭环控制和智慧管理；建立能源管控系统，实现能源管理从经验型到分析型调度职能的转变；建设完善工厂通信网络架构和全流程质量数字化闭环管控系统，实现工艺流程中从原料、半成品到成品全过程的质量检测数据的实时采集、分析、处理及应用；建设覆盖全流程的自动化系统和关键工序生产工艺在线数学模型、专家系统的应用及控制优化；在精度高、重复性高的岗位，使用机器人实现高效无人化操作。最终达到生产模拟化分析决策、过程量化管理、成本和质量动态跟踪以及从原料到产成品的一体化协同优化。实现钢铁企业过程控制、产品质量、生产效率及安全生产大幅度提升的目标。本文主要综述内容为覆盖ERP、MES、APS、EMS系统等信息化综合管理体系及全流程质量管控体系、工业机器人等相关智能智能制造技术建设和发展概况。

2 信息化综合管理体系建设及应用

2.1 MES、ERP系统建设发展概况

信息化的建设与应用有效改善企业生产过程、管理模式和经营成效，已成为现代制造企业提高竞争力、实现高质量发展的必由之路。孙雪娇［1］认为，完整的企业信息化管理系统架构应分为设备控制、过程控制、生产制造执行系统(MES)、企业资源计划系统(ERP)和企业间管理系统及决策系统等5个层次，五层系统之间相互集成、相互协调。

企业资源计划(ERP)是一种现代企业管理理念和方法，一直是钢铁业管理信息化的热点之一。作为一种信息综合管理信息系统，其功能模块包括生产控制、物流、采购和财务管理等部分；具有多关键应用、业务流程化、多数据相关等特点［2］，主要功能为：利用互联网开展企业全面制造成本系统化管理，将供应商的资源、企业内部的经营活动、客户需求等上游原料-内部生产经营-下游客户的各个方面信息与计划融合，为企业最大限度降低营运成本、管理决策提供最优决策的管理平台。并进一步实现对企业供应链的全面规划、控制和管理。即，以精益生产方式改变传统生产管理方式；具有产业链全面管理、战略决策功能，全面推进企业向数字化和智能化方向发展，从而实现企业高效率管理、服务水平的综合提升和战略发展［3］。

企业信息化管理体系的层次通常划分为基础自动化层、生产控制层、生产执行层、企业计划及管理决策层等4层体系结构。4个层级之间信息通过上下传递的相互紧密联系将形成闭环。如，下达流程：管理级的计划信息→车间级→具体生产过程→具体的生产；上传流程则与上述过程相反。显然，生产执行层(车间级)成为过程级与管理级信息纽带，起到承上启下、前后贯穿的作用。因此，在制造企业中，有必要加强生产过程执行系统MES(Manufacturing Execution System)的建设和实施，实现生产与计划之间的有效融合［4］。

国际制造执行系统协会对MES的定义是：通过信息的传递，对从订单下达开始到产品完成的整个产品生产过程进行优化的管理，对工厂发生的实时事件及时做出相应的反应、报告、指导和处理［5］。MES为上一级企业计划与管理系统提供所需的各类生产运行信息，向下层过程控制系统发布生产计划指令，实现生产过程不同区域信息共享的一体化管理，基本要求为：实现生产制造流程全过程的生产、质量、物流、计划和调度优化；在线收集各层级、区域生产、设备及成本核算数据，按要求进行动态跟踪，实现的信息的双向传递与集成。

随着国内钢铁企业信息化建设的不断深入，MES近年得到飞速发展。国内典型MES的应用架构由MMS(制造管理系统)和PES(生产执行系统)组成，其中，MMS主要实现包括炼钢、热轧、冷轧的订单、质量、生产合同、作业计划管理等工厂全流程的质量、生产和物流等的管理功能以及计划排程；一般整个企业或生产区域设置一个MMS；PES负责执行覆盖工厂各制造单元MMS层面下发的包括各个工序工艺的质检、作业命令、工器具、生产实绩管理等生产计划和质量要求，并进行通信以及现场执行、调整和控制，一般一个或多个制造单元/工序设置一个PES［5］。我国宝信软件的MES解决方案主要包括：订单、生产、质量、计划、备件设备、仓储、物料跟踪、实绩管理等功能模块，广泛应用于宝钢、马钢、涟钢、邯钢、包钢、梅山钢铁等［6］企业，达到提高生产效率和产品质量、降低消耗目标。为进一步提高质量控制、现场监控能力，程浩等［7］设计了针对智慧工厂实验平台的MES软件系统，并研究、实现了MES系统与柔性制造系统(FMS)之间的功能集成，从而实现对智慧工厂实验平台的生产调度和监控，改善生产管理水平。龚悦［8］为满足棒线材生产线信息化需求，设计的轧材产线MES实现了现有的信息系统与ERP系统的高度整合。MES系统提供的准确动态数据，为质量分析和优化提供了依据，提高了产品成材率，提升了整体生产运营管控水平，能够满足生产需求［8］。

随着信息技术的快速发展，工业云和大数据技术等革命性的信息技术极大地促进了制造业的管理和运营效益。在相对传统的钢铁行业，随着ERP、MES、CRM、SCM、电子商务等系统的建设，信息系统也得到了广泛的应用。刘银山［9］认为，在实施大数据技术在钢铁企业运营中的应用时，应结合企业自身实际需求建立与企业自身生产营运和发展规划目标相适应的大数据技术管控体系，应围绕企业效益目标，解决重点需求，求实务实效，依据整体规划，分步进行原则进行实施。采用获得数据化支持建立多元合作平台、建立自己在互联 网上的平台、与大数据分析和挖掘公司合作等措施，从而为企业的发展带来了良好的效果。

2.2 生产计划排程系统

我国部分钢铁企业在三、四级系统的建设及应用方面取得了一定的成果，很好地实现了资源的整合，但其在生产计划领域存在难以提供高质量的生产计划方案的不足。在新的时期，钢铁企业的生产管理模式由面向库存生产的传统计划模式向面向订单、客户化定制模式转变。高效、快速获得满足客户需求、灵活应变的生产计划并有效提高生产效率，成为钢铁企业管理信息化进一步发展的必然需求。这使得高级计划排程(APS)成为信息化的热点。

邵志芳［10］针对高级规划与排程系统的特点进行了研究，指出APS与ERP系统的整合是钢铁行业未来信息化的发展方向。在现有资源条件下，APS(高级排程系统)将计划排查模块从MES系统和ERP系统中分离出来，作为ERP系统的重要补充，解决ERP系统能整合企业资源，但欠缺排程功能的问题。其在主数据、业务数据及逻辑的规范和交换的复杂关系方面与多个系统关系密切，能根据具体企业人力、工具、生产设备与产能，缺料、停机等异常情况及插单、数量工期调整等临时情况并结合订单、派工单、生产工艺、库存等相关信息，通过科学的优化算法来实现自动排产和对现场实际生产异常情况处理［11］，从而实现生产计划的调整和优化，达到产量最大、过程控制最优目的。魏震［5］分析了钢铁企业MES在计划排程方面存在的问题，基于宝信软件的MES+APS解决方案实施了APS系统与MES的整合，提高了生产计划排程工作的效率和交货率，库存显著降低，炼钢-连铸-轧材工序间组织更为合理，热装热送率得到提高，降低成本。何诗兴等［12］通过与ERP集成的APS系统编制某钢铁厂热轧生产计划，在具体工艺流程、设备状态下结合产品库存，实现了炼钢、轧材产品月度生产计划与交货订单计划的动态优化与匹配。施灿涛等［13］通过顺序图和活动图构造了系统的动态模型［14］，对APS系统中的订单计划进行详细分析，实现将生产订单拆分到工序进行工艺设计及库存、产能匹配来实现物流和产能的平衡。

2.3 能源管控系统

钢铁流程生产工艺是复杂的碳—铁化工转化系统，冶金过程既包括宏观的热平衡、物料平衡的能耗转换，也包括热力学、动力学和气、固、液三相流体力学作用的微观能耗。作为典型的高物耗和高能耗行业，钢铁工业的能耗、新水消耗及固体废弃物、二氧化硫、废水排放量分别占工业总量的23%、3%、16%、8%、8%左右［15］，其中能耗占全国总能耗的16.1%以上。因此，能源的合理调度和有效利用，对降低企业消耗，实现资源的循环利用、改善环境，实现企业的可持续发展具有重要意义。钢铁生产过程中应用、产生的一、二次能源种类多，结构复杂，钢铁企业传统的能源管理模式一般采用宏观手段调节能源的生产、消耗，管理调控对象集中在单一能源介质或设备，统计计算、分析和周期较长，整体上缺乏动态性、层次性、和全局性，能源利用率不高。现代钢铁企业的能源管理需求以实现钢铁生产过程能源资源最优配置为目标，对生产过程中的能源消耗、能源回收进行实时监控、分析利用和动态优化，既确保满足生产需要，也做到避免二次能源浪费和减少能源外购量。

钢铁企业能源能源管理系统EMS(Energy Management System)是实现企业能源自动化、科学化管理，提高能源管理水平的主要技术手段之一。能源管控中心是能源管理系统建设的核心单元，商孟涛等［16］认为，完善的能源管理系统应包括网络系统、自动化系统和相关计量仪表，实现能源实时数据采集、监控和传输；依靠数据库综合集成相关信息，实现能源计划、统计报表等功能的全方位管理；对重要能源介质，应与生产管理系统紧密结合并实现事前调度、统一管理，使能源系统处于具体条件下最佳平衡安全运行状态，能源调度系统实现从经验型到分析型职能的转变。徐雪松等［17］总结了钢铁企业各种能源管控模式的优势与不足，提出了在大数据和云平台背景下的能源管理应从能源管理中心职能优化、能源管控模式优化以及先进能源管理信息系统建设优化等方面入手，推进包括从用能结构调整、节能量化管理、能源梯级利用、系统整体节能等各方面内容的能源管理现代化和信息化建设，实现钢铁企业能源管理的低碳化、集成化及高效化。

EMS是以分布式结构为基础的计算机网络控制系统，总体架构包含现场控制、网络与数据库支持、能源管理与决策，EMS使用的软件平台系统分为数据采集、数据库、应用管理三个层次。钢铁企业的能源系统是一个复杂的能源网络，钢铁企业能源之间存在随着钢铁生产制造的过程源源不断发生转换、替代、转换效率等密切相互关系。为满足实时高效的管控需要。袁野等［18］利用三维信息技术具有的多维空间数据分析处理能力、对空间信息表达直观真实等优点，实现能源管理系统与监控设备三维地理信息的无缝结合，显著地提高了系统、设备、管网状态等信息的即时性和全面性。从而提高系统运行的稳定性、可靠性和安全性。裴永红［19］基于实现能源自动监控和系统优化为出发点，在某千万吨级规模钢铁生产基地初步建成了EMS系统，实现了对钢铁生产能源介质参数的实时监测和能源装置的全面远程控制，吨钢综合能耗降至572kgce/t，提前实现国家制定的规划要求。陈满等［20］构建完成了基于虚拟现实技术的数字化工厂能源管理系统，实现了工厂对能耗整体状况的实时监测和可视化管理。并基于对适时数据、设备状态的分析得到能耗总量动态统计和趋势分析，为优化资源利用、降低能耗成本结构指明方向。

胡炎东［21］引入大数据概念，建立产品标准能耗设计、整合生产实绩及工艺数据、构建工序能源成本最优模型，进行工序能耗影响因素相关性分析，及时发现生产过程中的能耗数据异常，进一步降低了吨钢能源成本。陈素君等［2］从钢铁企业能源管理角度出发，提出建设包括企业单系统、大系统、企业内外综合系统三个层面的智慧能源体系的构想，实现企业能源管理的智慧化，提升企业能源综合管理水平和企业竞争力。徐萍等［23］通过在某厂热轧搭建能源消耗管理系统及能源精细化管理，对产线机组、设备等能源数据的实时采集监控和对产线各能源数据的统计分析，实现了热轧产线精确到每一块板坯能耗的跟踪、计算、关键生产数据整合的能源精细化管理，基础数据的整合利于为不同钢种进行能耗标准设计和分析不同钢种的能耗影响因素，从而为降低热轧工序能耗、优化能源成本提供了支撑。

目前，国内能源管控系统平台建设模式分为动力分立系统、总部-分中心、一体化综合平台、区域集控站及电力等模式。为更好地对企业的能源进行综合管控，能源管控系统平台建设模式应与本企业能源系统实际情况相契合［24］。为提高EMS系统功能模型的开发、调试和维护效率，彭兴等［25］设计、开发了一种基于图形化组态的、可兼容IFIX等常用工况监控软件平台的高级应用软件系统，使得监控平台不仅实现数据采集、存储、系统管理等基础功能，也实现了调度优化、能源平衡预测等高级应用功能。郭豪等［26］通过能源精准化设计、信息咨询服务等平台建设，在信息技术综合服务平台的基础上开发出精准化能源管控集成系统，在某厂应用后减少吨钢CO2排放45kg，降低吨钢综合能耗3～5%。

2.4 运输物流智能管理系统

钢铁企业具有流程长、生产经营涉及物料数量庞大的特点。从物流运输流程流向划分，包括钢铁企业的原、燃、辅、料供应，内部生产流程及生产过程中固废处理、回收利用，钢材产品销售给下游企业等过程。其中：出、入厂物流涉及采购对象、计量、运输工具、销售对象等众多信息；厂内物流则包含物料进厂后的卸车、储存、冶炼、轧制、入库等环节；从运输方式上划分，入厂、出厂包括汽车、火车、轮船等方式；厂内物流又包含辊道、天车、台车等生产制造物流及部分铁水火车的厂内内运输物流。因此，做好做优数量庞大、过程繁复的钢铁企业物流管理，对物流运输成本优化、改善经营具有重要意义。实现物流协同优化、动态调度、实时跟踪及在线监控成为钢铁企业厂内运输物流管理系统的主要发展趋势［27～28］。王懿等［29］基于物联网技术开发出包括感知层、网络层和应用层三层架构的厂内运输物流管理系统，实现了包括物资需求、调度、仓储等物流系统各环节的数字化、网络化、智能化管理，实现物流运输的高效率、低成本运行。解决了针对钢铁企业厂内物流管理专业化水平低、物资运输效率不高和物流管理系统智能化程度低、物流调度协同性差等问题。

2.5 炼钢生产调度、设备管理系统

炼钢动态调度系统从根本上改变了传统的的依据人工经验计划编排方式，以从连铸作业计划逆向生成其他生产工序计划的方式，完成了脱硫、转炉、精炼、连铸等整个炼钢所有工序的生产计划编排。为复杂的炼钢生产调度作业提供更为便捷、快速、科学的计划编制平台，企业设备分配更加合理，最大限度利用资源。徐露露等［30］针对炼钢生产流程调度系统中的模型管理问题，采用面向对象的建模方法，根据实际生产流程调度问题自动生成求解模型的调度系统模型库，将生产调度模型进行规范化、模块化转换，建立了一套可实现模型自匹配和模型自重构的模型生成的机制，并使用生成的新模型结合相应的算法求解目标调度问题，得到的优化模型具有良好的实用性和有效性，从而使动态调度系统具有高度可视化和可配置性，在提高生产节奏的同时，降低生产成本，提高了产品质量和管理水平［31］。

设备是企业进行生产经营活动的物质基础，实现设备状态在线诊断，对掌握设备运转状态、制定检修计划、优化关键设备备件具有重要的意义。随着时代的发展，钢铁企业生产设备具有大型化、自动化和复杂化的发展趋势，借助信息化网络的设备管理系统成为企业实现在线诊断、设备全生命周期管理，达到高效综合管理的有力手段，也成为企业信息化综合管理体系建设的主要内容之一。熊莉萍等［32］围绕设备的技术状态、点检检修制度、维修费用、物料合同、特种设备档案、报表等各个方面的信息，具体分析了系统功能模块及编码规则的制定，构建了具有综合信息化意义的设备管理系统；董磊等［33］通过全面设备状态诊断系统平台的建设，完成将人工点巡检结果向信息化系统传递的尝试，使设备管理人员更为及时掌握设备的运行状况，更好的实现对设备的管理和维护，提升设备管理水平。此外，王东东［34］研发了基于PDCA循环工作模式搭建的设备管理信息平台系统，检修计划性得到加强，有效减少设备抢修次数和故障停机时间。胡浩［35］通过建设设备全生命周期管理平台，实现对设备管理体系中的设备、项目、人力资源等费用的全方位和全口径的精细化管理。

3 钢铁全流程质量管控系统

中国钢铁产业经过多年连续高速发展，形成高产能、高成本、低利润的新局面。需求由追求数量的传统模式转变为提升生产效率和全面提升产品的质量控制能力。提供个性化质量服务、强化过程质量控制、提高客户质量满意度等成为提升企业市场竞争力新的要素。钢铁流程具有流程长、生产工序、关联数据众多的特点，这给最终产品质量的全面管控带来极大难度。随着信息化技术的发展，全面质量管理的重要理念应运而生：以钢铁工艺流程产生的大量过程数据为基础，利用“两化融合”的方法论并结合PDCA管理理念建立的全流程质量管控平台，将信息系统与质量管理完美结合，以全流程挖掘质量数据及分析为手段，对质量动态控制过程实施标准化、趋势化管理，对全面提高钢铁流程炼钢、热轧、冷轧的生产管控和质量过程发挥重要作用，达到显著提高决策质量、提升质量管理工作效率、降低质量成本，增强高端产品的质量稳定性目的［36］。

全流程质量管控系统的建立能持续改进企业的产品质量，并有效控制企业内部生产成本。通过系统收集钢铁生产过程中产生的关键参数数据，利用大数据技术构建基于钢铁企业各个工序工艺流程的钢铁产品全流程质量管控信息化平台，实现对工艺生产全过程质量数据的包括预测、诊断及评价分析等各个功能的在线质量控制，实现将质量问题消除在生产过程中并具有全过程质量的可追溯性，是建设全流程质量管控系统的目的。

张秋琳等［37］利用产品全过程质量管控系统数据库中的海量质量数据，将数理统计方法引入钢铁企业产品质量管控的在线应用，建立了多元回归分析模型、方差及相关性、主成分分析模型，并应用控制理论中的控制图法，对各个关键工序生产过程进行数据采集、实时预警，实现数据采集频率小于1s、精度小于0.001，过程参数预警小于500ms；产品质量评价准确率可达到90%以上。李胜［38］结合国内某大型钢铁企业质量管理信息化的建设，提出质量控制信息化管理系统应具有企业质量标准管理、质量设计、检验、质量判定及质量分析优化等内容及功能，并实现企业PDCA质量循环。该体系实施上线后解决了无系统或单一系统带来的质量信息孤岛现象严重、质量控制难等问题，为提高劳动生产率、产品质量起到重要作用。张国红等［36］基于具有数据自动分析、决策功能的全流程质量管控平台，通过实时数据流处理、多源异构数据融合技术建立一体化数据共享平台，实现了钢厂从钢水投料开始到钢材成品产出间所有工序的质量数据集成。并进一步地，利用统计方法、数学模型对集成的数据进行质量监控、诊断和分析优化，从而实现产品质量全面提升，提高企业竞争力。

4 工业机器人

工业机器人是一种多自由度的、多功能的、可编程的新型机电一体化设备。作为交叉多学科领域中的高新技术成果，工业机器人由驱动装置、控制系统、执行机构、检测装置及复杂机械等组成［39］；按照本体的构成结构可分为关节型、直角、球坐标、圆柱机器人等。其中，关节型机器人具有工作空间大、自由度高等优点［40］，使得运用工业机器人完成搬运材料、操持工具等作业成为现实。随着信息及人工智能技术的不断完善，工业机器人应用范围逐渐扩大。

真正的“4.0”的慨念是实现人机协作，由机器完成单调、重复性高、危险性强的工作，而由人完成机器不能或者难以完成的工作。钢铁生产流程中既存在如转炉、高炉炉前等高温、高粉尘恶劣环境且劳动强度大、危险性高的作业岗位，也存在冷轧、热轧等实现高度自动化集成的工序，这为工业机器人在钢铁生产线的广泛应用提供了舞台［41～42］，工业机器人应用有效解决环境对钢铁安全、生产工作的影响，并显著提高企业生产效率。在互联网信息技术、自动化技术飞速发展的背景下，利用全自动化、智能化的工业机器人实现高效率、高精度智能操作的生产模式成为企业实现生产效率最大化的未来发展方向［43～44］。

在全球钢铁产能过剩和电子信息技术高速发展的背景下，钢材产品市场由低成本、标准化、大批量需求转向差异化、多元化需求，需求模式的转变对传统仓库管理的收货、存储、拣选、发货等基本环节中带来很大影响，面由此对制造成本的降低和效率的提升带来的挑战。基于自动感知识别、人工智能技术机器人的智慧仓储发挥了积极的作用［45］，表现在：配备人工智能算法和3D视觉的机器手完成了对各类不同重量、外形产品的抓取作业；配备导航设备并具有调度功能的自动导引小车机器人可以协同完成入库、出库、装运、卸车等搬运类作业。人机间的友好高效协作使得传统仓储物流系统由刚性变为柔性，物流作业更加精准和高效，并具有感知、推理判断、自学习和自行解决物流问题的能力。

5 结语

随着国内钢铁企业信息化建设的不断深入，ERP、MES、APS、EMS等先进的管理思想和信息化综合管理系统相继被企业引入、吸收、创新及应用。MES系统成为钢铁企业生产制造、管理信息集成的纽带，在信息化综合管理体系运行中，APS系统将排产信息共享给ERP系统，由ERP系统进行信息整合、订单创建后发送到MES系统对接生产实绩，形成三个系统的无缝对接；建立能源管控系统，实现能源管理从经验型到分析型调度职能的转变，实现能源资源的最优配置并提高运行的安全性、可靠性和稳定性；全流程质量管控系统的建立实现原燃料、中间及最终产品的全过程质量分析、预测、诊断及评价并具有全过程质量的可追溯性；基于人工智能的工业机器人在精度高、重复性高的岗位实现高效无人化操作。钢铁智能制造体系的构建与实施使得企业在安全生产、过程控制、资源配置等方面的管理效率及水平显著提升，有效控制运营成本。这表明，将新一代信息技术与制造技术深度融合的智能制造技术与管理体系，已经成为应用于整个制造活动各个环节的新型生产方式和发展方向。基于信息化技术，构建与建设适合钢铁生产经营、企业发展需求的智能制造体系，实现数据驱动流程优化，推进生产工艺控制系统与生产管控系统的深度融合，从而实现工艺、生产、质量、检验、能源、物流、设备、调度等过程精细化管理，质量和成本动态跟踪、原材料到产成品流程的一体化协同优化，这对于实现中国钢铁工业转型升级具有重大意义。