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大冶特殊钢:构建一体化云边端协同智能制造系统

2021/1/30    来源:e-works    作者:e-works整理      
关键字:工业互联网案例  e-works年度盘点  智能制造  大冶特殊钢  
本文为“2020年度中国智能制造最佳实践奖”参评案例。本次活动将评选出2020年度,为中国智能制造领域带来突出效益的最佳实践工程,全面介绍企业推进智能制造的步骤、重点与难点、获得效益等,分享建设过程中的经验,供广大制造业行业企业学习供鉴。

一、企业简介

    大冶特殊钢有限公司(简称“大冶特殊钢”)是中国现存最早的钢铁企业之一,其前身大冶钢铁厂是清末汉冶萍煤铁厂矿有限公司的重要组成部分,具有悠久的历史。1994年改制规范为冶钢集团有限公司,1997年大冶特钢A股在深交所上市,2004年香港中信泰富出资收购冶钢集团有限公司钢铁主业资产,组建大冶特殊钢有限公司。经过近百年的不断发展,现已成为我国装备最齐全、生产规模最大的特殊钢生产企业之一,是全球生产规模最大、产品规格覆盖最广的中厚壁无缝钢管生产基地、我国高合金钢锻材生产基地、我国合金钢棒材生产基地。

    大冶特殊钢有限公司现具有焦炭、高炉、转炉、电炉、特种冶金、轧制及锻造等生产设施,主营业务为生产各种棒材、无缝钢管和锻材等特殊钢产品,包括轴承钢、齿轮钢、工模具钢、中厚壁无缝钢管及耐热合金等。大冶特殊钢有限公司整体技术装备水平居国内特钢行业领先地位。现有年产生铁280万t、粗钢350万t、钢材320万t的生产能力。注册资本33983万美元,法人代表:谢文新,银行信用等级AA+。现有职工6200人,其中专业技术人员800人,占职工总数的12%。

二、企业在智能制造方面的现状

    大冶特殊钢有限公司信息化、智能化建设经历了五个阶段:部门单项应用阶段、企业信息化重点建设阶段、综合集成阶段、协同创新阶段、智能制造阶段。为本项目建设提供了健全的信息化智能化需求运维团队,提供了项目智能一体化协同的运营管理数据资产,提供了项目建设完备的顶层设计思路。

    公司目前重点应用信息化系统:(1)产供销一体化系统。主要包括制造管理系统及制造执行系统(包括炼铁MES、炼钢MES、轧钢MES、中棒MES、钢管MES、特冶MES)。大冶特殊钢有限公司依托产供销一体化系统围绕两个中心进行管控,一是以客户为中心,按合同组织生产,实现合同全生命周期管理及跟踪;二是以财务为中心,以业务为驱动,以销售、生产、采购管理一体化为核心,实现业财无缝、产销一体、管控衔接、三流同步,通过业务和财务的整合、集成,实现财务信息自动收集、业务与财务活动的双向跟踪追溯,提高财务对业务的管控水平;(2)能源管控系统。实现能源数据的自动采集、统计、分析、结算功能,同时为公司能源管理、调配提供决策依据。系统实现了能源计划管理、能源质量管理、能源绩效管理等十大功能模块;(3)信息化网络。大冶特殊钢有限公司将整个网络系统划分为办公网、能源管控网、视频网、计量网、工业控制网等五个安全层次,每个网络单独组网,以提高安全程度。各网之间均通过防火墙逻辑隔离,采用访问控制策略实现办公网和其他网络之间的访问控制;(4)信息安全。从物理安全、网络安全、应用安全和数据安全等方面入手在信息安全方面持续进行了完善,以增强大冶特殊钢有限公司信息安全风险防范能力。实施文档加密系统和上网行为管理系统,提高了文档和网络的安全性;构建了符合国家B级标准的数据机房,提升了物理环境的安全保障能力;采用存储虚拟化技术,防范因存储损坏而造成信息数据丢失的风险;使用堡垒机技术,规范了后台修改数据的行为,对非法访问和恶意攻击进行拦截,提供了事前防范、事后追溯的可靠手段。(5)计量系统和检化验系统。构建了智能化的远程计量信息中心,完成物资计量数据采集,将采购、生产转移、下线、产成品销售等计量实现实时采集和集中监控并与产供销一体化系统通过接口衔接。通过检化验系统建设,完成了公司的原材料验质、炉前化学分析和产品理化检验的任务,整体提高了公司质量过程监督控制的范围和能力,并与产供销一体化系统通过接口衔接。

    大冶特殊钢有限公司创新构建以产供销一体化系统为核心,满足企业管理需求的业务覆盖全、信息集成度高的信息化支撑平台,信息化建设在关键流程的数控比例超过98%,主要生产经营业务的信息系统覆盖率达到90%以上;应用智能装备及工业机器人,开展装备自动化、少人化、无人化改造,主要生产线自动化覆盖率95%,优质特殊钢中棒材生产线自动化控制系统处于国际领先水平;设备状态可视化及预测式维修,运用可视化交互技术,及时有效获取有针对性的设备状态及决策支持信息,形成重点设备在线监控及故障诊断,减少设备故障损失;精准管控能源、实施绿色制造;打造全程协同的高级计划排程,在资源平衡、合同排产、物料匹配、作业排程等方面执行一体化协同,快速满足客户个性化需求,自动推荐满足专业化生产要求的产线,发挥产线协同优势,追求价值最大化;实现制造全过程的监控与预测。在制造管理全过程的重要环节,建立全方位预测体系。对合同完成、瓶颈工预等进行预测,对拖期合同进行报警,及时反馈、指导合同订单、合同分配等工作安排;产品生命周期管理(PLM),实现客户定制化订单全生命周期管理,产供销一体化系统打造钢铁产品价值链信息互连互通的PLM平台,涵盖钢铁产品从需求、研究、试制、优化、生产、到服务等关键过程,实现客户定制产品的销产自动转换;建立企业大数据平台,实现支持产品盈利决策的工序成本管理和价值最大化的柔性制造,为公司效益评估及多维度的销售决策数据分析提供支持,为事先预控、事前筹划、控制亏损品种与无边际贡献品种提供数据支撑。

    大冶特殊钢有限公司先后获得“湖北省“两化”融合试点示范企业”、“湖北省制造业信息化科技工程优秀示范企业”,“湖北省智能制造示范企业”、工信部制造业与互联网融合发展试点示范。

三、参评智能制造项目详细情况介绍

    1.项目背景介绍

    近年来大冶特殊钢有限公司以战略为导向,根据“统一规划、分步实施、面向实用、渐进完善”的原则,进行信息化建设,形成了自身的信息化管理特色,由业务流程信息化向业务决策智能化发展,不断支撑企业的可持续发展。逐步建立了大冶特殊钢有限公司办公销售系统、财务一体化及质量计量管理系统、产销一体化系统、能源管控系统以及顶层的知识及营销管理系统等一系列企业经营管理决策系统,为本项目建设提供坚实的基础。

    随着在经营管理决策系统方面建设的完善,大冶特殊钢有限公司逐渐意识到生产制造与经营决策智能协同一体化的重要性。在经营管理方面已逐步形成体系,但在生产制造方面相对滞后,尤其是在炼铁产线环节,数字化、信息化及智能化建设要落后于钢后环节;因此大冶特殊钢有限公司在钢铁制造过程中的短板在炼铁产线,节能降耗及绿色制造的重点攻关也是在炼铁。因此急需应用新技术、新装备进行对炼铁产线进行智能化升级。

    1)项目主要建设内容

    通过智能传感、人工智能、大数据、机理模型的交叉融合,实现在设备端的动态感知精准控制,在边缘侧运用机理建模和人工智能实现工况智能诊断及优化,通过云端的智能互联平台,构建基于炼铁工业大数据的整体监测、分析和诊断,实现炼铁产线的智能协同优化。

    2)项目总体目标

    本项目基于工业互联网平台云-边-端顶层设计架构,覆盖配矿-烧结-高炉大炼铁产线的各工序单元,建立自动化、信息化、网络化、智能化的铁前一体化的智能工厂。在设备端基于物联网和自控系统的升级改造实现动态感知精准控制;在边缘智能端构建单元智能管理系统,同时运用机理建模和机器学习实现各单元系统的工况智能诊断及优化;在云端基于IaaS、PaaS和SaaS架构搭建炼铁大数据平台,实现炼铁现场多源设备和异构系统的集成,打破数据”孤岛”,结合平台封装的大数据分析模型和人工智能算法对数据进行深度挖掘、提炼、分析,形成大炼铁产线的数据资产,同时以松耦合、可复用的微服务架构提供的可视化和建模分析组件构建机理模型,形成包括设计仿真、设备监测、工况优化、故障诊断、预测性维护、质量管理、能源管理等应用层服务,最终实现提升装备数控化率、提高生产数据自动采集率、提高技术经济指标等效益。

    2.项目实施与应用情况详细介绍

    基于工业互联网平台的铁前一体化云边端协同智能制造系统项目以大冶特殊钢有限公司炼铁产能置换项目为背景,配套实施铁前系统智能化升级,以实现铁前工序节能减排、降本增效,促进大冶特殊钢有限公司全面提升智能制造水平。

    本项目将优化配矿、烧结、热风炉、高炉等单一的智能控制系统,实现实时智能协调管控。主要实现功能如下:

    (1)工序间数据交互:打通工序间“孤岛模式”,实现工序间实时数据交互及分析(例如:烧结矿质量变差后,平台自动响应质量波动及入炉时间,并根据专家知识库给出操作建议)。

    (2)烧结高炉配矿一体化:将生产实际信息反馈到配矿方案中,建立大数据配矿专家库,通过自学习不断修正配矿参数,进一步进行优化配矿方案提质降本。

    (3)大炼铁生产线数据挖掘:利用大数据技术将检化验数据、生产数据、设备运行数据进行深度挖据,开发机理模型,实现大炼铁生产线智能化协同优化。

    (4)结合炼铁厂各高炉大修工作,研发、补充、完善各高炉智能系统,包含物料利用模块、技术经济指标模块、安全预警模块、冶炼机理模块、热风炉燃烧自动控制模块等,将企业高炉智能系统接入大数据平台。

    (5)通过提炼数字化布料制度、操作炉型管理标准、实时判断物料及能量利用状态,完善高炉操作标准,实现高炉长期稳定顺行,促进炼铁成本持续进步。

    (6)通过项目实施,提高岗位人员对高炉操作的掌控能力,实现高炉长期稳定顺行,持续降低炼铁生产成本。

    (7)通过提升企业炼铁的数字化、科学化、智能化、标准化水平,实现“安全、环保、长寿、低耗、优质、高效”炼铁目标。

    2.1 项目建设内容

    基于工业互联网平台的铁前一体化云边协同智能制项目包含配矿-烧结-高炉大炼铁产线的工艺单元。以构建智能化、网络化、集成化的新一代铁前系统为主要目标,通过传感技术、网络技术、人工智能技术、大数据技术、工业软件技术(机理模型)的交叉融合,在实现炼铁产线各单元的智能管控的基础上,智能互联产线原料场、烧结、高炉各单元,实现炼铁产线的智能协同优化,打造钢铁行业智能工厂。主要包含以下4个方面内容:

    1)基于工业互联网平台云-边-端顶层设计

    在建设过程中对大炼铁产线L1-L2自动化系统进行升级改造,同时在此基础上综合运用“物、大、智、云、移”技术进行炼铁产线智能化建设,总体采用云-边-端的工业互联网新型架构进行功能顶层设计以及架构顶层设计。

基于工业互联网平台的铁前一体化云边端协同智能制造系统功能架构

图1 基于工业互联网平台的铁前一体化云边端协同智能制造系统功能架构

    2)设备端:基于物联网和自控系统实现动态感知精准控制

    在本项目中对炼铁产线烧结、高炉单元的基础L1/L2自动化系统进行升级改造以及大炼铁产线基础物联网建设,为后续各单元智能管控系统建设奠定扎实基础。

    自动化升级改造范围主要包括高炉、烧结主体工艺设施及公用设施。以配置合理、操作维护简单、设备先进、主体设备国产化为原则进行,主要面向生产,实施对设备、仪表的控制和监视,其系统升级改造后当达到当今国内一流水平。

    高炉包括:槽上系统、高炉矿(焦)槽系统、高炉炉顶系统、高炉炉体系统、高炉热风炉系统、高炉布袋除尘系统(含喷碱塔系统)、高炉水冲渣系统、高炉中心水处理泵站系统、煤粉制备喷吹系统等。控制范围涉及上述工艺系统及其所属辅助工艺设备。其他如TRT系统、鼓风机站、出铁场除尘系统、矿槽除尘系统等由设备厂家成套供货。

    烧结包括:烧结及其配套子项包括熔剂受矿槽、配料室、混合室、制粒室、烧结室、机头电除尘器、主抽风机室、成品筛分室、转运站和通廊运输系统、烧结及发电水泵房、余热回收及发电设施等。控制范围涉及上述工艺系统及其所属辅助工艺设备。

    基础自动化级(L1)采用以电仪一体化的PLC或DCS控制装置为核心,根据控制功能区域划分为分散式的控制单元,采用典型的远程I/O,通过软件组态编程实现过程控制所必要的全部监控功能。基础自动化级(L1)PLC或DCS系统选用具有高可靠性的CPU、电源和网络设备,具有高速网络传输技术和硬件热插拔功能,确保系统具有高效数据交换和I/O处理能力。主要工艺设施的控制系统应采用冗余结构,包括CPU、电源、网络等的冗余,从而保证整个高炉的安全生产。

    控制系统采用网络控制技术,具有快捷、高速、大容量和开放的技术性能,具有技术成熟、高可靠性、高性能、易于扩展的技术特点。基础自动化级(L1)系统网络采用环网结构,高炉各工艺设施的控制系统接入到环网内,并配备专门的数据采集或隔离网关用于同L2级的接口通讯,现实L1级与L2级的网络隔离,保证网络安全。另外,配备PDA数据采集系统,高速采集生产关键数据,用于事故分析及生产指导;配备远程诊断系统,可实现远程维护及问题处理。

    L2级主要包含生产管理子系统、物料跟踪子系统、数据采集子系统、能源环保子系统、设备管理子系统、成本核算子系统、报表管理子系统、用户权限管理子系统等功能模块,完成了生产制造活动中数据的自动采集,有效的将不同业务视角的数据进行整合,完成了生产设备运转情况的实时监控、生。

    在大炼铁产线基础物联网建设方面:对高炉、烧结、热风炉等重点设备安装布置工业传感器,涉及温度、湿度、压力、流量、3D激光雷达、工业摄像机等工业传感器,实现各单元重点设备生产状态的自动检测和为自动控制做准备。通过工业传感器及物联网建设以实现炼铁产线核心设备的“自感知”,在此基础上建立大炼铁的智能管理系统及一体化的炼铁智能互联平台,实现不同工艺单元设备集中监测与管控。

    3)边缘智能端:构建大炼铁产铁各智能单元

    (1)智能配矿

    原料场本身具备的贮存、配混的功能,核心意义是为炼铁系统提供适用的原燃料,满足烧结、球团、高炉的最优成本生产,料场智能化建设以此为目标建设,设备及模型均为具体实施的措施。

    (2)烧结智能管理系统

    基于烧结机硬件监测点、参数以及控制系统现状,进行烧结智能管控系统建设,主要包括烧结质量管理模块、烧结过程管理模块、生产信息管理模块和系统参数管理模块。烧结智能优化系统既从理论层面提供数据分析、异常报警、操作指导等功能,又从控制实操层面对智能配料计算模型、碱度自动调整模型、配碳自动调整模型、内返配比调整模型、均匀一致控制模型的计算结果下发一级参与过程控制,对烧结工序降本增效具有重要意义。

    烧结智能管控系统采集烧结过程实时数据,经过模型优化计算,可以下发给一级系统进行配料量、碱度、内返矿等调整,代替了传统的通过操作人员手动录入一级系统,实现了从数据采集到模型计算优化再到反馈控制的闭环智能优化控制,大大提高了烧结过程的数字化、自动化、智能化水平。

    烧结智能管控系统可以通过烧结终点预测准确判断烧结上升点位置、烧结上升点温度、烧结终点位置、烧结终点温度,根据实际终点位置与目标烧结终点偏差情况,提出改善烧结终点靠前或滞后的合理化建议,实现烧结终点判断的智能化,稳定生产,实现优质高产。

    (3)高炉智能管理系统

    在建立完备的工业传感器及物联网基础检测系统,开发高炉智能单元,将大数据、冶炼机理数学模型、模糊数学、人工智能、专家经验、知识库等多学科技术应用于实际生产操作过程中,人机一体化,实现自感知、自决策、自执行、自决策的智能制造。通过利用高炉模型,实现从炉子底部到上部、外部到内部的全方位可视化。实时在线监测炉缸侵蚀状况、风口检漏、壁体挂渣厚度、炉内气流、融熔层、凝铁层、死料柱沉浮、矿料在炉内分布及位置。利用规则库及三维凸包对炉况失常进行诊断并至少提前半小时预警。有效增强在炉料、工况改变后引起炉况波动的应对能力。实现对高炉生产状态及质量的有效监控,并结合质量智能预警联动模型和产线一体化铁水质量管控追溯,实现高炉入炉原料质量的实时分析预警、自动诊断从而保障高炉长周期稳定运行。

    4)云端搭建基于工业互联网的大炼铁智能互联平台

    通过搭建炼铁大数据智能互联平台,实现从单一传统炼铁监测到基于炼铁工业大数据的整体监测、分析和诊断的体系建立;助力从炼铁产线数字化管控到企业级全局分析再到集团对标决策的整体优化。

    实现了大数据技术在炼铁工业生产管理过程中深度应用。建立了基于工业互联网平台架构的IaaS、PaaS和SaaS架构的炼铁大数据平台。在IaaS层对资源的虚拟化及灵活划配,在PaaS层提供了数据图形化分析及算法工具,在SaaS层实现了生产状态的智能监测及分析。

基于工业互联平台架构的炼铁大数据平台建立

图2 基于工业互联平台架构的炼铁大数据平台建立

    本项目主要基于炼铁核心工序智能系统和集团级炼铁大数据智能互联平台建设实现炼铁智能制造,就是将智能制造的“物联网、大数据、智能模型、云计算及移动互联”五大核心技术具体落地,首先要依据现有基础硬件检测条件进一步完善工业传感器及物联网建设以实现炼铁产线核心设备的“自感知”,在此基础上建立从矿粉-配矿-烧结/球团到高炉的炼铁大数据中心,实现对炼铁产线大数据的采集、清洗、转换和存储,进一步在大数据中心之上建立机理模型和智能系统集合,对炼铁产线各工序数据进行计算和数据挖掘反馈,充分发挥大数据存储和挖掘的优势,开发基于冶炼机理的智能模型以及基于大数据挖掘和机器学习技术的智能平台,实现对炼铁产线全生命周期实时状态、趋势预测和优化控制的“自诊断、自调整和自执行”,在炼铁厂数据中心部署监控系统服务端并接入企业局域网,在内网的计算机都可以访问监控系统,同时开发炼铁移动工厂APP实现移动互联。同时将炼铁大数据平台通过VPN网络接入行业级炼铁大数据综合平台,在行业级大数据平台随时监控产线各工序的运行状况,实现远程工况诊断、对标和“云服务”,并生成诊断优化报告反馈给现场。

    (1)在云端开展对炼铁产线核心设备实现云端协同的设备状态监测,最终实现对设备状态的数字化、网络化、智能化监测。

    (2)从工业智能传感器出发,解析设备内部物理场变化以及化学反应热力学与动力学过程,挖掘影响生产顺行的主要因素,做到知其然并知其所以然,进而实现设备工况优化优化。

    (3)通过将对设备各种监测数据、运行数据、生产数据、检化验数据、MES数据、ERP等具有高频率、大批量、高并发、长周期特征的多样化数据接入炼铁智能互联平台,结合多样、精准、高效、全面的大数据处理分析模型,在已经实现高耗能设备实时在线状态监测的基础上,提供炼铁高耗能设备的故障诊断服务。

    (4)通过推动炼铁产线海量数据资产的汇集,开展数据分析与机理建模等业务,对最佳工况状态进行挖掘,指导炼铁产线各单元进行攻关计划,实现生产过程节能降耗。

    (5)通过在以高炉为中心的大炼铁产线高耗能设备上加装设备状态监测系统对运行状态进行在线实时或准实时监测,对监测数据进行分析,实现故障诊断、零部件寿命预测,优化维修资源和备件库存,实现高耗能设备的预测性维护,从而降低设备全生命周期的运行成本,为企业的安全生产提供保障。

    (6)以炼铁主反应器高炉为对象,通过采用机理模型+数据挖掘的方式提高高炉生产能效,另一方面,兼顾炼铁产线中的其他工序中的重点能耗设备重点,进行设备特性分析和能耗优化配置,以协同优化的方式形成整个炼铁产线的能效优化解决方案。

    2.2 项目技术路线

    本项目结合大冶特殊钢有限公司大炼铁产线条件及特点,依托先进的工业互联网平台云-边-端顶层设计架构,覆盖配矿-烧结-高炉大炼铁产线的各工序单元,建立自动化、信息化、网络化、智能化的铁前一体化的智能工厂。

项目实施技术路线

图3 项目实施技术路线

    1)设备端基于物联网和自控系统实现动态感知精准控制。进行基础自动化升级、增加无人化智能设备以及工业传感器来保障,主要包括:高炉、烧结系统L1/L2升级改造、料场堆取料机自动作业、智能行车、智能温度传感器、激光雷达设备、红外设备等,以此来奠定炼铁产线智能化的坚实基础。

    2)边缘智能端构建智能管理系统,运用机理建模和人工智能实现工况智能诊断及优化,主要包括:智能无人料场及智能配矿、烧结智能管理系统、高炉智能管理系统、高炉水渣行车无人化智能管理系统、热风炉智能烧炉系统等,通过建立各工艺单元的智能管理系统,通过各工艺段机理模型以及大数据机器学习等技术实现各工艺段工况的智能诊断及优化。

    3)云端建立了基于工业互联网平台的IaaS、PaaS和SaaS架构的炼铁产线大数据智能互联平台,在IaaS层在实现炼铁海量数据存储的基础上,实现对资源的虚拟化及灵活划配,可灵活拓展。在PaaS层提供了数据图形化分析及算法工具,实现炼铁产线技术的数字化、显性化,同时通过提供的数据处理及分析工具,实现炼铁数据资产的深度挖掘形成算法库和知识库,进而封装成基于各种场景的机理模型、数学模型或者行业模型等,为SaaS层服务提供关键模型支撑。在SaaS层实现了生产状态的智能监测及分析,赋能炼铁制造生产过程,同时基于炼铁生产过程具有时滞性强,多维变量影响的特点,针对性开发了面向各冶炼单元的中长期数据挖掘优化应用的业务功能,打通了原工艺制造过程的数据孤岛,实现了大炼铁产线智能协同优化。同时并利用移动互联技术(手机APP)推送到不同人员的手机终端,推进大产线数据互联互通、业务协同优化、智能转型升级。

    3.效益分析

    1)劳动生产率提升创效

    本项目通过上线一次料场无人行车、混匀料场智能堆取料机、高炉水渣池无人行车、烧结智能管理系统、高炉智能管理系统等智能化改造项目,大大提高企业的劳动生产率10%以上。

    2)降低能源消耗创效

    炼铁工序在钢铁行业中是耗能大户,高耗能工序主要包含烧结、球团、高炉等。通过开展对大炼铁产线智能制造,可实现对重点工序的能源消耗量的实时在线监测,基于炼铁工业互联网平台的各项应用服务,结合大数据挖掘技术,分析找到节能点,提高大炼铁产线设备的能源利用率。针对本项目通过智能化项目实施,实现全局性成本优化、能效最优的协同制造,预期高炉减少燃料比5-10kg/t。

    3)延长高炉寿命创效

    通过智能化高炉大数据平台对高炉进行实时在线监测和预警,指导高炉工作者采取有效护炉措施,延长高炉寿命20%。

责任编辑:程玥
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