林安川 杜順林 向艷霞 朱永華 趙紅全 鄺昌云 王 萍

(昆鋼技術(shù)中心)

1 概 述

智能制造是以網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)為支撐、制造關(guān)鍵環(huán)節(jié)智能化為基礎(chǔ)特征，顯著提升生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量，降低企業(yè)營(yíng)運(yùn)成本的新型生產(chǎn)方式。鋼鐵生產(chǎn)流程具有工藝系統(tǒng)復(fù)雜、物料消耗量龐大及數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性大的特點(diǎn)?；谛畔⒒夹g(shù)，構(gòu)建與建設(shè)適合鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)、企業(yè)發(fā)展需求的包括計(jì)劃、生產(chǎn)、調(diào)度、質(zhì)量、檢測(cè)、能源、設(shè)備、物流等在內(nèi)的信息化綜合管理體系是提升鋼鐵企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展力的根本途徑。以達(dá)到工藝工序結(jié)構(gòu)優(yōu)化，生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量和價(jià)值提升，有效利用能源資源，提升管控能力和水平為目標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)鋼鐵生產(chǎn)全流程“工藝上物流最佳，裝備上信息化、智能化程度最高，成本最低”。

鋼鐵業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，鋼鐵智能制造體系的的構(gòu)建與建設(shè)是一個(gè)復(fù)雜、系統(tǒng)的工程，從鋼鐵智能制造體系構(gòu)建出發(fā)，應(yīng)包括：建設(shè)覆蓋ERP、MES、APS、EMS系統(tǒng)及生產(chǎn)調(diào)度、倉(cāng)儲(chǔ)物流管理等全流程的信息化綜合智能管理體系，實(shí)現(xiàn)訂單、計(jì)劃、生產(chǎn)、倉(cāng)儲(chǔ)物流、服務(wù)等全過(guò)程的實(shí)時(shí)跟蹤、動(dòng)態(tài)閉環(huán)控制和智慧管理；建立能源管控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)能源管理從經(jīng)驗(yàn)型到分析型調(diào)度職能的轉(zhuǎn)變；建設(shè)完善工廠通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和全流程質(zhì)量數(shù)字化閉環(huán)管控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工藝流程中從原料、半成品到成品全過(guò)程的質(zhì)量檢測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、分析、處理及應(yīng)用；建設(shè)覆蓋全流程的自動(dòng)化系統(tǒng)和關(guān)鍵工序生產(chǎn)工藝在線數(shù)學(xué)模型、專家系統(tǒng)的應(yīng)用及控制優(yōu)化；在精度高、重復(fù)性高的崗位，使用機(jī)器人實(shí)現(xiàn)高效無(wú)人化操作。最終達(dá)到生產(chǎn)模擬化分析決策、過(guò)程量化管理、成本和質(zhì)量動(dòng)態(tài)跟蹤以及從原料到產(chǎn)成品的一體化協(xié)同優(yōu)化。實(shí)現(xiàn)鋼鐵企業(yè)過(guò)程控制、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率及安全生產(chǎn)大幅度提升的目標(biāo)。本文主要綜述內(nèi)容為覆蓋ERP、MES、APS、EMS系統(tǒng)等信息化綜合管理體系及全流程質(zhì)量管控體系、工業(yè)機(jī)器人等相關(guān)智能智能制造技術(shù)建設(shè)和發(fā)展概況。

2 信息化綜合管理體系建設(shè)及應(yīng)用

2.1 MES、ERP系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展概況

信息化的建設(shè)與應(yīng)用有效改善企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程、管理模式和經(jīng)營(yíng)成效，已成為現(xiàn)代制造企業(yè)提高競(jìng)爭(zhēng)力、實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的必由之路。孫雪嬌［1］認(rèn)為，完整的企業(yè)信息化管理系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)分為設(shè)備控制、過(guò)程控制、生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)、企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)(ERP)和企業(yè)間管理系統(tǒng)及決策系統(tǒng)等5個(gè)層次，五層系統(tǒng)之間相互集成、相互協(xié)調(diào)。

企業(yè)資源計(jì)劃(ERP)是一種現(xiàn)代企業(yè)管理理念和方法，一直是鋼鐵業(yè)管理信息化的熱點(diǎn)之一。作為一種信息綜合管理信息系統(tǒng)，其功能模塊包括生產(chǎn)控制、物流、采購(gòu)和財(cái)務(wù)管理等部分；具有多關(guān)鍵應(yīng)用、業(yè)務(wù)流程化、多數(shù)據(jù)相關(guān)等特點(diǎn)［2］，主要功能為：利用互聯(lián)網(wǎng)開(kāi)展企業(yè)全面制造成本系統(tǒng)化管理，將供應(yīng)商的資源、企業(yè)內(nèi)部的經(jīng)營(yíng)活動(dòng)、客戶需求等上游原料-內(nèi)部生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)-下游客戶的各個(gè)方面信息與計(jì)劃融合，為企業(yè)最大限度降低營(yíng)運(yùn)成本、管理決策提供最優(yōu)決策的管理平臺(tái)。并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)企業(yè)供應(yīng)鏈的全面規(guī)劃、控制和管理。即，以精益生產(chǎn)方式改變傳統(tǒng)生產(chǎn)管理方式；具有產(chǎn)業(yè)鏈全面管理、戰(zhàn)略決策功能，全面推進(jìn)企業(yè)向數(shù)字化和智能化方向發(fā)展，從而實(shí)現(xiàn)企業(yè)高效率管理、服務(wù)水平的綜合提升和戰(zhàn)略發(fā)展［3］。

企業(yè)信息化管理體系的層次通常劃分為基礎(chǔ)自動(dòng)化層、生產(chǎn)控制層、生產(chǎn)執(zhí)行層、企業(yè)計(jì)劃及管理決策層等4層體系結(jié)構(gòu)。4個(gè)層級(jí)之間信息通過(guò)上下傳遞的相互緊密聯(lián)系將形成閉環(huán)。如，下達(dá)流程：管理級(jí)的計(jì)劃信息→車(chē)間級(jí)→具體生產(chǎn)過(guò)程→具體的生產(chǎn)；上傳流程則與上述過(guò)程相反。顯然，生產(chǎn)執(zhí)行層(車(chē)間級(jí))成為過(guò)程級(jí)與管理級(jí)信息紐帶，起到承上啟下、前后貫穿的作用。因此，在制造企業(yè)中，有必要加強(qiáng)生產(chǎn)過(guò)程執(zhí)行系統(tǒng)MES(Manufacturing Execution System)的建設(shè)和實(shí)施，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)與計(jì)劃之間的有效融合［4］。

國(guó)際制造執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)會(huì)對(duì)MES的定義是：通過(guò)信息的傳遞，對(duì)從訂單下達(dá)開(kāi)始到產(chǎn)品完成的整個(gè)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化的管理，對(duì)工廠發(fā)生的實(shí)時(shí)事件及時(shí)做出相應(yīng)的反應(yīng)、報(bào)告、指導(dǎo)和處理［5］。MES為上一級(jí)企業(yè)計(jì)劃與管理系統(tǒng)提供所需的各類生產(chǎn)運(yùn)行信息，向下層過(guò)程控制系統(tǒng)發(fā)布生產(chǎn)計(jì)劃指令，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程不同區(qū)域信息共享的一體化管理，基本要求為：實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造流程全過(guò)程的生產(chǎn)、質(zhì)量、物流、計(jì)劃和調(diào)度優(yōu)化；在線收集各層級(jí)、區(qū)域生產(chǎn)、設(shè)備及成本核算數(shù)據(jù)，按要求進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤，實(shí)現(xiàn)的信息的雙向傳遞與集成。

隨著國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)信息化建設(shè)的不斷深入，MES近年得到飛速發(fā)展。國(guó)內(nèi)典型MES的應(yīng)用架構(gòu)由MMS(制造管理系統(tǒng))和PES(生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng))組成，其中，MMS主要實(shí)現(xiàn)包括煉鋼、熱軋、冷軋的訂單、質(zhì)量、生產(chǎn)合同、作業(yè)計(jì)劃管理等工廠全流程的質(zhì)量、生產(chǎn)和物流等的管理功能以及計(jì)劃排程；一般整個(gè)企業(yè)或生產(chǎn)區(qū)域設(shè)置一個(gè)MMS；PES負(fù)責(zé)執(zhí)行覆蓋工廠各制造單元MMS層面下發(fā)的包括各個(gè)工序工藝的質(zhì)檢、作業(yè)命令、工器具、生產(chǎn)實(shí)績(jī)管理等生產(chǎn)計(jì)劃和質(zhì)量要求，并進(jìn)行通信以及現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行、調(diào)整和控制，一般一個(gè)或多個(gè)制造單元/工序設(shè)置一個(gè)PES［5］。我國(guó)寶信軟件的MES解決方案主要包括：訂單、生產(chǎn)、質(zhì)量、計(jì)劃、備件設(shè)備、倉(cāng)儲(chǔ)、物料跟蹤、實(shí)績(jī)管理等功能模塊，廣泛應(yīng)用于寶鋼、馬鋼、漣鋼、邯鋼、包鋼、梅山鋼鐵等［6］企業(yè)，達(dá)到提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量、降低消耗目標(biāo)。為進(jìn)一步提高質(zhì)量控制、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控能力，程浩等［7］設(shè)計(jì)了針對(duì)智慧工廠實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的MES軟件系統(tǒng)，并研究、實(shí)現(xiàn)了MES系統(tǒng)與柔性制造系統(tǒng)(FMS)之間的功能集成，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)智慧工廠實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的生產(chǎn)調(diào)度和監(jiān)控，改善生產(chǎn)管理水平。龔悅［8］為滿足棒線材生產(chǎn)線信息化需求，設(shè)計(jì)的軋材產(chǎn)線MES實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)有的信息系統(tǒng)與ERP系統(tǒng)的高度整合。MES系統(tǒng)提供的準(zhǔn)確動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，為質(zhì)量分析和優(yōu)化提供了依據(jù)，提高了產(chǎn)品成材率，提升了整體生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管控水平，能夠滿足生產(chǎn)需求［8］。

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)云和大數(shù)據(jù)技術(shù)等革命性的信息技術(shù)極大地促進(jìn)了制造業(yè)的管理和運(yùn)營(yíng)效益。在相對(duì)傳統(tǒng)的鋼鐵行業(yè)，隨著ERP、MES、CRM、SCM、電子商務(wù)等系統(tǒng)的建設(shè)，信息系統(tǒng)也得到了廣泛的應(yīng)用。劉銀山［9］認(rèn)為，在實(shí)施大數(shù)據(jù)技術(shù)在鋼鐵企業(yè)運(yùn)營(yíng)中的應(yīng)用時(shí)，應(yīng)結(jié)合企業(yè)自身實(shí)際需求建立與企業(yè)自身生產(chǎn)營(yíng)運(yùn)和發(fā)展規(guī)劃目標(biāo)相適應(yīng)的大數(shù)據(jù)技術(shù)管控體系，應(yīng)圍繞企業(yè)效益目標(biāo)，解決重點(diǎn)需求，求實(shí)務(wù)實(shí)效，依據(jù)整體規(guī)劃，分步進(jìn)行原則進(jìn)行實(shí)施。采用獲得數(shù)據(jù)化支持建立多元合作平臺(tái)、建立自己在互聯(lián) 網(wǎng)上的平臺(tái)、與大數(shù)據(jù)分析和挖掘公司合作等措施，從而為企業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了良好的效果。

2.2 生產(chǎn)計(jì)劃排程系統(tǒng)

我國(guó)部分鋼鐵企業(yè)在三、四級(jí)系統(tǒng)的建設(shè)及應(yīng)用方面取得了一定的成果，很好地實(shí)現(xiàn)了資源的整合，但其在生產(chǎn)計(jì)劃領(lǐng)域存在難以提供高質(zhì)量的生產(chǎn)計(jì)劃方案的不足。在新的時(shí)期，鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)管理模式由面向庫(kù)存生產(chǎn)的傳統(tǒng)計(jì)劃模式向面向訂單、客戶化定制模式轉(zhuǎn)變。高效、快速獲得滿足客戶需求、靈活應(yīng)變的生產(chǎn)計(jì)劃并有效提高生產(chǎn)效率，成為鋼鐵企業(yè)管理信息化進(jìn)一步發(fā)展的必然需求。這使得高級(jí)計(jì)劃排程(APS)成為信息化的熱點(diǎn)。

邵志芳［10］針對(duì)高級(jí)規(guī)劃與排程系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行了研究，指出APS與ERP系統(tǒng)的整合是鋼鐵行業(yè)未來(lái)信息化的發(fā)展方向。在現(xiàn)有資源條件下，APS(高級(jí)排程系統(tǒng))將計(jì)劃排查模塊從MES系統(tǒng)和ERP系統(tǒng)中分離出來(lái)，作為ERP系統(tǒng)的重要補(bǔ)充，解決ERP系統(tǒng)能整合企業(yè)資源，但欠缺排程功能的問(wèn)題。其在主數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)及邏輯的規(guī)范和交換的復(fù)雜關(guān)系方面與多個(gè)系統(tǒng)關(guān)系密切，能根據(jù)具體企業(yè)人力、工具、生產(chǎn)設(shè)備與產(chǎn)能，缺料、停機(jī)等異常情況及插單、數(shù)量工期調(diào)整等臨時(shí)情況并結(jié)合訂單、派工單、生產(chǎn)工藝、庫(kù)存等相關(guān)信息，通過(guò)科學(xué)的優(yōu)化算法來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排產(chǎn)和對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)異常情況處理［11］，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃的調(diào)整和優(yōu)化，達(dá)到產(chǎn)量最大、過(guò)程控制最優(yōu)目的。魏震［5］分析了鋼鐵企業(yè)MES在計(jì)劃排程方面存在的問(wèn)題，基于寶信軟件的MES+APS解決方案實(shí)施了APS系統(tǒng)與MES的整合，提高了生產(chǎn)計(jì)劃排程工作的效率和交貨率，庫(kù)存顯著降低，煉鋼-連鑄-軋材工序間組織更為合理，熱裝熱送率得到提高，降低成本。何詩(shī)興等［12］通過(guò)與ERP集成的APS系統(tǒng)編制某鋼鐵廠熱軋生產(chǎn)計(jì)劃，在具體工藝流程、設(shè)備狀態(tài)下結(jié)合產(chǎn)品庫(kù)存，實(shí)現(xiàn)了煉鋼、軋材產(chǎn)品月度生產(chǎn)計(jì)劃與交貨訂單計(jì)劃的動(dòng)態(tài)優(yōu)化與匹配。施燦濤等［13］通過(guò)順序圖和活動(dòng)圖構(gòu)造了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型［14］，對(duì)APS系統(tǒng)中的訂單計(jì)劃進(jìn)行詳細(xì)分析，實(shí)現(xiàn)將生產(chǎn)訂單拆分到工序進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)及庫(kù)存、產(chǎn)能匹配來(lái)實(shí)現(xiàn)物流和產(chǎn)能的平衡。

2.3 能源管控系統(tǒng)

鋼鐵流程生產(chǎn)工藝是復(fù)雜的碳—鐵化工轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，冶金過(guò)程既包括宏觀的熱平衡、物料平衡的能耗轉(zhuǎn)換，也包括熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)和氣、固、液三相流體力學(xué)作用的微觀能耗。作為典型的高物耗和高能耗行業(yè)，鋼鐵工業(yè)的能耗、新水消耗及固體廢棄物、二氧化硫、廢水排放量分別占工業(yè)總量的23%、3%、16%、8%、8%左右［15］，其中能耗占全國(guó)總能耗的16.1%以上。因此，能源的合理調(diào)度和有效利用，對(duì)降低企業(yè)消耗，實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用、改善環(huán)境，實(shí)現(xiàn)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用、產(chǎn)生的一、二次能源種類多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鋼鐵企業(yè)傳統(tǒng)的能源管理模式一般采用宏觀手段調(diào)節(jié)能源的生產(chǎn)、消耗，管理調(diào)控對(duì)象集中在單一能源介質(zhì)或設(shè)備，統(tǒng)計(jì)計(jì)算、分析和周期較長(zhǎng)，整體上缺乏動(dòng)態(tài)性、層次性、和全局性，能源利用率不高?，F(xiàn)代鋼鐵企業(yè)的能源管理需求以實(shí)現(xiàn)鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程能源資源最優(yōu)配置為目標(biāo)，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的能源消耗、能源回收進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、分析利用和動(dòng)態(tài)優(yōu)化，既確保滿足生產(chǎn)需要，也做到避免二次能源浪費(fèi)和減少能源外購(gòu)量。

鋼鐵企業(yè)能源能源管理系統(tǒng)EMS(Energy Management System)是實(shí)現(xiàn)企業(yè)能源自動(dòng)化、科學(xué)化管理，提高能源管理水平的主要技術(shù)手段之一。能源管控中心是能源管理系統(tǒng)建設(shè)的核心單元，商孟濤等［16］認(rèn)為，完善的能源管理系統(tǒng)應(yīng)包括網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、自動(dòng)化系統(tǒng)和相關(guān)計(jì)量?jī)x表，實(shí)現(xiàn)能源實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控和傳輸；依靠數(shù)據(jù)庫(kù)綜合集成相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)能源計(jì)劃、統(tǒng)計(jì)報(bào)表等功能的全方位管理；對(duì)重要能源介質(zhì)，應(yīng)與生產(chǎn)管理系統(tǒng)緊密結(jié)合并實(shí)現(xiàn)事前調(diào)度、統(tǒng)一管理，使能源系統(tǒng)處于具體條件下最佳平衡安全運(yùn)行狀態(tài)，能源調(diào)度系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)從經(jīng)驗(yàn)型到分析型職能的轉(zhuǎn)變。徐雪松等［17］總結(jié)了鋼鐵企業(yè)各種能源管控模式的優(yōu)勢(shì)與不足，提出了在大數(shù)據(jù)和云平臺(tái)背景下的能源管理應(yīng)從能源管理中心職能優(yōu)化、能源管控模式優(yōu)化以及先進(jìn)能源管理信息系統(tǒng)建設(shè)優(yōu)化等方面入手，推進(jìn)包括從用能結(jié)構(gòu)調(diào)整、節(jié)能量化管理、能源梯級(jí)利用、系統(tǒng)整體節(jié)能等各方面內(nèi)容的能源管理現(xiàn)代化和信息化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)鋼鐵企業(yè)能源管理的低碳化、集成化及高效化。

EMS是以分布式結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，總體架構(gòu)包含現(xiàn)場(chǎng)控制、網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)庫(kù)支持、能源管理與決策，EMS使用的軟件平臺(tái)系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫(kù)、應(yīng)用管理三個(gè)層次。鋼鐵企業(yè)的能源系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的能源網(wǎng)絡(luò)，鋼鐵企業(yè)能源之間存在隨著鋼鐵生產(chǎn)制造的過(guò)程源源不斷發(fā)生轉(zhuǎn)換、替代、轉(zhuǎn)換效率等密切相互關(guān)系。為滿足實(shí)時(shí)高效的管控需要。袁野等［18］利用三維信息技術(shù)具有的多維空間數(shù)據(jù)分析處理能力、對(duì)空間信息表達(dá)直觀真實(shí)等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)能源管理系統(tǒng)與監(jiān)控設(shè)備三維地理信息的無(wú)縫結(jié)合，顯著地提高了系統(tǒng)、設(shè)備、管網(wǎng)狀態(tài)等信息的即時(shí)性和全面性。從而提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性和安全性。裴永紅［19］基于實(shí)現(xiàn)能源自動(dòng)監(jiān)控和系統(tǒng)優(yōu)化為出發(fā)點(diǎn)，在某千萬(wàn)噸級(jí)規(guī)模鋼鐵生產(chǎn)基地初步建成了EMS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋼鐵生產(chǎn)能源介質(zhì)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和能源裝置的全面遠(yuǎn)程控制，噸鋼綜合能耗降至572kgce/t，提前實(shí)現(xiàn)國(guó)家制定的規(guī)劃要求。陳滿等［20］構(gòu)建完成了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的數(shù)字化工廠能源管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了工廠對(duì)能耗整體狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和可視化管理。并基于對(duì)適時(shí)數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)的分析得到能耗總量動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)和趨勢(shì)分析，為優(yōu)化資源利用、降低能耗成本結(jié)構(gòu)指明方向。

胡炎東［21］引入大數(shù)據(jù)概念，建立產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)能耗設(shè)計(jì)、整合生產(chǎn)實(shí)績(jī)及工藝數(shù)據(jù)、構(gòu)建工序能源成本最優(yōu)模型，進(jìn)行工序能耗影響因素相關(guān)性分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中的能耗數(shù)據(jù)異常，進(jìn)一步降低了噸鋼能源成本。陳素君等［2］從鋼鐵企業(yè)能源管理角度出發(fā)，提出建設(shè)包括企業(yè)單系統(tǒng)、大系統(tǒng)、企業(yè)內(nèi)外綜合系統(tǒng)三個(gè)層面的智慧能源體系的構(gòu)想，實(shí)現(xiàn)企業(yè)能源管理的智慧化，提升企業(yè)能源綜合管理水平和企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。徐萍等［23］通過(guò)在某廠熱軋搭建能源消耗管理系統(tǒng)及能源精細(xì)化管理，對(duì)產(chǎn)線機(jī)組、設(shè)備等能源數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集監(jiān)控和對(duì)產(chǎn)線各能源數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)了熱軋產(chǎn)線精確到每一塊板坯能耗的跟蹤、計(jì)算、關(guān)鍵生產(chǎn)數(shù)據(jù)整合的能源精細(xì)化管理，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的整合利于為不同鋼種進(jìn)行能耗標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和分析不同鋼種的能耗影響因素，從而為降低熱軋工序能耗、優(yōu)化能源成本提供了支撐。

目前，國(guó)內(nèi)能源管控系統(tǒng)平臺(tái)建設(shè)模式分為動(dòng)力分立系統(tǒng)、總部-分中心、一體化綜合平臺(tái)、區(qū)域集控站及電力等模式。為更好地對(duì)企業(yè)的能源進(jìn)行綜合管控，能源管控系統(tǒng)平臺(tái)建設(shè)模式應(yīng)與本企業(yè)能源系統(tǒng)實(shí)際情況相契合［24］。為提高EMS系統(tǒng)功能模型的開(kāi)發(fā)、調(diào)試和維護(hù)效率，彭興等［25］設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)了一種基于圖形化組態(tài)的、可兼容IFIX等常用工況監(jiān)控軟件平臺(tái)的高級(jí)應(yīng)用軟件系統(tǒng)，使得監(jiān)控平臺(tái)不僅實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、系統(tǒng)管理等基礎(chǔ)功能，也實(shí)現(xiàn)了調(diào)度優(yōu)化、能源平衡預(yù)測(cè)等高級(jí)應(yīng)用功能。郭豪等［26］通過(guò)能源精準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、信息咨詢服務(wù)等平臺(tái)建設(shè)，在信息技術(shù)綜合服務(wù)平臺(tái)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出精準(zhǔn)化能源管控集成系統(tǒng)，在某廠應(yīng)用后減少噸鋼CO2排放45kg，降低噸鋼綜合能耗3～5%。

2.4 運(yùn)輸物流智能管理系統(tǒng)

鋼鐵企業(yè)具有流程長(zhǎng)、生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)涉及物料數(shù)量龐大的特點(diǎn)。從物流運(yùn)輸流程流向劃分，包括鋼鐵企業(yè)的原、燃、輔、料供應(yīng)，內(nèi)部生產(chǎn)流程及生產(chǎn)過(guò)程中固廢處理、回收利用，鋼材產(chǎn)品銷售給下游企業(yè)等過(guò)程。其中：出、入廠物流涉及采購(gòu)對(duì)象、計(jì)量、運(yùn)輸工具、銷售對(duì)象等眾多信息；廠內(nèi)物流則包含物料進(jìn)廠后的卸車(chē)、儲(chǔ)存、冶煉、軋制、入庫(kù)等環(huán)節(jié)；從運(yùn)輸方式上劃分，入廠、出廠包括汽車(chē)、火車(chē)、輪船等方式；廠內(nèi)物流又包含輥道、天車(chē)、臺(tái)車(chē)等生產(chǎn)制造物流及部分鐵水火車(chē)的廠內(nèi)內(nèi)運(yùn)輸物流。因此，做好做優(yōu)數(shù)量龐大、過(guò)程繁復(fù)的鋼鐵企業(yè)物流管理，對(duì)物流運(yùn)輸成本優(yōu)化、改善經(jīng)營(yíng)具有重要意義。實(shí)現(xiàn)物流協(xié)同優(yōu)化、動(dòng)態(tài)調(diào)度、實(shí)時(shí)跟蹤及在線監(jiān)控成為鋼鐵企業(yè)廠內(nèi)運(yùn)輸物流管理系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢(shì)［27～28］。王懿等［29］基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開(kāi)發(fā)出包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三層架構(gòu)的廠內(nèi)運(yùn)輸物流管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了包括物資需求、調(diào)度、倉(cāng)儲(chǔ)等物流系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化管理，實(shí)現(xiàn)物流運(yùn)輸?shù)母咝?、低成本運(yùn)行。解決了針對(duì)鋼鐵企業(yè)廠內(nèi)物流管理專業(yè)化水平低、物資運(yùn)輸效率不高和物流管理系統(tǒng)智能化程度低、物流調(diào)度協(xié)同性差等問(wèn)題。

2.5 煉鋼生產(chǎn)調(diào)度、設(shè)備管理系統(tǒng)

煉鋼動(dòng)態(tài)調(diào)度系統(tǒng)從根本上改變了傳統(tǒng)的的依據(jù)人工經(jīng)驗(yàn)計(jì)劃編排方式，以從連鑄作業(yè)計(jì)劃逆向生成其他生產(chǎn)工序計(jì)劃的方式，完成了脫硫、轉(zhuǎn)爐、精煉、連鑄等整個(gè)煉鋼所有工序的生產(chǎn)計(jì)劃編排。為復(fù)雜的煉鋼生產(chǎn)調(diào)度作業(yè)提供更為便捷、快速、科學(xué)的計(jì)劃編制平臺(tái)，企業(yè)設(shè)備分配更加合理，最大限度利用資源。徐露露等［30］針對(duì)煉鋼生產(chǎn)流程調(diào)度系統(tǒng)中的模型管理問(wèn)題，采用面向?qū)ο蟮慕７椒?，根?jù)實(shí)際生產(chǎn)流程調(diào)度問(wèn)題自動(dòng)生成求解模型的調(diào)度系統(tǒng)模型庫(kù)，將生產(chǎn)調(diào)度模型進(jìn)行規(guī)范化、模塊化轉(zhuǎn)換，建立了一套可實(shí)現(xiàn)模型自匹配和模型自重構(gòu)的模型生成的機(jī)制，并使用生成的新模型結(jié)合相應(yīng)的算法求解目標(biāo)調(diào)度問(wèn)題，得到的優(yōu)化模型具有良好的實(shí)用性和有效性，從而使動(dòng)態(tài)調(diào)度系統(tǒng)具有高度可視化和可配置性，在提高生產(chǎn)節(jié)奏的同時(shí)，降低生產(chǎn)成本，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和管理水平［31］。

設(shè)備是企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)在線診斷，對(duì)掌握設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)、制定檢修計(jì)劃、優(yōu)化關(guān)鍵設(shè)備備件具有重要的意義。隨著時(shí)代的發(fā)展，鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備具有大型化、自動(dòng)化和復(fù)雜化的發(fā)展趨勢(shì)，借助信息化網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備管理系統(tǒng)成為企業(yè)實(shí)現(xiàn)在線診斷、設(shè)備全生命周期管理，達(dá)到高效綜合管理的有力手段，也成為企業(yè)信息化綜合管理體系建設(shè)的主要內(nèi)容之一。熊莉萍等［32］圍繞設(shè)備的技術(shù)狀態(tài)、點(diǎn)檢檢修制度、維修費(fèi)用、物料合同、特種設(shè)備檔案、報(bào)表等各個(gè)方面的信息，具體分析了系統(tǒng)功能模塊及編碼規(guī)則的制定，構(gòu)建了具有綜合信息化意義的設(shè)備管理系統(tǒng)；董磊等［33］通過(guò)全面設(shè)備狀態(tài)診斷系統(tǒng)平臺(tái)的建設(shè)，完成將人工點(diǎn)巡檢結(jié)果向信息化系統(tǒng)傳遞的嘗試，使設(shè)備管理人員更為及時(shí)掌握設(shè)備的運(yùn)行狀況，更好的實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的管理和維護(hù)，提升設(shè)備管理水平。此外，王東東［34］研發(fā)了基于PDCA循環(huán)工作模式搭建的設(shè)備管理信息平臺(tái)系統(tǒng)，檢修計(jì)劃性得到加強(qiáng)，有效減少設(shè)備搶修次數(shù)和故障停機(jī)時(shí)間。胡浩［35］通過(guò)建設(shè)設(shè)備全生命周期管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備管理體系中的設(shè)備、項(xiàng)目、人力資源等費(fèi)用的全方位和全口徑的精細(xì)化管理。

3 鋼鐵全流程質(zhì)量管控系統(tǒng)

中國(guó)鋼鐵產(chǎn)業(yè)經(jīng)過(guò)多年連續(xù)高速發(fā)展，形成高產(chǎn)能、高成本、低利潤(rùn)的新局面。需求由追求數(shù)量的傳統(tǒng)模式轉(zhuǎn)變?yōu)樘嵘a(chǎn)效率和全面提升產(chǎn)品的質(zhì)量控制能力。提供個(gè)性化質(zhì)量服務(wù)、強(qiáng)化過(guò)程質(zhì)量控制、提高客戶質(zhì)量滿意度等成為提升企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力新的要素。鋼鐵流程具有流程長(zhǎng)、生產(chǎn)工序、關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)眾多的特點(diǎn)，這給最終產(chǎn)品質(zhì)量的全面管控帶來(lái)極大難度。隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，全面質(zhì)量管理的重要理念應(yīng)運(yùn)而生：以鋼鐵工藝流程產(chǎn)生的大量過(guò)程數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用“兩化融合”的方法論并結(jié)合PDCA管理理念建立的全流程質(zhì)量管控平臺(tái)，將信息系統(tǒng)與質(zhì)量管理完美結(jié)合，以全流程挖掘質(zhì)量數(shù)據(jù)及分析為手段，對(duì)質(zhì)量動(dòng)態(tài)控制過(guò)程實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化、趨勢(shì)化管理，對(duì)全面提高鋼鐵流程煉鋼、熱軋、冷軋的生產(chǎn)管控和質(zhì)量過(guò)程發(fā)揮重要作用，達(dá)到顯著提高決策質(zhì)量、提升質(zhì)量管理工作效率、降低質(zhì)量成本，增強(qiáng)高端產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性目的［36］。

全流程質(zhì)量管控系統(tǒng)的建立能持續(xù)改進(jìn)企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量，并有效控制企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)成本。通過(guò)系統(tǒng)收集鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的關(guān)鍵參數(shù)數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)構(gòu)建基于鋼鐵企業(yè)各個(gè)工序工藝流程的鋼鐵產(chǎn)品全流程質(zhì)量管控信息化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝生產(chǎn)全過(guò)程質(zhì)量數(shù)據(jù)的包括預(yù)測(cè)、診斷及評(píng)價(jià)分析等各個(gè)功能的在線質(zhì)量控制，實(shí)現(xiàn)將質(zhì)量問(wèn)題消除在生產(chǎn)過(guò)程中并具有全過(guò)程質(zhì)量的可追溯性，是建設(shè)全流程質(zhì)量管控系統(tǒng)的目的。

張秋琳等［37］利用產(chǎn)品全過(guò)程質(zhì)量管控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中的海量質(zhì)量數(shù)據(jù)，將數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法引入鋼鐵企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量管控的在線應(yīng)用，建立了多元回歸分析模型、方差及相關(guān)性、主成分分析模型，并應(yīng)用控制理論中的控制圖法，對(duì)各個(gè)關(guān)鍵工序生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)預(yù)警，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集頻率小于1s、精度小于0.001，過(guò)程參數(shù)預(yù)警小于500ms；產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)價(jià)準(zhǔn)確率可達(dá)到90%以上。李勝［38］結(jié)合國(guó)內(nèi)某大型鋼鐵企業(yè)質(zhì)量管理信息化的建設(shè)，提出質(zhì)量控制信息化管理系統(tǒng)應(yīng)具有企業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)管理、質(zhì)量設(shè)計(jì)、檢驗(yàn)、質(zhì)量判定及質(zhì)量分析優(yōu)化等內(nèi)容及功能，并實(shí)現(xiàn)企業(yè)PDCA質(zhì)量循環(huán)。該體系實(shí)施上線后解決了無(wú)系統(tǒng)或單一系統(tǒng)帶來(lái)的質(zhì)量信息孤島現(xiàn)象嚴(yán)重、質(zhì)量控制難等問(wèn)題，為提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、產(chǎn)品質(zhì)量起到重要作用。張國(guó)紅等［36］基于具有數(shù)據(jù)自動(dòng)分析、決策功能的全流程質(zhì)量管控平臺(tái)，通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流處理、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術(shù)建立一體化數(shù)據(jù)共享平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了鋼廠從鋼水投料開(kāi)始到鋼材成品產(chǎn)出間所有工序的質(zhì)量數(shù)據(jù)集成。并進(jìn)一步地，利用統(tǒng)計(jì)方法、數(shù)學(xué)模型對(duì)集成的數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控、診斷和分析優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量全面提升，提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

4 工業(yè)機(jī)器人

工業(yè)機(jī)器人是一種多自由度的、多功能的、可編程的新型機(jī)電一體化設(shè)備。作為交叉多學(xué)科領(lǐng)域中的高新技術(shù)成果，工業(yè)機(jī)器人由驅(qū)動(dòng)裝置、控制系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、檢測(cè)裝置及復(fù)雜機(jī)械等組成［39］；按照本體的構(gòu)成結(jié)構(gòu)可分為關(guān)節(jié)型、直角、球坐標(biāo)、圓柱機(jī)器人等。其中，關(guān)節(jié)型機(jī)器人具有工作空間大、自由度高等優(yōu)點(diǎn)［40］，使得運(yùn)用工業(yè)機(jī)器人完成搬運(yùn)材料、操持工具等作業(yè)成為現(xiàn)實(shí)。隨著信息及人工智能技術(shù)的不斷完善，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大。

真正的“4.0”的慨念是實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)作，由機(jī)器完成單調(diào)、重復(fù)性高、危險(xiǎn)性強(qiáng)的工作，而由人完成機(jī)器不能或者難以完成的工作。鋼鐵生產(chǎn)流程中既存在如轉(zhuǎn)爐、高爐爐前等高溫、高粉塵惡劣環(huán)境且勞動(dòng)強(qiáng)度大、危險(xiǎn)性高的作業(yè)崗位，也存在冷軋、熱軋等實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化集成的工序，這為工業(yè)機(jī)器人在鋼鐵生產(chǎn)線的廣泛應(yīng)用提供了舞臺(tái)［41～42］，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用有效解決環(huán)境對(duì)鋼鐵安全、生產(chǎn)工作的影響，并顯著提高企業(yè)生產(chǎn)效率。在互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)飛速發(fā)展的背景下，利用全自動(dòng)化、智能化的工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)高效率、高精度智能操作的生產(chǎn)模式成為企業(yè)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率最大化的未來(lái)發(fā)展方向［43～44］。

在全球鋼鐵產(chǎn)能過(guò)剩和電子信息技術(shù)高速發(fā)展的背景下，鋼材產(chǎn)品市場(chǎng)由低成本、標(biāo)準(zhǔn)化、大批量需求轉(zhuǎn)向差異化、多元化需求，需求模式的轉(zhuǎn)變對(duì)傳統(tǒng)倉(cāng)庫(kù)管理的收貨、存儲(chǔ)、揀選、發(fā)貨等基本環(huán)節(jié)中帶來(lái)很大影響，面由此對(duì)制造成本的降低和效率的提升帶來(lái)的挑戰(zhàn)?；谧詣?dòng)感知識(shí)別、人工智能技術(shù)機(jī)器人的智慧倉(cāng)儲(chǔ)發(fā)揮了積極的作用［45］，表現(xiàn)在：配備人工智能算法和3D視覺(jué)的機(jī)器手完成了對(duì)各類不同重量、外形產(chǎn)品的抓取作業(yè)；配備導(dǎo)航設(shè)備并具有調(diào)度功能的自動(dòng)導(dǎo)引小車(chē)機(jī)器人可以協(xié)同完成入庫(kù)、出庫(kù)、裝運(yùn)、卸車(chē)等搬運(yùn)類作業(yè)。人機(jī)間的友好高效協(xié)作使得傳統(tǒng)倉(cāng)儲(chǔ)物流系統(tǒng)由剛性變?yōu)槿嵝裕锪髯鳂I(yè)更加精準(zhǔn)和高效，并具有感知、推理判斷、自學(xué)習(xí)和自行解決物流問(wèn)題的能力。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)信息化建設(shè)的不斷深入，ERP、MES、APS、EMS等先進(jìn)的管理思想和信息化綜合管理系統(tǒng)相繼被企業(yè)引入、吸收、創(chuàng)新及應(yīng)用。MES系統(tǒng)成為鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)制造、管理信息集成的紐帶，在信息化綜合管理體系運(yùn)行中，APS系統(tǒng)將排產(chǎn)信息共享給ERP系統(tǒng)，由ERP系統(tǒng)進(jìn)行信息整合、訂單創(chuàng)建后發(fā)送到MES系統(tǒng)對(duì)接生產(chǎn)實(shí)績(jī)，形成三個(gè)系統(tǒng)的無(wú)縫對(duì)接；建立能源管控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)能源管理從經(jīng)驗(yàn)型到分析型調(diào)度職能的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)能源資源的最優(yōu)配置并提高運(yùn)行的安全性、可靠性和穩(wěn)定性；全流程質(zhì)量管控系統(tǒng)的建立實(shí)現(xiàn)原燃料、中間及最終產(chǎn)品的全過(guò)程質(zhì)量分析、預(yù)測(cè)、診斷及評(píng)價(jià)并具有全過(guò)程質(zhì)量的可追溯性；基于人工智能的工業(yè)機(jī)器人在精度高、重復(fù)性高的崗位實(shí)現(xiàn)高效無(wú)人化操作。鋼鐵智能制造體系的構(gòu)建與實(shí)施使得企業(yè)在安全生產(chǎn)、過(guò)程控制、資源配置等方面的管理效率及水平顯著提升，有效控制運(yùn)營(yíng)成本。這表明，將新一代信息技術(shù)與制造技術(shù)深度融合的智能制造技術(shù)與管理體系，已經(jīng)成為應(yīng)用于整個(gè)制造活動(dòng)各個(gè)環(huán)節(jié)的新型生產(chǎn)方式和發(fā)展方向?；谛畔⒒夹g(shù)，構(gòu)建與建設(shè)適合鋼鐵生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)、企業(yè)發(fā)展需求的智能制造體系，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)流程優(yōu)化，推進(jìn)生產(chǎn)工藝控制系統(tǒng)與生產(chǎn)管控系統(tǒng)的深度融合，從而實(shí)現(xiàn)工藝、生產(chǎn)、質(zhì)量、檢驗(yàn)、能源、物流、設(shè)備、調(diào)度等過(guò)程精細(xì)化管理，質(zhì)量和成本動(dòng)態(tài)跟蹤、原材料到產(chǎn)成品流程的一體化協(xié)同優(yōu)化，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)中國(guó)鋼鐵工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)具有重大意義。