摘 要：文章主要以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)為載體，深度融合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)等數(shù)字化、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建一體化智能管控平臺(tái)，著力推動(dòng)特殊鋼冶煉在“數(shù)字工藝”“數(shù)字運(yùn)營”“數(shù)字制造”三個(gè)領(lǐng)域能力的改造提升，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)煉鋼系統(tǒng)的設(shè)備互聯(lián)互通、異構(gòu)系統(tǒng)集成、生產(chǎn)工藝優(yōu)化、質(zhì)量管控提升、業(yè)務(wù)無邊界協(xié)同、數(shù)據(jù)深度挖掘利用和大數(shù)據(jù)決策優(yōu)化，進(jìn)而推動(dòng)特殊鋼冶煉生產(chǎn)管控模式向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化邁進(jìn)，提高產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性，打造一體化智能管控平臺(tái)，建成智能制造樣板工程。

關(guān)鍵詞：智能管控平臺(tái)；特種材料； 大數(shù)據(jù) ；工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

Research on the Intelligent Control Platform for Special Materials Smelting

Chen Liang Guan Yongtao Chen Shuguang

（Department of Special Steel，Inner Mongolia North Heavy Industries Group Corp.，Ltd.，Baotou，Inner Mongolia 014030）

Abstract：Taking the industrial internet platform as the carrier，the paper builds an integrated intelligent management and control platform with digital and industrial internet technologies such as internet of things，big data，artificial intelligence，cloud computing，and machine learning to focus on the transformation and upgrading of special steel smelting capabilities in the three areas of digital process，digital operation and digital manufacturing.The key is to realize the interconnection of equipment in the steelmaking system，the integration of heterogeneous systems，the optimization of production processes，the improvement of quality control，the unbounded cooperation of business，the in-depth exploitation and utilization of data，and the optimization of big data decision-making so as to further drive the transformation of the special steel smelting production control model towards digitalization，networkization，intelligence，and standardization，improve product quality stability，build an integrated intelligent control platform，and establish a intelligent manufacturing pilot project.

Key words：intelligent control platform;special materials;big data;industrial internet technologies

1 關(guān)鍵難點(diǎn)分析

目前，數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)已成為制造企業(yè)發(fā)展的新引擎，推動(dòng)特鋼板塊整體向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化三化融合的生產(chǎn)和管理模式轉(zhuǎn)變具有迫切性和必要性。為此內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團(tuán)有限公司特鋼事業(yè)部制定了“十四五”戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃，并對(duì)信息化建設(shè)做了詳細(xì)的整體規(guī)劃部署，確立了特鋼在“數(shù)字工藝”“數(shù)字運(yùn)營”“數(shù)字制造”三個(gè)領(lǐng)域著力發(fā)展的目標(biāo)，其具體落實(shí)在信息基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、工藝數(shù)字化、管理數(shù)字化方面進(jìn)行改造升級(jí)、平臺(tái)搭建及業(yè)務(wù)構(gòu)建。

此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于重工業(yè)冶煉設(shè)備的智能控制、智能平臺(tái)領(lǐng)域?？傮w關(guān)鍵難點(diǎn)存在于以下幾個(gè)層面。在設(shè)備層面，部分關(guān)鍵設(shè)備仍采用自動(dòng)化儀表稱重，數(shù)據(jù)僅存于設(shè)備中，分析依靠人工記錄匯總，存在單臺(tái)獨(dú)立運(yùn)行的設(shè)備，設(shè)備之間沒能形成互聯(lián)互通；在系統(tǒng)層面，信息分散，質(zhì)量信息存儲(chǔ)于各個(gè)工序，設(shè)備信息存在于單臺(tái)設(shè)備，不能形成完整的數(shù)據(jù)匯總、對(duì)比和分析，都是需要什么統(tǒng)計(jì)什么分析什么，各系統(tǒng)獨(dú)立，系統(tǒng)間數(shù)據(jù)“孤島”明顯；在產(chǎn)線層面，數(shù)據(jù)松散依靠人工統(tǒng)計(jì)或需要二次加工，為工藝進(jìn)一步優(yōu)化分析提供不了可靠數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)顆粒度不一致，數(shù)據(jù)加工處理效率低。生產(chǎn)操作依賴經(jīng)驗(yàn)，缺乏數(shù)據(jù)化、標(biāo)準(zhǔn)化支撐；在車間層面，數(shù)據(jù)鏈不完整，不閉環(huán)，實(shí)際數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的對(duì)比不能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，各類數(shù)據(jù)之間互相支撐、互相驗(yàn)證的能力不足。數(shù)據(jù)價(jià)值缺乏有效挖掘，煉鋼車間各工序協(xié)同和全局優(yōu)化難，缺乏真正的數(shù)字孿生工廠；在管理層面，管理層難以掌握第一時(shí)間第一手經(jīng)營數(shù)據(jù)，專家團(tuán)隊(duì)作用難以最大化，數(shù)字化人才缺失。

2 國內(nèi)外行業(yè)對(duì)比

此項(xiàng)技術(shù)問題屬于特定產(chǎn)線定制類研發(fā)項(xiàng)目，國外一些綜合實(shí)力較強(qiáng)產(chǎn)業(yè)已實(shí)現(xiàn)大部分的智能制造生產(chǎn)模式，但因?qū)嶋H設(shè)備、硬件、軟件、各類模式不同并不可完全進(jìn)行復(fù)制智能制造產(chǎn)線。

3 技術(shù)原理

3.1 技術(shù)目標(biāo)及研究思路

智能化平臺(tái)總體目標(biāo)是建立一個(gè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，構(gòu)建數(shù)據(jù)中心和應(yīng)用中心兩個(gè)中心，制定“接口標(biāo)準(zhǔn)”“數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)”和“頁面標(biāo)準(zhǔn)”三大標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、信息、知識(shí)及智能的四類集成，連接“人、機(jī)、料、法、環(huán)”五類要素，形成生產(chǎn)、質(zhì)量、安環(huán)、成本、設(shè)備和能源六大場(chǎng)景智慧應(yīng)用，詳見圖1。

建立一體深度融合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)等數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)，基于IaaS、PaaS、SaaS新型工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，通過將批流結(jié)合的數(shù)據(jù)處理技術(shù)、實(shí)時(shí)和分布式存儲(chǔ)技術(shù)、大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)與特鋼事業(yè)部實(shí)際業(yè)務(wù)場(chǎng)景相結(jié)合，建設(shè)特鋼事業(yè)部一體化智能管控平臺(tái)。構(gòu)建“數(shù)據(jù)中心”和“應(yīng)用中心”兩大中心。面向特鋼事業(yè)部數(shù)據(jù)互聯(lián)互通、業(yè)務(wù)協(xié)同優(yōu)化建設(shè)的需要，規(guī)劃建設(shè)“數(shù)據(jù)中心，應(yīng)用中心”兩大中心。

一方面，基于數(shù)據(jù)中心將整個(gè)特鋼事業(yè)部設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、設(shè)備、操作、檢化驗(yàn)、監(jiān)測(cè)、決策、指標(biāo)等大量數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集、清洗、治理、存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)從手動(dòng)到自動(dòng)、從紙質(zhì)到數(shù)據(jù)化，實(shí)現(xiàn)整個(gè)特鋼事業(yè)部數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通。

另一方面，基于應(yīng)用中心從特鋼事業(yè)部生產(chǎn)管理提升的角度出發(fā)，結(jié)合平臺(tái)的SaaS層業(yè)務(wù)模塊，如圖形分析、算法分析、成本能耗分析、設(shè)備診斷分析、工況尋優(yōu)、質(zhì)量追溯、數(shù)據(jù)資產(chǎn)等，來解決現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)運(yùn)用不深入、不徹底的問題，強(qiáng)化數(shù)據(jù)賦能的作用，使數(shù)據(jù)得到深度分析和加工轉(zhuǎn)換，大大提升大量生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的利用價(jià)值，并將數(shù)據(jù)的價(jià)值反饋于生產(chǎn)管理過程的質(zhì)量分析、管控和優(yōu)化，以提高生產(chǎn)管理質(zhì)量和效率。

3.2 具體設(shè)計(jì)方案

基于特鋼事業(yè)部現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)條件，一體化智能管控平臺(tái)整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及一期平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)如下，設(shè)計(jì)方案按照三級(jí)等保要求進(jìn)行防護(hù)，詳見圖2。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在煉鋼車間各工序作業(yè)區(qū)部署現(xiàn)場(chǎng)智能網(wǎng)關(guān)、通訊管理機(jī)、數(shù)據(jù)采集機(jī)、工業(yè)交換機(jī)等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)或計(jì)量設(shè)備的互聯(lián)互通。將煉鋼系統(tǒng)數(shù)據(jù)接入數(shù)據(jù)中心，在線實(shí)時(shí)傳輸各種生產(chǎn)操作參數(shù)、檢化驗(yàn)數(shù)據(jù)、能源消耗數(shù)據(jù)等。在平臺(tái)側(cè)根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)量和開展的業(yè)務(wù)的需要，分配計(jì)算和存儲(chǔ)資源，劃配虛機(jī)資源，在虛機(jī)上部署平臺(tái)軟件系統(tǒng)。同時(shí)本次規(guī)劃的平臺(tái)可根據(jù)企業(yè)后期業(yè)務(wù)擴(kuò)展需要進(jìn)行靈活彈性資源擴(kuò)展和業(yè)務(wù)搭建。

從煉鋼車間整體需求出發(fā)，結(jié)合現(xiàn)有信息化軟件和系統(tǒng)，搭建一體化智能管控平臺(tái)，最終實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)和分析，設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)警，冶煉過程的工藝優(yōu)化、鋼水質(zhì)量的跟蹤和管理、成本費(fèi)用的卷積和盈虧分析、能耗排放的智能管控等，通過平臺(tái)打通了特鋼整個(gè)冶煉過程的數(shù)據(jù)流、物質(zhì)流與能量流，真正實(shí)現(xiàn)整個(gè)煉鋼車間的管控優(yōu)化和內(nèi)在協(xié)同。圖3為項(xiàng)目21整體功能架構(gòu)，對(duì)101車間煉鋼、精煉和模鑄環(huán)節(jié)，在平臺(tái)功能層面有所取舍。

搭建數(shù)據(jù)中心（即數(shù)據(jù)層），匯集整個(gè)煉鋼車間的生產(chǎn)、管理、設(shè)備、能源、質(zhì)量、成本等方面的數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集、清洗、存儲(chǔ)并接入數(shù)據(jù)中心，在線實(shí)時(shí)傳輸各種生產(chǎn)操作參數(shù)、檢化驗(yàn)數(shù)據(jù)、能源消耗數(shù)據(jù)等。

3.3 硬件實(shí)施計(jì)劃

總體計(jì)劃內(nèi)容包含原料精細(xì)化管控改造、煉鋼車間基礎(chǔ)升級(jí)改造、煉鋼車間環(huán)境治理改造和一體化智能管控平臺(tái)建設(shè)及智能業(yè)務(wù)應(yīng)用的開發(fā)。

電爐及精煉高位料倉改造，包括電爐爐后、1#和2#精煉高位料倉的新增施工及調(diào)試工作，同時(shí)通過皮帶實(shí)現(xiàn)電爐高位料倉自動(dòng)上料，保證合金、輔料的精準(zhǔn)加入；高位料倉基礎(chǔ)設(shè)計(jì)建設(shè)一期整體規(guī)劃，一期料倉數(shù)量滿足常用合金、輔料的使用，后期料倉數(shù)量及自動(dòng)上料直接在一期基礎(chǔ)上拓展即可。

電爐測(cè)溫取樣機(jī)器人實(shí)施，在電爐爐前增加爐前測(cè)溫機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)取樣測(cè)溫，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，消除安全隱患。

電爐、精煉、模鑄工序過程控制改造，包括相關(guān)自動(dòng)化儀表新增及程序調(diào)試，保證平臺(tái)業(yè)務(wù)所需相關(guān)數(shù)據(jù)能夠直接及時(shí)、全面、準(zhǔn)確地獲取。

建設(shè)一體化智能管控平臺(tái)開發(fā)形成基礎(chǔ)智能業(yè)務(wù)應(yīng)用：基于現(xiàn)有條件，實(shí)現(xiàn)煉鋼車間現(xiàn)有設(shè)備互聯(lián)、數(shù)據(jù)集成、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃及平臺(tái)基礎(chǔ)業(yè)務(wù)功能建設(shè)。

完成特鋼事業(yè)部一體化智能管控平臺(tái)的升級(jí)拓展及智能業(yè)務(wù)應(yīng)用的延伸，將特鋼事業(yè)部2條生產(chǎn)線，9個(gè)部門，12大車間覆蓋全工序、全環(huán)節(jié)、制造全生命周期的數(shù)據(jù)及系統(tǒng)完成平臺(tái)端拓展，基于平臺(tái)構(gòu)建特鋼3D數(shù)字孿生并開發(fā)形成覆蓋生產(chǎn)、質(zhì)量、設(shè)備、成本、能源、安環(huán)等六大場(chǎng)景的智能業(yè)務(wù)應(yīng)用。

4 創(chuàng)新點(diǎn)

4.1 升級(jí)智能裝備、解放人工操作

通過對(duì)煉鋼車間的生產(chǎn)現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)環(huán)境較為惡劣且依賴人工做大量重復(fù)性勞動(dòng)，既存在安全隱患，又浪費(fèi)了人工成本；本項(xiàng)目通過在煉鋼車間升級(jí)智能裝備，新增自動(dòng)測(cè)溫取樣機(jī)器人（見圖4）、升級(jí)改造澆鋼車等，充分降低勞動(dòng)強(qiáng)度，大大解放人力，一方面保證了操作的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，另一方面保證了人員的安全。

4.2 建立數(shù)據(jù)中心、實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通

建立煉鋼大數(shù)據(jù)中心，將實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)上以應(yīng)用為中心信息系統(tǒng)建設(shè)向以數(shù)據(jù)為中心、業(yè)務(wù)高度集成的轉(zhuǎn)變。通過打通現(xiàn)有信息系統(tǒng)之間的“數(shù)據(jù)孤島”，以構(gòu)建整個(gè)特鋼事業(yè)部整體數(shù)據(jù)中心整體規(guī)劃構(gòu)建煉鋼數(shù)據(jù)中心，采集整個(gè)煉鋼車間設(shè)計(jì)、設(shè)備、工藝生產(chǎn)、能源、安全、決策、管理等大量數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集、清洗、存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資產(chǎn)匯聚、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一和平臺(tái)化業(yè)務(wù)系統(tǒng)集成應(yīng)用，并可彈性擴(kuò)展，為特鋼事業(yè)部其他11個(gè)車間和9大業(yè)務(wù)部門的數(shù)據(jù)接入奠定基礎(chǔ)，同時(shí)可為開展中長(zhǎng)期大數(shù)據(jù)挖掘分析、實(shí)現(xiàn)智能生產(chǎn)和決策提供了基礎(chǔ)，詳見圖5。

4.3 基于新型工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)架構(gòu)支持彈性化拓展、服務(wù)柔性化延伸

項(xiàng)目整體技術(shù)實(shí)現(xiàn)打破傳統(tǒng)工業(yè)企業(yè)信息化建設(shè)的五級(jí)架構(gòu)，參考國家工信部工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)白皮書，基于新型工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)理念和功能架構(gòu)建立一體化智能管控平臺(tái)，在IaaS層對(duì)資源的虛擬化及靈活劃配，可根據(jù)企業(yè)后期業(yè)務(wù)擴(kuò)展需要進(jìn)行靈活彈性資源擴(kuò)展和業(yè)務(wù)搭建；在PaaS層提供了數(shù)據(jù)采集、接入、建模存儲(chǔ)及治理等服務(wù)工具、數(shù)據(jù)圖形化分析、算法工具以及應(yīng)用開發(fā)工具，后期企業(yè)可根據(jù)業(yè)務(wù)靈活實(shí)現(xiàn)新增數(shù)據(jù)的接入、治理；在SaaS層可定制化開發(fā)生產(chǎn)管理相關(guān)的智能監(jiān)測(cè)及分析業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的深度挖掘及運(yùn)用，詳見圖6。

5 結(jié)論

智能制造給流程制造業(yè)帶來新機(jī)遇，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是推動(dòng)我國傳統(tǒng)制造業(yè)突破技術(shù)瓶頸并實(shí)現(xiàn)智能轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵手段。高端裝備制造業(yè)是踐行“中國制造2025”戰(zhàn)略必不可少的一個(gè)行業(yè)，也是最有可能通過推進(jìn)智能制造實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型的傳統(tǒng)行業(yè)之一。高端裝備制造業(yè)正在向全球化、信息化、專業(yè)化、綠色化、服務(wù)化發(fā)展，而制造技術(shù)則正在向高速高精、自動(dòng)智能、綠色低碳、高附加值、增值服務(wù)、物流聯(lián)動(dòng)等方向發(fā)展。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)毫無疑問將對(duì)傳統(tǒng)流程行業(yè)制造系統(tǒng)產(chǎn)生重大而深刻的影響，將孤島般分散于不同設(shè)備、系統(tǒng)中的工業(yè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)前所未有的深度匯聚，臃腫、僵化的工業(yè)軟件將演變?yōu)槠脚_(tái)上一個(gè)個(gè)可靈活部署和配置的工業(yè)應(yīng)用。通過對(duì)工業(yè)數(shù)據(jù)的全面深度感知、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)傳輸與高級(jí)建模分析，形成智能決策與控制，驅(qū)動(dòng)我國傳統(tǒng)流程行業(yè)的智能轉(zhuǎn)型升級(jí)，此研究項(xiàng)目建設(shè)實(shí)施成功后，會(huì)為國內(nèi)整體重工業(yè)制造業(yè)提供智能制造的數(shù)據(jù)改造基礎(chǔ)與應(yīng)用實(shí)例參考。

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（責(zé)任編輯 郭曉勇）