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科技新进展:山东钢铁集团永锋临港有限公司先进优特钢全流程智能制造示范工厂

发布时间:2022/12/07

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一、研究的背景与问题

山东钢铁集团永锋临港有限公司以绿色、创新、数字、可持续为经营理念,公司领导高度重视先进的管理思想和技术引进,率先将精益生产的理念引入钢铁生产,为智能制造项目的实施打下了坚持的基础。为提高永锋临港项目市场竞争力,提高智能制造水平,保障企业高质量发展,公司决定开展国内首个先进优特钢全流程智能制造标杆示范工厂,并于2019年8月开始建设,2021年8月建设完成。

山钢永锋临港有限公司先进优特钢全流程智能制造示范工厂依托工业互联网平台,纵向打通数据传送链路,横向贯通各生产工序和管理部门,打造覆盖全基地的数据“高速公路”,实现数据统一采集、统一处理、统一存储。同时,在大数据的基础上,进一步部署临港基地铁前一体化、钢轧一体化、生产管控一体化等,并系统性部署设备智能管理、智能大物流、能源智能管理、安全管理等多维度智能应用,以数据驱动钢铁生产操控管一体化,推动全员生产作业效率持续闭环改进,打造新型精益智能生产模式,建成行业领先的全流程智能工厂。

钢铁生产流程的存在着工序间的协同和优化问题,特别是占产量最大的粗钢生产存在的问题更多。而对于精品钢生产企业而言,除了上述问题外还存在如何能够按照客户的需求生产产品,最大限度降低库存等资金占压,提高生产效率,降低生产成本等问题。山钢永锋临港有限公司先进优特钢全流程智能制造示范工厂其主要技术路线和特色:

1、面向钢铁行业构建“平台化运营+智能化工厂+协同化生态”架构模型,研究大规模定制智能生产线、多工厂生产调度与优化决策、异构信息系统集成等智能制造关键技术及其软硬件系统,解决生产过程数据全面收集的问题。

2、针对智能工厂建设成本较高的背景下,开展智能工厂设备互联、工业数据边缘采集、计算、新型网关控制技术和通用工控协议解析软硬件开发,实现订单、排产和生产的全自动化流程,解决了定制化生产成本高的问题。

3、开展工业互联网PaaS关键技术研究,搭建了满足钢铁行业应用的工业知识复用、工业资源共享互联网平台,构建了面向钢铁行业应用的开发运维一体化体系,解决了不同生产模式之间切换对生产效率造成影响的问题。

二、解决问题的思路与技术方案

全流程智能制造工厂是山东钢铁集团永锋临港有限公司临港先进优特钢产业基地一期项目的重要组成部分,配套智能化应用覆盖全流程,重点建设“一个工业互联网平台、三个一体化智能管控(管控+铁区+钢轧三个一体化智能管控)、两套关键智能装备优化(智能化料场、智能钢轧物流系统)”全流程智能制造工厂体系,共计400个智能应用及算法模型,数据采集点位100万点。

1、总体架构

依托工业互联网平台,纵向打通数据传送链路,横向贯通各生产工序和管理部门,打造覆盖全基地的数据“高速公路”,实现数据统一采集、统一处理、统一存储。在大数据的基础上,进一步部署临港基地铁前一体化、钢轧一体化、生产管控一体化等,并系统性部署设备智能管理、智能大物流、能源智能管理、安全管理等多维度智能应用,以数据驱动钢铁生产操控管一体化,推动全员生产作业效率持续闭环改进,打造新型精益智能生产模式,建成行业领先的全流程智能工厂。

图1总体实施架构

2、全流程智能制造工厂建设主要内容:

山东钢铁集团永锋临港有限公司先进优特钢全流程智能制造工厂建设主要包括工业互联网平台和工厂数字化两部分内容。

(1)工业互联网平台

通过建设水土云工业互联网平台,为永锋临港钢铁基地打造钢铁智能制造工厂的统一数字化底座,包括数据工作台、业务工作台、PaaS基础平台,既为工厂应用系统建设提供了平台底座,同时具备开放性、可扩展性的特点,支持对后续工厂的数字化、智能化拓展。工业互联网平台建设包括:大数据平台、运维平台、岗位协同套件、通用组件的部署。

图2水土云工业互联网平台

图3 工业互联网平台

基于私有云架构,建设永锋临港工业互联网平台并基于平台实现人机料的数字化,为全厂生产管控智能应用提供基础支撑,主要包括数据平台、人机料数字化和运基础设施三部分。构建数字工厂信息化框架和基础,支撑工厂打造自主持续进化能力。围绕生产管控,实现生产要素、生产过程数据全生命周期管理,支撑生产要素、数据以及应用的横向扩展,支撑数据应用不断迭代深化,使生产数据持续创造价值。

(2)工厂数字化

工厂数字化是在工业互联网基础平台的基础上,面向工厂的三大主要生产要素-人、机、料进行数字化建模和数据管理,建立起全厂的基础数据资源池,为上层应用提供统一高效的数据服务。

工厂数字化包括管控+铁区+钢轧三个一体化智能管控,以及关键智能装备的应用优化(智能化料场、智能钢轧物流系统等)。

铁区一体化:依托工业互联网平台,以集控中心为载体通过对产线装备和智能管控的总体规划和设计,以实现铁区一体化智能运营。通过铁区一体化建设,可有效加强生产本质化安全,强化系统融合带来的效率提升,加快生产智能化管控转型。

图4 铁区一体化管控平台

钢轧一体化:通过从产线装备、智能管控和集中操控三个层面的总体规划和设计,以工业互联网平台为载体,通过生产监控集中化、工艺模型化、操作一键化和装备智能化实现永锋临港的钢轧一体化智能管控。通过钢轧一体化管控,可有效支撑全流程整合优化, 提升生产与运营效率,提高综合竞争力。

图5钢轧一体化管控平台

管控一体化:围绕铁区一体化、管控一体化以及工业互联网平台提供的海量生产综合数据和各类模型,针对永锋临港的生产制造组织特点,构建以生产为核心,集成融合厂内计划、生产、质量、设备、物流、能源、环保、安全等信息的管控一体化系统,贯通原料进厂至成品发货各道工序的业务环节,通过合理有效地计划与组织,使生产经营活动协调有序地进行,为企业的经营和战略决策提供有力的支撑。

图6管控一体化系统构成示意

(3)关键智能装备系统

以关键智能装备的应用优化劳动定员、提高本质安全、提升作业效率。包括①以无人化堆取料机为实现载体的智能化料场,实现作业流程智能优化及决策、混匀配料智能计算、堆取料机自动作业。②以第三代无人化行车为核心打造的智能钢轧物流系统,实现钢轧工序物流智能管控。

图7 数字化料场

图8 钢轧动态协同和出入库

(4)系统集成优化

围绕企业ERP系统集成了生产、供销、财务、人力和办公各板块系统,实现了从市场分析、销售计划、订单管理,原料采购、到生产排程、设备点检维护、能源平衡、安全环保、物流运输和质检计量各个环节的信息互联互通和业务高效协同。

工业互联网平台作为智能工厂底座具备全流程生产数据的采集、清洗、关联、存储、可视化能力,提供统一的硬件平台、数据平台、岗位协同平台。实现主要生产要素和过程的数字化,同时统一基础自动化及智能仪表数据接口、数据格式及通讯协议,为上层智能应用提供统一、规范、完整、高效的数据服务,实现数据的资产化管理。

围绕生产过程设计集成了12个智能应用模块,涵盖了数字化料场、铁区一体化管控、设备管理、大物流、钢轧一体化管控、生产调度、能源、安全、环保、成本计量、质量检化验和千人千面工作台。

千人千面工作台即定义人员基础信息,建立多终端岗位协同工作台,集信息汇聚、业务处理、资源共享等多方位功能为一体化,支持“千人千面”个性化需求,从基础自动化及智能仪表等系统中读取生产过程数据,对异常事件预测判断,自动将预警故障信息以中控视屏联动、微信等方式推送给操作人员、相关专业人员,提醒其立即处理,并酌情继续往上推送,强化了事件自动预判的高效性、事件的处理的及时性,同时也减轻了以往电话对讲联络汇报的工作量,使员工更专注数据与业务处理,促进重点岗位多岗协同层面,有效提升各岗位员工的生产工作效率。

三、主要创新性成果

山钢集团永锋临港有限公司先进优特钢全流程智能制造示范工厂项目打造一套全新的扁平化、科学化、一体化的智能化管控系统架构。相较于传统钢铁行业常用的ISA95信息化系统架构,项目方案可以更好的将智能制造技术应用于生产管控全流程,消除传统ISA95架构下愈演愈烈的信息孤岛问题,提升整体业务协同能力,解决长期存在的业务数据价值利用不足、决策科学性低的问题,从而促进钢铁企业的流程再造和管理变革。

(1)面向钢铁行业构建“平台化运营+智能化工厂+协同化生态”架构模型,研究大规模定制智能生产线、多工厂生产调度与优化决策、异构信息系统集成等智能制造关键技术及其软硬件系统,解决生产过程数据全面收集的问题。全面数据的收集是解决钢铁行业特别是粗钢生产的痛点、提高生产效率降低生产成本的基础。

(2)针对智能工厂建设成本较高的背景下,开展智能工厂设备互联、工业数据边缘采集、计算、新型网关控制技术和通用工控协议解析软硬件开发,实现订单、排产和生产的全自动化流程,解决了定制化生产成本高的问题。工业互联网的核心功能之一是低成本实现规模化定制,解决低成本定制就必须降低需求到生产之间的环节,将需求信息尽快转换成生产制造数据,层级越少成本就越低,效率越高。目前的生产模式和自动化设备无法满足要求,需要研究新型的能够认知人类需求的人工智能设备,才能从根本上解决这个问题。

(3)开展工业互联网PaaS关键技术研究,搭建了满足钢铁行业应用的工业知识复用、工业资源共享互联网平台,构建了面向钢铁行业应用的开发运维一体化体系,解决了不同生产模式之间切换对生产效率造成影响的问题。

(4)实施新型钢铁行业智能制造工业互联网示范工程,为定制化生产成本过高的问题,提供一条解决之道,实现了理论落地生根。

四、应用情况与效果

作为全球钢铁行业首个基于统一工业互联网平台的全流程智能工厂,大量应用人工智能、大数据、物联网、移动互联、5G等新技术,在一个平台上建设超大规模钢铁一体化智能管控应用系统,支撑企业全流程管操控业务,技术先进、架构领先,在国内乃至国际处于行业领先地位。

全流程智能钢厂要支撑起全流程智能制造的超大规模数据应用,需要对传统信息架构的全面革新,其难度极大,并且尚无先例可循。经过艰苦探索和创新,本项目很好地解决了纵向数据衰减和横向数据孤岛等问题,平台上搭载一系列核心组件,可以高效采集和处理海量数据,具备跨工序、跨系统的参数体系,让企业数据发挥出应有的价值。

本项目的钢铁生产全流程、全操控业务都承载于统一的工业互联网平台上,接入超过万台工序设备,实时数据超过百万点,上线以来已累计采集、存储数据超过千亿条。平台纵向打通数据传送链路,横向贯通各生产工序和管理部门,打开生产过程的“黑箱”,实现数字化透明生产,让工序之间、部门之间实现无边界协同,并创造了巨大的经济效益。

实现了全流程数字化,并把以往分散在现场的炼铁动力等10大工序和相关生产管理岗位集中在智控中心集中操作,实现了上下游工序生产数据的快速传递及操作的高效协同,岗位人员极大精简。

实现了工艺铁路运输管控实现铁水罐的实时跟踪及展示,打通了铁钢界面,为高炉出铁、转炉冶炼提供了数据支撑,同时提高了铁水罐周转率,相比其他钢厂,大大提高炼铁生产效率。炼钢物流实现了炼钢内部铁水包及钢包的全生命周期管理、位置实时跟踪,实现了转炉、精炼、连铸等各个工序的生产节奏跟踪,为炼钢内部工序间的协同提供支撑,相比其他钢厂,生产效率提高。钢轧界面实现了连铸、加热炉及轧线的打通,操作人员可依靠钢轧界面获取钢坯流号、炉次信息等,可及时指导轧钢生产,不同的钢坯采用不同的生产工艺,避免了轧钢堆钢事故等,生产效率得到大大提高。

视线里全厂安全系统集控管理,大大提高全厂生产安全水平。将全厂危险区域煤气报警信息采集到平台,并进行异常声光报警,杜绝煤气窒息事故;将重大危险源及相关关键参数采集到平台,建立不同层级的报警规则,安全管理人员可以实时掌握重大危险源状态,大大缩短了安全管理人员了解状态时间,提升工作效率。

实现了全厂环保和能源系统在监控与管理,实现减排和节能,助力基地通过超低排放认定。全流程智能制造工厂的建设促进了钢铁行业绿色、节能、环保,提高钢铁行业能源利用效率,降低资源消耗,减少污染物排放,大大提高产品质量。


信息来源:山东钢铁集团永锋临港有限公司 

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