一、研究的背景與問題
智能制造是基于工業(yè)化和信息化深度融合，把互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新一代信息通信技術(shù)，用于制造活動的研發(fā)設(shè)計、生產(chǎn)制造、經(jīng)營管理、銷售服務(wù)等各個環(huán)節(jié)，具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)等功能的新型生產(chǎn)方式。企業(yè)通過開展智能制造，實現(xiàn)制造過程數(shù)字化、柔性化、智能化，經(jīng)營管理精益化、集約化，交貨過程的敏捷化、準(zhǔn)時化、配送化，滿足用戶個性化、定制化的服務(wù)需求，促進企業(yè)提高勞動生產(chǎn)率，降低成本，提高效益，提升核心競爭力。鋼鐵工業(yè)作為流程型制造業(yè)，是實施《中國制造2025》戰(zhàn)略的重點行業(yè)，推進智能制造，實現(xiàn)轉(zhuǎn)型發(fā)展，具有必要性和可行性。
推進智能制造是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要統(tǒng)籌規(guī)劃。河鋼石鋼制定了明確的智能工廠戰(zhàn)略規(guī)劃，完成了公司信息化體系建設(shè)和頂層設(shè)計。在智能工廠總體規(guī)劃框架下，通過打造河鋼石鋼綠色化短流程特鋼智能制造示范工廠，循序漸進、分布實施，逐步形成以大數(shù)據(jù)、數(shù)字化車間、全流程智能制造、行業(yè)云平臺為支撐的鋼鐵數(shù)字化發(fā)展新格局，持續(xù)推進河鋼石鋼數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能制造，建成全國鋼鐵行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型示范引領(lǐng)企業(yè)。
河鋼石鋼新區(qū)于2020年10月29日建成投產(chǎn)，采用電爐短流程特鋼工藝，以生產(chǎn)“全流程”、業(yè)務(wù)“全覆蓋”、架構(gòu)“全層級”、層級“全貫通”、過程“全智能”的“五全”規(guī)劃理念，著力打造“綠色、智能、節(jié)能、高質(zhì)量、高效益”國際一流特鋼強企。
二、技術(shù)方案
河鋼石鋼新區(qū)智能工廠整體架構(gòu)按照“四層級，兩維度”進行設(shè)計，從下向上劃分為智能裝備層、智能制造層、智能運營層和網(wǎng)絡(luò)協(xié)同層。
智能裝備層主要包括各工序二級系統(tǒng)、工藝模型、數(shù)據(jù)采集、物料跟蹤、工業(yè)機器人、智能天車、智能倉儲和智能終端等，承擔(dān)各工序、產(chǎn)線生產(chǎn)計劃自動接收、全自動化生產(chǎn)、智能動態(tài)調(diào)整生產(chǎn)工藝、機器代人作業(yè)等功能，切實提升產(chǎn)線現(xiàn)場無人化、少人化，提升生產(chǎn)作業(yè)勞效，規(guī)范化設(shè)備裝置操作，實時監(jiān)控設(shè)備運行狀態(tài)，做為產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定的有效保證，為上層系統(tǒng)提供可靠的底層數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)不落地。
智能制造層主要包括生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)MES、物流綜合管控與執(zhí)行系統(tǒng)LES、設(shè)備綜合管理系統(tǒng)EAM、能源綜合管控系統(tǒng)EMS、無人智能計量系統(tǒng)、檢化驗系統(tǒng)LIMS、安全綜合管理系統(tǒng)SMIS、環(huán)保管理平臺EMIS等，突出專業(yè)化管理，承擔(dān)對銷售、采購、生產(chǎn)、質(zhì)量、物流、能源、環(huán)保、安全等環(huán)節(jié)執(zhí)行層面的信息化有效支撐，向上承接公司戰(zhàn)略、目標(biāo)、決策、運營的高層管理流程，向下傳遞上述各環(huán)節(jié)的計劃、標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)技經(jīng)指標(biāo)，為運營層指標(biāo)提供數(shù)據(jù)考核依據(jù)。
智能運營層主要包括企業(yè)資源計劃ERP、決策支持系統(tǒng)DSS、客戶關(guān)系管理CRM、供應(yīng)商關(guān)系管理SRM和人力資源管理HRM等，為公司各級管理層提供運營級別的信息化系統(tǒng)支撐，與戰(zhàn)略目標(biāo)緊密銜接，與考核指標(biāo)緊密銜接，與下層系統(tǒng)緊密銜接。
網(wǎng)絡(luò)協(xié)同層主要包括門戶網(wǎng)站、辦公自動化OA、供應(yīng)鏈平臺和移動APP等，聚焦端到端，對公司內(nèi)外提供公共網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，做為公司內(nèi)部運營、市場、客戶、供應(yīng)商及承運商等資源聯(lián)系的有效銜接橋梁，為未來實現(xiàn)上下游供應(yīng)鏈、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造打好基礎(chǔ)。
三、主要創(chuàng)新性進展
1、采用先進的工藝技術(shù)裝備
河鋼石鋼新區(qū)采用電爐短流程特鋼工藝，煉鋼電弧爐由西馬克集團公司設(shè)計，為雙豎井式廢鋼預(yù)熱超高功率直流豎爐（粉塵排放≤10mg/Nm3，二噁英排放≤0.1ng(TEQ)/Nm3，電耗≤280千瓦時/噸,電極消耗≤0.78千克/噸，冶煉周期≤45分鐘），在高質(zhì)量、高效率、超低能耗、超低排放、智能化方面是世界最先進電弧爐的代表。立式連鑄機引進康卡司特公司設(shè)備進行技術(shù)轉(zhuǎn)化，是國際上斷面最大的特鋼大方坯連鑄機。高線裝備是世界上最先進的特鋼線材生產(chǎn)線，由中冶賽迪轉(zhuǎn)化采用特鋼領(lǐng)域領(lǐng)先的普銳特（美國摩根公司）第七代軋機技術(shù)。
2、全流程綠色制造
一是采用先進環(huán)保治理技術(shù)，消納城市中水，污水實現(xiàn)“0”排放。二是全廢鋼電爐冶煉的短流程工藝，布局“碳達峰、碳中和”，爭做低碳發(fā)展先鋒。采用短流程工藝，無焦化、燒結(jié)、煉鐵等排放環(huán)節(jié)，大宗料運輸大幅降低，較等量級長流程減排優(yōu)勢明顯。主要能源為電和天然氣，實現(xiàn)零煤、零焦的清潔能源結(jié)構(gòu)；主要原料只使用廢鋼，是可無限循環(huán)使用的綠色載能資源。三是采用緊湊布置、熱送技術(shù)，綜合能源消耗大幅降低。
3、全流程智能制造
河鋼石鋼新區(qū)智能制造建設(shè)體現(xiàn)“五全”，一是廢鋼智能驗質(zhì)、電爐智能煉鋼、一鍵LF、一鍵RH、智能連鑄、軋鋼多線一室、高線黑燈工廠、精整作業(yè)黑燈產(chǎn)線，石鋼新區(qū)“全流程”均實施了智能制造；二是銷售、生產(chǎn)、質(zhì)量、物流、采購、設(shè)備、能源、環(huán)保、安全等業(yè)務(wù)智能制造“全覆蓋”；三是基礎(chǔ)檢測、機器人等智能設(shè)備、PLC/DCS自動控制、二級專家系統(tǒng)、三級生產(chǎn)管理系統(tǒng)、四層企業(yè)經(jīng)營、五層企業(yè)聯(lián)盟、供應(yīng)鏈，“全層級”均實施了智能制造，5萬多個基礎(chǔ)檢測，每百人機器人等智能裝備超過20臺套，32個專家系統(tǒng)，三級及以上系統(tǒng)15個，完整構(gòu)建了石鋼新區(qū)智能工廠；四是各層級“全貫通”，在同一頂層規(guī)劃下，通過企業(yè)服務(wù)總線實現(xiàn)互聯(lián)互通，避免出現(xiàn)任何數(shù)據(jù)孤島；五是石鋼新區(qū)所有過程“全智能”，完整實現(xiàn)系統(tǒng)自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)。
4、多項新技術(shù)填補國內(nèi)空白
采用先進的圖像識別技術(shù)、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)算法，通過自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)，實現(xiàn)特鋼挑剔性的廢鋼精準(zhǔn)智能無人驗質(zhì)。以大數(shù)據(jù)、AI技術(shù)賦能傳統(tǒng)流程制造，建立集中扁平化的大數(shù)據(jù)平臺，促進多源異構(gòu)數(shù)據(jù)資源融合，滿足市場預(yù)測、多維度生產(chǎn)經(jīng)營分析、鋼材質(zhì)量性能預(yù)測等需求。牽頭科技部重點研發(fā)計劃項目，構(gòu)建特鋼棒材智能精整的全流程、集群化機器人作業(yè)應(yīng)用示范產(chǎn)線，填補國內(nèi)特鋼棒材機器人作業(yè)領(lǐng)域的空白，已通過國家課題專家組中期認(rèn)證。目前已升級為特鋼棒材精整作業(yè)智能產(chǎn)線計劃。
5、聚焦高端產(chǎn)品
河鋼石鋼新區(qū)主導(dǎo)產(chǎn)品定位于高端齒輪鋼、軸承鋼、彈簧鋼、易切削非調(diào)質(zhì)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼等特鋼棒材，滿足汽車、工程機械、鐵路及軌道交通等行業(yè)對高端特殊鋼材料高純凈度、表面零缺陷、尺寸高精度等質(zhì)量要求，重點開拓高端軸承鋼、風(fēng)電用鋼、軌道交通機車用鋼、工模具用鋼等細(xì)分市場，大幅提升鋼材性能。其中，高碳鉻軸承鋼純凈度達到世界領(lǐng)先水平；高端齒輪鋼產(chǎn)品均質(zhì)性達到世界先進水平。
四、應(yīng)用情況與效果
1、建設(shè)了綜合管控中心。
建立公司級的生產(chǎn)、能源、物流、安全、環(huán)保等主要業(yè)務(wù)“五部合一”的集中管控平臺——綜合管控中心。作為智慧工廠的核心，實施公司生產(chǎn)運營主要業(yè)務(wù)的一體化管控，物流從供應(yīng)商到客戶端的全過程掌上預(yù)約、集中監(jiān)控；一級調(diào)度下全部訂單式生產(chǎn)管控。
建立了工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺。工業(yè)大數(shù)據(jù)分析平臺作為大數(shù)據(jù)工作監(jiān)管和運營平臺，促進多源異構(gòu)數(shù)據(jù)資源融合，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與數(shù)據(jù)價值挖掘，助力打造智慧石鋼。包括數(shù)據(jù)可視化與交互式分析應(yīng)用及數(shù)據(jù)挖掘AI能力應(yīng)用。充分利用云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等成熟的技術(shù)，形成統(tǒng)一的技術(shù)平臺和結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范，支撐包括數(shù)據(jù)采集、存儲、整合、分析、展現(xiàn)、管理、開發(fā)等應(yīng)用場景在內(nèi)的數(shù)據(jù)全生命周期的業(yè)務(wù)需求。
2、實現(xiàn)了產(chǎn)銷協(xié)同，煉鋼、軋鋼、后部一體化排程
產(chǎn)銷協(xié)同，煉鋼、軋鋼、后部一體化排程，生產(chǎn)計劃、工藝質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)100%下發(fā)至機臺，生產(chǎn)自組織，實現(xiàn)上下游動態(tài)銜接，工序高效協(xié)同。從銷售接單—質(zhì)量設(shè)計—計劃排程—生產(chǎn)管控—產(chǎn)品交付—物流發(fā)運，100%在系統(tǒng)運行。
3、全流程智能產(chǎn)線
（1）智能煉鋼
廢鋼智能驗質(zhì)：與達涅利合作，采用先進的圖像識別技術(shù)、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)算法，通過自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)，結(jié)合特鋼生產(chǎn)冶煉需求實際，搭建智能化廢鋼無人驗質(zhì)平臺，實現(xiàn)廢鋼驗質(zhì)過程無人化、異常報警、廢鋼等級的智能識別、自動判定、自動計算扣雜、判定結(jié)果自動上傳以及驗質(zhì)數(shù)據(jù)的自動分析。
目前四種常用的中小型精料和一種常用的重廢精料模型在煉鋼1#配料間、煉鋼2#配料間的14個驗質(zhì)點位成功上線獨立運行，其功能穩(wěn)定性滿足要求，實現(xiàn)了“完全系統(tǒng)自動驗質(zhì)并以系統(tǒng)驗質(zhì)結(jié)果作為結(jié)算依據(jù)”，上線的智能驗質(zhì)卸料口全部實現(xiàn)無人化，廢鋼質(zhì)量得到根本性提升。
廢鋼自動驗質(zhì)
電爐智能煉鋼突出冶煉和鋼水質(zhì)量在線管控，通過完整的一、二級自動化設(shè)備，實現(xiàn)一鍵智能化冶煉和產(chǎn)品質(zhì)量的閉環(huán)管理。同時，通過二、三級聯(lián)動，實現(xiàn)自動匹配合同訂單和生產(chǎn)實績的自動反饋。
配置L2冶煉模型、測溫取樣機器人、清渣機械手、電極自動接長等設(shè)備，實現(xiàn)爐前自動測溫取樣、自動吹煉、自動出鋼、自動出渣、自動灌砂、出鋼口及爐門自動清理、電極自動調(diào)節(jié)等，實現(xiàn)電爐煉鋼無人化少人化。
測溫取樣機器人現(xiàn)場應(yīng)用
鑄坯自動噴號機器人
（2）多線集控智能軋鋼車間
優(yōu)化系統(tǒng)流程，實現(xiàn)三座加熱爐及中、小棒軋線在小棒線CS1主控室的集控。最大程度精簡操作崗位，提高勞動效率。
軋鋼智能制造突出坯料加熱、軋制全過程自動控制，通過加熱爐智能燃控、水冷箱控軋控冷、智能設(shè)備診斷、軋制精度閉環(huán)控制等，全面提升產(chǎn)品質(zhì)量、降低職工勞動強度。
生產(chǎn)過程物料自動跟蹤。利用坯材標(biāo)識功能、一級基礎(chǔ)檢測元件、三級庫位跟蹤功能，實現(xiàn)對各個狀態(tài)的坯、材進行有效標(biāo)識、物料跟蹤和數(shù)據(jù)處理、存檔，并實現(xiàn)當(dāng)坯、材在特定的某一位置時執(zhí)行適當(dāng)?shù)牟僮鳌?/span>
高線智能制造產(chǎn)線采用高性能軋機、卷芯架和懸掛式緩冷線，配置燃控模型、軋制專家系統(tǒng)、自動坯號識別、測徑儀、熱眼檢測、視覺優(yōu)化剪切、PF線自動跟蹤、掛牌機器人等設(shè)備，目標(biāo)：從上料臺架到吐絲機無人操作，全線實現(xiàn)“智能化”。
（3）精整作業(yè)智能產(chǎn)線
構(gòu)建特鋼棒材智能精整的全流程、集群化機器人作業(yè)生產(chǎn)線，實現(xiàn)精整拆捆、打捆、修磨、貼標(biāo)，以及標(biāo)準(zhǔn)樣品、成品存取等機器人化作業(yè)，完成半成品至成品自動轉(zhuǎn)運和信息流跟蹤，建立網(wǎng)絡(luò)化可追溯的工藝、作業(yè)及設(shè)備數(shù)據(jù)的質(zhì)量管理平臺。最終形成特鋼棒材機器人化精整作業(yè)應(yīng)用示范產(chǎn)線，以點帶面推動冶金工業(yè)機器人的研發(fā)與工程化應(yīng)用。該項目將突破我國特鋼棒材精整過程機器人應(yīng)用及智能化關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，形成針對特鋼棒材輕載與重載機器人集成、質(zhì)量監(jiān)控與優(yōu)化等智能化關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)全流程智能化控制。
（4）智能在線檢測。特鋼專用檢測，依據(jù)檢驗委托進行自動檢測，化驗結(jié)果數(shù)據(jù)及圖片信息等全部實現(xiàn)自動采集到LIMS系統(tǒng)，3分鐘出結(jié)果，數(shù)據(jù)不落地。數(shù)據(jù)自動進行修約，全過程不允許修改。
樣品自動收發(fā)模塊樣品自動抓取制樣模塊
4、全流程工序動態(tài)協(xié)同，精益生產(chǎn)過程自執(zhí)行
通過建立全工序業(yè)務(wù)銜接、穩(wěn)定流暢、精益高效的生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)，實現(xiàn)從客戶需求開始到訂單交付全過程的特鋼精益生產(chǎn)管理體系，將客戶要求、質(zhì)量要求、工藝要求、操作要求等管理需求全部融入系統(tǒng)，并實現(xiàn)執(zhí)行過程之中的預(yù)警、報警及追溯。
質(zhì)量動態(tài)設(shè)計，全過程質(zhì)量管控。實現(xiàn)鋼鐵企業(yè)按爐管理到按支管理的重大突破，數(shù)據(jù)自動采集全程不落地，系統(tǒng)自動判定，提升公司精準(zhǔn)制造和柔性制造能力。
質(zhì)量管控環(huán)節(jié)全面覆蓋營銷、生產(chǎn)、采購、物流等關(guān)鍵業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)，從售前產(chǎn)品質(zhì)量設(shè)計、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)庫建立、生產(chǎn)過程質(zhì)量管控、質(zhì)量成本可視化、產(chǎn)品質(zhì)量追溯、質(zhì)量分析及優(yōu)化設(shè)計，形成質(zhì)量管控完整閉環(huán)。
5、設(shè)備、能源、環(huán)保、安全專智能化管理
設(shè)備、能源、環(huán)保、安全環(huán)節(jié)分別由專業(yè)管理信息系統(tǒng)提供信息化支撐，在各自領(lǐng)域各司其職，深耕業(yè)務(wù)、深化應(yīng)用，持續(xù)滿足設(shè)備全生命周期、設(shè)備預(yù)測性維修、能源資源綜合利用、環(huán)保監(jiān)測閉環(huán)管理、安全及事故預(yù)防等專業(yè)化需求，并圍繞公司運營、生產(chǎn)、質(zhì)量、物流等環(huán)節(jié)或業(yè)務(wù)場景，提供更加專業(yè)化的數(shù)據(jù)支撐。
能源流實時監(jiān)控
EAM設(shè)備全生命周期管理平臺
環(huán)境信息總覽
安全管理可視化
6、供應(yīng)鏈智能化協(xié)同
（1）供應(yīng)鏈可視化。搭建供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)（SCM），按照生產(chǎn)、技術(shù)要求對廢鋼進行分品種、分類別管理，并對廢鋼采購計劃分解到部室到業(yè)務(wù)經(jīng)理，利用數(shù)字化處理加工手段、對廢鋼物料大數(shù)據(jù)進行深度分析，實現(xiàn)供應(yīng)鏈可視化監(jiān)控和綜合績效分析。
廢鋼采購可視化大屏
（2）供應(yīng)鏈的一體化綜合物流管控.物流管理環(huán)節(jié)做為產(chǎn)、供、銷全流程的貫通式環(huán)節(jié)，以“大物流”概念對廠內(nèi)外環(huán)境進行全局物流、物料管控。建立了移動端客商網(wǎng)絡(luò)協(xié)同平臺，實現(xiàn)了從供應(yīng)商到廠區(qū)再到客戶的全供應(yīng)鏈的一體化綜合物流管控。同時，物流管理環(huán)節(jié)中對車輛排放標(biāo)準(zhǔn)、新能源車型等環(huán)保關(guān)鍵指標(biāo)數(shù)據(jù)直接對接環(huán)保系統(tǒng)，對運輸車輛碳排放起到嚴(yán)格的控制作用，真正實現(xiàn)綠色物流、高效物流。
可視化物流智能調(diào)度平臺
（3）市場快速分析預(yù)測。市場快速分析預(yù)測，以供應(yīng)鏈生態(tài)模式動態(tài)挖掘，快速響應(yīng)市場異動。通過市場趨勢預(yù)測、用戶需求挖掘、客戶數(shù)據(jù)分析和銷售計劃優(yōu)化，實現(xiàn)需求驅(qū)動的精準(zhǔn)營銷，提高營銷效率，降低營銷成本。
（4）成本精細(xì)化。通過MES的生產(chǎn)過程成本管理功能及ERP的FI/CO模塊，實現(xiàn)了按爐次收集各項物料和能源消耗，可滿足不同層次、不同維度核算和分析需求。系統(tǒng)已實現(xiàn)新區(qū)的成本定額化管理和隱性成本管理功能。
（5）立體化智能倉庫。配備倉儲管理系統(tǒng)（WMS）和倉儲控制系統(tǒng)（WCS），實現(xiàn)與SAP、設(shè)備綜合管理（EAM）等系統(tǒng)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通。采用條碼技術(shù)和無線手持終端技術(shù)，對物料實施動態(tài)管理，實現(xiàn)輔料備件自動出入庫、自動分配貨位、自動盤點、并生成多口徑庫存物資統(tǒng)計分析等功能。
智能化立體倉庫現(xiàn)場
7、智慧園區(qū)
智慧園區(qū)，利用物聯(lián)網(wǎng)、移動APP、人臉識別、射頻卡等技術(shù)實現(xiàn)高標(biāo)準(zhǔn)的園區(qū)智能化、樓宇智能化、員工服務(wù)智能化、考勤自動化等。主要功能包括智慧園、公共區(qū)域監(jiān)控、周界安防等系統(tǒng)。
