一、研究的背景與問(wèn)題
從“十三五”期間我國(guó)在深入推進(jìn)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革以及國(guó)內(nèi)外鋼鐵企業(yè)發(fā)展經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，智能制造已經(jīng)成為了制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的必由之路，建設(shè)智能工廠已經(jīng)成為傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的主要突破方向。尤其在2030年碳達(dá)峰和2060年碳中和的目標(biāo)下，鋼鐵行業(yè)將面臨從碳排放強(qiáng)度的“相對(duì)約束”到碳排放總量的“絕對(duì)約束”，以及“低碳經(jīng)濟(jì)”的國(guó)際挑戰(zhàn)，低碳轉(zhuǎn)型升級(jí)勢(shì)在必行。目前國(guó)內(nèi)板帶生產(chǎn)線已陸續(xù)開(kāi)展智能工廠建設(shè)，經(jīng)濟(jì)效益、品牌效應(yīng)已經(jīng)凸顯，但無(wú)縫鋼管智能制造目前在國(guó)內(nèi)還處于空白，與此同時(shí)，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，用戶對(duì)無(wú)縫鋼管產(chǎn)品質(zhì)量的要求也越來(lái)越高，個(gè)性化、多樣化需求層出不窮，無(wú)縫鋼管產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)也越來(lái)越激烈。
在行業(yè)、市場(chǎng)環(huán)境和企業(yè)自身發(fā)展的需求影響下，承德建龍率先抓住了這一可持續(xù)發(fā)展的重要機(jī)遇，著力建設(shè)智能工廠，致力于打造國(guó)內(nèi)首條無(wú)縫鋼管行業(yè)“黑燈工廠”，通過(guò)構(gòu)建完善的無(wú)縫鋼管研發(fā)、制造、物流一體化業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模定制化生產(chǎn)過(guò)程的可視化和產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題追溯的透明化，全面提升生產(chǎn)的智能化水平，打造無(wú)縫鋼管行業(yè)智能制造領(lǐng)跑者，為行業(yè)推進(jìn)智能制造提供優(yōu)秀樣板和可復(fù)制推廣路徑。
二、解決問(wèn)題的思路與技術(shù)方案
本項(xiàng)目是河北省鋼鐵行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型專項(xiàng)行動(dòng)(2020-2022年)的重點(diǎn)項(xiàng)目。項(xiàng)目針對(duì)無(wú)縫鋼管生產(chǎn)設(shè)備管理維護(hù)差、產(chǎn)品質(zhì)量全生命周期追溯難、生產(chǎn)線數(shù)據(jù)貫通難度大、物流倉(cāng)儲(chǔ)效率低等行業(yè)痛點(diǎn)，聯(lián)合北京科技大學(xué)等多家供應(yīng)商，在前期建立自動(dòng)化生產(chǎn)線、MES及EMS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，搭建數(shù)據(jù)治理及集成平臺(tái)、智能成品庫(kù)等，配備大量智能檢測(cè)設(shè)備，推動(dòng)傳統(tǒng)無(wú)縫鋼管生產(chǎn)模式變革，覆蓋生產(chǎn)作業(yè)、質(zhì)量管控、設(shè)備管理、安全管控、能源管理、環(huán)保管控、計(jì)劃調(diào)度、倉(cāng)儲(chǔ)配送、模式創(chuàng)新等多個(gè)環(huán)節(jié)的21個(gè)智能制造典型場(chǎng)景，致力于打造世界首條“無(wú)縫鋼管智慧工廠智能制造示范生產(chǎn)線”。
總體建設(shè)思路
1、集控中心
以KPI指標(biāo)提升作為建設(shè)主線，緊緊圍繞降低成本、高效生產(chǎn)為核心紐帶，聚焦生產(chǎn)、設(shè)備、能源、質(zhì)量、成本等任務(wù)，通過(guò)技術(shù)人員的集合、過(guò)程信息的匯聚和融合，充分發(fā)揮協(xié)同效應(yīng)，通過(guò)發(fā)揮操作、技術(shù)、管理三者協(xié)同作用，建設(shè)一個(gè)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、綠色的，具有建龍?zhí)厣膮f(xié)同作業(yè)模式。
針對(duì)生產(chǎn)、質(zhì)量、設(shè)備、能源、安防、人員，全面梳理KPI指標(biāo)，建立KPI體系，實(shí)現(xiàn)KPI指標(biāo)的實(shí)時(shí)更新。通過(guò)KPI層級(jí)體系由上至下，對(duì)KPI運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)頂級(jí)指標(biāo)運(yùn)行異常的精準(zhǔn)追溯，及時(shí)定位問(wèn)題源。以KPI管控為目標(biāo)，通過(guò)PCDA迭代管理、SWOT分析工具等，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化工廠的集中、協(xié)同、高效管控，從而實(shí)現(xiàn)KPI指標(biāo)提升。
2、智能裝備
智能裝備主要包含鋼管的內(nèi)表面缺陷檢測(cè)、外表面缺陷檢測(cè)、端部打磨及尺寸復(fù)核，橢圓度檢測(cè)、平直度檢測(cè)、壁厚檢測(cè)等。在降低人員的勞動(dòng)強(qiáng)度、減少人員配置的同時(shí)去除人的不穩(wěn)定因素提高在線質(zhì)量管控水平。
3、物料逐支跟蹤
物料逐支跟蹤是實(shí)現(xiàn)鋼管逐支質(zhì)量溯源和生產(chǎn)精細(xì)化管控的基礎(chǔ)，傳統(tǒng)的按批跟蹤和管控已不能滿足生產(chǎn)的實(shí)績(jī)要求，隨著機(jī)器人、機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展和鋼鐵行業(yè)的成熟應(yīng)用，采用機(jī)器人、機(jī)器視覺(jué)等技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)258無(wú)縫鋼管連軋生產(chǎn)線的物料逐支跟蹤。
4、智能倉(cāng)庫(kù)
系統(tǒng)核心目標(biāo)是在安全高效的前提下實(shí)現(xiàn)成品庫(kù)智能化，即天車的作業(yè)都在無(wú)人狀態(tài)下進(jìn)行，并實(shí)現(xiàn)料場(chǎng)的數(shù)字化、可視化、科學(xué)化管理。最終實(shí)現(xiàn)天車自動(dòng)裝車、出入庫(kù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)庫(kù)區(qū)的數(shù)字化管理。
三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果
1、建設(shè)無(wú)縫鋼管生產(chǎn)線工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)全生命周期的數(shù)據(jù)采集和處理；
2、建立多融合數(shù)字孿生工廠，以“數(shù)字鋼管”為核心，建設(shè)無(wú)縫鋼管智能化工廠。
3、建立生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量管控系統(tǒng)，對(duì)鋼管生產(chǎn)全流程實(shí)施質(zhì)量監(jiān)控和預(yù)警；
4、實(shí)現(xiàn)鋼管內(nèi)外表面缺陷智能檢測(cè)、鋼管管端智能打磨，極大程度地提高產(chǎn)品質(zhì)檢的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的少人化、無(wú)人化；
5、智能物料跟蹤。采用機(jī)器人、機(jī)器視覺(jué)等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了從坯料到成品的全流程逐支跟蹤；
通過(guò)智能制造技術(shù)應(yīng)用，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)：運(yùn)營(yíng)成本降低4.2%;減少數(shù)據(jù)錄入時(shí)間≥ 90%;噸鋼燃?xì)庀钠骄陆?%;提高數(shù)據(jù)完整性≥98%;定員比同類鋼廠減少40%;一次合格率提高1%;氧化燒損降低0.1-0.2%;成品庫(kù)混鋼為0。
四、應(yīng)用情況與效果
1.生產(chǎn)作業(yè)-人機(jī)協(xié)同作業(yè)
針對(duì)鋼管鋸切之后端面毛刺清除，組建包含多臺(tái)相機(jī)的多目視覺(jué)引導(dǎo)系統(tǒng)以及包含打磨工具、機(jī)器人在內(nèi)的毛刺打磨閉環(huán)控制系統(tǒng)，并完成整機(jī)成套設(shè)備的搭建。
解決人工打磨效果參差不齊、工作效率低、費(fèi)時(shí)費(fèi)力的問(wèn)題。解決機(jī)器人打磨時(shí)鋼管姿態(tài)難判斷、端面位置識(shí)別不準(zhǔn)確、毛刺定位不精準(zhǔn)、無(wú)法快速完成毛刺打磨等突出問(wèn)題。
鋼管管端打磨機(jī)器人
2.質(zhì)量管控-智能在線檢測(cè)
針對(duì)鋼管內(nèi)表面缺陷檢測(cè)，組建包含工業(yè)相機(jī)、鏡頭在內(nèi)的圖像采集系統(tǒng)。解決了鋼管內(nèi)表面缺陷人工檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)模糊、檢測(cè)范圍局限于鋼管端口、檢測(cè)結(jié)果具象化程度低的問(wèn)題。解決了鋼管內(nèi)表面缺陷自動(dòng)化檢測(cè)時(shí)，鋼管內(nèi)部由于光線不足造成的圖像采集不清晰、采集設(shè)備無(wú)法快速伸入鋼管內(nèi)部、傳送機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性差的問(wèn)題。
對(duì)鋼管內(nèi)表面進(jìn)行連續(xù)圖像采集，通過(guò)深度學(xué)習(xí)識(shí)別裂紋、折疊、結(jié)疤、軋折、離層等缺陷，準(zhǔn)確進(jìn)行缺陷定位，并建立缺陷庫(kù)及實(shí)現(xiàn)缺陷自動(dòng)分類，在檢測(cè)不合格的情況下自動(dòng)報(bào)警。
鋼管內(nèi)表面缺陷設(shè)備
3.設(shè)備管理-智能維護(hù)管理
圍繞設(shè)備對(duì)象的管理要素開(kāi)展質(zhì)量、成本、效率、一生化管理，利用智能化的手段實(shí)現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程智能運(yùn)維模式。
解決設(shè)備管理、故障診斷、過(guò)維修、欠維修、指標(biāo)統(tǒng)計(jì)等管理要素收集不及時(shí)的突出問(wèn)題。
集中匯聚各類設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、管理過(guò)程數(shù)據(jù)，集成應(yīng)用工業(yè)大數(shù)據(jù)分析、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，建設(shè)面向設(shè)備全生命周期的設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)維平臺(tái)，優(yōu)化一系列過(guò)程決策機(jī)制。
智能維護(hù)管理
4.能源管理-能效優(yōu)化
針對(duì)企業(yè)節(jié)能降耗、低碳發(fā)展需求，建立一套智慧能源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)能源的精準(zhǔn)核算和能源過(guò)程智慧管控，包括重點(diǎn)能耗設(shè)備監(jiān)控、能耗成本統(tǒng)計(jì)分析等功能。
解決鋼管生產(chǎn)在能源計(jì)量過(guò)程中人工抄數(shù)不及時(shí)、不準(zhǔn)確,信息反饋滯后、能源消耗的科學(xué)評(píng)估體系缺乏、能耗優(yōu)化管理手段欠缺等問(wèn)題。
能源過(guò)程消耗管控平臺(tái)
5.環(huán)保管控-污染源管理與環(huán)境監(jiān)測(cè)
識(shí)別廠區(qū)內(nèi)無(wú)組織排放源、產(chǎn)塵點(diǎn)，并全部納入監(jiān)測(cè)與管控。通過(guò)污染的識(shí)別，監(jiān)控，決策與治理，實(shí)現(xiàn)無(wú)組織排放的閉環(huán)管控。通過(guò)減少或杜絕無(wú)組織排放的發(fā)生，提高污染管理的效率，推動(dòng)綠色經(jīng)濟(jì)發(fā)展。該項(xiàng)目在實(shí)施過(guò)程中的技術(shù)訣竅和方法不僅適用于鋼廠，還適用于其他涉及污染排放的產(chǎn)業(yè)。
環(huán)保智能管控平臺(tái)
6.安全管控-安全風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與識(shí)別
傳統(tǒng)安全管控手段中，安全巡檢人員無(wú)法對(duì)違章行為全天候?qū)崟r(shí)巡檢，違章行為屢禁不止。安全風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)管控、隱患排查治理信息化和智能化水平低，安全管理水平亟待提升。
本項(xiàng)目建立安全管控平臺(tái)，基于機(jī)器視覺(jué)構(gòu)建未戴安全帽、抽煙、未佩戴煤氣報(bào)警器、未按要求多人作業(yè)、摔倒、誤闖禁入?yún)^(qū)、未穿工裝等實(shí)時(shí)智能識(shí)別算法。實(shí)現(xiàn)基于PC端和APP的安全風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)管控和隱患排查治理雙重預(yù)防信息平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)智能管控和隱患智能閉環(huán)管理。
7.倉(cāng)儲(chǔ)配送-智能倉(cāng)儲(chǔ)
建設(shè)智能成品倉(cāng)庫(kù)，基于物流和信息流控制緊密結(jié)合——即在計(jì)算機(jī)控制軟件中設(shè)置一套對(duì)物流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤的信息流系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)貨物搬運(yùn)及存取機(jī)械化、倉(cāng)庫(kù)管理自動(dòng)化，使產(chǎn)品的儲(chǔ)存、管理、周轉(zhuǎn)聯(lián)成一體，確立合理的儲(chǔ)存量，建立了最佳物流組織形式，提高公司物流現(xiàn)代化水平，實(shí)現(xiàn)最佳的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
智能庫(kù)管系統(tǒng)根據(jù)先進(jìn)的倉(cāng)儲(chǔ)算法，智能對(duì)料位、品種、鋼管數(shù)量等綜合分析，對(duì)智能行車進(jìn)行總體協(xié)調(diào)和調(diào)度，對(duì)庫(kù)位進(jìn)行智能位。
智能庫(kù)-自動(dòng)裝車
8.質(zhì)量管控-質(zhì)量精準(zhǔn)追溯
實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的事后判定與評(píng)價(jià)、事中監(jiān)控與預(yù)警、事前預(yù)測(cè)與管控、質(zhì)量缺陷分析與追溯、多要素質(zhì)量協(xié)同控制等功能的開(kāi)發(fā)，解決長(zhǎng)期以來(lái)上下游工序質(zhì)量窗口模糊、工序部門間糾紛突出、質(zhì)量缺乏長(zhǎng)期穩(wěn)定性、多維影響因素難以辨別、一些質(zhì)量疑難雜癥長(zhǎng)期得不到解決等痛點(diǎn)問(wèn)題。
以工藝為導(dǎo)向，借助數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，通過(guò)開(kāi)發(fā)全流程質(zhì)量管控應(yīng)用層功能，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全過(guò)程的精準(zhǔn)質(zhì)量判定、過(guò)程參數(shù)監(jiān)控、質(zhì)量缺陷分析、過(guò)程數(shù)據(jù)追溯等功能，推進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量過(guò)程判定、質(zhì)量分析與自診斷、工藝模型優(yōu)化等方面的技術(shù)革新，利用信息化手段全方位對(duì)企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量存在的問(wèn)題進(jìn)行監(jiān)控、診斷、分析和預(yù)控。
質(zhì)量數(shù)據(jù)追溯
