一、研究的背景與問(wèn)題
大冶特鋼是我國(guó)裝備最齊全、生產(chǎn)規(guī)模最大的特殊鋼企業(yè)，其特冶鍛造生產(chǎn)基地工藝流程較為復(fù)雜，該產(chǎn)線(xiàn)電爐、電渣及雙真空工序涉及爐臺(tái)設(shè)備包括電弧爐、感應(yīng)爐、精煉爐、電渣爐、真空感應(yīng)、真空自耗爐等，生產(chǎn)工序多，既有流程行業(yè)又有離散行業(yè)特點(diǎn)，各工序各參數(shù)的交互影響因素多，而采用先進(jìn)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立質(zhì)量大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，將打通各工序產(chǎn)品質(zhì)量與工藝參數(shù)之間的系統(tǒng)壁壘，可以達(dá)到多工序、各工藝質(zhì)量數(shù)據(jù)的互通互融，在加工生產(chǎn)的每個(gè)環(huán)節(jié)保證各節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)全流程質(zhì)量可追溯，將有效提升產(chǎn)品質(zhì)量，從而滿(mǎn)足市場(chǎng)需求、增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。
二、解決問(wèn)題的思路與技術(shù)方案
通過(guò)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)準(zhǔn)確、穩(wěn)定地采集生產(chǎn)過(guò)程工藝質(zhì)量數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)，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)深度匯聚，將臃腫、僵化的工業(yè)軟件將演變?yōu)槠脚_(tái)上可靈活部署和配置的工業(yè)APP應(yīng)用，通過(guò)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)特種冶煉生產(chǎn)線(xiàn)的智能化轉(zhuǎn)型。
1、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)
采用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，把在工業(yè)環(huán)境建立數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的工業(yè)APP所需的計(jì)算資源和能力，通過(guò)抽象優(yōu)化整合，在最底層提供設(shè)備數(shù)據(jù)連接能力（相應(yīng)于傳統(tǒng)操作統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)能力）、大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力（相應(yīng)于傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的存儲(chǔ)能力）、應(yīng)用運(yùn)行（相應(yīng)于傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的進(jìn)程運(yùn)行能力），以及數(shù)據(jù)和系統(tǒng)安全的能力。
2、系統(tǒng)總體方案和功能
質(zhì)量大數(shù)據(jù)系統(tǒng)按“數(shù)據(jù)采集-信息跟蹤-實(shí)績(jī)查詢(xún)-質(zhì)量分析”的業(yè)務(wù)管理邏輯設(shè)計(jì)整體功能。
通過(guò)智能網(wǎng)關(guān)（在連接層）將企業(yè)中L1、L2、L3、L4和L5層信息化系統(tǒng)或設(shè)備中將相關(guān)的質(zhì)量數(shù)據(jù)采集到質(zhì)量大數(shù)據(jù)平臺(tái)層，進(jìn)行建模、分析和應(yīng)用開(kāi)發(fā)，在上層的工業(yè)APP包括本質(zhì)量大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的四個(gè)功能模塊：質(zhì)量監(jiān)控、質(zhì)量追溯、質(zhì)量分析和工藝管理。
圖1 質(zhì)量大數(shù)據(jù)系統(tǒng)方案架構(gòu)圖
運(yùn)用數(shù)字孿生體技術(shù)，結(jié)構(gòu)化管理過(guò)程全生命周期數(shù)據(jù)；數(shù)字孿生技術(shù)面向物質(zhì)流對(duì)象，可以保證每一個(gè)數(shù)據(jù)都有明確數(shù)據(jù)來(lái)源、用途、工業(yè)意義、隸屬關(guān)系等；將跨工序、跨流程、跨業(yè)務(wù)的大數(shù)據(jù)和模型深度融合，挖掘數(shù)據(jù)潛在價(jià)值，實(shí)現(xiàn)大范圍的、全局的優(yōu)化（傳統(tǒng)優(yōu)化一般在單點(diǎn)或局部）。
圖2 數(shù)字孿生體技術(shù)的結(jié)構(gòu)化管理圖
（1）采集特冶鍛造工序的全過(guò)程工藝過(guò)程參數(shù)，建立數(shù)據(jù)平臺(tái)，為工藝質(zhì)量監(jiān)控和追溯、質(zhì)量預(yù)警提供依據(jù)。
（2）為技術(shù)和管理人員提供全面準(zhǔn)確的工藝質(zhì)量數(shù)據(jù)，提高工作效率，減少人工對(duì)數(shù)據(jù)的干預(yù)，通過(guò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)按爐號(hào)查詢(xún)特冶鍛造工序工藝過(guò)程參數(shù)，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量追溯。
（3）對(duì)產(chǎn)品制造過(guò)程工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量信息的全程共享，及時(shí)發(fā)現(xiàn)工藝異常進(jìn)行預(yù)警，避免批量產(chǎn)品的異常和流轉(zhuǎn)，降低質(zhì)量損失；實(shí)現(xiàn)質(zhì)量數(shù)據(jù)的備份和關(guān)鍵工序視頻的同步調(diào)用。
（4）質(zhì)量大數(shù)據(jù)系統(tǒng)建立后，要將L1系統(tǒng)中的質(zhì)量數(shù)據(jù)采集并整合在一個(gè)數(shù)據(jù)中心平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量監(jiān)控、質(zhì)量追溯。
3、信息安全設(shè)計(jì)
系統(tǒng)除提供業(yè)務(wù)功能外，還考慮到信息安全的設(shè)計(jì)，主要包括端口安全、統(tǒng)一身份驗(yàn)證、基于角色授權(quán)和移動(dòng)端安全等設(shè)計(jì)。
三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果
1、突破了特種冶煉設(shè)備數(shù)字孿生、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、工業(yè)技術(shù)軟件化等關(guān)鍵共性技術(shù)。
基于涵蓋基礎(chǔ)IaaS、通用PaaS、工業(yè)PaaS、工業(yè)SaaS的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)先進(jìn)技術(shù)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)治理、機(jī)理模型構(gòu)建、工業(yè)APP開(kāi)發(fā)，建立從設(shè)備到數(shù)據(jù)到平臺(tái)的整體安全防護(hù)機(jī)制。
圖3 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)架構(gòu)圖
在平臺(tái)的分層架構(gòu)之上，平臺(tái)的核心功能模塊(存儲(chǔ)層組件例外)以容器化的方式運(yùn)行在kubernates之上，充分實(shí)現(xiàn)云原生理念。
基于物流為核心的特鋼行業(yè)數(shù)字孿生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)特冶鍛造產(chǎn)線(xiàn)工藝可視化和質(zhì)量可視化。采用先進(jìn)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字孿生體技術(shù)通過(guò)對(duì)物質(zhì)流信息流生產(chǎn)流設(shè)備狀態(tài)流進(jìn)行數(shù)字化表征，形成以物質(zhì)流為核心的質(zhì)量數(shù)字孿生體，作為質(zhì)量大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，極大提升質(zhì)量數(shù)據(jù)查詢(xún)、工藝對(duì)標(biāo)、質(zhì)量分析、質(zhì)量預(yù)判的效率和準(zhǔn)確性。
面向特種冶煉產(chǎn)線(xiàn)質(zhì)量提升需求，定義標(biāo)準(zhǔn)化的工業(yè)技術(shù)軟件化參考架構(gòu)和開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，將傳統(tǒng)散落的經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)、知識(shí)、原理等進(jìn)行沉淀和復(fù)用，實(shí)現(xiàn)工業(yè)技術(shù)的顯性化、模型化、數(shù)字化、系統(tǒng)化、智能化。
2、基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云-邊-端的頂層設(shè)計(jì)，形成了集設(shè)計(jì)研發(fā)、監(jiān)測(cè)、診斷、預(yù)測(cè)、決策、執(zhí)行、優(yōu)化、服務(wù)為一體的特冶鍛造產(chǎn)線(xiàn)質(zhì)量大數(shù)據(jù)整體解決方案，服務(wù)于產(chǎn)品創(chuàng)新。
圍繞“自動(dòng)化-信息化-智能化”技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑，貫穿特冶鍛造產(chǎn)線(xiàn)不同工序，提供從設(shè)計(jì)研發(fā)-監(jiān)測(cè)-診斷-預(yù)測(cè)-決策-執(zhí)行-優(yōu)化-服務(wù)等一體化的整體解決方案。項(xiàng)目基于物聯(lián)網(wǎng)和自控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)感知精準(zhǔn)控制，邊緣側(cè)構(gòu)建智能管理系統(tǒng)，通過(guò)搭建特冶鍛造質(zhì)量大數(shù)據(jù)智能互聯(lián)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)基于特冶鍛造工藝質(zhì)量大數(shù)據(jù)的整體監(jiān)測(cè)、分析和診斷的體系建立；助力從特冶鍛造產(chǎn)線(xiàn)數(shù)字化管控，實(shí)現(xiàn)特冶鍛造產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中質(zhì)量的全局優(yōu)化以及產(chǎn)品質(zhì)量的全生命周期管理。
提供完備的工業(yè)安全防護(hù)體系。通過(guò)監(jiān)測(cè)、測(cè)試和評(píng)估，對(duì)安全監(jiān)控、調(diào)度、運(yùn)維等模型應(yīng)用界面進(jìn)行安全防護(hù)措施部署，確保數(shù)據(jù)和信息的可靠性和保密性，以防止數(shù)據(jù)篡改、竊取、非法文件上傳、權(quán)限提升等安全風(fēng)險(xiǎn)。
3、構(gòu)建面向電渣冶煉、真空自耗、真空感應(yīng)等特冶鍛造產(chǎn)線(xiàn)各工序用戶(hù)的線(xiàn)上診斷、線(xiàn)下改造閉環(huán)應(yīng)用模式，實(shí)現(xiàn)智能制造落地應(yīng)用創(chuàng)新。
基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，支持不同設(shè)備間的智能對(duì)標(biāo)、云診斷、云開(kāi)發(fā)、微服務(wù)和遠(yuǎn)程運(yùn)維，形成獨(dú)特的橫向技術(shù)優(yōu)勢(shì)和業(yè)務(wù)能力。
四、應(yīng)用情況與效果
1、工藝管理：實(shí)現(xiàn)各工序工藝規(guī)程的錄入、刪除、修改、發(fā)布等管理功能。
2、質(zhì)量監(jiān)控：（1）實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，包括實(shí)時(shí)監(jiān)控冶煉的電渣爐、雙真空、加熱、退火等關(guān)鍵工藝指標(biāo)。（2）實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的工藝參數(shù)預(yù)警，設(shè)置預(yù)警模型，根據(jù)角色推送給管理者和業(yè)務(wù)人員，提供全流程或特定工序工藝和質(zhì)量狀況在線(xiàn)總覽圖，包括SPC控制圖等常用圖表，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行變量過(guò)程監(jiān)控與預(yù)警功能，直觀展示和精確描述包括各種關(guān)鍵工藝和質(zhì)量參數(shù)（KPI）的歷史、當(dāng)前以及發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)各種當(dāng)前重要工藝和質(zhì)量異常事件報(bào)警，并對(duì)其提供具體解決方案的輔助性建議。
3、質(zhì)量追溯：支持從生產(chǎn)卡片號(hào)、爐號(hào)、工序開(kāi)始/結(jié)束時(shí)間等多個(gè)維度，根據(jù)不同的用戶(hù)需求，隨時(shí)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行查詢(xún)跟蹤。
通過(guò)對(duì)L2系統(tǒng)、MES、檢化驗(yàn)等各個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的打通集成，對(duì)生產(chǎn)歷史過(guò)程進(jìn)行精確重現(xiàn)。包括質(zhì)量要求數(shù)據(jù)、工藝要求數(shù)據(jù)、各工序生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)、生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控視頻等數(shù)據(jù)，重點(diǎn)對(duì)于加熱、、熱處理、無(wú)損檢驗(yàn)、理化試驗(yàn)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行全方位重現(xiàn)，從對(duì)生產(chǎn)歷史及時(shí)追溯重現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于生產(chǎn)過(guò)程的透明、完整、準(zhǔn)確、及時(shí)的復(fù)盤(pán)與分析。
在質(zhì)量追溯時(shí)，根據(jù)錠坯質(zhì)量數(shù)據(jù)的時(shí)間戳，調(diào)用視頻回放接口，自動(dòng)調(diào)用對(duì)應(yīng)時(shí)間段視頻數(shù)據(jù)。
圖4 質(zhì)量追溯APP—實(shí)績(jī)查詢(xún)列表示意圖
4、產(chǎn)品質(zhì)量預(yù)測(cè)：采用基于模型的產(chǎn)品質(zhì)量預(yù)測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程一些重要的非直接測(cè)量的工藝質(zhì)量參數(shù)（如鑄坯表面與內(nèi)部質(zhì)量等、機(jī)械性能與表面質(zhì)量等）的軟測(cè)量，并進(jìn)行監(jiān)控。
5、鋼材工藝質(zhì)量在線(xiàn)評(píng)級(jí)：生產(chǎn)過(guò)程結(jié)束，系統(tǒng)根據(jù)評(píng)級(jí)知識(shí)庫(kù)自動(dòng)對(duì)產(chǎn)品在線(xiàn)評(píng)級(jí)與判定，并形成評(píng)級(jí)報(bào)告。產(chǎn)品評(píng)級(jí)與判定基于知識(shí)庫(kù)中規(guī)則和產(chǎn)品對(duì)應(yīng)訂單的技術(shù)要求進(jìn)行評(píng)級(jí)。
6、工藝質(zhì)量異常定位：利用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)接口，可按用戶(hù)指定的批次、鋼種、規(guī)格等多種條件，獲取多工序的過(guò)程參數(shù)、質(zhì)量參數(shù)，以便進(jìn)行追溯分析，找出制造過(guò)程工藝、質(zhì)量參數(shù)等差異，定位問(wèn)題原因。
7、跨工序質(zhì)量數(shù)據(jù)分析：系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)展示分析功能外，還提供一些高級(jí)分析功能，如過(guò)程能力指數(shù)、SPC統(tǒng)計(jì)分析、聚類(lèi)算法、關(guān)聯(lián)規(guī)則、參數(shù)差異性分析等，幫助技術(shù)人員快速定位問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的持續(xù)改進(jìn)。
特冶鍛造質(zhì)量大數(shù)據(jù)管理APP解決方案最終實(shí)現(xiàn)的是大冶特鋼特冶鍛造產(chǎn)品全生命周期的研發(fā)及質(zhì)量管理，并提高新產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化實(shí)現(xiàn)能力。
