一、研究的背景與問題

新一代信息技術與先進制造技術的深度融合極大促進了工業(yè)數(shù)字化進程。工廠和車間作為冶金企業(yè)運營的重要節(jié)點在技術迭代中應被重點關注。過去的五年，依托新一代信息技術開展的冶金智能工廠研討、設計與實施一直是行業(yè)的熱點，也是從設計、生產、管理、服務等制造全過程開展的智能制造典型性、系統(tǒng)性案例。

國民經濟中主要的工業(yè)領域如鋼鐵、有色、石化、水泥等，因對象不同、流程不同、基礎不同、焦點不同等，各領域智能工廠的建設必須考慮共性基礎上的個性化設計。鋼鐵工業(yè)是國之基石，是關乎國計民生的支柱產業(yè)，也是我國經濟持續(xù)增長的重要支撐力量，與國際先進水平相比，目前仍面臨著環(huán)境負荷重、資源利用率低、綜合能效低、產品同質化低值化等共性問題，這些在智能工廠建設中需要針對性考慮。

熱軋作為鋼鐵生產流程的重要環(huán)節(jié)，具有高頻、強耦合、非線性等特點，溫度、相變、應力相伴相生。經歷工業(yè)3.0后，熱軋技術在主線自動化程度、品種規(guī)格、產品質量、信息融通等方面取得了長足的進步，但仍然存在如下亟待解決的問題：庫區(qū)、磨輥間、能源介質、質檢等非主線單元存在著大量的人工操作，勞動生產率低下；加熱能力、軋線節(jié)奏、多區(qū)域調度、生產順行等問題影響產能釋放，高效生產需求迫切；以板形、表面、軋破甩尾為代表的質量和生產穩(wěn)定性長期困擾熱軋企業(yè)，控制模型精度、設備狀態(tài)、關鍵檢測缺失、監(jiān)控不完善、人工干預多等是主要原因；缺乏工廠級成本管理系統(tǒng)，能耗到卷（或板、管、棒等）、成本到卷無法實現(xiàn)，做不到精細成本控制；自動化、信息化已逐步完善，但許多和設備、人員、物料、能源等密切相關的數(shù)字化工作尚在起步；上下游工序、工廠業(yè)務之間缺乏物質流、信息流、能量流協(xié)同機制，工作效率低下，標準實施和固化困難，決策靠人。

熱軋面臨的如上問題大多是多因素或多目標問題，需要從全局加以考慮，現(xiàn)有的多級計算機系統(tǒng)構架具有局限性，熱軋智能工廠建設則為解決如上問題提供了契機。本項目提出一種以問題為導向的熱軋“雙智控”智能工廠構架方案，以短板補齊、智能檢測、工業(yè)互聯(lián)網平臺等為支撐，以關鍵績效指標為牽引，從操維集約和業(yè)務協(xié)同兩個方面出發(fā)，借助精準感知、數(shù)字孿生、工藝驅動、智能算法等手段，追求產線極度自動化和業(yè)務高效協(xié)同化。熱軋智能工廠的建設實現(xiàn)物質流、能量流、信息流互聯(lián)互通，并完成生產過程中大尺度的全局優(yōu)化和資源配置，可推動真正意義上的熱軋工廠技術變革。

二、解決問題的思路與技術方案

許多智能工廠建設關注點狀項目，缺乏建設主線及項目互相之間邏輯、功能關系，面對多樣的工廠需求，運行效率及協(xié)同性難以滿足，整體性差。本項目從工廠業(yè)務痛點、機構職能、可持續(xù)拓展等角度出發(fā)，提出熱軋智能工廠分層構架設計思想，如圖1所示。

圖1 熱軋智能工廠分層構架設計

與公司重點關注采購、營銷、研發(fā)、財務、人力等運營功能不同，工廠作為生產主體，更多職能在于生產出合格的產品及完成廠內多業(yè)務管控。圖1中智能工廠構架分為智能支撐、智能生產和智能管控三個層級，多個工廠則可支撐公司級智慧運營。每個層級的定位及功能如下：

1、智能支撐層作為智能工廠建設的基礎，主要瞄準智能工廠建設所必備的全線設備自動化、物料數(shù)字化和信息獲取全域化，內容包括控制系統(tǒng)的短板補齊，新增智能檢測與裝備技術（如圖2所示），機器人代人，工業(yè)互聯(lián)網平臺建設等。在熱軋中，具體如通過棒材、鋼管的逐支跟蹤系統(tǒng)解決物料數(shù)據對應；開發(fā)鐮刀彎、翹扣頭、機架間跑偏、卷取定尾等智能檢測獲取軋線物料狀態(tài)并為生產智能化服務；利用鋼卷自動噴號可降低工作強度和容錯率，改善工作環(huán)境；基于工業(yè)互聯(lián)網平臺技術的熱軋大數(shù)據中心建設則可實現(xiàn)全域數(shù)據的收集、治理、服務，為上層應用模型提供全面支撐。若不建設強大的智能支撐層，智能工廠會面臨大量的工序斷點、數(shù)據斷點、人工干預，智能工廠無從談起。

圖2 熱軋智能工廠智能裝備及控制技術

2、智能生產層聚焦生產運行的集約化建設，是智能工廠的有形價值體現(xiàn)，在過去的五年也是各個智能化工廠的重點關注內容，主要瞄準過程控制智能化、生產操作少人化，目標是實現(xiàn)車間運行集中操控，內容包括新一代控制系統(tǒng)實現(xiàn)自感知、自決策、自執(zhí)行和自學習，生產全過程的一鍵式、高精度、無人化、少人化綜合運行技術，以及在此基礎上實現(xiàn)高效生產、崗位優(yōu)化、操作集控和精益生產。在熱軋中，具體如全線無人裝出鋼與自動軋鋼技術、無人行車和智能庫管技術、操作集控技術、磨輥間集中控制等，智能生產層也是熱軋極度自動化的外在表現(xiàn)，并可通過集約化方式倒逼軋線全方位技術升級。

3、智能管控層聚焦大數(shù)據應用，是智能工廠建設的無形價值體現(xiàn)，主要關注流程信息透明化、工廠管理扁平化和業(yè)務決策精準化，內容包括以數(shù)字產品為核心構建業(yè)務集控中心，以績效動態(tài)指標管理為導向，實現(xiàn)生產、質量、成本、設備等多業(yè)務大尺度協(xié)同，如圖3所示為熱軋智能工廠協(xié)同智控平臺技術構架。在熱軋中，具體如建立工廠級質量管控系統(tǒng)、精細化能源系統(tǒng)、精細化成本系統(tǒng)、設備監(jiān)視與工藝分析系統(tǒng)等，通過數(shù)據分析方法和工藝技術的融合解決現(xiàn)場多類遺留問題。

圖3 熱軋智能工廠協(xié)同智控平臺技術構架

基于熱軋智能工廠的分層建設思想，設計熱軋“雙智控”智能工廠的實例化方案如圖4所示。圖中工廠原有的基礎自動化、過程自動化、制造執(zhí)行系統(tǒng)、一體化管理系統(tǒng)和智控中心實現(xiàn)高度融合。依托智能支撐層構建面向6大區(qū)域的操維智控和面向多業(yè)務的協(xié)同智控，并與原有系統(tǒng)互聯(lián)互通，通過有形的工廠改造和無形的數(shù)據挖掘兩大抓手助力企業(yè)數(shù)字化轉型。

圖4 基于多層架構的熱軋“雙智控”智能工廠實例化方案

三、主要創(chuàng)新性成果

1、開發(fā)了基于機器視覺及深度學習的熱軋帶鋼運行過程成套檢測技術。主要包括爐前定位檢測、坯形識別檢測、坯號識別與核對、粗軋鐮刀彎翹扣頭檢測、粗軋板坯表檢裂紋檢測、精軋帶鋼跑偏檢測、卷取自動定尾檢測技術等，其中板坯爐前定位精度達到15mm，多類板坯號識別精度達到99%，鐮刀彎檢測精度可達到3mm，翹扣頭檢測精度5mm，中間坯表面重大缺陷檢測和識別率超過99%，跑偏檢測精度達到2mm，卷取定尾精度誤差小于5℃，實現(xiàn)熱軋帶鋼運行過程的全域增強感知。

2、開發(fā)了基于特征提取及多目標優(yōu)化的熱軋少人化生產技術。主要包括加智能庫管技術、熱爐無人化燒鋼技術、粗軋鐮刀彎和翹扣頭自動控制技術、精軋機架間帶鋼自動糾偏技術、卷取自動定尾技術等，其中，熱軋板坯庫實現(xiàn)作業(yè)指令執(zhí)行率100%，鐮刀彎控制精度±20mm控制精度超過90%，翹扣頭命中率大于95%，精軋甩尾率降低40%，全線自動軋鋼功能投入率達到95%。

3、開發(fā)了基于機理模型和數(shù)據驅動的多業(yè)務協(xié)同模型。主要包括質量一鍵式分析模型、全長幅寬組織性能預報及能耗協(xié)同模型、軋制穩(wěn)定性特征提取與分析模型、基于單物料的工序級能源和成本核算模型、設備工藝精度自動診斷及分析模型等，其中，質量、設備、生產模型的自動分析準確率超過90%，組織性能預報精度超過90%，能源和成本計算準確率超過99.8%。

四、應用情況與效果

通過多年的研發(fā)和實踐，面向操作集約和業(yè)務協(xié)同的熱軋雙智控智能工廠2020年首先在寶武馬鋼實現(xiàn)整體技術落地。由馬鋼、北科大、寶信軟件、金恒博遠、寶武智維等聯(lián)合研發(fā)的馬鋼四鋼軋熱軋智能工廠從2020年04月開始做初步設計，2021年01月投產運行，2021年08月整體竣工，這是國內首個將2250產線和1580產線合并打造的雙線雙智控示范線，該項目的順利投產也證明了兼顧操維集控和業(yè)務協(xié)同的多層次智能工廠構架具有合理性和可行性，并在行業(yè)內形成了示范效應，目前后續(xù)的多個鋼鐵企業(yè)熱軋智能工廠正按相同的模式進行設計和實施。該項目建成后，帶來的成效如下：

1、操維智控平臺建成后，產線之間及崗位之間的協(xié)同效應凸顯，高效生產模式帶來可見效益，如圖5所示為鋼四鋼軋熱軋智能工廠雙線操維智控平臺。馬鋼四鋼軋2250和1580熱軋2個分廠整合為1個分廠，12個作業(yè)區(qū)變?yōu)?個作業(yè)區(qū)，將兩線15個崗位整合為“1+2+1” 的新崗位模式（雙線板加1個崗位，雙線軋鋼2個崗位，雙線綜合運維1個崗位），主線減員超過35%，勞動生產率提升15%，通過軋線節(jié)奏控制和節(jié)奏監(jiān)視預警，熱軋產能提升8%。

圖5 馬鋼四鋼軋熱軋智能工廠雙線操維智控平臺

2、與操維集控平臺相比，協(xié)同智慧平臺聚焦數(shù)據感知、知識萃取、優(yōu)化決策，挖掘熱軋海量數(shù)據背后的潛在價值，并和操維集控平臺相互融合，實現(xiàn)業(yè)務間的高度協(xié)同和造物育人雙管齊下，從全維度提升工廠的智能化水平和軟實力，如圖6所示為馬鋼四鋼軋熱軋智能工廠協(xié)同智慧平臺。通過精細化能源及成本管控模型，成本下降10%，通過實施預警、事后分析、參數(shù)整定模型，質量降級率下降10%。

圖6 馬鋼四鋼軋熱軋智能工廠協(xié)同智控平臺