一、研究的背景與問題

新一代信息技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)的深度融合極大促進(jìn)了工業(yè)數(shù)字化進(jìn)程。工廠和車間作為冶金企業(yè)運(yùn)營的重要節(jié)點(diǎn)在技術(shù)迭代中應(yīng)被重點(diǎn)關(guān)注。過去的五年，依托新一代信息技術(shù)開展的冶金智能工廠研討、設(shè)計(jì)與實(shí)施一直是行業(yè)的熱點(diǎn)，也是從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)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(jīng)濟(jì)中主要的工業(yè)領(lǐng)域如鋼鐵、有色、石化、水泥等，因?qū)ο蟛煌?、流程不同、基礎(chǔ)不同、焦點(diǎn)不同等，各領(lǐng)域智能工廠的建設(shè)必須考慮共性基礎(chǔ)上的個(gè)性化設(shè)計(jì)。鋼鐵工業(yè)是國之基石，是關(guān)乎國計(jì)民生的支柱產(chǎn)業(yè)，也是我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長的重要支撐力量，與國際先進(jìn)水平相比，目前仍面臨著環(huán)境負(fù)荷重、資源利用率低、綜合能效低、產(chǎn)品同質(zhì)化低值化等共性問題，這些在智能工廠建設(shè)中需要針對(duì)性考慮。

熱軋作為鋼鐵生產(chǎn)流程的重要環(huán)節(jié)，具有高頻、強(qiáng)耦合、非線性等特點(diǎn)，溫度、相變、應(yīng)力相伴相生。經(jīng)歷工業(yè)3.0后，熱軋技術(shù)在主線自動(dòng)化程度、品種規(guī)格、產(chǎn)品質(zhì)量、信息融通等方面取得了長足的進(jìn)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(zhì)、質(zhì)檢等非主線單元存在著大量的人工操作，勞動(dòng)生產(chǎn)率低下；加熱能力、軋線節(jié)奏、多區(qū)域調(diào)度、生產(chǎn)順行等問題影響產(chǎn)能釋放，高效生產(chǎn)需求迫切；以板形、表面、軋破甩尾為代表的質(zhì)量和生產(chǎn)穩(wěn)定性長期困擾熱軋企業(yè)，控制模型精度、設(shè)備狀態(tài)、關(guān)鍵檢測缺失、監(jiān)控不完善、人工干預(yù)多等是主要原因；缺乏工廠級(jí)成本管理系統(tǒng)，能耗到卷（或板、管、棒等）、成本到卷無法實(shí)現(xiàn)，做不到精細(xì)成本控制；自動(dòng)化、信息化已逐步完善，但許多和設(shè)備、人員、物料、能源等密切相關(guān)的數(shù)字化工作尚在起步；上下游工序、工廠業(yè)務(wù)之間缺乏物質(zhì)流、信息流、能量流協(xié)同機(jī)制，工作效率低下，標(biāo)準(zhǔn)實(shí)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(biāo)問題，需要從全局加以考慮，現(xiàn)有的多級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)架具有局限性，熱軋智能工廠建設(shè)則為解決如上問題提供了契機(jī)。本項(xiàng)目提出一種以問題為導(dǎo)向的熱軋“雙智控”智能工廠構(gòu)架方案，以短板補(bǔ)齊、智能檢測、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)等為支撐，以關(guān)鍵績效指標(biāo)為牽引，從操維集約和業(yè)務(wù)協(xié)同兩個(gè)方面出發(fā)，借助精準(zhǔn)感知、數(shù)字孿生、工藝驅(qū)動(dòng)、智能算法等手段，追求產(chǎn)線極度自動(dòng)化和業(yè)務(wù)高效協(xié)同化。熱軋智能工廠的建設(shè)實(shí)現(xiàn)物質(zhì)流、能量流、信息流互聯(lián)互通，并完成生產(chǎn)過程中大尺度的全局優(yōu)化和資源配置，可推動(dòng)真正意義上的熱軋工廠技術(shù)變革。

二、解決問題的思路與技術(shù)方案

許多智能工廠建設(shè)關(guān)注點(diǎn)狀項(xiàng)目，缺乏建設(shè)主線及項(xiàng)目互相之間邏輯、功能關(guān)系，面對(duì)多樣的工廠需求，運(yùn)行效率及協(xié)同性難以滿足，整體性差。本項(xiàng)目從工廠業(yè)務(wù)痛點(diǎn)、機(jī)構(gòu)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(gòu)架設(shè)計(jì)思想，如圖1所示。

圖1 熱軋智能工廠分層構(gòu)架設(shè)計(jì)

與公司重點(diǎn)關(guān)注采購、營銷、研發(fā)、財(cái)務(wù)、人力等運(yùn)營功能不同，工廠作為生產(chǎn)主體，更多職能在于生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品及完成廠內(nèi)多業(yè)務(wù)管控。圖1中智能工廠構(gòu)架分為智能支撐、智能生產(chǎn)和智能管控三個(gè)層級(jí)，多個(gè)工廠則可支撐公司級(jí)智慧運(yùn)營。每個(gè)層級(jí)的定位及功能如下：

1、智能支撐層作為智能工廠建設(shè)的基礎(chǔ)，主要瞄準(zhǔn)智能工廠建設(shè)所必備的全線設(shè)備自動(dòng)化、物料數(shù)字化和信息獲取全域化，內(nèi)容包括控制系統(tǒng)的短板補(bǔ)齊，新增智能檢測與裝備技術(shù)（如圖2所示），機(jī)器人代人，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)建設(shè)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(jù)對(duì)應(yīng)；開發(fā)鐮刀彎、翹扣頭、機(jī)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(chǎn)智能化服務(wù)；利用鋼卷自動(dòng)噴號(hào)可降低工作強(qiáng)度和容錯(cuò)率，改善工作環(huán)境；基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)技術(shù)的熱軋大數(shù)據(jù)中心建設(shè)則可實(shí)現(xiàn)全域數(shù)據(jù)的收集、治理、服務(wù)，為上層應(yīng)用模型提供全面支撐。若不建設(shè)強(qiáng)大的智能支撐層，智能工廠會(huì)面臨大量的工序斷點(diǎn)、數(shù)據(jù)斷點(diǎn)、人工干預(yù)，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(shù)

2、智能生產(chǎn)層聚焦生產(chǎn)運(yùn)行的集約化建設(shè)，是智能工廠的有形價(jià)值體現(xiàn)，在過去的五年也是各個(gè)智能化工廠的重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)容，主要瞄準(zhǔn)過程控制智能化、生產(chǎn)操作少人化，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)車間運(yùn)行集中操控，內(nèi)容包括新一代控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自感知、自決策、自執(zhí)行和自學(xué)習(xí)，生產(chǎn)全過程的一鍵式、高精度、無人化、少人化綜合運(yùn)行技術(shù)，以及在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)、崗位優(yōu)化、操作集控和精益生產(chǎn)。在熱軋中，具體如全線無人裝出鋼與自動(dòng)軋鋼技術(shù)、無人行車和智能庫管技術(shù)、操作集控技術(shù)、磨輥間集中控制等，智能生產(chǎn)層也是熱軋極度自動(dòng)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(shù)升級(jí)。

3、智能管控層聚焦大數(shù)據(jù)應(yīng)用，是智能工廠建設(shè)的無形價(jià)值體現(xiàn)，主要關(guān)注流程信息透明化、工廠管理扁平化和業(yè)務(wù)決策精準(zhǔn)化，內(nèi)容包括以數(shù)字產(chǎn)品為核心構(gòu)建業(yè)務(wù)集控中心，以績效動(dòng)態(tài)指標(biāo)管理為導(dǎo)向，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、質(zhì)量、成本、設(shè)備等多業(yè)務(wù)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(tái)技術(shù)構(gòu)架。在熱軋中，具體如建立工廠級(jí)質(zhì)量管控系統(tǒng)、精細(xì)化能源系統(tǒng)、精細(xì)化成本系統(tǒng)、設(shè)備監(jiān)視與工藝分析系統(tǒng)等，通過數(shù)據(jù)分析方法和工藝技術(shù)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(tái)技術(shù)構(gòu)架

基于熱軋智能工廠的分層建設(shè)思想，設(shè)計(jì)熱軋“雙智控”智能工廠的實(shí)例化方案如圖4所示。圖中工廠原有的基礎(chǔ)自動(dòng)化、過程自動(dòng)化、制造執(zhí)行系統(tǒng)、一體化管理系統(tǒng)和智控中心實(shí)現(xiàn)高度融合。依托智能支撐層構(gòu)建面向6大區(qū)域的操維智控和面向多業(yè)務(wù)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(jù)挖掘兩大抓手助力企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

圖4 基于多層架構(gòu)的熱軋“雙智控”智能工廠實(shí)例化方案

三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果

1、開發(fā)了基于機(jī)器視覺及深度學(xué)習(xí)的熱軋帶鋼運(yùn)行過程成套檢測技術(shù)。主要包括爐前定位檢測、坯形識(shí)別檢測、坯號(hào)識(shí)別與核對(duì)、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(dòng)定尾檢測技術(shù)等，其中板坯爐前定位精度達(dá)到15mm，多類板坯號(hào)識(shí)別精度達(dá)到99%，鐮刀彎檢測精度可達(dá)到3mm，翹扣頭檢測精度5mm，中間坯表面重大缺陷檢測和識(shí)別率超過99%，跑偏檢測精度達(dá)到2mm，卷取定尾精度誤差小于5℃，實(shí)現(xiàn)熱軋帶鋼運(yùn)行過程的全域增強(qiáng)感知。

2、開發(fā)了基于特征提取及多目標(biāo)優(yōu)化的熱軋少人化生產(chǎn)技術(shù)。主要包括加智能庫管技術(shù)、熱爐無人化燒鋼技術(shù)、粗軋鐮刀彎和翹扣頭自動(dòng)控制技術(shù)、精軋機(jī)架間帶鋼自動(dòng)糾偏技術(shù)、卷取自動(dòng)定尾技術(shù)等，其中，熱軋板坯庫實(shí)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(dòng)軋鋼功能投入率達(dá)到95%。

3、開發(fā)了基于機(jī)理模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的多業(yè)務(wù)協(xié)同模型。主要包括質(zhì)量一鍵式分析模型、全長幅寬組織性能預(yù)報(bào)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(jí)能源和成本核算模型、設(shè)備工藝精度自動(dòng)診斷及分析模型等，其中，質(zhì)量、設(shè)備、生產(chǎn)模型的自動(dòng)分析準(zhǔn)確率超過90%，組織性能預(yù)報(bào)精度超過90%，能源和成本計(jì)算準(zhǔn)確率超過99.8%。

四、應(yīng)用情況與效果

通過多年的研發(fā)和實(shí)踐，面向操作集約和業(yè)務(wù)協(xié)同的熱軋雙智控智能工廠2020年首先在寶武馬鋼實(shí)現(xiàn)整體技術(shù)落地。由馬鋼、北科大、寶信軟件、金恒博遠(yuǎn)、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(shè)計(jì)，2021年01月投產(chǎn)運(yùn)行，2021年08月整體竣工，這是國內(nèi)首個(gè)將2250產(chǎn)線和1580產(chǎn)線合并打造的雙線雙智控示范線，該項(xiàng)目的順利投產(chǎn)也證明了兼顧操維集控和業(yè)務(wù)協(xié)同的多層次智能工廠構(gòu)架具有合理性和可行性，并在行業(yè)內(nèi)形成了示范效應(yīng)，目前后續(xù)的多個(gè)鋼鐵企業(yè)熱軋智能工廠正按相同的模式進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)施。該項(xiàng)目建成后，帶來的成效如下：

1、操維智控平臺(tái)建成后，產(chǎn)線之間及崗位之間的協(xié)同效應(yīng)凸顯，高效生產(chǎn)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(tái)。馬鋼四鋼軋2250和1580熱軋2個(gè)分廠整合為1個(gè)分廠，12個(gè)作業(yè)區(qū)變?yōu)?個(gè)作業(yè)區(qū)，將兩線15個(gè)崗位整合為“1+2+1” 的新崗位模式（雙線板加1個(gè)崗位，雙線軋鋼2個(gè)崗位，雙線綜合運(yùn)維1個(gè)崗位），主線減員超過35%，勞動(dòng)生產(chǎn)率提升15%，通過軋線節(jié)奏控制和節(jié)奏監(jiān)視預(yù)警，熱軋產(chǎn)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(tái)

2、與操維集控平臺(tái)相比，協(xié)同智慧平臺(tái)聚焦數(shù)據(jù)感知、知識(shí)萃取、優(yōu)化決策，挖掘熱軋海量數(shù)據(jù)背后的潛在價(jià)值，并和操維集控平臺(tái)相互融合，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)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(shí)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(tái)。通過精細(xì)化能源及成本管控模型，成本下降10%，通過實(shí)施預(yù)警、事后分析、參數(shù)整定模型，質(zhì)量降級(jí)率下降10%。

圖6 馬鋼四鋼軋熱軋智能工廠協(xié)同智控平臺(tái)