一、研究的背景與問題
大冶特鋼是我國裝備最齊全、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)線電爐、電渣及雙真空工序涉及爐臺設(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，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)的每個環(huán)節(jié)保證各節(jié)點的質(zhì)量穩(wěn)定，實現(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，從而滿足市場需求、增強(qiáng)企業(yè)競爭力。
二、解決問題的思路與技術(shù)方案
通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺準(zhǔn)確、穩(wěn)定地采集生產(chǎn)過程工藝質(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)實現(xiàn)深度匯聚，將臃腫、僵化的工業(yè)軟件將演變?yōu)槠脚_上可靈活部署和配置的工業(yè)APP應(yīng)用，通過對工業(yè)數(shù)據(jù)的全面深度感知、實時動態(tài)傳輸與高級建模分析，形成智能決策與控制，驅(qū)動特種冶煉生產(chǎn)線的智能化轉(zhuǎn)型。
1、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺
采用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，把在工業(yè)環(huán)境建立數(shù)據(jù)驅(qū)動的工業(yè)APP所需的計算資源和能力，通過抽象優(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)存儲能力（相應(yīng)于傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的存儲能力）、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-實績查詢-質(zhì)量分析”的業(yè)務(wù)管理邏輯設(shè)計整體功能。
通過智能網(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)平臺層，進(jìn)行建模、分析和應(yīng)用開發(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)流對象，可以保證每一個數(shù)據(jù)都有明確數(shù)據(jù)來源、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)潛在價值，實現(xiàn)大范圍的、全局的優(yōu)化（傳統(tǒng)優(yōu)化一般在單點或局部）。
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程工藝過程參數(shù)，建立數(shù)據(jù)平臺，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，減少人工對數(shù)據(jù)的干預(yù)，通過系統(tǒng)實現(xiàn)按爐號查詢特冶鍛造工序工藝過程參數(shù)，實現(xiàn)質(zhì)量追溯。
（3）對產(chǎn)品制造過程工藝參數(shù)的實時監(jiān)控，實現(xiàn)質(zhì)量信息的全程共享，及時發(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)采集并整合在一個數(shù)據(jù)中心平臺上，實現(xiàn)質(zhì)量監(jiān)控、質(zhì)量追溯。
3、信息安全設(shè)計
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，主要包括端口安全、統(tǒng)一身份驗證、基于角色授權(quán)和移動端安全等設(shè)計。
三、主要創(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、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)平臺先進(jìn)技術(shù)架構(gòu)，實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)存儲治理、機(jī)理模型構(gòu)建、工業(yè)APP開發(fā)，建立從設(shè)備到數(shù)據(jù)到平臺的整體安全防護(hù)機(jī)制。
圖3 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺架構(gòu)圖
在平臺的分層架構(gòu)之上，平臺的核心功能模塊(存儲層組件例外)以容器化的方式運(yùn)行在kubernates之上，充分實現(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)，實現(xiàn)特冶鍛造產(chǎn)線工藝可視化和質(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)通過對物質(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、工藝對標(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)和開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，將傳統(tǒng)散落的經(jīng)驗、技術(shù)、知識、原理等進(jìn)行沉淀和復(fù)用，實現(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，形成了集設(shè)計研發(fā)、監(jiān)測、診斷、預(yù)測、決策、執(zhí)行、優(yōu)化、服務(wù)為一體的特冶鍛造產(chǎn)線質(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“自動化-信息化-智能化”技術(shù)實現(xiàn)路徑，貫穿特冶鍛造產(chǎn)線不同工序，提供從設(shè)計研發(fā)-監(jiān)測-診斷-預(yù)測-決策-執(zhí)行-優(yōu)化-服務(wù)等一體化的整體解決方案。項目基于物聯(lián)網(wǎng)和自控系統(tǒng)實現(xiàn)動態(tài)感知精準(zhǔn)控制，邊緣側(cè)構(gòu)建智能管理系統(tǒng)，通過搭建特冶鍛造質(zhì)量大數(shù)據(jù)智能互聯(lián)平臺，實現(xiàn)基于特冶鍛造工藝質(zhì)量大數(shù)據(jù)的整體監(jiān)測、分析和診斷的體系建立；助力從特冶鍛造產(chǎn)線數(shù)字化管控，實現(xiàn)特冶鍛造產(chǎn)線生產(chǎn)過程中質(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。通過監(jiān)測、測試和評估，對安全監(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。
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)線各工序用戶的線上診斷、線下改造閉環(huán)應(yīng)用模式，實現(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，支持不同設(shè)備間的智能對標(biāo)、云診斷、云開發(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)勢和業(yè)務(wù)能力。
四、應(yīng)用情況與效果
1、工藝管理：實現(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）實現(xiàn)生產(chǎn)過程質(zhì)量數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控，包括實時監(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）實現(xiàn)生產(chǎn)過程的工藝參數(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)量狀況在線總覽圖，包括SPC控制圖等常用圖表，對生產(chǎn)過程進(jìn)行變量過程監(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，對各種當(dāng)前重要工藝和質(zhì)量異常事件報警，并對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、爐號、工序開始/結(jié)束時間等多個維度，根據(jù)不同的用戶需求，隨時對生產(chǎn)過程進(jìn)行查詢跟蹤。
通過對L2系統(tǒng)、MES、檢化驗等各個系統(tǒng)數(shù)據(jù)的打通集成，對生產(chǎn)歷史過程進(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)過程數(shù)據(jù)、生產(chǎn)過程監(jiān)控視頻等數(shù)據(jù)，重點對于加熱、、熱處理、無損檢驗、理化試驗等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行全方位重現(xiàn)，從對生產(chǎn)歷史及時追溯重現(xiàn)，實現(xiàn)對于生產(chǎn)過程的透明、完整、準(zhǔn)確、及時的復(fù)盤與分析。
在質(zhì)量追溯時，根據(jù)錠坯質(zhì)量數(shù)據(jù)的時間戳，調(diào)用視頻回放接口，自動調(diào)用對應(yīng)時間段視頻數(shù)據(jù)。
圖4 質(zhì)量追溯APP—實績查詢列表示意圖
4、產(chǎn)品質(zhì)量預(yù)測：采用基于模型的產(chǎn)品質(zhì)量預(yù)測方法，實現(xiàn)制造過程一些重要的非直接測量的工藝質(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）的軟測量，并進(jìn)行監(jiān)控。
5、鋼材工藝質(zhì)量在線評級：生產(chǎn)過程結(jié)束，系統(tǒng)根據(jù)評級知識庫自動對產(chǎn)品在線評級與判定，并形成評級報告。產(chǎn)品評級與判定基于知識庫中規(guī)則和產(chǎn)品對應(yīng)訂單的技術(shù)要求進(jìn)行評級。
6、工藝質(zhì)量異常定位：利用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問接口，可按用戶指定的批次、鋼種、規(guī)格等多種條件，獲取多工序的過程參數(shù)、質(zhì)量參數(shù)，以便進(jìn)行追溯分析，找出制造過程工藝、質(zhì)量參數(shù)等差異，定位問題原因。
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，還提供一些高級分析功能，如過程能力指數(shù)、SPC統(tǒng)計分析、聚類算法、關(guān)聯(lián)規(guī)則、參數(shù)差異性分析等，幫助技術(shù)人員快速定位問題，實現(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)化實現(xiàn)能力。
