一、研究的背景與問題
大冶特鋼是我國裝備最齊全、生產規(guī)模最大的特殊鋼企業(yè)，其特冶鍛造生產基地工藝流程較為復雜，該產線電爐、電渣及雙真空工序涉及爐臺設備包括電弧爐、感應爐、精煉爐、電渣爐、真空感應、真空自耗爐等，生產工序多，既有流程行業(yè)又有離散行業(yè)特點，各工序各參數的交互影響因素多，而采用先進的工業(yè)互聯(lián)網技術，建立質量大數據系統(tǒng)，將打通各工序產品質量與工藝參數之間的系統(tǒng)壁壘，可以達到多工序、各工藝質量數據的互通互融，在加工生產的每個環(huán)節(jié)保證各節(jié)點的質量穩(wěn)定，實現(xiàn)產品生產全流程質量可追溯，將有效提升產品質量，從而滿足市場需求、增強企業(yè)競爭力。
二、解決問題的思路與技術方案
通過工業(yè)互聯(lián)網平臺準確、穩(wěn)定地采集生產過程工藝質量數據、設備數據、生產數據，將“孤島”般分散于不同設備、系統(tǒng)中的工業(yè)數據實現(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應用，通過對工業(yè)數據的全面深度感知、實時動態(tài)傳輸與高級建模分析，形成智能決策與控制，驅動特種冶煉生產線的智能化轉型。
1、工業(yè)互聯(lián)網平臺
采用工業(yè)互聯(lián)網平臺，把在工業(yè)環(huán)境建立數據驅動的工業(yè)APP所需的計算資源和能力，通過抽象優(yōu)化整合，在最底層提供設備數據連接能力（相應于傳統(tǒng)操作統(tǒng)的網絡能力）、大數據存儲能力（相應于傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的存儲能力）、應用運行（相應于傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的進程運行能力），以及數據和系統(tǒng)安全的能力。
2、系統(tǒng)總體方案和功能
質量大數據系統(tǒng)按“數據采集-信息跟蹤-實績查詢-質量分析”的業(yè)務管理邏輯設計整體功能。
通過智能網關（在連接層）將企業(yè)中L1、L2、L3、L4和L5層信息化系統(tǒng)或設備中將相關的質量數據采集到質量大數據平臺層，進行建模、分析和應用開發(fā)，在上層的工業(yè)APP包括本質量大數據分析系統(tǒng)的四個功能模塊：質量監(jiān)控、質量追溯、質量分析和工藝管理。
圖1 質量大數據系統(tǒng)方案架構圖
運用數字孿生體技術，結構化管理過程全生命周期數據；數字孿生技術面向物質流對象，可以保證每一個數據都有明確數據來源、用途、工業(yè)意義、隸屬關系等；將跨工序、跨流程、跨業(yè)務的大數據和模型深度融合，挖掘數據潛在價值，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 數字孿生體技術的結構化管理圖
（1）采集特冶鍛造工序的全過程工藝過程參數，建立數據平臺，為工藝質量監(jiān)控和追溯、質量預警提供依據。
（2）為技術和管理人員提供全面準確的工藝質量數據，提高工作效率，減少人工對數據的干預，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，實現(xiàn)質量追溯。
（3）對產品制造過程工藝參數的實時監(jiān)控，實現(xiàn)質量信息的全程共享，及時發(fā)現(xiàn)工藝異常進行預警，避免批量產品的異常和流轉，降低質量損失；實現(xiàn)質量數據的備份和關鍵工序視頻的同步調用。
（4）質量大數據系統(tǒng)建立后，要將L1系統(tǒng)中的質量數據采集并整合在一個數據中心平臺上，實現(xiàn)質量監(jiān)控、質量追溯。
3、信息安全設計
系統(tǒng)除提供業(yè)務功能外，還考慮到信息安全的設計，主要包括端口安全、統(tǒng)一身份驗證、基于角色授權和移動端安全等設計。
三、主要創(chuàng)新性成果
1、突破了特種冶煉設備數字孿生、工業(yè)互聯(lián)網平臺、工業(yè)技術軟件化等關鍵共性技術。
基于涵蓋基礎IaaS、通用PaaS、工業(yè)PaaS、工業(yè)SaaS的工業(yè)互聯(lián)網平臺先進技術架構，實現(xiàn)海量數據接入、數據存儲治理、機理模型構建、工業(yè)APP開發(fā)，建立從設備到數據到平臺的整體安全防護機制。
圖3 工業(yè)互聯(lián)網平臺架構圖
在平臺的分層架構之上，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)數字孿生技術，實現(xiàn)特冶鍛造產線工藝可視化和質量可視化。采用先進的工業(yè)互聯(lián)網數字孿生體技術通過對物質流信息流生產流設備狀態(tài)流進行數字化表征，形成以物質流為核心的質量數字孿生體，作為質量大數據分析系統(tǒng)的結構化數據基礎，極大提升質量數據查詢、工藝對標、質量分析、質量預判的效率和準確性。
面向特種冶煉產線質量提升需求，定義標準化的工業(yè)技術軟件化參考架構和開發(fā)標準規(guī)范，將傳統(tǒng)散落的經驗、技術、知識、原理等進行沉淀和復用，實現(xiàn)工業(yè)技術的顯性化、模型化、數字化、系統(tǒng)化、智能化。
2、基于工業(yè)互聯(lián)網云-邊-端的頂層設計，形成了集設計研發(fā)、監(jiān)測、診斷、預測、決策、執(zhí)行、優(yōu)化、服務為一體的特冶鍛造產線質量大數據整體解決方案，服務于產品創(chuàng)新。
圍繞“自動化-信息化-智能化”技術實現(xiàn)路徑，貫穿特冶鍛造產線不同工序，提供從設計研發(fā)-監(jiān)測-診斷-預測-決策-執(zhí)行-優(yōu)化-服務等一體化的整體解決方案。項目基于物聯(lián)網和自控系統(tǒng)實現(xiàn)動態(tài)感知精準控制，邊緣側構建智能管理系統(tǒng)，通過搭建特冶鍛造質量大數據智能互聯(lián)平臺，實現(xiàn)基于特冶鍛造工藝質量大數據的整體監(jiān)測、分析和診斷的體系建立；助力從特冶鍛造產線數字化管控，實現(xiàn)特冶鍛造產線生產過程中質量的全局優(yōu)化以及產品質量的全生命周期管理。
提供完備的工業(yè)安全防護體系。通過監(jiān)測、測試和評估，對安全監(jiān)控、調度、運維等模型應用界面進行安全防護措施部署，確保數據和信息的可靠性和保密性，以防止數據篡改、竊取、非法文件上傳、權限提升等安全風險。
3、構建面向電渣冶煉、真空自耗、真空感應等特冶鍛造產線各工序用戶的線上診斷、線下改造閉環(huán)應用模式，實現(xiàn)智能制造落地應用創(chuàng)新。
基于工業(yè)互聯(lián)網平臺，支持不同設備間的智能對標、云診斷、云開發(fā)、微服務和遠程運維，形成獨特的橫向技術優(yōu)勢和業(yè)務能力。
四、應用情況與效果
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、質量監(jiān)控：（1）實現(xiàn)生產過程質量數據的實時監(jiān)控，包括實時監(jiān)控冶煉的電渣爐、雙真空、加熱、退火等關鍵工藝指標。（2）實現(xiàn)生產過程的工藝參數預警，設置預警模型，根據角色推送給管理者和業(yè)務人員，提供全流程或特定工序工藝和質量狀況在線總覽圖，包括SPC控制圖等常用圖表，對生產過程進行變量過程監(jiān)控與預警功能，直觀展示和精確描述包括各種關鍵工藝和質量參數（KPI）的歷史、當前以及發(fā)展趨勢，對各種當前重要工藝和質量異常事件報警，并對其提供具體解決方案的輔助性建議。
3、質量追溯：支持從生產卡片號、爐號、工序開始/結束時間等多個維度，根據不同的用戶需求，隨時對生產過程進行查詢跟蹤。
通過對L2系統(tǒng)、MES、檢化驗等各個系統(tǒng)數據的打通集成，對生產歷史過程進行精確重現(xiàn)。包括質量要求數據、工藝要求數據、各工序生產過程數據、生產過程監(jiān)控視頻等數據，重點對于加熱、、熱處理、無損檢驗、理化試驗等關鍵環(huán)節(jié)的生產數據進行全方位重現(xiàn)，從對生產歷史及時追溯重現(xiàn)，實現(xiàn)對于生產過程的透明、完整、準確、及時的復盤與分析。
在質量追溯時，根據錠坯質量數據的時間戳，調用視頻回放接口，自動調用對應時間段視頻數據。
圖4 質量追溯APP—實績查詢列表示意圖
4、產品質量預測：采用基于模型的產品質量預測方法，實現(xiàn)制造過程一些重要的非直接測量的工藝質量參數（如鑄坯表面與內部質量等、機械性能與表面質量等）的軟測量，并進行監(jiān)控。
5、鋼材工藝質量在線評級：生產過程結束，系統(tǒng)根據評級知識庫自動對產品在線評級與判定，并形成評級報告。產品評級與判定基于知識庫中規(guī)則和產品對應訂單的技術要求進行評級。
6、工藝質量異常定位：利用統(tǒng)一的數據訪問接口，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、質量參數，以便進行追溯分析，找出制造過程工藝、質量參數等差異，定位問題原因。
7、跨工序質量數據分析：系統(tǒng)提供數據展示分析功能外，還提供一些高級分析功能，如過程能力指數、SPC統(tǒng)計分析、聚類算法、關聯(lián)規(guī)則、參數差異性分析等，幫助技術人員快速定位問題，實現(xiàn)產品質量的持續(xù)改進。
特冶鍛造質量大數據管理APP解決方案最終實現(xiàn)的是大冶特鋼特冶鍛造產品全生命周期的研發(fā)及質量管理，并提高新產品產業(yè)化實現(xiàn)能力。
