一、研究的背景與問題
智能制造是基于工業(yè)化和信息化深度融合，把互聯(lián)網、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網、人工智能等新一代信息通信技術，用于制造活動的研發(fā)設計、生產制造、經營管理、銷售服務等各個環(huán)節(jié)，具有自感知、自學習、自決策、自執(zhí)行、自適應等功能的新型生產方式。企業(yè)通過開展智能制造，實現(xiàn)制造過程數(shù)字化、柔性化、智能化，經營管理精益化、集約化，交貨過程的敏捷化、準時化、配送化，滿足用戶個性化、定制化的服務需求，促進企業(yè)提高勞動生產率，降低成本，提高效益，提升核心競爭力。鋼鐵工業(yè)作為流程型制造業(yè)，是實施《中國制造2025》戰(zhàn)略的重點行業(yè)，推進智能制造，實現(xiàn)轉型發(fā)展，具有必要性和可行性。
推進智能制造是一項復雜的系統(tǒng)工程，需要統(tǒng)籌規(guī)劃。河鋼石鋼制定了明確的智能工廠戰(zhàn)略規(guī)劃，完成了公司信息化體系建設和頂層設計。在智能工廠總體規(guī)劃框架下，通過打造河鋼石鋼綠色化短流程特鋼智能制造示范工廠，循序漸進、分布實施，逐步形成以大數(shù)據(jù)、數(shù)字化車間、全流程智能制造、行業(yè)云平臺為支撐的鋼鐵數(shù)字化發(fā)展新格局，持續(xù)推進河鋼石鋼數(shù)字化轉型和智能制造，建成全國鋼鐵行業(yè)數(shù)字化轉型示范引領企業(yè)。
河鋼石鋼新區(qū)于2020年10月29日建成投產，采用電爐短流程特鋼工藝，以生產“全流程”、業(yè)務“全覆蓋”、架構“全層級”、層級“全貫通”、過程“全智能”的“五全”規(guī)劃理念，著力打造“綠色、智能、節(jié)能、高質量、高效益”國際一流特鋼強企。
二、技術方案
河鋼石鋼新區(qū)智能工廠整體架構按照“四層級，兩維度”進行設計，從下向上劃分為智能裝備層、智能制造層、智能運營層和網絡協(xié)同層。
智能裝備層主要包括各工序二級系統(tǒng)、工藝模型、數(shù)據(jù)采集、物料跟蹤、工業(yè)機器人、智能天車、智能倉儲和智能終端等，承擔各工序、產線生產計劃自動接收、全自動化生產、智能動態(tài)調整生產工藝、機器代人作業(yè)等功能，切實提升產線現(xiàn)場無人化、少人化，提升生產作業(yè)勞效，規(guī)范化設備裝置操作，實時監(jiān)控設備運行狀態(tài)，做為產品質量穩(wěn)定的有效保證，為上層系統(tǒng)提供可靠的底層數(shù)據(jù)基礎，實現(xiàn)數(shù)據(jù)不落地。
智能制造層主要包括生產制造執(zhí)行系統(tǒng)MES、物流綜合管控與執(zhí)行系統(tǒng)LES、設備綜合管理系統(tǒng)EAM、能源綜合管控系統(tǒng)EMS、無人智能計量系統(tǒng)、檢化驗系統(tǒng)LIMS、安全綜合管理系統(tǒng)SMIS、環(huán)保管理平臺EMIS等，突出專業(yè)化管理，承擔對銷售、采購、生產、質量、物流、能源、環(huán)保、安全等環(huán)節(jié)執(zhí)行層面的信息化有效支撐，向上承接公司戰(zhàn)略、目標、決策、運營的高層管理流程，向下傳遞上述各環(huán)節(jié)的計劃、標準及相關技經指標，為運營層指標提供數(shù)據(jù)考核依據(jù)。
智能運營層主要包括企業(yè)資源計劃ERP、決策支持系統(tǒng)DSS、客戶關系管理CRM、供應商關系管理SRM和人力資源管理HRM等，為公司各級管理層提供運營級別的信息化系統(tǒng)支撐，與戰(zhàn)略目標緊密銜接，與考核指標緊密銜接，與下層系統(tǒng)緊密銜接。
網絡協(xié)同層主要包括門戶網站、辦公自動化OA、供應鏈平臺和移動APP等，聚焦端到端，對公司內外提供公共網絡服務，做為公司內部運營、市場、客戶、供應商及承運商等資源聯(lián)系的有效銜接橋梁，為未來實現(xiàn)上下游供應鏈、網絡協(xié)同制造打好基礎。
三、主要創(chuàng)新性進展
1、采用先進的工藝技術裝備
河鋼石鋼新區(qū)采用電爐短流程特鋼工藝，煉鋼電弧爐由西馬克集團公司設計，為雙豎井式廢鋼預熱超高功率直流豎爐（粉塵排放≤10mg/Nm3，二噁英排放≤0.1ng(TEQ)/Nm3，電耗≤280千瓦時/噸,電極消耗≤0.78千克/噸，冶煉周期≤45分鐘），在高質量、高效率、超低能耗、超低排放、智能化方面是世界最先進電弧爐的代表。立式連鑄機引進康卡司特公司設備進行技術轉化，是國際上斷面最大的特鋼大方坯連鑄機。高線裝備是世界上最先進的特鋼線材生產線，由中冶賽迪轉化采用特鋼領域領先的普銳特（美國摩根公司）第七代軋機技術。
2、全流程綠色制造
一是采用先進環(huán)保治理技術，消納城市中水，污水實現(xiàn)“0”排放。二是全廢鋼電爐冶煉的短流程工藝，布局“碳達峰、碳中和”，爭做低碳發(fā)展先鋒。采用短流程工藝，無焦化、燒結、煉鐵等排放環(huán)節(jié)，大宗料運輸大幅降低，較等量級長流程減排優(yōu)勢明顯。主要能源為電和天然氣，實現(xiàn)零煤、零焦的清潔能源結構；主要原料只使用廢鋼，是可無限循環(huán)使用的綠色載能資源。三是采用緊湊布置、熱送技術，綜合能源消耗大幅降低。
3、全流程智能制造
河鋼石鋼新區(qū)智能制造建設體現(xiàn)“五全”，一是廢鋼智能驗質、電爐智能煉鋼、一鍵LF、一鍵RH、智能連鑄、軋鋼多線一室、高線黑燈工廠、精整作業(yè)黑燈產線，石鋼新區(qū)“全流程”均實施了智能制造；二是銷售、生產、質量、物流、采購、設備、能源、環(huán)保、安全等業(yè)務智能制造“全覆蓋”；三是基礎檢測、機器人等智能設備、PLC/DCS自動控制、二級專家系統(tǒng)、三級生產管理系統(tǒng)、四層企業(yè)經營、五層企業(yè)聯(lián)盟、供應鏈，“全層級”均實施了智能制造，5萬多個基礎檢測，每百人機器人等智能裝備超過20臺套，32個專家系統(tǒng)，三級及以上系統(tǒng)15個，完整構建了石鋼新區(qū)智能工廠；四是各層級“全貫通”，在同一頂層規(guī)劃下，通過企業(yè)服務總線實現(xiàn)互聯(lián)互通，避免出現(xiàn)任何數(shù)據(jù)孤島；五是石鋼新區(qū)所有過程“全智能”，完整實現(xiàn)系統(tǒng)自感知、自學習、自決策、自執(zhí)行、自適應。
4、多項新技術填補國內空白
采用先進的圖像識別技術、神經元網絡算法，通過自感知、自學習、自決策、自執(zhí)行、自適應，實現(xiàn)特鋼挑剔性的廢鋼精準智能無人驗質。以大數(shù)據(jù)、AI技術賦能傳統(tǒng)流程制造，建立集中扁平化的大數(shù)據(jù)平臺，促進多源異構數(shù)據(jù)資源融合，滿足市場預測、多維度生產經營分析、鋼材質量性能預測等需求。牽頭科技部重點研發(fā)計劃項目，構建特鋼棒材智能精整的全流程、集群化機器人作業(yè)應用示范產線，填補國內特鋼棒材機器人作業(yè)領域的空白，已通過國家課題專家組中期認證。目前已升級為特鋼棒材精整作業(yè)智能產線計劃。
5、聚焦高端產品
河鋼石鋼新區(qū)主導產品定位于高端齒輪鋼、軸承鋼、彈簧鋼、易切削非調質鋼、合金結構鋼等特鋼棒材，滿足汽車、工程機械、鐵路及軌道交通等行業(yè)對高端特殊鋼材料高純凈度、表面零缺陷、尺寸高精度等質量要求，重點開拓高端軸承鋼、風電用鋼、軌道交通機車用鋼、工模具用鋼等細分市場，大幅提升鋼材性能。其中，高碳鉻軸承鋼純凈度達到世界領先水平；高端齒輪鋼產品均質性達到世界先進水平。
四、應用情況與效果
1、建設了綜合管控中心。
建立公司級的生產、能源、物流、安全、環(huán)保等主要業(yè)務“五部合一”的集中管控平臺——綜合管控中心。作為智慧工廠的核心，實施公司生產運營主要業(yè)務的一體化管控，物流從供應商到客戶端的全過程掌上預約、集中監(jiān)控；一級調度下全部訂單式生產管控。
建立了工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺。工業(yè)大數(shù)據(jù)分析平臺作為大數(shù)據(jù)工作監(jiān)管和運營平臺，促進多源異構數(shù)據(jù)資源融合，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與數(shù)據(jù)價值挖掘，助力打造智慧石鋼。包括數(shù)據(jù)可視化與交互式分析應用及數(shù)據(jù)挖掘AI能力應用。充分利用云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網等成熟的技術，形成統(tǒng)一的技術平臺和結構技術規(guī)范，支撐包括數(shù)據(jù)采集、存儲、整合、分析、展現(xiàn)、管理、開發(fā)等應用場景在內的數(shù)據(jù)全生命周期的業(yè)務需求。
2、實現(xiàn)了產銷協(xié)同，煉鋼、軋鋼、后部一體化排程
產銷協(xié)同，煉鋼、軋鋼、后部一體化排程，生產計劃、工藝質量標準100%下發(fā)至機臺，生產自組織，實現(xiàn)上下游動態(tài)銜接，工序高效協(xié)同。從銷售接單—質量設計—計劃排程—生產管控—產品交付—物流發(fā)運，100%在系統(tǒng)運行。
3、全流程智能產線
（1）智能煉鋼
廢鋼智能驗質：與達涅利合作，采用先進的圖像識別技術、神經元網絡算法，通過自感知、自學習、自決策、自執(zhí)行、自適應，結合特鋼生產冶煉需求實際，搭建智能化廢鋼無人驗質平臺，實現(xiàn)廢鋼驗質過程無人化、異常報警、廢鋼等級的智能識別、自動判定、自動計算扣雜、判定結果自動上傳以及驗質數(shù)據(jù)的自動分析。
目前四種常用的中小型精料和一種常用的重廢精料模型在煉鋼1#配料間、煉鋼2#配料間的14個驗質點位成功上線獨立運行，其功能穩(wěn)定性滿足要求，實現(xiàn)了“完全系統(tǒng)自動驗質并以系統(tǒng)驗質結果作為結算依據(jù)”，上線的智能驗質卸料口全部實現(xiàn)無人化，廢鋼質量得到根本性提升。
廢鋼自動驗質
電爐智能煉鋼突出冶煉和鋼水質量在線管控，通過完整的一、二級自動化設備，實現(xiàn)一鍵智能化冶煉和產品質量的閉環(huán)管理。同時，通過二、三級聯(lián)動，實現(xiàn)自動匹配合同訂單和生產實績的自動反饋。
配置L2冶煉模型、測溫取樣機器人、清渣機械手、電極自動接長等設備，實現(xiàn)爐前自動測溫取樣、自動吹煉、自動出鋼、自動出渣、自動灌砂、出鋼口及爐門自動清理、電極自動調節(jié)等，實現(xiàn)電爐煉鋼無人化少人化。
測溫取樣機器人現(xiàn)場應用
鑄坯自動噴號機器人
（2）多線集控智能軋鋼車間
優(yōu)化系統(tǒng)流程，實現(xiàn)三座加熱爐及中、小棒軋線在小棒線CS1主控室的集控。最大程度精簡操作崗位，提高勞動效率。
軋鋼智能制造突出坯料加熱、軋制全過程自動控制，通過加熱爐智能燃控、水冷箱控軋控冷、智能設備診斷、軋制精度閉環(huán)控制等，全面提升產品質量、降低職工勞動強度。
生產過程物料自動跟蹤。利用坯材標識功能、一級基礎檢測元件、三級庫位跟蹤功能，實現(xiàn)對各個狀態(tài)的坯、材進行有效標識、物料跟蹤和數(shù)據(jù)處理、存檔，并實現(xiàn)當坯、材在特定的某一位置時執(zhí)行適當?shù)牟僮鳌?/span>
高線智能制造產線采用高性能軋機、卷芯架和懸掛式緩冷線，配置燃控模型、軋制專家系統(tǒng)、自動坯號識別、測徑儀、熱眼檢測、視覺優(yōu)化剪切、PF線自動跟蹤、掛牌機器人等設備，目標：從上料臺架到吐絲機無人操作，全線實現(xiàn)“智能化”。
（3）精整作業(yè)智能產線
構建特鋼棒材智能精整的全流程、集群化機器人作業(yè)生產線，實現(xiàn)精整拆捆、打捆、修磨、貼標，以及標準樣品、成品存取等機器人化作業(yè)，完成半成品至成品自動轉運和信息流跟蹤，建立網絡化可追溯的工藝、作業(yè)及設備數(shù)據(jù)的質量管理平臺。最終形成特鋼棒材機器人化精整作業(yè)應用示范產線，以點帶面推動冶金工業(yè)機器人的研發(fā)與工程化應用。該項目將突破我國特鋼棒材精整過程機器人應用及智能化關鍵技術瓶頸，形成針對特鋼棒材輕載與重載機器人集成、質量監(jiān)控與優(yōu)化等智能化關鍵技術，實現(xiàn)全流程智能化控制。
（4）智能在線檢測
特鋼專用檢測，依據(jù)檢驗委托進行自動檢測，化驗結果數(shù)據(jù)及圖片信息等全部實現(xiàn)自動采集到LIMS系統(tǒng)，3分鐘出結果，數(shù)據(jù)不落地。數(shù)據(jù)自動進行修約，全過程不允許修改。
樣品自動收發(fā)模塊樣品自動抓取制樣模塊
4、全流程工序動態(tài)協(xié)同，精益生產過程自執(zhí)行
通過建立全工序業(yè)務銜接、穩(wěn)定流暢、精益高效的生產制造執(zhí)行系統(tǒng)，實現(xiàn)從客戶需求開始到訂單交付全過程的特鋼精益生產管理體系，將客戶要求、質量要求、工藝要求、操作要求等管理需求全部融入系統(tǒng)，并實現(xiàn)執(zhí)行過程之中的預警、報警及追溯。
質量動態(tài)設計，全過程質量管控。實現(xiàn)鋼鐵企業(yè)按爐管理到按支管理的重大突破，數(shù)據(jù)自動采集全程不落地，系統(tǒng)自動判定，提升公司精準制造和柔性制造能力。
質量管控環(huán)節(jié)全面覆蓋營銷、生產、采購、物流等關鍵業(yè)務環(huán)節(jié)，從售前產品質量設計、質量標準庫建立、生產過程質量管控、質量成本可視化、產品質量追溯、質量分析及優(yōu)化設計，形成質量管控完整閉環(huán)。
5、設備、能源、環(huán)保、安全專智能化管理
設備、能源、環(huán)保、安全環(huán)節(jié)分別由專業(yè)管理信息系統(tǒng)提供信息化支撐，在各自領域各司其職，深耕業(yè)務、深化應用，持續(xù)滿足設備全生命周期、設備預測性維修、能源資源綜合利用、環(huán)保監(jiān)測閉環(huán)管理、安全及事故預防等專業(yè)化需求，并圍繞公司運營、生產、質量、物流等環(huán)節(jié)或業(yè)務場景，提供更加專業(yè)化的數(shù)據(jù)支撐。
能源流實時監(jiān)控
EAM設備全生命周期管理平臺
環(huán)境信息總覽
安全管理可視化
6、供應鏈智能化協(xié)同
（1）供應鏈可視化。搭建供應鏈管理系統(tǒng)（SCM），按照生產、技術要求對廢鋼進行分品種、分類別管理，并對廢鋼采購計劃分解到部室到業(yè)務經理，利用數(shù)字化處理加工手段、對廢鋼物料大數(shù)據(jù)進行深度分析，實現(xiàn)供應鏈可視化監(jiān)控和綜合績效分析。
廢鋼采購可視化大屏
（2）供應鏈的一體化綜合物流管控。物流管理環(huán)節(jié)做為產、供、銷全流程的貫通式環(huán)節(jié)，以“大物流”概念對廠內外環(huán)境進行全局物流、物料管控。建立了移動端客商網絡協(xié)同平臺，實現(xiàn)了從供應商到廠區(qū)再到客戶的全供應鏈的一體化綜合物流管控。同時，物流管理環(huán)節(jié)中對車輛排放標準、新能源車型等環(huán)保關鍵指標數(shù)據(jù)直接對接環(huán)保系統(tǒng)，對運輸車輛碳排放起到嚴格的控制作用，真正實現(xiàn)綠色物流、高效物流。
可視化物流智能調度平臺
（3）市場快速分析預測。市場快速分析預測，以供應鏈生態(tài)模式動態(tài)挖掘，快速響應市場異動。通過市場趨勢預測、用戶需求挖掘、客戶數(shù)據(jù)分析和銷售計劃優(yōu)化，實現(xiàn)需求驅動的精準營銷，提高營銷效率，降低營銷成本。
（4）成本精細化。通過MES的生產過程成本管理功能及ERP的FI/CO模塊，實現(xiàn)了按爐次收集各項物料和能源消耗，可滿足不同層次、不同維度核算和分析需求。系統(tǒng)已實現(xiàn)新區(qū)的成本定額化管理和隱性成本管理功能。
（5）立體化智能倉庫。配備倉儲管理系統(tǒng)（WMS）和倉儲控制系統(tǒng)（WCS），實現(xiàn)與SAP、設備綜合管理（EAM）等系統(tǒng)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通。采用條碼技術和無線手持終端技術，對物料實施動態(tài)管理，實現(xiàn)輔料備件自動出入庫、自動分配貨位、自動盤點、并生成多口徑庫存物資統(tǒng)計分析等功能。
智能化立體倉庫現(xiàn)場
7、智慧園區(qū)
智慧園區(qū)，利用物聯(lián)網、移動APP、人臉識別、射頻卡等技術實現(xiàn)高標準的園區(qū)智能化、樓宇智能化、員工服務智能化、考勤自動化等。主要功能包括智慧園、公共區(qū)域監(jiān)控、周界安防等系統(tǒng)。
