钢铁冷轧智能工厂解决方案

北京首钢自动化信息技术有限公司

一、解决方案概况

（一）背景和需求介绍

冷轧工厂作为钢材生产的最末端，内部工艺流程和物流过程复杂，质量控制难度大，面对客户个性化的挑战多，是决定产品竞争力的最重要环节。我国有300多条冷轧产线，对比国际上最先进的冷轧工厂，普遍存在劳动效率低、产品研发能力弱、质量水平差距较大等问题。企业力图通过智能化提升竞争力，但因欠缺方法，在实施过程中往往缺乏整体设计的模板，路径不清晰，只能在分散的点上探索尝试，投入虽大，却达不到预期效果。

北京首钢股份有限公司（简称“首钢股份公司”）硅钢一冷轧厂是首钢集团在国家鼓励和发展的新能源、清洁型能源以及高效节能型产品应用的宏观背景下，以低能耗高效率电工钢新材料提供商为定位，以引导市场需求策略及领先服务商策略为目标的核心发展载体，代表了国内硅钢产销研用一体化工厂的领先水平。

硅钢一冷轧主要产线包括：1条酸轧产线，4条连退产线，4条重卷产线，2条包装产线，形成了4大系统29个产品生产体系，已经建立了较完整的全流程基础自动化系统、过程控制系统、MES系统、ERP系统等4级体系。本项目是在传统数字化工厂基础上进行智能化的提升和改造，重在对物联网、大数据等新技术和智能装备的创新应用，探索智能工厂建设的整体解决方案，提升智能化程度，为智能制造提供持续推动力。

（二）解决方案介绍

本项目在硅钢一冷轧工厂现有基础上，对设备进行升级改造，深入应用新技术，提升智能化程度，显著改善硅钢一冷轧工厂的经济技术指标，建成冷轧示范工厂，形成一系列可示范、可复制、可推广的智能制造技术。以工业大数据平台为基础为产品研发、生产工艺、产品质量管理、设备管理、能源管理等产品的研发和生产环节的横向集成提供支撑。以无人天车、智能装备、调度排产优化、EMS、ERP等系统功能完善、工艺优化等手段，为增强产线的柔性化水平提供支撑。通过现有设备改造，控制系统优化等方法，为降低全生产流程的水、电、气等能源消耗和环境控制提供支撑。构建数字化虚拟工厂与实际工厂并行，通过对实体工厂模拟、优化等方法，支撑实体工厂的感知层、智能制造层、智能感知层的纵向集成。通过工业互联网技术，支撑智能工厂内部端到端的集成。

核心的技术研发突破点如下：基于知识库的产品智能设计技术、工艺流程及过程控制数字化仿真技术、柔性化生产计划调度优化技术、融合工业大数据的新一代冷轧工艺及过程控制模型、基于轧辊全生命周期管理的磨辊间智能化提升技术、基于数据挖掘的全流程质量智能管控与溯源技术、针对装备服役质量的故障诊断技术、基于智能化决策的能源协同管控技术、污染物泄露智能分析与应急处理决策支持技术、支持多源异构的时空数据挖掘技术、基于大数据平台的数据分析与应用技术。同时，结合项目实践完成冶金行业生产工艺系统功能安全评估标准研究。

二、解决方案详细介绍

（一）技术和实施方案

1.技术方案

该项目整体架构分为四个层级：智能决策层、智能制造层、智能感知层、智能支撑层。工厂内部主要依靠工业物联网进行端到端联通，外围以物联网（IOS）对外提供云服务对接。整体架构以产品智能设计、工厂柔性化制造、营销服务为核心，以质量、能源、设备、绿色安全为支撑。

在通信网络的基础支撑下，利用物联网、云计算、大数据、移动互联网等技术，搭建功能完备的企业大数据中心实现各类数据的采集和存储；同时深入研究基于大数据平台的数据分析与应用技术，集成计算与数据分析算法，通过回归、聚类、分类、关联等大数据应用分析方法，为感知层、制造层、决策层的优化提供决策支撑。

产品智能设计方面，将涉及的工艺过程相关知识，产品设计规则，研发人员多年积累的经验，客户端的加工、成本、物流等要素进行整合，构建产品设计知识库并对其动态优化。采用基于知识库的产品智能设计技术，实现精确识别客户需求的产品智能设计和主导市场型产品智能设计，并通过减少人工干预环节，有效缩短研发周期。

工厂柔性化制造方面，通过工艺流程及过程控制数字化仿真技术，从产品设计思想的产生、设计、研发、到生产制造全过程进行仿真，实现在实体产品生产制造以前，就可以精准预估产品功能及生产工艺，降低产品开发及生产制造成本；通过柔性化生产计划调度优化技术，实现资源综合利用，提高生产效率；通过自动化运输链跟踪、格雷母线天车定位、手持终端、重量感应、二维码识别等智能装备和技术的应用，实现智能化厂内仓储物流，达到提高仓库利用率、缩短产品制造周期的目的；通过融合工业大数据的新一代冷轧工艺及过程控制模型，提高产品质量、性能的控制精度；通过基于轧辊全生命周期管理的磨辊间智能化提升技术、满足个性化需求的智能包装技术，对磨辊间和包装机组进行智能化升级，提高制造单元的自主性和适应性。

营销服务方面，通过精准质量服务、精准供货服务、产业链延伸服务三方面的研究，加速硅钢一冷轧工厂转型升级，真正成为创新驱动式钢铁材料综合供应商。

质量方面，通过基于数据挖掘的全流程质量智能管控与溯源技术，实现实时质量检测、预警与决策，对工序质量缺陷进行快速诊断与调控；依托数据仓库，使用算法分析模型，甄别不同生产阶段质量数据间的关联性，快速准确提供工序改进措施及质量设计的改进意见，实现质量闭环管控。

能源、设备、绿色安全方面，通过基于智能化决策的能源协同管控技术、基于时空数据的挖掘技术、基于故障知识库的故障诊断、污染物泄露智能分析与应急处理决策支持等技术，实现能源、设备、绿色安全的智能化管理，为硅钢一冷轧工厂的智能化奠定基础。

2.实施方案

本项目从硅钢冷轧实际制造过程智能制造需求出发，依据产品制造企业对冷轧硅钢生产的具体需求，在项目执行过程中，首钢股份公司作为用户单位负责具体需求提出，首自信公司负责整个项目实施中系统集成以及信息系统实施及部分核心技术研发，同时负责研发成果产品化，推向国内外市场。在项目执行过程中，根据遇到的问题进行项目开发内容及具体技术路线的优化、完善，以“智造”为目标，创造价值为核心，全面提升项目的实用性，形成具有共性的技术与解决方案，最终达到在企业内部和行业的整体推广应用。

本项目以北京首钢股份有限公司为责任单位，联合北京首钢自动化信息技术有限公司、北京科技大学、机械工业仪器仪表综合技术经济研究所、冶金自动化研究设计院。四家单位分别负责北京首钢股份有限公司硅钢一冷轧智能工厂项目的系统集成、软件开发、科研开发、标准制定、核心装备制造，组建产学研用的一体化联合体，按照市场化原则组建，签署协议，明确组织方式，明晰责权利。设立项目总体组和顾问专家组对项目进行综合管理。各个单位组成专门项目组，实行组长负责制。研发工作过程中实行定期例会制度、定期汇报制度、重大和关键问题顾问组汇报和咨询制度、周期性的项目研讨会，确保各个研发阶段工作的一致性。同时，项目组定期与顾问组召开咨询会议，指导工作，有助于明确和把握项目实施的总体方向，确保项目研发工作的顺利实施和完成。本项目的开发与实施，将对培养我国冶金行业信息化技术研发、工业实践等各个环节的专业技术人才提供全方位支持。

（二）核心优势

1.创新优势

项目以拥有酸轧、连退、精整等多产线的硅钢一冷轧工厂为载体，应用智能工厂升级的12项技术，直面下游客户，以客户需求为导向，通过产品智能设计、工厂柔性化生产、面向客户价值的精准营销服务、全流程质量管控与溯源、关键装备服役质量预警与管控、能源管理智能决策及协同管控、绿色安全环境智能监控、大数据平台、基于物联网的数据采集与集成融合平台、生产过程和工艺系统功能安全评估等十个方面展开应用，提升硅钢一冷轧工厂生产的柔性化、稳定性、高效性，降低制造成本，节约能源，提升产品质量，打造智能化的硅钢一冷轧工厂。

2.竞争优势

本项目是在硅钢一冷轧工厂传统的数字化工厂基础上进行智能化的提升和改造，重在应用物联网、大数据、移动应用等新技术，探索智能工厂建设的整体解决方案，为智能制造提供持续推动力。

硅钢一冷轧厂主要产品为无取向硅钢，目前覆盖通用产品、高效产品、退火产品以及中频薄带产品等四大类产品，共23个钢种，87个牌号，广泛应用在工业电机、中小型电机、定频变频压缩机等领域。无取向硅钢年产量突破118万吨，同类型产品市场占有率达到16.33%，产销量跻身全国第一，产品综合性能指标达到国际先进水平。

3.推广优势

智能制造是一个长期过程，通过项目实施打破原有思维局限，形成的一些钢铁行业智能制造经验和理念，对类似企业提升智能制造的信心、复制智能制造的技术和方法有较好的示范作用。另外，本项目在实施过程进行的顶层规划与设计，并逐步实施的解决方案，保证了各项目之间协调与统一，也在行业内许多企业实施智能制造过程中形成了共识。本项目可通过智能制造整体方案规划与设计、智能工厂集成实施、智能制造单项技术实施应用等模式，在钢铁冶金企业进行推广。联合实施单位已结合本项目实施的经验，为沙钢、马钢、鞍钢等多家钢铁企业提供了智能制造整体规划方案，同时也推动了多项智能制造单项技术在企业的应用推广。

三、实施成效

（一）实施效果

本项目主要适用于钢铁冶金行业，要求企业具备比较完整的基础自动化系统、过程控制系统，自动化程度高和基础的数据采集功能。实施后解决的重大问题有：

1.制造过程柔性化，解决多品种、小批量多样化客户需求情况下，高精度和高效率生产问题；

2.状态感知智能化，解决控制层级的纵向互联、生产流程的横向互联和控制单元的端到端互联问题；

3.装备/设备智能化，提高关键设备过程控制能力，实现产线无人化（少人化）目标；

4.工业大数据应用，解决关键设备运行状况分析和全流程工艺过程分析和优化；

5.物理制造过程的虚拟仿真，解决产品研发周期长和研发试制成本高的问题；

6.制造执行系统的智能化，解决产品全生命周期智能管控的问题；

7.资源管理系统的智能化，解决冷轧长流程、多工序生产过程的智能协调问题；

8.客户服务智能化，解决供应链上下游数字化协同问题，提高智能化营销服务水平；

9.生产过程的安全绿色智能化，全面建立能源利用监控体系和安防监控体系，解决能源利用率偏低和环境实时监控滞后的问题。

（二）经济效益

本项目2015年8月启动，2018年12月投入使用。通过该新模式项目实施，解决了企业在实施智能制造项目中硅钢生产过程大数据平台与运营决策系统构建、面向客户定制化需求的研产销一体的协同制造体系、工业大数据驱动的硅钢产品质量全流程闭环管控技术、提升作业效率的无人化/少人化装备与智能化单元、硅钢冷轧过程关键设备与辅助系统智能制造能力提升等5项影响智能制造整体目标的关键问题，突破形成了12项关键技术与短板装备，其中6项实现了产业化。

通过该项目实施，改善了主要技术经济指标：硅钢一冷轧产品研发周期缩短30%；运营成本整体降低20%；生产效率整体提高20%；产品不良品率降低20%；能源利用率提高10%。

同时，形成硅钢一冷轧智能工厂的安全完整性等级确定（SIL定级）报告；形成硅钢一冷轧智能工厂的安全完整性等级验证（SIL验证）报告；制定硅钢一冷轧智能工厂功能安全评估标准草案。按计划完成5项专利、6项软件著作权、1项企业标准（草案），形成24项自主知识产权的核心技术或产品，并将15项成果推广应用到其他产品或相关企业。