鋼鐵智慧制造實踐與思考

鄒玉賢

(寶山鋼鐵股份有限公司,上海 201999)

1 時代的發展與要求

2008年全球金融危機之后,世界各國都在積極反思和調整,更加強調實體經濟建設,重視新技術在制造業的應用。美國提出了“工業互聯網”[1]和“先進制造業國家戰略”[2],德國提出了工業4.0[3-4],中國也提出了“中國制造2025”[5]。本質上說,其目標都是將新一代數字化技術與制造技術高度融合,實現信息世界與物理世界的深度互聯與融合,產生出前所未有的新形態的智能高效制造業。這其中,“工業4.0”因其概念簡潔新穎,最為受眾所熟知。

工業4.0是在3.0“信息化”的基礎上進一步發展起來的。在3.0階段[6],企業通過“計算機化”高效地處理重復性的工作。然而,站在更高的維度和更精細化的層面來看制造業時,無論從外部視角還是內部視角,都需要解決連接、可視、透明、預測和自適應等問題。

(1) 連接問題:“數據煙囪”林立,各自為政的信息系統之間無法有效互聯。

(2) 可視問題:目前有海量的數據,但大多是局部的、分散的、專業性的,且現有數據更多用于事后分析,無法實時應用,發現問題、解決問題的效率很低。

(3) 透明問題:數據分段“割據”,無法了解全局數據,即無法進行事件溯源。

(4) 預測問題:預測是數據分析價值的最佳體現之一,也是現階段可行性最強的應用之一,但目前成熟可靠的預測應用案例還很少。

“自適應”是工業4.0的追求目標,實現了這個目標,企業就能快速響應各種變化和要求。“自適應”是以“自感知、自分析、自決策、自執行、自學習”為基礎形成的完整閉環。

2 寶鋼的選擇

世界正面臨百年未有之大變局,現如今,鋼鐵行業被貼上高能耗、高污染、低效率、大投入、低回報等標簽,已淪為各地嫌棄、勸導“搬遷”的“經濟棄兒”。再加之這些年行業發展失序,產能過剩嚴重,同業競爭加劇,行業的吸引力下降,面臨著人才流失、后繼乏人的困境。面對種種壓力和挑戰,鋼鐵行業作為工業之基石和中國工業的領軍者,憑借深厚的技術積淀和強大的學習能力,全面領會新時代發展思想,在全行業發起了智能化改造和數字化轉型,鋼鐵行業正向著綠色、智能、精品、高效方向發展。

寶鋼作為中國鋼鐵行業的領頭羊,在第四次工業革命的浪潮中勇立潮頭,搶占先機,努力探索,全力推進,及時總結,積極分享,帶領中國鋼鐵企業走出了一條順應發展趨勢、適應未來發展、引領行業進步的智慧制造之路。2015年“中國制造2025”發布,寶鋼就響應國家號召,積極投身于探索中國制造轉型升級之路,為全行業開創智能化改造新路徑,形成了智能裝備、智能工廠、智慧互聯智慧制造創新框架。“寶鋼1 580 mm熱軋智能車間”入選第一批工信部智能制造示范試點項目,2017年寶鋼“冷軋008機組數字化車間”又入選工信部智能制造示范試點項目和工業互聯網試點項目。從智能車間到數字化車間,寶鋼的智慧制造取得了階段性成功。此后,寶鋼智慧制造如星火燎原,全面推進。2019年7月,寶鋼股份系統總結了4年來的探索和認識,提煉出“ONE MILL”的智慧制造理念,圍繞著“用戶價值”這個核心目標,以“一份訂單的智慧之旅”開展全流程、全領域的智慧制造工作,智能工廠深入推進,覆蓋全公司的智慧互聯應用蓬勃發展。2020年初,寶鋼股份入選世界經濟論壇“燈塔工廠”,成為中國鋼鐵行業第一家,也是唯一一家“燈塔工廠”。

3 寶鋼智慧制造創新實踐

3.1 寶鋼智慧制造1.0階段

鋼鐵行業由于流程長、工藝復雜、控制要求高,對生產過程的安全性、連續性、穩定性要求更是突出。在全流程生產過程中還存在大量的“3D”(即:Dusty——惡劣環境、Danger——危險、Duplication——重復)人工操作崗位,以應對各種異常。人的干預對過程穩定性有影響,大量的人工崗位極大地影響了整體效率。寶鋼智慧制造1.0階段就是基于當時的現狀,著眼于消除3D崗位,補齊短板,提升智能化水平,提高效率和效益,提出了“四個一律”的指導方針。

3.1.1 “四個一律”的內涵和作用

“四個一律”指的是“作業一律機器,操控一律集中,運維一律遠程,服務一律上線”。

(1) 作業一律機器。要盡最大可能將人工作業點用機器替代,一方面能夠提升生產過程的一致性和穩定性,減少人工干預的差異性;另一方面能夠提升勞動效率,減少人工負荷和勞動強度,提高安全性。此外,機器作業更容易實現數據的自動采集與流轉。

(2) 操控一律集中。要將分段分區域設置的不同操作室集中化,避免功能分散,從根源消除異常情況,減少人工干預,提高機組運行的穩定性和可靠性。

(3) 運維一律遠程。要實現設備遠程運維,進一步提高設備運維效率、準確性和可靠性。

(4) 服務一律上線。要將圍繞鋼鐵生產的各類服務工作,如采購、銷售、物流、財務、人力資源等,從不同專業系統遷移到統一的平臺,實現“在線化、專業化”服務。

3.1.2 寶鋼智慧制造總體框架

在“四個一律”原則的指導下,寶鋼制定了實施智慧制造的總體框架,即“3+1”架構。

“3”是指3層遞進,從智能裝備、智能工廠、智慧互聯多層次展開。智能裝備主要解決部分3D崗位的安全環境和效率問題;智能工廠主要解決多崗位效率提升,多專業數據共享的問題,從工廠層面提高整體效率和效益;智慧互聯則是解決跨工序、跨流程、跨專業的數據互通共享,實現從供應端到用戶端的數據全貫通、業務全連接,從全公司和全流程的角度提升全局效率。

“1”是指IT變革。智慧制造不同于自動化和信息化時代的根本區別在于,數據驅動是其核心價值,信息化時代領先的IT架構已經不能滿足數據驅動的要求,必須以工業互聯網的思維和大數據時代的技術來重構企業的IT架構。

3.1.3 實施效果

通過5年多的探索和推進,寶鋼智慧制造已經取得了明顯的成就。5年來寶鋼共裝備了700多個工業機器人,190多臺無人化行車,使得約2 800名員工從3D崗位撤離下來,工作環境得到極大改善。合并了超過400個操作室,勞動效率得到進一步提高。如下為智能裝備、智能工廠、智慧互聯等層次取得的成果。

3.1.3.1 智能裝備

(1) 無人化管理。

通過裝、卸船機上的激光掃描儀及其他一些傳感器,對船艙進行立體模擬成像,并根據模型計算船艙作業點分布,完成自動裝卸船作業任務,如圖1(a)。作為世界超大型料場之一的寶鋼原料場,通過可視化料場管理平臺,實現料場管理各環節準實時匯報、散貨垛位精準化管理、原料庫存信息的數字化管理,如圖1(b)。

圖1 裝、卸船機無人化系統和智慧料場Fig.1 Unmanned system of ship loader and unloader and smart stockyard

(2) 無人化行車。

煉鐵廠焦爐電車、導焦車、裝煤車、推焦車等相繼實現無人化(圖2(a)),實現對多機車調度智能控制、監控和多場景人機安全。國內首次采用自行式電驅動混鐵車SmartTPC,實現鐵水運輸全流程的行車無人化和作業無人化(圖2(b))。生產機組行車實現無人化自動駕駛,實現庫區管理、鋼卷駁運等物流作業無人化、產線物流智能化(圖2(c))。

圖2 無人化行車Fig.2 Unmanned driving

(3) 工業機器人。

在特殊工況、高效生產工序積極推進工業機器人應用。高爐實現泥炮自動加泥(圖3(a))、開口機自動裝釬等作業;煉鋼區域實現熱態鑄板坯/方坯/圓坯自動標記、結晶器水口自動加保護渣(圖3(b))、鋼水測溫和取樣等作業;熱軋區域實現自動打捆(圖3(c))、貼標、噴碼等作業;冷軋區域實現拆捆、鋅鍋撈渣(圖3(d))、鋅鍋撇渣、自動取樣(圖3(e))、自動貼標、自動包裝、智能磨輥、在線打磨、爐子智能巡檢(圖3(f))等作業。

圖3 不同區域工業機器人Fig.3 Industrial robots in different areas

(4) 在線檢測裝置。

針對質量管控、生產控制等部署高精度在線檢測裝置。如板帶表面在線質量缺陷檢測裝置(如圖4(a))、鋼卷端部缺陷檢測(如圖4(b))、冷軋多參數機械性能在線檢測系統(圖4(c))、國內先行應用在線油膜厚度檢測儀(圖4(d))、在線輥涂厚度檢測儀(圖4(e))等,國內先行為用戶提供管、棒材、板材或軋輥的高端渦流、漏磁、超聲的無損檢測在線成套設備(圖4(f))。

3.1.3.2 智能工廠

(1) 集控操作室。

寶鋼股份的數百條主線機組,功能不同,建設時期不同,自動化、信息化水平相差很大。各生產廠結合實際情況,創建了各類集控操作室,通過操控集中,倒逼現場的極致自動化和穩定性。同時,集控操作室還帶來了“數據”的集中,為智能工廠的各項應用和智慧互聯創造了很好的條件。

煉鐵集控中心實現了寶山基地4座高爐的集中化操作控制和生產管理,煉鋼冶煉中心實現了煉鋼各工序一鍵化、自動出鋼、連鑄平臺機器人、數字化板坯等功能,熱軋“1+N”集控中心(即1個操作人員,N個后臺支撐人員)實現了熱軋生產管理、生產計劃、生產物料調度、生產過程控制、能源監控、質量判控的集中管控,冷軋6合1操作室實現了兩條熱鍍鋅機組6個操作室的集中操作。

(2) 冷軋智慧工廠管理之“水晶魔方”。

國內鋼廠首次開發基于透明、分層、即時和融合的智慧工廠管理平臺,使現場管理透明化,管理從無序到規范,進一步推動管理效率提升,如圖5。

3.1.3.3 智慧互聯

跨工序、跨專業、跨流程的數據互聯和智慧應用,是經營和管理過程中長期追求的,但由于認識局限和技術條件所限,很多想法都無法實現。現在,當數據匯聚、算力和算法以及數字思維認知的提高,智慧互聯的前景將無限廣闊。

(1) 遠程運維。

寶鋼股份通過運用物聯網、大數據、人工智能等技術,建設設備遠程智能運維系統,提高狀態分析能力、故障預警能力、故障定位能力,實現7×24 h全面、實時把握設備狀態,如圖6。

圖4 在線檢測裝置Fig.4 Online detection device

圖5 冷軋“水晶魔方”Fig.5 Cold rolled Crystal Cube

圖6 遠程運維Fig.6 Remote operation and maintenance

(2) 全自動機組生產計劃排程。

運用AI技術,基于機組作業計劃規程與生產排程專家知識庫,遵循生產全流程流向計劃,結合現場設備及庫存情況逐步實現生產排程的自動化、智能化與少人化值守。

(3) 數字鋼卷。

作為實物鋼卷的“數字孿生(Digital Twin)”[7-8],“數字鋼卷”實現了鋼卷生產過程質量、工藝、設備、能源等數據按“時間”和“空間”兩個維度的高頻匯聚,是一個與實物鋼卷同時生產出來的數據集。

(4) 基于工業大數據的質量一貫管控。

運用云計算、大數據技術,建設以客戶為導向,以全流程貫通為主線,面向全體質量人員使用的、從用戶需求識別到用戶使用的質量跟蹤管理平臺,如圖7。

圖7 基于工業大數據的質量一貫管控系統架構Fig.7 Consistent quality control system architecture based on industrial big data

(5) 生產全流程流向智能平衡。

將生產計劃排產業務機理模型與AI技術、大數據技術結合,綜合訂單、工藝、物流、設備、庫存、能源、成本等各方面要素,實現對基地內各機組生產品種、流向、關鍵節點全局優化規劃與動態平衡。

(6) 多基地的產銷平衡運營平臺。

寶鋼打造的營銷智慧大腦——DSP多基地產銷運營平臺,優化探索需求預測,協同多基地生產資源,制定動態銷售預案計劃,合理智能分配產線任務,致力于平衡資源與提升總體能效產銷效率、效益和精度,如圖8。

圖8 多基地產銷運營平臺Fig.8 Multi base production and marketing operation platform

(7) 全流程物流管控。

以用戶驅動,倒逼股份物流技術轉型,對內實現物流精細化管控,過程透明可控,對用戶提供效率最高、成本最低、過程透明的共享共贏的全程物流管控體系,如圖9。

(8) 跨專業統一運營管控中心。

寶鋼股份建設多部合一的運行管控中心,實現生產、能源、設備、物流、安保等統一調度管控,如圖10。

圖9 全流程物流可視化監控Fig.9 Visualized monitoring of the whole process logistics

圖10 統一運營管控中心Fig.10 Unified operation control center

3.2 寶鋼智慧制造2.0階段

3.2.1 鋼鐵大數據中心探索

寶鋼自20世紀90年代起,在全行業中率先建立起完善的信息化系統,大大提升了公司的管理效率和管理水平。然而,這些信息化系統是各個時間段針對不同目標的產物,系統之間接口復雜,數據互通性差,形成了一個個的“數據煙囪”。同時,由于沒有統一的數據管理規則,造成數據在不同專業、不同部門、不同區域之間交互性差、可識別性差、通用性差,形成了大量的“數據孤島”[9],大大限制了數據的使用。這些問題的產生受限于當時的技術能力和認知水平,已經到了必須要解決的時候。因此,面向當下鋼鐵行業數字化應用的需求和未來發展的要求,構建新的大數據中心,成為寶鋼智慧制造工作的重中之重。

寶武集團是一個有年產1.2億t鋼鐵主業和與之相配套多元產業的超大型企業,依托于寶武工業互聯網研究院和寶武大數據中心(寶信軟件),通過內部溝通討論和外部學習交流,2020年寶武集團明確了全集團統一的“寶武生態技術平臺”及IAAS層、PAAS層和SAAS層。在此基礎上,寶鋼也同步明確了大數據中心的“云邊端架構”+“雙中臺模式”。

“云邊端架構”已是較成熟的業界共識,但如何應用于鋼鐵行業還需要在探索實踐中找答案。需要針對不同專業和差異化工序、機組界定云邊功能,需要處理與現有L1～L5系統的關系,需要考慮現有各類管理系統向大數據中心平穩遷移,更需要平衡短期投入與長期收益之間的關系。“雙中臺模式”是阿里巴巴等電商企業提出的,是否適用于鋼鐵行業是一個挑戰性課題。多工序流程多,不同工序、專業、部門間差異較大,能否“中臺化”、如何“中臺化”都是大難題需要去克服。這些問題都是寶鋼在建設和應用大數據中心時面臨的考驗,也直接決定了新的大數據中心相比于現有系統是否有本質提高、能否滿足未來發展的要求。可以說,新的大數據中心是企業面向未來的新引擎,決定了企業的未來。

相比于原有信息系統的靜態設計和長期固定的功能,大數據中心實現了數據采集、數據治理和數據應用3層解耦,使得大多數業務人員能夠結合自己的工作,動態地對各種應用功能進行優化、完善、更新、迭代。這就需要更多的業務人員去學習新的技術,提升數據分析能力,也需要企業的文化、組織、管理、機制等各方面提升,以推動和適應這樣的轉變,以不斷迭代進化的“人工智能+大數據”等“快速響應”方法去應對市場和用戶不斷變化的“不確定性”,更好地洞察市場、了解用戶,更好地滿足社會發展和用戶需求,這個過程就是企業數字化轉型[10]。轉型成敗的關鍵在于企業的文化、組織、管理、機制能否轉型,核心是“人”的認識和能力能否轉型。從這個意義上說,今后要想成為成功的企業,都要把自己轉變成為一家專注于行業應用的大數據分析公司。

3.2.2 三跨融合

大數據中心的建設和投入運行,標志著寶鋼智慧制造進入2.0階段,其核心是實現數據的融合互通、跨域應用。

通過近3年的大力推進,寶武集團的智慧制造工作已形成“百花齊放”的局面。在智慧制造1.0的基礎上,考慮到集團“一企一業”的背景和“一總部多基地”的管控模式,為了更好地支撐各子公司的發展,2021年初集團領導總結了寶鋼實踐經驗,提煉出“三跨融合”的智慧制造2.0指導方針。

三跨融合即跨產業融合、跨空間融合、跨界面融合。

跨產業融合:是指按照寶武集團數字化規劃確定的架構和平臺,在統一的工業互聯網體系架構下,構建“跨產業、跨基地”的互通融合。

跨空間融合:是指推進“一總部多基地”的“跨空間”的互通融合系統,實現專業化管理和原有區域化管理的協同,提高管理效率。

跨界面融合:是指通過“操檢維調”的整合,實現“跨人機界面”的互通融合,在提高現場效率的同時真正讓員工實現“三有”(有錢、有閑、有趣)。

3.3 下一階段的思考與行動

以寶鋼股份為代表的寶武集團已經進入以“三跨融合”為特征的智慧制造2.0征程,作為全球第一大鋼鐵集團,還應該考慮如何將集團內處于不同地區、不同水平的各制造基地,快速提升到行業的最好水平,需要考慮賦能給新加入集團的企業,使其快速達到行業最好水平;站在更高層面看,需要考慮成為全行業進步的發動機,快速賦能給集團外的其他企業。

要想實現這一目標,就要著手打造“鋼鐵工業大腦”。“鋼鐵工業大腦”構建于工業互聯網之上,用互聯網思維來實現工業應用。作為一個多生產基地、多品種產品、多資源調度的大型鋼企,必須站在股份公司、寶武集團乃至鋼鐵行業的高度,通過大數據和人工智能的應用,從一臺裝備、一條機組、一個專業、一個組織的“控制中心”里,將其“能力”提煉出來,封裝成可以為同類賦能的“服務”,形成一個個工業軟件,組成“鋼鐵工業大腦”。

“鋼鐵工業大腦”通過工業互聯網,被需要的企業調用(有些也要配套相應的硬件改造),為企業創造價值,同時,在使用中不斷進化、成熟。這樣,可以把多基地參差不齊的能力,最大程度地提升到最好的水平。而且,當一個基地改進提高,其他基地都同步提高,這才是構建“鋼鐵工業大腦”最大的意義。

4 對未來的展望

寶鋼對未來智慧制造的愿景描繪為:ONE MILL。具體內涵是:以數字化重塑鋼鐵流程和產業鏈,實現橫向從一條產線到多條產線,從一個基地到多個基地;縱向從一個工序到多個工序,從寶鋼自身到上下游產業鏈的無縫對接,運行管理就像一個工廠。

“鋼鐵工業大腦”是實現“ONE MILL”的一條必由之路。未來的ONE MILL不僅僅存在于物理世界,在信息世界里也會有“數字孿生”的ONE MILL。因此,完整的“鋼鐵工業大腦”還應包含信息世界的各級“數字孿生”,以構成從裝備到系統,再到系統之系統的信息物理系統CPS(Cyber Physical System)[11-12]。通過CPS,在Cyber中對公司經營管理的各種可能性進行“真實仿真”,為公司決策者提供多種應對方案。未來,在Cyber中,不僅能夠及時地反映Physical中的真實狀態,不斷優化Physical中的各個過程,還能夠提供試驗“無限可能”的工具和場所,讓每一個鋼鐵人都可以放飛思想、大膽創新。

未來,鋼鐵行業、互聯網行業和大數據分析行業的邊界將越來越模糊,一個全新的數字化世界將出現在我們面前,不順應這股浪潮的企業必將被淘汰,不適應數字化時代的個人也會被邊緣化。鋼鐵行業的從業者都應該努力成為數字化時代的先行者,加快數字化能力的培養,為一個美好的數字化世界、一個美麗的數字中國、一個高科技的數字化鋼鐵行業做出自己的貢獻。