淺談鋼鐵企業(yè)數(shù)字化工廠建設(shè)實(shí)踐

杜漢強(qiáng)

（唐鋼國(guó)際工程技術(shù)有限公司，河北 唐山 063000）

信息技術(shù)與制造業(yè)的融合是當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)，其中就包括了“數(shù)字化工廠”的技術(shù)，其中包括設(shè)計(jì)、建造、交付、生產(chǎn)和集成。在過(guò)去幾年的發(fā)展中，我國(guó)的工業(yè)企業(yè)已經(jīng)初步形成了5層的信息化體系結(jié)構(gòu)，而在新一代的智能化工廠體系中，構(gòu)建數(shù)字企業(yè)已經(jīng)是實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)的必然選擇。

1 數(shù)字化工廠的含義

數(shù)字化廠房是指利用數(shù)字化技術(shù)，將實(shí)物和生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行數(shù)字化改造，利用3D可視技術(shù)，建立一座數(shù)字化的廠房，既能建造實(shí)物廠房，又能滿足數(shù)字化生產(chǎn)的需要，從數(shù)字化的生產(chǎn)到數(shù)字化建設(shè)，從數(shù)字化交付到數(shù)字化運(yùn)營(yíng)，再到數(shù)字化生產(chǎn)。鋼鐵公司是其集團(tuán)打造核心競(jìng)爭(zhēng)力、引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展的重要港口。借鑒智能化工廠的建設(shè)，并根據(jù)其制造過(guò)程特征，構(gòu)建一個(gè)3D的數(shù)字車間，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行數(shù)字控制，為其建立智能化的工廠打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)建設(shè)世界一流鋼鐵生產(chǎn)基地的關(guān)鍵措施。

2 數(shù)字化鋼鐵工廠的關(guān)鍵點(diǎn)

2.1 Digital模型技術(shù)

數(shù)字化模型技術(shù)是以數(shù)字形式對(duì)實(shí)體進(jìn)行描述的一種方法，是建立虛擬運(yùn)行管理系統(tǒng)的顯示依據(jù)。在實(shí)際生產(chǎn)中，三維建模方法主要有3種：（1）建立以建筑信息模式為基礎(chǔ)的 BIM技術(shù)。在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段，由建筑、管道、儀表、電氣、設(shè)備等多個(gè)領(lǐng)域組成的立體造型。模型的檢驗(yàn)和裝配是由一個(gè)集成的協(xié)作平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。BIM模式有別于圖象視覺(jué)模式，BIM模型按項(xiàng)目不同可劃分為三個(gè)階段，即以全過(guò)程為基礎(chǔ)的前向和以建筑圖紙為基礎(chǔ)的反向兩種。（2）在激光掃描基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)地模擬。在項(xiàng)目建成后，通過(guò)對(duì)象建筑物的實(shí)際座標(biāo)進(jìn)行三維立體掃描，所得到的三維實(shí)體模型不僅具有外部空間大小，而且還具有實(shí)體空間的空間坐標(biāo)。所得到的點(diǎn)云圖具有較高的精確性，但是要實(shí)現(xiàn)數(shù)值3D建模，還必須進(jìn)行后期的軟件加工。（3）對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行掃描模型的研究。利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行俯仰拍攝，使飛行器在靶區(qū)內(nèi)環(huán)繞飛行，利用空中攝像機(jī)構(gòu)成地圖，對(duì)場(chǎng)景較大、精度要求較低的場(chǎng)景進(jìn)行測(cè)量。

2.2 數(shù)字化工廠的研發(fā)

數(shù)字生產(chǎn)平臺(tái)是一個(gè)集成了可視化的、多維數(shù)據(jù)的集成和整合的體系。當(dāng)前，數(shù)字生產(chǎn)平臺(tái)在鋼鐵生產(chǎn)中還很少見(jiàn)，只有一些比較自主的生產(chǎn)流水作業(yè)中使用了3D顯示技術(shù)。在建立以三元建模的鋼鐵企業(yè)數(shù)字運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)中，以靜態(tài)文檔數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)化生產(chǎn)數(shù)據(jù)等為基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)據(jù)支持。一般的3D數(shù)字廠房的建造思想主要有2個(gè)方面。（1）以Digital傳輸技術(shù)為基礎(chǔ)的技術(shù)。設(shè)計(jì)資料和BIM模型是以設(shè)計(jì)資料為基礎(chǔ)的，采用單一的代碼規(guī)范，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)參數(shù)、施工記錄、采購(gòu)信息等的無(wú)縫連接。在完成產(chǎn)品交付后，通過(guò)與企業(yè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行連接，并通過(guò)信息管理系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)控。（2）3D可視技術(shù)。其來(lái)源主要有BIM和非工程類的3-D 2種。在此基礎(chǔ)上，對(duì)BIM建模進(jìn)行了簡(jiǎn)化，然后將BIM建模引入U(xiǎn)nity3D系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)軟件的定制化。

3 數(shù)字化生產(chǎn)適用領(lǐng)域

3.1 數(shù)字車間系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

企業(yè)的數(shù)字化生產(chǎn)體系應(yīng)該在企業(yè)的各個(gè)生產(chǎn)管理體系上，與企業(yè)內(nèi)部的公共控制中心相配合，支持企業(yè)生產(chǎn)、能源、設(shè)備、物流、安環(huán)等關(guān)鍵業(yè)務(wù)的智能化控制。新一代數(shù)字車間的規(guī)劃應(yīng)當(dāng)分為3個(gè)層次：智能裝備層、智能車間層、智能管理層。智能設(shè)備包括智能機(jī)器人、智能天車、機(jī)器視覺(jué)設(shè)備等各個(gè)作業(yè)場(chǎng)所；智能化廠房由專家控制模型、控制系統(tǒng)、車間級(jí)集中控制等組成；智慧管理應(yīng)該涵蓋生產(chǎn)、能源、設(shè)備等各個(gè)方面，以數(shù)字化生產(chǎn)車間為中心，以數(shù)字化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的數(shù)字化數(shù)字工廠和大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)總體規(guī)劃建設(shè)，從各業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)整體采集數(shù)據(jù)，最終打造覆蓋工廠建設(shè)全生命周期（規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)）和全業(yè)務(wù)的數(shù)字化管控平臺(tái)。

從業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)上看，企業(yè)的業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)應(yīng)該包含基礎(chǔ)支撐層、數(shù)據(jù)交互層、模型構(gòu)建層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層以及Visual優(yōu)化層。底層支持層能夠與企業(yè)各設(shè)備、各工序的業(yè)務(wù)信息相適應(yīng)。在數(shù)據(jù)交互層面上，對(duì)采集到的各類資料進(jìn)行處理，以達(dá)到對(duì)數(shù)位雙的需求，并與在智能廠房中所設(shè)定的資料交互層面相吻合。在建模層面，構(gòu)建車間設(shè)施、設(shè)備、管網(wǎng)等實(shí)體的建模，并將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)、維護(hù)數(shù)據(jù)等與實(shí)體建模相結(jié)合。企業(yè)的應(yīng)用級(jí)應(yīng)該能在實(shí)體的基礎(chǔ)上，完成整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，物流、環(huán)保、安全、質(zhì)量、能源、定位、設(shè)備等全過(guò)程的全過(guò)程和全壽命的數(shù)字化。虛擬優(yōu)化層應(yīng)該具有模型構(gòu)建層和業(yè)務(wù)應(yīng)用層的相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)仿真、在線優(yōu)化、預(yù)測(cè)診斷、優(yōu)化控制和虛擬培訓(xùn)等優(yōu)化的能力。

3.2 企業(yè)在數(shù)字車間中的運(yùn)用

項(xiàng)目建成并投入使用，進(jìn)入后期的數(shù)字化運(yùn)維，基于3D車間的建模，利用MES、能源管理、設(shè)備管理、物流管理等多個(gè)系統(tǒng)，從生產(chǎn)管理（MES）、能源管理、設(shè)備管理（EAM）、物流管理、人員定位信息、視頻安防信息等，綜合整合了生產(chǎn)調(diào)度信息、能源平衡監(jiān)控和報(bào)警信息，為企業(yè)各級(jí)運(yùn)營(yíng)管理部門提供全方位的服務(wù)。

在生產(chǎn)計(jì)劃的實(shí)施過(guò)程中，利用數(shù)字車間的生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)的整合，從而解決了系統(tǒng)中的信息孤島問(wèn)題，為系統(tǒng)間的聯(lián)動(dòng)和應(yīng)急管控提供了基本平臺(tái)。在設(shè)備發(fā)生故障的時(shí)候，可以根據(jù)基本自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)備名，迅速地在3D環(huán)境中進(jìn)行場(chǎng)景轉(zhuǎn)換，找到設(shè)備的位置，并將相應(yīng)的視頻監(jiān)控、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、相關(guān)的操作規(guī)范等信息，并提示設(shè)備的責(zé)任人、處理措施和處理方法，如果需要，可以隨時(shí)查看設(shè)備的設(shè)計(jì)圖紙、操作和維護(hù)手冊(cè)，以最小限度的降低設(shè)備的損壞。并針對(duì)不同的裝置，對(duì)裝置故障后對(duì)公司能源供應(yīng)、生產(chǎn)計(jì)劃執(zhí)行的情況進(jìn)行了分析，以使公司的生產(chǎn)計(jì)劃得到及時(shí)的反應(yīng)。利用數(shù)字工廠的平臺(tái)進(jìn)行多個(gè)系統(tǒng)的連接，可以極大地提升生產(chǎn)計(jì)劃的響應(yīng)速度。

在設(shè)備維護(hù)上，以設(shè)備代碼為中心，利用設(shè)備的3D建模，對(duì)設(shè)備的設(shè)計(jì)和運(yùn)行信息進(jìn)行了全方位的整合，對(duì)設(shè)備的起停機(jī)記錄、實(shí)際使用壽命以及相關(guān)的維護(hù)記錄進(jìn)行了追蹤。針對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品零件的控制，幫助維修人員迅速理解產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，當(dāng)需要組裝或替換單個(gè)零件時(shí)，可以通過(guò)數(shù)字技術(shù)和VR、AR技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的虛擬和組裝，從而提高產(chǎn)品的使用精度。利用科學(xué)的裝置代碼，對(duì)數(shù)字化工廠與生產(chǎn)、備件、管線、報(bào)警異常之間的關(guān)系進(jìn)行了分析，并利用圖表庫(kù)等方法建立了數(shù)字化工廠的工廠結(jié)構(gòu)和知識(shí)庫(kù)。

數(shù)字設(shè)備運(yùn)維既能用3D的技術(shù)展示設(shè)備的數(shù)字圖像、內(nèi)部結(jié)構(gòu)，又能從該數(shù)據(jù)中心實(shí)時(shí)獲得設(shè)備的運(yùn)行規(guī)范、關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行情況，并能對(duì)設(shè)備進(jìn)行動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)與預(yù)警；設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，數(shù)字平臺(tái)能迅速地轉(zhuǎn)換數(shù)字的位置，提示設(shè)備維護(hù)人員、故障設(shè)備的位置、受影響的產(chǎn)線范圍、故障的正確解決方式等；如果有必要的話，可以隨時(shí)查閱設(shè)計(jì)圖紙、操作手冊(cè)等設(shè)計(jì)材料，幫助設(shè)備人員做出科學(xué)的故障分析，縮短維修周期。通過(guò)數(shù)據(jù)的不斷累積，將故障數(shù)據(jù)、正確的處理方式及維護(hù)情況等信息，將在數(shù)字化的基礎(chǔ)上，構(gòu)成一個(gè)專業(yè)的知識(shí)庫(kù)，從而不斷地提升公司的管理能力。

在裝置巡檢部分，通過(guò)數(shù)字化車間的實(shí)時(shí)顯示巡檢者當(dāng)前的位置、巡檢路徑、巡檢期間的設(shè)備異常情況，并通過(guò)5G技術(shù)與AR技術(shù)，對(duì)裝置進(jìn)行遠(yuǎn)程故障的檢測(cè)。

在安全管理上，數(shù)字廠房對(duì)各類危險(xiǎn)品、危險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別，將其特征、擴(kuò)散方式、應(yīng)急處理措施、應(yīng)急處置物資、逃生路線等進(jìn)行直觀、形象的展現(xiàn)，并密切結(jié)合各種安全應(yīng)急預(yù)案，利用數(shù)字化平臺(tái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)急安全模擬演練，提高廣大員工的認(rèn)知度和應(yīng)急反應(yīng)能力。

在化學(xué)、礦業(yè)等領(lǐng)域中，人們的位置檢測(cè)技術(shù)被大量采用，利用藍(lán)牙技術(shù)和LORA技術(shù)進(jìn)行定位，可以使現(xiàn)場(chǎng)的工作人員的人身安全得以保障。在3D廠房的虛擬工作臺(tái)上，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)出廠房等作業(yè)區(qū)域的員工進(jìn)行實(shí)時(shí)的追蹤，掌握車間的員工的基本信息，一旦發(fā)現(xiàn)有安全風(fēng)險(xiǎn)，可利用數(shù)字化平臺(tái)一鍵式通知現(xiàn)場(chǎng)員工進(jìn)行及時(shí)處理或撤離，現(xiàn)場(chǎng)員工如遇到緊急情況可使用定位卡進(jìn)行一鍵SOS報(bào)警，報(bào)警人員可在數(shù)字化平臺(tái)中進(jìn)行聲光警示，提醒管控中心調(diào)度人員及時(shí)安排處理措施。

鋼鐵廠的能源網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)種類繁多，錯(cuò)綜復(fù)雜，一般采用架空、地下綜合管廊、地下直埋等多種方式，其中大多數(shù)管道都是隱秘的，出現(xiàn)問(wèn)題后查找問(wèn)題的源頭很難，而利用數(shù)字平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)綜合管線、車間內(nèi)設(shè)備管線可視化，同時(shí)整合管線內(nèi)的各種閥門控制信號(hào)、流量壓力溫度信號(hào)，進(jìn)行管網(wǎng)安全的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警。

在數(shù)字設(shè)備中，利用先進(jìn)的管道組合式技術(shù)，將各個(gè)媒質(zhì)的管道進(jìn)行了分類，一旦發(fā)生局部的水壓或流量、溫度的變化，就可以通過(guò)傳感器的安裝，準(zhǔn)確地確定管道的位置，并通知管道工作人員進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)和關(guān)閉，并對(duì)可能出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析，從而達(dá)到電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

在流程模擬上，數(shù)字化車間可以將多種仿真軟件與冶金數(shù)學(xué)建模相融合，對(duì)產(chǎn)品的制造計(jì)劃執(zhí)行、料場(chǎng)數(shù)字化管理、天車物流、爐缸侵蝕、轉(zhuǎn)爐自動(dòng)出鋼等進(jìn)行仿真，從而幫助設(shè)計(jì)者更好地規(guī)劃出爐方案，選擇出最優(yōu)的爐機(jī)配合和運(yùn)行方式，為產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和試制提供了一個(gè)離線模擬平臺(tái)，為企業(yè)全面提升生產(chǎn)管控能力。

4 鋼鐵企業(yè)數(shù)字化工廠的發(fā)展趨勢(shì)

大數(shù)據(jù)是一種以大量不同的思維方式儲(chǔ)存在不同媒體中，通過(guò)獲取、存儲(chǔ)、管理、分析和控制多種存儲(chǔ)媒體中的大量信息而獲得的信息。大數(shù)據(jù)不僅僅是因?yàn)樗囊?guī)模，還因?yàn)樗臄?shù)據(jù)規(guī)模，它的多樣性和實(shí)時(shí)性對(duì)它的價(jià)值產(chǎn)生了巨大的影響。

產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)是今后鋼鐵行業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。特別是在智能化生產(chǎn)上，已經(jīng)累積了大量工業(yè)數(shù)據(jù)，在天車、一鍵煉鋼、工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用等各方面都有了巨大的進(jìn)展。智能制造設(shè)備是先進(jìn)制造技術(shù)、信息技術(shù)和人工智能技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，是制造行業(yè)的重要組成部分。不同于常規(guī)的CNC設(shè)備，它不僅是一個(gè)緊密而復(fù)雜的機(jī)電集成的體系，它還要求具有自感知、自適應(yīng)、自診斷和自決策等智能化特性，以滿足不同的生產(chǎn)需求。

4.1 智能化生產(chǎn)設(shè)備的特點(diǎn)及重要性

智能化生產(chǎn)設(shè)備是智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的必然要求。與常規(guī)生產(chǎn)設(shè)備相比較，它具備自我感知、自適應(yīng)優(yōu)化、自我診斷和維護(hù)、自主規(guī)劃和自主決策能力等特點(diǎn)。加強(qiáng)智能制造裝備的發(fā)展，能夠滿足關(guān)鍵領(lǐng)域向高端制造轉(zhuǎn)型的需求，是提高國(guó)家制造業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力，帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)和其他新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展，是促進(jìn)“中國(guó)制造”走向“中國(guó)智造”的重要途徑。

4.2 智能化生產(chǎn)設(shè)備與體系結(jié)構(gòu)

智能化制造設(shè)備是先進(jìn)制造技術(shù)、信息技術(shù)和人工智能技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，是制造行業(yè)的重要基礎(chǔ)。智能化生產(chǎn)設(shè)備一般包含了設(shè)備本體和相應(yīng)的智能化技術(shù)，設(shè)備本體必須具有良好的精度、效率和可靠性等各項(xiàng)性能要求，而相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)設(shè)備本體自感知、自適應(yīng)、自診斷和自決策等智能化特性的重要手段。智能生產(chǎn)設(shè)備包括物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)、智能感知、互聯(lián)互通和遠(yuǎn)程維護(hù)等。

盡管智能制造具有一定的智能化特性，但是其作用與效能總是受到限制，不能適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)的要求，因而在智能化生產(chǎn)設(shè)備的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行開(kāi)發(fā)與建設(shè)。在智能生產(chǎn)設(shè)備的底層，包括智能機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、智能測(cè)量?jī)x等。多個(gè)加工設(shè)備構(gòu)成了一條數(shù)字流水線，使各類生產(chǎn)設(shè)備之間的聯(lián)系更加緊密。更多的數(shù)字流水線構(gòu)成了一個(gè)數(shù)字車間，使各個(gè)數(shù)字流水線相互連通；最終形成一個(gè)智慧的生產(chǎn)車間。

5 結(jié)語(yǔ)

數(shù)字化制造技術(shù)的日益完善，將會(huì)對(duì)傳統(tǒng)的鋼鐵企業(yè)制造經(jīng)營(yíng)方式產(chǎn)生巨大的變革，數(shù)字化工廠將從設(shè)計(jì)、交付、運(yùn)維、全流程業(yè)務(wù)仿真監(jiān)控、全方位設(shè)備數(shù)字化運(yùn)維等方面全面提升企業(yè)的數(shù)字化水平。智能化是中國(guó)鋼鐵行業(yè)今后數(shù)十年發(fā)展與建設(shè)的主要任務(wù)，而智能化則是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，要在煉鋼廠建立一個(gè)智能化的信息系統(tǒng)，整合各類人工智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)，打造智能工廠，最終實(shí)現(xiàn)智能化的發(fā)展目標(biāo)。數(shù)字制造是提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力、實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的重要手段。