淺談鋼鐵企業(yè)數(shù)字化工廠建設(shè)實踐

杜漢強

（唐鋼國際工程技術(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，其中就包括了“數(shù)字化工廠”的技術(shù)，其中包括設(shè)計、建造、交付、生產(chǎn)和集成。在過去幾年的發(fā)展中，我國的工業(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)，將實物和生產(chǎn)過程進行數(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)字化運營，再到數(shù)字化生產(chǎn)。鋼鐵公司是其集團打造核心競爭力、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)其制造過程特征，構(gòu)建一個3D的數(shù)字車間，對整個生產(chǎn)過程進行數(shù)字控制，為其建立智能化的工廠打下了堅實的基礎(chǔ)，也是實現(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

2.1 Digital模型技術(shù)

數(shù)字化模型技術(shù)是以數(shù)字形式對實體進行描述的一種方法，是建立虛擬運行管理系統(tǒng)的顯示依據(jù)。在實際生產(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)。在項目設(shè)計階段，由建筑、管道、儀表、電氣、設(shè)備等多個領(lǐng)域組成的立體造型。模型的檢驗和裝配是由一個集成的協(xié)作平臺來實現(xiàn)的。BIM模式有別于圖象視覺模式，BIM模型按項目不同可劃分為三個階段，即以全過程為基礎(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)上進行實地模擬。在項目建成后，通過對象建筑物的實際座標(biāo)進行三維立體掃描，所得到的三維實體模型不僅具有外部空間大小，而且還具有實體空間的空間坐標(biāo)。所得到的點云圖具有較高的精確性，但是要實現(xiàn)數(shù)值3D建模，還必須進行后期的軟件加工。（3）對無人機進行掃描模型的研究。利用無人機進行俯仰拍攝，使飛行器在靶區(qū)內(nèi)環(huán)繞飛行，利用空中攝像機構(gòu)成地圖，對場景較大、精度要求較低的場景進行測量。

2.2 數(shù)字化工廠的研發(fā)

數(shù)字生產(chǎn)平臺是一個集成了可視化的、多維數(shù)據(jù)的集成和整合的體系。當(dāng)前，數(shù)字生產(chǎn)平臺在鋼鐵生產(chǎn)中還很少見，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)字運營系統(tǒng)中，以靜態(tài)文檔數(shù)據(jù)、動態(tài)監(jiān)控數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)化生產(chǎn)數(shù)據(jù)等為基礎(chǔ)進行數(shù)據(jù)支持。一般的3D數(shù)字廠房的建造思想主要有2個方面。（1）以Digital傳輸技術(shù)為基礎(chǔ)的技術(shù)。設(shè)計資料和BIM模型是以設(shè)計資料為基礎(chǔ)的，采用單一的代碼規(guī)范，實現(xiàn)了設(shè)計參數(shù)、施工記錄、采購信息等的無縫連接。在完成產(chǎn)品交付后，通過與企業(yè)的實時數(shù)據(jù)庫進行連接，并通過信息管理系統(tǒng)，對整個生產(chǎn)過程進行數(shù)據(jù)的監(jiān)控。（2）3D可視技術(shù)。其來源主要有BIM和非工程類的3-D 2種。在此基礎(chǔ)上，對BIM建模進行了簡化，然后將BIM建模引入Unity3D系統(tǒng)，實現(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)備包括智能機器人、智能天車、機器視覺設(shè)備等各個作業(yè)場所；智能化廠房由專家控制模型、控制系統(tǒng)、車間級集中控制等組成；智慧管理應(yīng)該涵蓋生產(chǎn)、能源、設(shè)備等各個方面，以數(shù)字化生產(chǎn)車間為中心，以數(shù)字化設(shè)計和生產(chǎn)的數(shù)字化數(shù)字工廠和大數(shù)據(jù)分析平臺總體規(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、建設(shè)）和全業(yè)務(wù)的數(shù)字化管控平臺。

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，對采集到的各類資料進行處理，以達到對數(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)等實體的建模，并將設(shè)計數(shù)據(jù)、運行數(shù)據(jù)、維護數(shù)據(jù)等與實體建模相結(jié)合。企業(yè)的應(yīng)用級應(yīng)該能在實體的基礎(chǔ)上，完成整個生產(chǎn)過程，物流、環(huán)保、安全、質(zhì)量、能源、定位、設(shè)備等全過程的全過程和全壽命的數(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，實現(xiàn)仿真、在線優(yōu)化、預(yù)測診斷、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)字車間中的運用

項目建成并投入使用，進入后期的數(shù)字化運維，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)控和報警信息，為企業(yè)各級運營管理部門提供全方位的服務(wù)。

在生產(chǎn)計劃的實施過程中，利用數(shù)字車間的生產(chǎn)系統(tǒng)進行了系統(tǒng)的整合，從而解決了系統(tǒng)中的信息孤島問題，為系統(tǒng)間的聯(lián)動和應(yīng)急管控提供了基本平臺。在設(shè)備發(fā)生故障的時候，可以根據(jù)基本自動化系統(tǒng)的設(shè)備名，迅速地在3D環(huán)境中進行場景轉(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，可以隨時查看設(shè)備的設(shè)計圖紙、操作和維護手冊，以最小限度的降低設(shè)備的損壞。并針對不同的裝置，對裝置故障后對公司能源供應(yīng)、生產(chǎn)計劃執(zhí)行的情況進行了分析，以使公司的生產(chǎn)計劃得到及時的反應(yīng)。利用數(shù)字工廠的平臺進行多個系統(tǒng)的連接，可以極大地提升生產(chǎn)計劃的響應(yīng)速度。

在設(shè)備維護上，以設(shè)備代碼為中心，利用設(shè)備的3D建模，對設(shè)備的設(shè)計和運行信息進行了全方位的整合，對設(shè)備的起停機記錄、實際使用壽命以及相關(guān)的維護記錄進行了追蹤。針對生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵設(shè)備，可以實現(xiàn)對產(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零件時，可以通過數(shù)字技術(shù)和VR、AR技術(shù)，實現(xiàn)對產(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，對數(shù)字化工廠與生產(chǎn)、備件、管線、報警異常之間的關(guān)系進行了分析，并利用圖表庫等方法建立了數(shù)字化工廠的工廠結(jié)構(gòu)和知識庫。

數(shù)字設(shè)備運維既能用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)中心實時獲得設(shè)備的運行規(guī)范、關(guān)鍵設(shè)備的運行情況，并能對設(shè)備進行動態(tài)的監(jiān)測與預(yù)警；設(shè)備出現(xiàn)故障時，數(shù)字平臺能迅速地轉(zhuǎn)換數(shù)字的位置，提示設(shè)備維護人員、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，可以隨時查閱設(shè)計圖紙、操作手冊等設(shè)計材料，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情況等信息，將在數(shù)字化的基礎(chǔ)上，構(gòu)成一個專業(yè)的知識庫，從而不斷地提升公司的管理能力。

在裝置巡檢部分，通過數(shù)字化車間的實時顯示巡檢者當(dāng)前的位置、巡檢路徑、巡檢期間的設(shè)備異常情況，并通過5G技術(shù)與AR技術(shù)，對裝置進行遠(yuǎn)程故障的檢測。

在安全管理上，數(shù)字廠房對各類危險品、危險點進行識別，將其特征、擴散方式、應(yīng)急處理措施、應(yīng)急處置物資、逃生路線等進行直觀、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)字化平臺實現(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，人們的位置檢測技術(shù)被大量采用，利用藍牙技術(shù)和LORA技術(shù)進行定位，可以使現(xiàn)場的工作人員的人身安全得以保障。在3D廠房的虛擬工作臺上，可以實現(xiàn)對進出廠房等作業(yè)區(qū)域的員工進行實時的追蹤，掌握車間的員工的基本信息，一旦發(fā)現(xiàn)有安全風(fēng)險，可利用數(shù)字化平臺一鍵式通知現(xiàn)場員工進行及時處理或撤離，現(xiàn)場員工如遇到緊急情況可使用定位卡進行一鍵SOS報警，報警人員可在數(shù)字化平臺中進行聲光警示，提醒管控中心調(diào)度人員及時安排處理措施。

鋼鐵廠的能源網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)種類繁多，錯綜復(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)問題后查找問題的源頭很難，而利用數(shù)字平臺，可以實現(xiàn)綜合管線、車間內(nèi)設(shè)備管線可視化，同時整合管線內(nèi)的各種閥門控制信號、流量壓力溫度信號，進行管網(wǎng)安全的實時監(jiān)測預(yù)警。

在數(shù)字設(shè)備中，利用先進的管道組合式技術(shù)，將各個媒質(zhì)的管道進行了分類，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行相應(yīng)的調(diào)節(jié)和關(guān)閉，并對可能出現(xiàn)的問題進行分析，從而達到電力系統(tǒng)的實時監(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，對產(chǎn)品的制造計劃執(zhí)行、料場數(shù)字化管理、天車物流、爐缸侵蝕、轉(zhuǎn)爐自動出鋼等進行仿真，從而幫助設(shè)計者更好地規(guī)劃出爐方案，選擇出最優(yōu)的爐機配合和運行方式，為產(chǎn)品的開發(fā)和試制提供了一個離線模擬平臺，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

大數(shù)據(jù)是一種以大量不同的思維方式儲存在不同媒體中，通過獲取、存儲、管理、分析和控制多種存儲媒體中的大量信息而獲得的信息。大數(shù)據(jù)不僅僅是因為它的規(guī)模，還因為它的數(shù)據(jù)規(guī)模，它的多樣性和實時性對它的價值產(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)展的一個重要趨勢。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)機器人應(yīng)用等各方面都有了巨大的進展。智能制造設(shè)備是先進制造技術(shù)、信息技術(shù)和人工智能技術(shù)的有機結(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，它不僅是一個緊密而復(fù)雜的機電集成的體系，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、自主規(guī)劃和自主決策能力等特點。加強智能制造裝備的發(fā)展，能夠滿足關(guān)鍵領(lǐng)域向高端制造轉(zhuǎn)型的需求，是提高國家制造業(yè)核心競爭力，帶動產(chǎn)業(yè)升級和其他新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展，是促進“中國制造”走向“中國智造”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)備是先進制造技術(shù)、信息技術(shù)和人工智能技術(shù)的有機結(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性能要求，而相應(yīng)的驅(qū)動技術(shù)是實現(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)、云計算、機器學(xué)習(xí)、智能感知、互聯(lián)互通和遠(yuǎn)程維護等。

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，對其進行開發(fā)與建設(shè)。在智能生產(chǎn)設(shè)備的底層，包括智能機床、工業(yè)機器人、智能測量儀等。多個加工設(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)成了一個數(shù)字車間，使各個數(shù)字流水線相互連通；最終形成一個智慧的生產(chǎn)車間。

5 結(jié)語

數(shù)字化制造技術(shù)的日益完善，將會對傳統(tǒng)的鋼鐵企業(yè)制造經(jīng)營方式產(chǎn)生巨大的變革，數(shù)字化工廠將從設(shè)計、交付、運維、全流程業(yè)務(wù)仿真監(jiān)控、全方位設(shè)備數(shù)字化運維等方面全面提升企業(yè)的數(shù)字化水平。智能化是中國鋼鐵行業(yè)今后數(shù)十年發(fā)展與建設(shè)的主要任務(wù)，而智能化則是未來的發(fā)展趨勢，要在煉鋼廠建立一個智能化的信息系統(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，最終實現(xiàn)智能化的發(fā)展目標(biāo)。數(shù)字制造是提升產(chǎn)品競爭力、實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的重要手段。