一、研究的背景与问题

随着我国航空航天、轨道交通、船舶、海洋工程、石油化工等各项事业的加速推进，对特种钢材的需求不断增多，钢铁企业转型升级的需求越来越迫切，在产销研、生产管控、流程协同方面面临诸多问题。

1、质量管控问题：在特种材料生产过程中，对检测的样本覆盖范围、参数细分提出更多要求，传统的人工抽检方式受检验者技能经验等因素制约，导致检验结果的实时性、客观稳定性、样本覆盖面等方面无法满足生产高质量产品的需要。

2、供应链管理问题：缺乏物流作业计划和资源集中调度管理、无法可视化监控运输状态、无法实时统计货物在途数量，货物库存资源不能及时统计，导致库存资源信息掌握失真。供应链金融的各参与方之间信息不对称，贸易真实性、债权转让有效性难以保证。

3、工厂建设问题：传统工厂的建设运维都是基于纸质版图纸资料，未做电子化处理和多专业融合关联数据处理，不便于现场设备改造运维，导致设计、施工与后续的运维脱节，数据的查找利用效率低下。智能工厂运营多专业数据无法实现在线实时展示、分析、预测，也无法指导生产管理人员深入利用数据价值，导致管理效率低下，信息和数据脱节、不一致、丢失。

4、计划调度问题：特钢订单多批次、小规格偏定制化的需求特点，企业无法快速响应市场订单的交期；组批制造工艺、生产组织、产线设备安排复杂且容易冲突导致成本上升；库区、物流等外部资源缺乏预见性计划和反馈。

5、生产作业问题：炼钢工艺节奏快、小工序多，容易因铁水等瓶颈资源造成等待。资源的浪费，高价值的合金加入主要依靠操作工借助经验，缺乏科学的作业标准。协调的生产作业调度依靠人工容易出现漏洞造成跨企业的动态协同障碍，影响企业互信和设计、生产、管理、服务等环节业务深度合作。

6、仓储物流问题：物料供给方与需求方在计划、质量等级要求存在计划指令不对称，从而造成物料、运力、时间等浪费。物流与生产协同性差，钢铁生产过程中，对物料的及时性要求高、质量约束性也高（如铁水、钢坯的温降），传统人工调度缺乏手段跟踪物流状态，保障供需衔接的及时性。

7、能源管理问题：钢铁生产过程中使用的能源介质包括电力、氧气、煤气、天然气等，具有不同的能量特性和使用方式。钢铁生产过程中涉及到多个设备，如高炉、转炉、连铸机及其辅助设备，能源消耗分散，缺乏集中的监控和调度手段，能源的利用提升困难，政策合规性难以保障。能源产出与消耗动态变化，调度平衡难度高。

8、安全管控问题：钢铁企业生产中的危险源种类多和分布散（如高温设备和物质，压力容器，起重机械机运出车辆、有毒有害及易燃易爆气体），对员工安全监护责任重但难以落地；安全培训覆盖人员多，工作量大，培训质量难掌握；应急响应准备不足，事故发生后缺乏有效地应对举措。

9、设备、环保管理问题：人工点巡检不能及时发现设备缺陷，存在漏检、误检情况。部分场景点检困难，设备运行过程中存在的隐患难以发现，容易上升为事故。环保压力大，低浓度大气污染物采样难、检测精度低、检测方法缺失、产生原因复杂等。

江苏永钢自十三五开始坚定实施“普转优、优转特、特转精”产品升级战略。各产线都同步配备行业最先进的过程控制系统，成为华东地区品种规格最全的合金棒材生产服务商。已建成覆盖全流程的省级智能车间7个，省级智能工厂2个，具备较好的基础条件。

二、解决问题的思路与技术方案

构建基础设施的全联网及智能化，实现设备、能源、安全、环境的全面联网及智能化管控；基于基础设施，构建物联网平台、工业互联网平台及工业大数据平台三大平台，支撑相应的过程控制及优化；基于三大平台，建立在线仿真质量控制，动态调度、全流程集成管控和柔性化生产平台，实现生产计划优化，执行过程优化，质量控制优化，全流程集成管控；在全流程管控的基础上，实现全价值链协同，包括客户研发协同，供应链协同，销售订单与计划协同，全制造过程协同。

 图1 总体实施架构图

基于23个场景建设方案及应用情况搭建全流程价值链协同的智控系统，包括质量管控-智能在线检测-基于5G和AI视觉分析的钢材质量检测、质量管控-质量精准追溯-全流程质量管理系统QMS、环保管控-碳资产与废弃物管理-永钢固废与碳排管理平台、工厂建设-数字基础设施集成-基于工业互联网平台的企业数据中心和集控中心建设、供应链采购与交付-供应链智能配送与动态优化-智慧供应链管理系统、供应链服务-供应商数字化管理-供应商管理系统、供应链服务-供应链金融-永钢供应链金融平台、工厂建设-数字孪生工厂建设-数字孪生工厂、计划调度-生产计划优化-APS高级排程、供应链计划-产供销一体化-数据驱动的产供销一体化协同、生产作业-精益生产管理-炼钢生产过程精益数字化平台、仓储物流-精准配送-生产物流智慧管理、生产作业-工艺动态优化-基于生产全流程智能装备的工艺流程/参数动态优化、生产作业-先进过程控制-模型驱动实时优化和预测的生产过程闭环控制、生产作业-网络协同制造-产业链上下游企业网络化协同制造、仓储物流-智能仓储-仓储管理系统、设备管理-在线运行监测-永钢设备管理系统、能源管理-能效平衡与优化-气体（氧气、煤气、压缩空气）能效平衡优化、设备管理-设备故障诊断与预测-设备预测性维护、安全管控-安全风险实时监测与应急处置-安全生产管理系统、安全管控-危险作业自动化-危险作业无人化、能源管理-能耗数据监测-永钢集团能源管理系统（EMS）、环保管控-污染监测与管控-超低排放一体化平台。

（一）网络与云资源集成方案

1、网络集成方案

通过万兆光纤通信网络连接制造工厂各节点和主从机房。对重点应用系统进行网络冗余设计。通过对相关应用的开发优化，实现地面有线通讯、空中5G连接的冗余双路模式，极大避免网络原因导致的重要应用故障。在工厂和车间内部，分布多个弱电设备间，运用实时工业以太网、PON、4G/5G通讯、NB-IoT、IPv6、TSN等技术手段，与区域内的设备、仪表、控制对象、监测对象互联，具备断点续传统一运维的能力，保障生产各环节数据全面在线、互联互通。

图2 企业核心网络拓扑

2、云资源集成方案

搭建双中心节点+N个分中心的混合云结构，外部应用部署公有云，对内业务部署私有云。

 图3 双中心节点+N个分中心的混合云架构

（二）系统集成方案

1、智能工厂总体应用集成架构

采用5G+工业互联网技术，构建平台+应用模式输出数字化和智能化服务，借助5G、NB-IoT等技术，实现智能设备、仪表及工业控制系统的互联，建立企业级私有云基础设施服务和光纤网络，与ERP、MES、L2系统对接，在PaaS层建立工业数据采集与集成各类工业模型组件，打造智慧运营类App和智能制造类App。

制造现场，针对不同场景应用智能装备与平台建立连接，上层运管制定的质量标准、工艺标准及检修管理和作业计划，通过平台任务调度和指令通讯方式实时下达给现场各设备，信息流、物质流和控制流等三流同步合一，保障制造过程高效稳定。

图4 永钢智能工厂项目总体应用集成架构

图5 工业互联网平台监控室全景图

2、智能工厂总体技术集成架构

技术平台采用五层技术架构体系：底层为物联设备层，实现对生产和物流中的各类设备的数据集成和采集，构建Wonderware工业实时数采平台，实现对产线的主体设备控制系统PLC等20万个点实时数据采集；零星公辅系统选用独立的智能采集单元设备，4000多个较为分散的点位，通过5G、NB-IoT通讯采集获取数据。边缘层对数据进行初步的处理、存储和传输，根据不同的数据特点，和不同的控制和计算硬件资源进行处理。其余三层为工业互联网平台通用的IaaS层、PaaS层和SaaS层，向不同的用户建立相应的门户，提供不同的业务信息和决策信息。

图6 永钢智能工厂总体技术架构

（三）数据集成方案

建立数据中台，对接各业务系统，整合全域数据，对核心业务的关键指标监控和风险预警，通过数据引导、直观展现等方式帮助领导层实现对经营全貌洞察；聚焦重点，多维度分析研判。

图7 永钢智能工厂数据集成示意图

三、主要创新性成果

1、通过工业互联网、物联网、大数据、云计算、数字孪生、物性表征、实时优化控制、人工智能、5G等技术融合应用，实现了客户与研发的协同、销售订单与生产计划的协同、在线质量与生产调度的协同、生产调度与设备状态、能耗的协同等全价值链的协同，大大提升了全业务流程的柔性程度和运行效率。

2、创建了智能研发平台，打造了14个单项冠军产品，其中超超临界发动机组用焊丝钢、贝氏体非调质钢两项产品填补国内空白；国内首创一火成材免热处理1960MPa级桥梁缆索用钢，参与国际桥梁缆索用钢标准制定，市场占有率30%。1960MPa-2400MPa级打破近40年来被日本企业垄断，获国家发改委重大专项5200万元；以轧代锻特种合金棒材国内市场占有率超过50%；直接切削用非调质钢打破了日本在大规格切削非调质钢上的技术壁垒，成为国内唯一具备生产φ140mm以上直接切削非调质钢能力的企业，荣获“2020年冶金科学技术奖”二等奖；风电偏航变桨轴承市场占有率超30%，《风电机组变桨偏航轴承配套高端锻件的关键技术研发及产业化》项目获得中国机械工业科学技术奖；高端锅炉管坯钢市场占有率70%左右，稳居国内市场龙头。未来计划打造10个新的单打冠军产品，更好的满足市场用户需求，助力国家制造业高质量发展。

3、基于数字孪生技术，实现了从外场、内场、工艺机理的全景可视化协同监控，提升管控精准度，“基于X-Twins的钢铁数字孪生工厂”获评钢铁行业智能制造优秀案例。基于工业互联网平台实现了销、研、产、供、财、能源、碳资产、固废循环利用、环保、供应链金融等多业务融合的智慧管理。“污染监测与管控”或工信部2022年度智能制造优秀场景，“基于大数据的钢铁行业销研产供财互联网平台创新应用”获工信部2022年工业互联网平台创新领航应用案例，“江苏永钢5G固废利用智能转底炉工厂项目”获工业互联网赋能绿色低碳发展优秀案例集，“永钢数字化供应链金融平台”获2023年工业互联网产业联盟智慧供应链优秀案例。获2022江苏省5G全连接工厂、2022江苏制造突出贡献奖，2023江苏省工业互联网标杆工厂等。

四、应用情况与效果

江苏永钢努力途径智能制造模式创新，打造了个性化定制、平台化设计、智能化制造、数字化管理、网络化协同、服务化延伸的智能制造新模式、新业态在钢铁企业落地的优秀案例。基于全流程价值链协同的智慧控制技术项目投资124283万元，建成后，生产效率提高12.49%，运营成本降低4.5%，产品研制周期缩短38.89%，产品不良品率降低15.7%，能源利用率提高12.13%。

开发了一系列关键工艺、技术、装备、软件平台，基于AI视觉分析的低倍检测被认定为行业首台套，线棒材表面质量在线实时检测替代了美国“热眼”，高炉无人抓渣行车是国内首套以行车无人化获得特种设备改造取证的企业，项目形成专利148件，软品软著27件，参编了12项智能制造类国家、行业标准和23项其他专业行标。

来源：江苏永钢集团公司