科技新进展：工业互联网模式下钢铁数字化精益制造研究与应用

中国金属学会

一、研究的背景与问题

近几年我国汽车工业快速发展，对高附加值的汽车用钢需求也随之持续增加。国家和河北省也提出了经济新常态形势下，钢铁行业应积极淘汰落后产能、培育发展新动能的要求，转变增长方式。为全面推进供给侧结构性改革，提升综合创效能力，加快推进最具竞争力钢铁企业建设，解决资源使用效率低、投资回报率低，尤其是创新型生产能力不足、低端产能过剩资源大量流入低效能的传统产业所带来的结构性问题，工业互联网提供了一个有效的手段和契机。

唐钢信息化起步较早，建设比较完善，尤其是高强汽车板项目建设期间信息化和自动化建设同步进行了一系列的改造完善，生产计划协同和全流程质量管控能力得到了很大的提升，处于国内钢铁企业较为领先的水平，但在精益制造过程中需要对各领域的监控分析都需进行研究与探索，仍需解决如下技术难点：

1）生产计划管理协同，从市场需求层面开始挖掘，提前做好计划。

2）业务优化管理，使用需求建模模块的需求预测、供应链模型、采购分布模型来生成优化的销售计划。

3）物料计划管理，人工进行物料配置是一件相当费时费力的工作，常常跟不上市场需求或工厂生产节奏。而像MRP这样基于计算机的标准系统，在设计上往往是面向一般的应用环境，缺乏满足钢铁厂进行物料有效配置所需的深入、细致的行业知识。基于对钢铁行业所特有的物料灵活性的深入理解，物料计划模块能够帮助钢铁企业进行更为有效的物料配置，这将有利于企业提高产能，同时大大降低成品和机件的库存水平，进而降低资金占用和库存成本。

4）连铸轧一体化排产，对板坯连铸的生产率和质量提高的不断追求，迫使企业越来越强调对连铸设备的精确生产作业排程。此外，再加上对热送热装以及更为准确的交货时间的要求，企业势必面临着异常复杂的生产作业计划挑战。重要的是，所有这些都必须在很短的时间内做出反应。

5）产品质量的分级管控。铸坯的内部质量分级、钢卷表面质量分级和钢卷最终质量分级相互关联和影响，是整个产品质量分级的核心。在铸坯生产过程中，会发生各种事件，需要将影响连铸生产的事件筛选出来，进行事件的定义、分级以及数据源的确定等，定义后续判定操作，并建立技术手段对此事件进行监控。钢卷表面质量对钢卷质量极其重要，而表面质量的监控、数据的采集和缺陷的识别需要建立成熟的技术体系。对钢卷整个生命周期的监控决定了最终的质量分级，需要建立判定等级等。

6）质量证明书全天候监控和远程自助打印。产品质量证明书作为产品交付的最终环节，维护复杂，数量基数大，在实际业务过程中各种异常情况也会制约质保书的出具，往往具有“滞后性”。需要保证质量证明书全天候监控，减少证明书数据维护工作量和错误机率，准确及时的到达用户端。

在工业互联网应用、数据模型研发和全流程质量控制上，国内外针对如上技术难点，鲜有全面成功技术解决方案，缺乏灵活动态质量设计能力，无法解决“一业多地”模式的跨公司质量设计以及设计的长流程动态调整，很少能够实现跨公司和工序一体化排产，缺少全流程的质量管控和全厂关键工艺实时预警，较少将各种关键指标KPI指标化和生产、质量一切问题数字化。

2014年10月，由唐山钢铁集团有限责任公司、唐山高强汽车板有限责任公司和唐山不锈钢有限责任公司合作开展基于工业互联网的数字化精益制造研发与应用的系统性设计、实施，通过对信息系统集成挖掘、各种模型的建立完善以及数字化建设，实现了在产销一体、管控衔接、三流同步的产销一体化平台基础上数据化的精益制造研发和应用，提升企业全局管控能力，为供给侧改革提供有力地支撑，向高效增长方式转变。

二、解决问题的思路与方案

在供给侧结构性改革的背景下，该项目通过打通各个数据通道，实现多专业的数据共享，消除信息孤岛，创造工业大数据平台，工业大数据将成为企业发展新的“生产要素”，成为支撑企业增长的新引擎。项目通过研发多区域多基地模式下的一贯制质量设计信息化系统模型，实现面向用户个性化需求的全流程质量管理。研发大规模定制生产模式的原理和机制与高端汽车板材生产制造工艺技术特征相结合，形成和完善满足产品多品种、小批量、定制化生产排产模型。研发基于用户需求的产品分级质量管理模型，实现产品质量内部分级管理，实现排产作业的科学供料和交付用户产品质量稳定。研发满足“人机料法环”的实验室管理系统，解决实验数据的科学性问题。建立以用户为中心的“一对一”质量服务证明书系统，提升用户满意度。通过上述方案的实施，减少各种资源浪费，提高企业生产和运营效率，进而实现大型钢铁联合企业精益生产组织模式。项目总体研究方案架构图如图1所示。

图1 项目总体研究方案架构图

通过设计与研发产销精益数字化模型技术、满足用户需求的集成化定制数字技术、以缺陷池为核心的数值化分级模型和以产品服务为核心的高效便捷的用户质量服务体系等多种数字化、智能化解决方案，实现大型钢铁联合企业精益生产组织模式，为推动钢铁业供给侧结构性改革提供支撑。

产销精益数字化模型通过集成单位小时产能模型、机组作业排产模型，约束的产能模型和数字化平衡算法模型实现了产销精益数值化和产能高效协同。产销精益数字化模型架构图如图2所示。

图2 产销精益数字化模型架构图

1、建立机组产品标准时间智能算法和最优化排产规则算法，形成了最少违规的产线能力最优化排产模型。通过构建各机组的当期最优化单位时间产量基础数据仓库，预测未来一定时间的生产能力，用于产能生产时间估算。在满足产品大纲的范围内开发产线最优化排产与组产模型，形成有限物料条件下的最优化排产序列模型技术。实现了产线一般生产规则违规率小于0.8%，重要生产规则违规率为0；产线各品种理论单位时间产量与实际单位时间产量误差小于1.5%。

2、研发产销平衡经营管理模型、基于盈利能力分析和物料资源计划最优的优化排程算法，实现大规模定制化生产模式下，钢后生产过程面向销售订的单拉动式的规模化定制生产组织模式。通过研发基于有限产能条件下的全局产能平衡计算功能，实现全局产能资源的最优化分配，并对可能的订单延误进行直观的预警。产销一体化、质量一体化模型设计思想如图3所示；产能约束下的多产线产能平衡概览图如图4所示；产能平衡决策模型分析算法设计如图5所示。

图3 产销一体化、质量一体化模型设计模型图

图4 产能约束下的多产线产能平衡概览图

图5 产能平衡决策模型分析算法设计

3、用户需求集成化定制数字技术运用于一贯制质量管控。

（1）建立产品规范及冶金规范数据仓库,实现产品设计标准化、智能化。研发产品规范数据仓库和冶金规范数据仓库, 用于指导产线生产的重要依据。将基于一贯制质量设计的关键控制信息和质量判定分级标准用于产线质量管理，提升产品全流程质量管控能力。

（2）研发冶金质量数据仓库用于全局质量管理.运用一贯制质量排产系统，集成冶金智能规则数据仓库、排它性数据分析和用户需求学习算法，研发了满足用户需求的产品质量设计模型。通过质量设计模型的展开，将销售订单设计结果转化生产订单，并用于生产指导。面向用户的产品质量设计如图6所示；销售订单设计结果转化生产订单如图7所示。

图6 面向用户的产品质量设计

图7 销售订单设计结果转化生产订单

（3）基于用户需求研发产品质量设计展开分析技术。根据客户需求，结合内部生产、技术、质量控制要求研发生产技术与质量设计模型，实现基于全流程质量管理的标准化质量设计展开技术。依据各种规程要求，各种工艺技术约束的冶金规范知识库，通过在知识库中创建产品、工艺路线、物料形变、质量数据对象、测试指令、追溯表实现从产品到整个生产过程的技术展开。上述各种主要关键要素将在质量技术展开模型中加载进入鱼骨图数学分析模型中，最终形成基于用户需求研发产品质量设计展开分析技术。鱼骨图数学分析模型如图8所示。

图8 鱼骨图数学分析模型

4、高效灵活的数据处理模型实现以产品为核心的质量服务

（1）构建高效便捷的用户质量证明书平台。研发产品质量证明书全天候远程自助打印平台，实现经过授权的客户可以实现通过互联网远程登录，在后台管理授权的情况下，按照开放权限实现证明书各种打印需求，实现证明书和报关服务各种数据远程支持。

（2）基于并发式任务分解处理模型、最优化数据填充算法以及产品参数最优化匹配算法，实现了产品质量证明书全天候远程自助打印。

四、主要创新性成果

1、基于标准时间智能算法及满足产供销约束条件的能力平衡算法，研发了产供销平衡经营管理模型，实现了基于盈利能力需求分析和物料资源计划平衡的企业生产作业优化排程。

2、基于冶金智能规则数据库、排它性数据分析和用户需求学习算法，研发了满足用户需求的产品质量设计模型，打通了外部市场与企业内部生产体系的互联互通。

3、基于典型缺陷特征数据库、缺陷自学习算法以及质量数据等级化分析模型，研发了产品自动分级判定管理模型，实现了钢铁生产全流程的数字化质量管控。

4、基于并发式任务分解处理模型、最优化数据填充算法以及产品参数最优化匹配算法，实现了产品质量证明书全天候远程自助打印。

五、应用情况与效果

自2014年10月开始，河钢唐钢通过产销一体化信息系统升级改造，在对现有信息化架构影响最小的情况下，成功将质量一贯制管理嵌入到信息化系统中，满足了汽车企业对于产品质量可追溯性要求；建立了适应多品种、小批量的用户交付模式，能够实现产品库区管理和发货速度的最优。运用全流程质量管理信息化系统有力的支撑了高端产品质量稳定性，实现了汽车面板用超低碳钢、高强度汽车结构用钢DP780、DP1180、QP980和热成形钢T1500HS的稳定生产，在产品结构实现明显优化的同时，废次品率也得到了一定程度的降低。项目实现合计创效26206万元。

1、产销精准材料设计，以最小带出品和最小废品率为目标；铸机动态切割，降低库存占用与销售成本，将订单细分成件次，从而支撑炼钢一炉多订单的生产模式，按订单组炉组浇。提高质量设计与计划排产集成效率。

2、质量一贯制全面应用标记链设计，按标记链和记号（炼钢记号、轧钢记号）来组织生产，细化并缩窄质量波动区间；真正实现动态质量设计，提高合格率，自动判定。

3、全过程质量管理提供对于每个物料件次的追溯，它通过与外部系统通讯获取每个物料的生产状态与母物料的联系，进而显示物料从铁水到最终产品钢卷的全生产流程，实现对产品的生产历史进行详细记录。并且能够按照规则实现物料的自动分级判定和挂单管理。

4、通过工厂装备数字化、工厂物流数字化、设计研发数字化、生产过程数字化等方面的建设，形成自动化、信息化、一体化、精益化、集成化的数字化工厂，带动产品设计方法和工具的创新、企业管理模式、生产制造管理的创新。

5、证明书网上打印系统的实施与应用，不仅降低了企业的运营成本，同时也为客户提供了全天候的个性化服务，在减少产品质量异议、减少发货错误、降低人工打印邮寄费用、提高人工劳效。客户可灵活定义证明书的生成方式，最大限度地满足客户的个性化需求，提高了最终用户的满意度，提升了河钢唐钢企业形象及市场竞争力。

信息来源：河钢唐山钢铁集团有限责任公司

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