智能化鋼廠的探討

1、關于智能化鋼廠的討論關于智能化鋼廠的討論從物理系統(tǒng)一側出發(fā)討論鋼廠智能化從物理系統(tǒng)一側出發(fā)討論鋼廠智能化殷瑞鈺殷瑞鈺鋼鐵研究總院鋼鐵研究總院2017年年3月月16日日主要內容主要內容一、離散制造與流程制造的特征與不同一、離散制造與流程制造的特征與不同二、不同類型制造業(yè)的二、不同類型制造業(yè)的發(fā)展趨向發(fā)展趨向三、三、流程制造業(yè)智能制造的涵義流程制造業(yè)智能制造的涵義四、四、鋼鐵企業(yè)鋼鐵企業(yè)管控管控架構架構五、五、鋼廠信息物理系統(tǒng)的架構鋼廠信息物理系統(tǒng)的架構六、六、制造流程中制造流程中“界面技術界面技術”的物理系統(tǒng)優(yōu)化和的物理系統(tǒng)優(yōu)化和信息數字系統(tǒng)的構建信息數字系統(tǒng)的構建七、結語七、結語一、離散制造與

2、流程制造的特征與不同一、離散制造與流程制造的特征與不同 以機械加工等為代表的離散型制造的特征以機械加工等為代表的離散型制造的特征是：是： 機械類產品一般是由可拆分的零部件機械類產品一般是由可拆分的零部件組裝而成的。產品的性能、質量和加工效率取組裝而成的。產品的性能、質量和加工效率取決于總體設計。決于總體設計。 機械類零部件及其加工過程一般在常機械類零部件及其加工過程一般在常溫、固體狀態(tài)下進行，較易溫、固體狀態(tài)下進行，較易實現實現數字化。數字化。 離散的零部件在組裝的過程中可數字離散的零部件在組裝的過程中可數字化?；?。 各種機械加工裝備的運行過程易數字化。各種機械加工裝備的運行過程易數字化。 機

3、器裝配、運行整體上易于數字化。機器裝配、運行整體上易于數字化。 離散型制造離散型制造業(yè)業(yè)的智能化主要體現在產品功的智能化主要體現在產品功能智能化。能智能化。 以冶金、化工、建材為代表的流程型制造的特征以冶金、化工、建材為代表的流程型制造的特征是：是： 企業(yè)由異質、異構、相關協同的工序構成，企業(yè)由異質、異構、相關協同的工序構成，企業(yè)以不可拆分的制造流程整體協同運行企業(yè)以不可拆分的制造流程整體協同運行的方式存在的方式存在，適合于連續(xù)、批量化生產，適合于連續(xù)、批量化生產。 制造流程中存在著復雜的物理、化學過程，制造流程中存在著復雜的物理、化學過程，甚至往往出現氣、液、固多相共甚至往往出現氣、液、固多

4、相共存存的連續(xù)變化，物質的連續(xù)變化，物質/能量轉化過程復雜，難以全部實現數字化。能量轉化過程復雜，難以全部實現數字化。 企業(yè)是復雜的大系統(tǒng)，企業(yè)是復雜的大系統(tǒng)，輸入的輸入的原料原料/燃料組燃料組分波動，外界隨機干涉因素多，難以直接數字化。分波動，外界隨機干涉因素多，難以直接數字化。 組成制造流組成制造流程的程的單元工序單元工序/裝置的功能是不裝置的功能是不同的，同的，制造流程制造流程屬于異質屬于異質、異構單元異構單元組合組合的集成體。的集成體。 工序工序/裝置之間的關系屬于異質、異構單裝置之間的關系屬于異質、異構單元之間元之間非線性非線性相互作用、動態(tài)耦合過程，匹配、相互作用、動態(tài)耦合過程，匹

5、配、協同協同的參數的參數復雜多變，數字化較難。復雜多變，數字化較難。 產品性能、質量、生產效率取決于工藝產品性能、質量、生產效率取決于工藝流程設計優(yōu)化，各個工藝過程的優(yōu)化和全流程運流程設計優(yōu)化，各個工藝過程的優(yōu)化和全流程運行的整體優(yōu)化。行的整體優(yōu)化。 流程型制造流程型制造業(yè)業(yè)的智能化主要體現在制造的智能化主要體現在制造流程運行過程的智能化。流程運行過程的智能化。二、不同類型制造業(yè)的二、不同類型制造業(yè)的發(fā)展趨向發(fā)展趨向 離散型制造：產品功能智能化、高效化離散型制造：產品功能智能化、高效化 流程型制造：綠色化、制造過程智能化流程型制造：綠色化、制造過程智能化、產品質量品牌化、產品質量品牌化 行（產

6、）業(yè)不同，企業(yè)類型不同。實現智能行（產）業(yè)不同，企業(yè)類型不同。實現智能化的途徑、內涵、目標不能一概而論化的途徑、內涵、目標不能一概而論，應該各有，應該各有特色特色。三、三、流程制造業(yè)智能制造的涵義流程制造業(yè)智能制造的涵義 根據流程制造業(yè)的特征，其智能制造的涵根據流程制造業(yè)的特征，其智能制造的涵義應該是以企業(yè)生產經營全過程和企業(yè)發(fā)展全義應該是以企業(yè)生產經營全過程和企業(yè)發(fā)展全局的智能化、綠色化、產品質量品牌化為核心局的智能化、綠色化、產品質量品牌化為核心目標研發(fā)出來的生產經營全過程的數字物理融目標研發(fā)出來的生產經營全過程的數字物理融合系統(tǒng)。合系統(tǒng)。 其關鍵技術是生產工藝其關鍵技術是生產工藝/裝置技

7、術優(yōu)化、工裝置技術優(yōu)化、工藝藝/裝置之間的裝置之間的“界面界面”技術優(yōu)化和制造全過程技術優(yōu)化和制造全過程的整合的整合-協同優(yōu)化，以此為基礎嵌入數字信息技協同優(yōu)化，以此為基礎嵌入數字信息技術，從而構成體現智能特色的數字物理融合系術，從而構成體現智能特色的數字物理融合系統(tǒng)統(tǒng)CPS。四、四、鋼鐵企業(yè)鋼鐵企業(yè)管控管控架構架構 作為與智能化鋼廠相關的管控架構應是兩作為與智能化鋼廠相關的管控架構應是兩層平臺的框架層平臺的框架。圖圖1 鋼鐵企鋼鐵企業(yè)管控業(yè)管控架構架構兩層平臺兩層平臺圖圖2 鋼鐵企業(yè)決策架構解析鋼鐵企業(yè)決策架構解析五、五、鋼廠信息物理系統(tǒng)的架構鋼廠信息物理系統(tǒng)的架構 鋼廠信息物理系統(tǒng)的架構實

8、際上不一定包括鋼廠信息物理系統(tǒng)的架構實際上不一定包括ERP系系統(tǒng)，從物理機制上看，其架構大體上如圖統(tǒng)，從物理機制上看，其架構大體上如圖3所示。所示。 圖圖3 鋼廠信息物理系統(tǒng)的架構鋼廠信息物理系統(tǒng)的架構 “界面技術界面技術”是一種復雜嵌入式系統(tǒng)，對是一種復雜嵌入式系統(tǒng)，對CPS特別重要，因為物理系統(tǒng)是由異質、異特別重要，因為物理系統(tǒng)是由異質、異構的組成單元（子系統(tǒng)）構建而成的。要實構的組成單元（子系統(tǒng)）構建而成的。要實現智能化必須解決異質異構的子系統(tǒng)之間的現智能化必須解決異質異構的子系統(tǒng)之間的相互辨識相互辨識、相互感知、相互作用、相互協同相互感知、相互作用、相互協同的關系，從而以優(yōu)化的的關系，

9、從而以優(yōu)化的“嵌入嵌入”件的方式融入件的方式融入數字物理系統(tǒng)之中，促進上位系統(tǒng)（全流程數字物理系統(tǒng)之中，促進上位系統(tǒng)（全流程）的優(yōu)化、協同。）的優(yōu)化、協同。六、六、制造流程中制造流程中“界面技術界面技術”的物理系統(tǒng)優(yōu)化的物理系統(tǒng)優(yōu)化和信息數字系統(tǒng)的構建和信息數字系統(tǒng)的構建推進鋼廠智能化的一個重要切入口推進鋼廠智能化的一個重要切入口 制造流程是由一系列相關的、異質制造流程是由一系列相關的、異質-異構異構的工序的工序/裝置以及它們之間的裝置以及它們之間的“界面技術界面技術”構成構成的。的?！敖缑婕夹g界面技術”承載著物質流承載著物質流/能量流能量流/信息流信息流的溝通、傳遞功能；工序的溝通、傳遞功能

10、；工序/裝置之間的功能銜裝置之間的功能銜接、匹配；工序接、匹配；工序/裝置之間物質流、能量流的裝置之間物質流、能量流的承接、緩沖功能等。承接、緩沖功能等?！敖缑婕夹g界面技術”鮮明地影響鮮明地影響著制造流程的結構，尤其是動態(tài)運行結構和著制造流程的結構，尤其是動態(tài)運行結構和運行效率。運行效率。 長期以來對單元裝置的自動化、無人化做長期以來對單元裝置的自動化、無人化做了大量的研發(fā)，并較好地應用于生產制造過程了大量的研發(fā)，并較好地應用于生產制造過程，解決了局部的自動控制問題。應該作為制造，解決了局部的自動控制問題。應該作為制造流程智能化的基礎。然而這只是實現制造流程流程智能化的基礎。然而這只是實現制造

11、流程全盤智能化中的一部份。全盤智能化中的一部份。 “界面技術界面技術”的物理系統(tǒng)優(yōu)化和數字化建模的物理系統(tǒng)優(yōu)化和數字化建模也是流程制造業(yè)智能化的核心技術之一，至今也是流程制造業(yè)智能化的核心技術之一，至今研究較少，應該引起關注，深入探索。應該認研究較少，應該引起關注，深入探索。應該認識到識到“界面技術界面技術”同樣也是由物理系統(tǒng)硬件和信同樣也是由物理系統(tǒng)硬件和信息數字軟件構成的，應該建立在扎實的工程科息數字軟件構成的，應該建立在扎實的工程科學基礎上。似可按如下方法探索：學基礎上。似可按如下方法探索：（1）以圖論為工具構建制造流程的靜態(tài)網絡以圖論為工具構建制造流程的靜態(tài)網絡 制造流程的工程化是要通

12、過工程設計落實制造流程的工程化是要通過工程設計落實到總平面圖等一系列的圖形上，到總平面圖等一系列的圖形上，“圖圖”是由節(jié)點是由節(jié)點及其聯系線弧構成的圖形。因此要通過圖論的及其聯系線弧構成的圖形。因此要通過圖論的知識，在知識，在“節(jié)點節(jié)點”和和“線弧線弧”方面進行研究：方面進行研究：l 節(jié)點優(yōu)化：包括節(jié)點功能、節(jié)點容量、節(jié)點優(yōu)化：包括節(jié)點功能、節(jié)點容量、節(jié)點數優(yōu)化等的研究；節(jié)點數優(yōu)化等的研究；l 連接線弧優(yōu)化：重在節(jié)點間相互關系優(yōu)連接線弧優(yōu)化：重在節(jié)點間相互關系優(yōu)化，距離、時間、路線等優(yōu)化；化，距離、時間、路線等優(yōu)化； 對于構建靜態(tài)網絡及其優(yōu)化而言，圖論是對于構建靜態(tài)網絡及其優(yōu)化而言，圖論是構建

13、靜態(tài)網絡的理論基礎之一，也是動態(tài)精準構建靜態(tài)網絡的理論基礎之一，也是動態(tài)精準設計方法的重要方法之一。設計方法的重要方法之一。（2）以排隊論以排隊論-Gantt圖等方法描述圖等方法描述“界面界面”過程過程的運行動力學的運行動力學 在靜態(tài)網絡初步優(yōu)化的基礎上，由于串聯在靜態(tài)網絡初步優(yōu)化的基礎上，由于串聯-并并聯關系的存在，上、下游工序之間動態(tài)運行路線的聯關系的存在，上、下游工序之間動態(tài)運行路線的確定有賴于上、下游工序間輸出流確定有賴于上、下游工序間輸出流-輸入流的方向輸入流的方向、排隊隊長和順序等，由此需用排隊論和動態(tài)運行、排隊隊長和順序等，由此需用排隊論和動態(tài)運行Gantt圖來分析研究，得到優(yōu)化

14、的動態(tài)運行程序圖來分析研究，得到優(yōu)化的動態(tài)運行程序即功能序即功能序-空間序空間序-時間序之間的信息參數（數字時間序之間的信息參數（數字）協同優(yōu)化，解決）協同優(yōu)化，解決“界面界面”運行過程及其參數的協同運行過程及其參數的協同優(yōu)化。排隊論優(yōu)化。排隊論-Gantt圖是動態(tài)運行程序編制的依據圖是動態(tài)運行程序編制的依據之一。同時，也影響著制造流程動態(tài)運行的網絡和之一。同時，也影響著制造流程動態(tài)運行的網絡和軌跡。這一方法在工程設計過程和實際生產運行過軌跡。這一方法在工程設計過程和實際生產運行過程都是離不開的。程都是離不開的。（3）流程動態(tài)運行規(guī)則制定流程動態(tài)運行規(guī)則制定 根據流程靜態(tài)網絡優(yōu)化和動態(tài)運行程序

15、優(yōu)根據流程靜態(tài)網絡優(yōu)化和動態(tài)運行程序優(yōu)化的分析，要進一步按照化的分析，要進一步按照“協同論協同論”的原則制定的原則制定工序工序/裝置之間動態(tài)運行的規(guī)則。多工序裝置之間動態(tài)運行的規(guī)則。多工序/裝置裝置協同運行的相互依賴、相互制約、相互促進關協同運行的相互依賴、相互制約、相互促進關系，特別是彼此間的伺服關系是動態(tài)運行過程系，特別是彼此間的伺服關系是動態(tài)運行過程優(yōu)化必須建立的基本規(guī)則。這一點在工程設計優(yōu)化必須建立的基本規(guī)則。這一點在工程設計時就應重視，生產運行過程中更應遵守。時就應重視，生產運行過程中更應遵守。（4）以軟件仿真手段研究以軟件仿真手段研究“界面界面”過程動力學過程動力學及其比較優(yōu)化及其

16、比較優(yōu)化 在上述三步的基礎上，構建起了制造流程在上述三步的基礎上，構建起了制造流程的物理系統(tǒng)，進而要利用相關的計算機軟件，的物理系統(tǒng)，進而要利用相關的計算機軟件，進行全流程動態(tài)運行過程的仿真建模。要在圖進行全流程動態(tài)運行過程的仿真建模。要在圖論、排隊論論、排隊論-Gantt圖圖和動態(tài)運行規(guī)則和動態(tài)運行規(guī)則的基礎上的基礎上進一步深化進一步深化“界面技術界面技術”的過程內涵，挖掘出若的過程內涵，挖掘出若干反映運行過程動力學機制干反映運行過程動力學機制“次界面次界面”的方法、的方法、步驟，進而研究步驟，進而研究“界面界面”-“次界面次界面”的動態(tài)過程的動態(tài)過程路線優(yōu)化和工序之間的長程協同優(yōu)化，反過來

17、路線優(yōu)化和工序之間的長程協同優(yōu)化，反過來也可評價流程動態(tài)運行和靜態(tài)網絡之間的優(yōu)化也可評價流程動態(tài)運行和靜態(tài)網絡之間的優(yōu)化關系。關系。（5）工程化工程化 在運行規(guī)則和信息感知器件的支持下，解在運行規(guī)則和信息感知器件的支持下，解決物質流決物質流/能量流能量流/信息流協同優(yōu)化的自感知、信息流協同優(yōu)化的自感知、自決策、自執(zhí)行、自適應的數字信息系統(tǒng)，在自決策、自執(zhí)行、自適應的數字信息系統(tǒng)，在此問題上要解決好物質流網絡、能量流網絡和此問題上要解決好物質流網絡、能量流網絡和信息流網絡之間的信息流網絡之間的“三三網網”聯結、融合問題，構聯結、融合問題，構建起基于物理系統(tǒng)過程耗散優(yōu)化的建起基于物理系統(tǒng)過程耗散優(yōu)

18、化的CPS系統(tǒng)，系統(tǒng)，實現工程化的全流程智能化。實現工程化的全流程智能化。（6）關于物質流關于物質流-能量流之間的關聯能量流之間的關聯 流程動態(tài)運行過程中，物質流（鐵素物質流）的流程動態(tài)運行過程中，物質流（鐵素物質流）的轉換運行過程和能量流（包括二次能量流、三次能量轉換運行過程和能量流（包括二次能量流、三次能量流）的輸入流）的輸入-轉換轉換-輸出過程是密切相關的，特別是二輸出過程是密切相關的，特別是二次能量流的產生次能量流的產生/輸出與冶金工藝裝置的運行特征直接輸出與冶金工藝裝置的運行特征直接有關，例如高爐煤氣的產生有關，例如高爐煤氣的產生/輸出形式是連續(xù)流；轉爐輸出形式是連續(xù)流；轉爐煤氣的產

19、生煤氣的產生/輸出則與轉爐吹氧過程直接關聯，是間歇輸出則與轉爐吹氧過程直接關聯，是間歇流；而焦爐由于存在輪流出焦的工藝方式，其焦爐煤流；而焦爐由于存在輪流出焦的工藝方式，其焦爐煤氣的產生氣的產生/輸出呈鋸齒型的連續(xù)流輸出呈鋸齒型的連續(xù)流。實際上，蒸汽。實際上，蒸汽的產生的產生/輸出也有類似的現象。不同的物質流輸出也有類似的現象。不同的物質流-能量流能量流關聯形式，可以出現不同的信息流和程序，將物質流關聯形式，可以出現不同的信息流和程序，將物質流、能量流關聯起來，將鋼鐵生產過程和能源系統(tǒng)聯系、能量流關聯起來，將鋼鐵生產過程和能源系統(tǒng)聯系起來，這是當前鋼廠能源中心技術升級的關鍵點。起來，這是當前鋼廠能源中心技術升級的關鍵點。七、結語七、結語 （1）智能化是鋼鐵工業(yè)的重要發(fā)展方向）智能化是鋼鐵工業(yè)的重要發(fā)展方向之一，