工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)模式下鋼鐵數(shù)字化精益制造研究與應(yīng)用

一、研究的背景與問題近幾年我國汽車工業(yè)快速發(fā)展，對(duì)高附加值的汽車用鋼需求也隨之持續(xù)增加。國家和河北省也提出了經(jīng)濟(jì)新常態(tài)形勢下，鋼鐵行業(yè)應(yīng)積極淘汰落后產(chǎn)能、培育發(fā)展新動(dòng)能的要求，轉(zhuǎn)變?cè)鲩L方式。為全面推進(jìn)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，提升綜合創(chuàng)效能力，加快推進(jìn)最具競爭力鋼鐵企業(yè)建設(shè)，解決資源使用效率低、投資回報(bào)率低，尤其是創(chuàng)新型生產(chǎn)能力不足、低端產(chǎn)能過剩資源大量流入低效能的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)所帶來的結(jié)構(gòu)性問題，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)提供了一個(gè)有效的手段和契機(jī)。唐鋼信息化起步較早，建設(shè)比較完善，尤其是高強(qiáng)汽車板項(xiàng)目建設(shè)期間信息化和自動(dòng)化建設(shè)同步進(jìn)行了一系列的改造完善，生產(chǎn)計(jì)劃協(xié)同和全流程質(zhì)量管控能力得到了很大的提升，處于國內(nèi)鋼鐵企業(yè)較為領(lǐng)先的水平，但在精益制造過程中需要對(duì)各領(lǐng)域的監(jiān)控分析都需進(jìn)行研究與探索，仍需解決如下技術(shù)難點(diǎn)：1）生產(chǎn)計(jì)劃管理協(xié)同，從市場需求層面開始挖掘，提前做好計(jì)劃。2）業(yè)務(wù)優(yōu)化管理，使用需求建模模塊的需求預(yù)測、供應(yīng)鏈模型、采購分布模型來生成優(yōu)化的銷售計(jì)劃。3）物料計(jì)劃管理，人工進(jìn)行物料配置是一件相當(dāng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的工作，常常跟不上市場需求或工廠生產(chǎn)節(jié)奏。而像MRP這樣基于計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)上往往是面向一般的應(yīng)用環(huán)境，缺乏滿足鋼鐵廠進(jìn)行物料有效配置所需的深入、細(xì)致的行業(yè)知識(shí)。基于對(duì)鋼鐵行業(yè)所特有的物料靈活性的深入理解，物料計(jì)劃模塊能夠幫助鋼鐵企業(yè)進(jìn)行更為有效的物料配置，這將有利于企業(yè)提高產(chǎn)能，同時(shí)大大降低成品和機(jī)件的庫存水平，進(jìn)而降低資金占用和庫存成本。4）連鑄軋一體化排產(chǎn)，對(duì)板坯連鑄的生產(chǎn)率和質(zhì)量提高的不斷追求，迫使企業(yè)越來越強(qiáng)調(diào)對(duì)連鑄設(shè)備的精確生產(chǎn)作業(yè)排程。此外，再加上對(duì)熱送熱裝以及更為準(zhǔn)確的交貨時(shí)間的要求，企業(yè)勢必面臨著異常復(fù)雜的生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃挑戰(zhàn)。重要的是，所有這些都必須在很短的時(shí)間內(nèi)做出反應(yīng)。5）產(chǎn)品質(zhì)量的分級(jí)管控。鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量分級(jí)、鋼卷表面質(zhì)量分級(jí)和鋼卷最終質(zhì)量分級(jí)相互關(guān)聯(lián)和影響，是整個(gè)產(chǎn)品質(zhì)量分級(jí)的核心。在鑄坯生產(chǎn)過程中，會(huì)發(fā)生各種事件，需要將影響連鑄生產(chǎn)的事件篩選出來，進(jìn)行事件的定義、分級(jí)以及數(shù)據(jù)源的確定等，定義后續(xù)判定操作，并建立技術(shù)手段對(duì)此事件進(jìn)行監(jiān)控。鋼卷表面質(zhì)量對(duì)鋼卷質(zhì)量極其重要，而表面質(zhì)量的監(jiān)控、數(shù)據(jù)的采集和缺陷的識(shí)別需要建立成熟的技術(shù)體系。對(duì)鋼卷整個(gè)生命周期的監(jiān)控決定了最終的質(zhì)量分級(jí)，需要建立判定等級(jí)等。6）質(zhì)量證明書全天候監(jiān)控和遠(yuǎn)程自助打印。產(chǎn)品質(zhì)量證明書作為產(chǎn)品交付的最終環(huán)節(jié)，維護(hù)復(fù)雜，數(shù)量基數(shù)大，在實(shí)際業(yè)務(wù)過程中各種異常情況也會(huì)制約質(zhì)保書的出具，往往具有“滯后性”。需要保證質(zhì)量證明書全天候監(jiān)控，減少證明書數(shù)據(jù)維護(hù)工作量和錯(cuò)誤機(jī)率，準(zhǔn)確及時(shí)的到達(dá)用戶端。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、數(shù)據(jù)模型研發(fā)和全流程質(zhì)量控制上，國內(nèi)外針對(duì)如上技術(shù)難點(diǎn)，鮮有全面成功技術(shù)解決方案，缺乏靈活動(dòng)態(tài)質(zhì)量設(shè)計(jì)能力，無法解決“一業(yè)多地”模式的跨公司質(zhì)量設(shè)計(jì)以及設(shè)計(jì)的長流程動(dòng)態(tài)調(diào)整，很少能夠?qū)崿F(xiàn)跨公司和工序一體化排產(chǎn)，缺少全流程的質(zhì)量管控和全廠關(guān)鍵工藝實(shí)時(shí)預(yù)警，較少將各種關(guān)鍵指標(biāo)KPI指標(biāo)化和生產(chǎn)、質(zhì)量一切問題數(shù)字化。2014年10月，由唐山鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司、唐山高強(qiáng)汽車板有限責(zé)任公司和唐山不銹鋼有限責(zé)任公司合作開展基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字化精益制造研發(fā)與應(yīng)用的系統(tǒng)性設(shè)計(jì)、實(shí)施，通過對(duì)信息系統(tǒng)集成挖掘、各種模型的建立完善以及數(shù)字化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了在產(chǎn)銷一體、管控銜接、三流同步的產(chǎn)銷一體化平臺(tái)基礎(chǔ)上數(shù)據(jù)化的精益制造研發(fā)和應(yīng)用，提升企業(yè)全局管控能力，為供給側(cè)改革提供有力地支撐，向高效增長方式轉(zhuǎn)變。二、解決問題的思路與方案在供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的背景下，該項(xiàng)目通過打通各個(gè)數(shù)據(jù)通道，實(shí)現(xiàn)多專業(yè)的數(shù)據(jù)共享，消除信息孤島，創(chuàng)造工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)，工業(yè)大數(shù)據(jù)將成為企業(yè)發(fā)展新的“生產(chǎn)要素”，成為支撐企業(yè)增長的新引擎。項(xiàng)目通過研發(fā)多區(qū)域多基地模式下的一貫制質(zhì)量設(shè)計(jì)信息化系統(tǒng)模型，實(shí)現(xiàn)面向用戶個(gè)性化需求的全流程質(zhì)量管理。研發(fā)大規(guī)模定制生產(chǎn)模式的原理和機(jī)制與高端汽車板材生產(chǎn)制造工藝技術(shù)特征相結(jié)合，形成和完善滿足產(chǎn)品多品種、小批量、定制化生產(chǎn)排產(chǎn)模型。研發(fā)基于用戶需求的產(chǎn)品分級(jí)質(zhì)量管理模型，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量內(nèi)部分級(jí)管理，實(shí)現(xiàn)排產(chǎn)作業(yè)的科學(xué)供料和交付用戶產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。研發(fā)滿足“人機(jī)料法環(huán)”的實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)，解決實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的科學(xué)性問題。建立以用戶為中心的“一對(duì)一”質(zhì)量服務(wù)證明書系統(tǒng)，提升用戶滿意度。通過上述方案的實(shí)施，減少各種資源浪費(fèi)，提高企業(yè)生產(chǎn)和運(yùn)營效率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)精益生產(chǎn)組織模式。項(xiàng)目總體研究方案架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1

項(xiàng)目總體研究方案架構(gòu)圖通過設(shè)計(jì)與研發(fā)產(chǎn)銷精益數(shù)字化模型技術(shù)、滿足用戶需求的集成化定制數(shù)字技術(shù)、以缺陷池為核心的數(shù)值化分級(jí)模型和以產(chǎn)品服務(wù)為核心的高效便捷的用戶質(zhì)量服務(wù)體系等多種數(shù)字化、智能化解決方案，實(shí)現(xiàn)大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)精益生產(chǎn)組織模式，為推動(dòng)鋼鐵業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革提供支撐。產(chǎn)銷精益數(shù)字化模型通過集成單位小時(shí)產(chǎn)能模型、機(jī)組作業(yè)排產(chǎn)模型，約束的產(chǎn)能模型和數(shù)字化平衡算法模型實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)銷精益數(shù)值化和產(chǎn)能高效協(xié)同。產(chǎn)銷精益數(shù)字化模型架構(gòu)圖如圖2所示。圖2

產(chǎn)銷精益數(shù)字化模型架構(gòu)圖1、建立機(jī)組產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間智能算法和最優(yōu)化排產(chǎn)規(guī)則算法，形成了最少違規(guī)的產(chǎn)線能力最優(yōu)化排產(chǎn)模型。通過構(gòu)建各機(jī)組的當(dāng)期最優(yōu)化單位時(shí)間產(chǎn)量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)倉庫，預(yù)測未來一定時(shí)間的生產(chǎn)能力，用于產(chǎn)能生產(chǎn)時(shí)間估算。在滿足產(chǎn)品大綱的范圍內(nèi)開發(fā)產(chǎn)線最優(yōu)化排產(chǎn)與組產(chǎn)模型，形成有限物料條件下的最優(yōu)化排產(chǎn)序列模型技術(shù)。實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)線一般生產(chǎn)規(guī)則違規(guī)率小于0.8%，重要生產(chǎn)規(guī)則違規(guī)率為0；產(chǎn)線各品種理論單位時(shí)間產(chǎn)量與實(shí)際單位時(shí)間產(chǎn)量誤差小于1.5%。2、研發(fā)產(chǎn)銷平衡經(jīng)營管理模型、基于盈利能力分析和物料資源計(jì)劃最優(yōu)的優(yōu)化排程算法，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模定制化生產(chǎn)模式下，鋼后生產(chǎn)過程面向銷售訂的單拉動(dòng)式的規(guī)?；ㄖ粕a(chǎn)組織模式。通過研發(fā)基于有限產(chǎn)能條件下的全局產(chǎn)能平衡計(jì)算功能，實(shí)現(xiàn)全局產(chǎn)能資源的最優(yōu)化分配，并對(duì)可能的訂單延誤進(jìn)行直觀的預(yù)警。產(chǎn)銷一體化、質(zhì)量一體化模型設(shè)計(jì)思想如圖3所示；產(chǎn)能約束下的多產(chǎn)線產(chǎn)能平衡概覽圖如圖4所示；產(chǎn)能平衡決策模型分析算法設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖3

產(chǎn)銷一體化、質(zhì)量一體化模型設(shè)計(jì)模型圖圖4產(chǎn)能約束下的多產(chǎn)線產(chǎn)能平衡概覽圖圖5產(chǎn)能平衡決策模型分析算法設(shè)計(jì)3、用戶需求集成化定制數(shù)字技術(shù)運(yùn)用于一貫制質(zhì)量管控。（1）建立產(chǎn)品規(guī)范及冶金規(guī)范數(shù)據(jù)倉庫,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、智能化。研發(fā)產(chǎn)品規(guī)范數(shù)據(jù)倉庫和冶金規(guī)范數(shù)據(jù)倉庫,用于指導(dǎo)產(chǎn)線生產(chǎn)的重要依據(jù)。將基于一貫制質(zhì)量設(shè)計(jì)的關(guān)鍵控制信息和質(zhì)量判定分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)用于產(chǎn)線質(zhì)量管理，提升產(chǎn)品全流程質(zhì)量管控能力。（2）研發(fā)冶金質(zhì)量數(shù)據(jù)倉庫用于全局質(zhì)量管理.運(yùn)用一貫制質(zhì)量排產(chǎn)系統(tǒng)，集成冶金智能規(guī)則數(shù)據(jù)倉庫、排它性數(shù)據(jù)分析和用戶需求學(xué)習(xí)算法，研發(fā)了滿足用戶需求的產(chǎn)品質(zhì)量設(shè)計(jì)模型。通過質(zhì)量設(shè)計(jì)模型的展開，將銷售訂單設(shè)計(jì)結(jié)果轉(zhuǎn)化生產(chǎn)訂單，并用于生產(chǎn)指導(dǎo)。面向用戶的產(chǎn)品質(zhì)量設(shè)計(jì)如圖6所示；銷售訂單設(shè)計(jì)結(jié)果轉(zhuǎn)化生產(chǎn)訂單如圖7所示。圖6面向用戶的產(chǎn)品質(zhì)量設(shè)計(jì)圖7

銷售訂單設(shè)計(jì)結(jié)果轉(zhuǎn)化生產(chǎn)訂單（3）基于用戶需求研發(fā)產(chǎn)品質(zhì)量設(shè)計(jì)展開分析技術(shù)。根據(jù)客戶需求，結(jié)合內(nèi)部生產(chǎn)、技術(shù)、質(zhì)量控制要求研發(fā)生產(chǎn)技術(shù)與質(zhì)量設(shè)計(jì)模型，實(shí)現(xiàn)基于全流程質(zhì)量管理的標(biāo)準(zhǔn)化質(zhì)量設(shè)計(jì)展開技術(shù)。依據(jù)各種規(guī)程要求，各種工藝技術(shù)約束的冶金規(guī)范知識(shí)庫，通過在知識(shí)庫中創(chuàng)建產(chǎn)品、工藝路線、物料形變、質(zhì)量數(shù)據(jù)對(duì)象、測試指令、追溯表實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品到整個(gè)生產(chǎn)過程的技術(shù)展開。上述各種主要關(guān)鍵要素將在質(zhì)量技術(shù)展開模型中加載進(jìn)入魚骨圖數(shù)學(xué)分析模型中，最終形成基于用戶需求研發(fā)產(chǎn)品質(zhì)量設(shè)計(jì)展開分析技術(shù)。魚骨圖數(shù)學(xué)分析模型如圖8所示。圖8

魚骨圖數(shù)學(xué)分析模型4、高效靈活的數(shù)據(jù)處理模型實(shí)現(xiàn)以產(chǎn)品為核心的質(zhì)量服務(wù)（1）構(gòu)建高效便捷的用戶質(zhì)量證明書平臺(tái)。研發(fā)產(chǎn)品質(zhì)量證明書全天候遠(yuǎn)程自助打印平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)過授權(quán)的客戶可以實(shí)現(xiàn)通過互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程登錄，在后臺(tái)管理授權(quán)的情況下，按照開放權(quán)限實(shí)現(xiàn)證明書各種打印需求，實(shí)現(xiàn)證明書和報(bào)關(guān)服務(wù)各種數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程支持。（2）基于并發(fā)式任務(wù)分解處理模型、最優(yōu)化數(shù)據(jù)填充算法以及產(chǎn)品參數(shù)最優(yōu)化匹配算法，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品質(zhì)量證明書全天候遠(yuǎn)程自助打印。三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果1、基于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間智能算法及滿足產(chǎn)供銷約束條件的能力平衡算法，研發(fā)了產(chǎn)供銷平衡經(jīng)營管理模型，實(shí)現(xiàn)了基于盈利能力需求分析和物料資源計(jì)劃平衡的企業(yè)生產(chǎn)作業(yè)優(yōu)化排程。2、基于冶金智能規(guī)則數(shù)據(jù)庫、排它性數(shù)據(jù)分析和用戶需求學(xué)習(xí)算法，研發(fā)了滿足用戶需求的產(chǎn)品質(zhì)量設(shè)計(jì)模型，打通了外部市場與企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)體系的互聯(lián)互通。3、基于典型缺陷特征數(shù)據(jù)庫、缺陷自學(xué)習(xí)算法以及質(zhì)量數(shù)據(jù)等級(jí)化分析模型，研發(fā)了產(chǎn)品自動(dòng)分級(jí)判定管理模型，實(shí)現(xiàn)了鋼鐵生產(chǎn)全流程的數(shù)字化質(zhì)量管控。4、基于并發(fā)式任務(wù)分解處理模型、最優(yōu)化數(shù)據(jù)填充算法以及產(chǎn)品參數(shù)最優(yōu)化匹配算法，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品質(zhì)量證明書全天候遠(yuǎn)程自助打印。

四、應(yīng)用情況與效果自2014年10月開始，河鋼唐鋼通過產(chǎn)銷一體化信息系統(tǒng)升級(jí)改造，在對(duì)現(xiàn)有信息化架構(gòu)影響最小的情況下，成功將質(zhì)量一貫制管理嵌入到信息化系統(tǒng)中，滿足了汽車企業(yè)對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量可追溯性要求；建立了適應(yīng)多品種、小批量的用戶交付模式，能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品庫區(qū)管理和發(fā)貨速度的最優(yōu)。運(yùn)用全流程質(zhì)量管理信息化系統(tǒng)有力的支撐了高端產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了汽車面板用超低碳鋼、高強(qiáng)度汽車結(jié)構(gòu)用鋼DP780、DP1180、QP980和熱成形鋼T1500HS的穩(wěn)定生產(chǎn)，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)明顯優(yōu)化的同時(shí)，廢次品率也得到了一定程度的降低。項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)合計(jì)創(chuàng)效26206萬元。1、產(chǎn)銷精準(zhǔn)材料設(shè)計(jì)，以最小帶出品和最小廢品率為目標(biāo)；鑄機(jī)動(dòng)態(tài)切割，降低庫存占用與銷售成本，將訂單細(xì)分成件次，從而支撐煉鋼一爐多訂單的生產(chǎn)模式，按訂單組爐組澆。提高質(zhì)量設(shè)計(jì)與計(jì)劃排產(chǎn)集成效率。2、質(zhì)量一貫制全面應(yīng)用標(biāo)記鏈設(shè)計(jì)，按標(biāo)記鏈和記號(hào)（煉鋼記號(hào)、軋鋼記號(hào)）來組織生產(chǎn)，細(xì)化并縮窄質(zhì)量波動(dòng)區(qū)間；真正實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)質(zhì)量設(shè)計(jì)，提高合格率，自動(dòng)判定。3、全過程質(zhì)量管理提供對(duì)于每個(gè)物料件次的追溯，它通過與外部系統(tǒng)通訊獲取每個(gè)物料的生產(chǎn)狀態(tài)與母物料的聯(lián)系，進(jìn)而顯示物料從鐵水到最終產(chǎn)品鋼卷的全生產(chǎn)流程，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的生產(chǎn)歷史進(jìn)行詳細(xì)記錄。并且能夠按照規(guī)則實(shí)現(xiàn)物料的自動(dòng)分級(jí)判定和掛單管理。4、通過工廠裝備數(shù)字化、工廠物流數(shù)字化、設(shè)計(jì)研發(fā)數(shù)字