基於工業互聯網平台的鐵前一體化雲邊端協同智能製造系統

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基於工業互聯網平台的鐵前一體化雲邊端協同智能製造系統大冶特殊鋼有限公司信息化、智能化建設經歷了五個階段：部門單項應用階段、企業信息化重點建設階段、綜合集成階段、協同創新階段、智能製造階段。為本項目建設提供了健全的信息化智能化需求運維團隊，提供了項目智能一體化協同的運營管理數據資產，提供了項目建設完備的頂層設計思路。公司目前重點應用信息化系統：（1）產供銷一體化系統；（2）能源管控系統，實現了能源計劃管理、能源質量管理、能源績效管理等十大功能模塊；（3）信息化網絡；（4）信息安全，從物理安全、網絡安全、應用安全和數據安全等方面入手在信息安全方面持續進行了完善，以增強大冶特殊鋼有限公司信息安全風險防範能力；（5）計量系統和檢化驗系統，構建了智能化的遠程計量信息中心，完成物資計量數據採集，將採購、生產轉移、下線、產成品銷售等計量實現實時採集和集中監控並與產供銷一體化系統通過接口銜接。項目通過智能傳感、人工智能、大數據、機理模型的交叉融合，實現在設備端的動態感知精準控制，在邊緣側運用機理建模和人工智能實現工況智能診斷及優化，通過雲端的智能互聯平台，構建基於煉鐵工業大數據的整體監測、分析和診斷，實現煉鐵產線的智能協同優化。

目錄

一、案例簡介

大冶特殊鋼有限公司信息化、智能化建設經歷了五個階段：部門單項應用階段、企業信息化重點建設階段、綜合集成階段、協同創新階段、智能製造階段。為本項目建設提供了健全的信息化智能化需求運維團隊，提供了項目智能一體化協同的運營管理數據資產，提供了項目建設完備的頂層設計思路。

公司目前重點應用信息化系統：（1）產供銷一體化系統。主要包括製造管理系統及製造執行系統（包括煉鐵MES、煉鋼MES、軋鋼MES、中棒MES、鋼管MES、特冶MES）；（2）能源管控系統。實現能源數據的自動採集、統計、分析、結算功能，同時為公司能源管理、調配提供決策依據；（3）信息化網絡。大冶特殊鋼有限公司將整個網絡系統劃分為辦公網、能源管控網、視頻網、計量網、工業控制網等五個安全層次，每個網絡單獨組網，以提高安全程度；（4）信息安全。從物理安全、網絡安全、應用安全和數據安全等方面入手在信息安全方面持續進行了完善，以增強大冶特殊鋼有限公司信息安全風險防範能力；（5）計量系統和檢化驗系統。通過檢化驗系統建設，完成了公司的原材料驗質、爐前化學分析和產品理化檢驗的任務，整體提高了公司質量過程監督控制的範圍和能力，並與產供銷一體化系統通過接口銜接。

二、案例背景介紹

近年來大冶特殊鋼有限公司以戰略為導向，根據「統一規劃、分步實施、面向實用、漸進完善」的原則，進行信息化建設，形成了自身的信息化管理特色，由業務流程信息化向業務決策智能化發展，不斷支撐企業的可持續發展。逐步建立了大冶特殊鋼有限公司辦公銷售系統、財務一體化及質量計量管理系統、產銷一體化系統、能源管控系統以及頂層的知識及營銷管理系統等一系列企業經營管理決策系統，為本項目建設提供堅實的基礎。

隨着在經營管理決策系統方面建設的完善，大冶特殊鋼有限公司逐漸意識到生產製造與經營決策智能協同一體化的重要性。在經營管理方面已逐步形成體系，但在生產製造方面相對滯後，尤其是在煉鐵產線環節，數字化、信息化及智能化建設要落後於鋼後環節；因此大冶特殊鋼有限公司在鋼鐵製造過程中的短板在煉鐵產線，節能降耗及綠色製造的重點攻關也是在煉鐵。因此急需應用新技術、新裝備進行對煉鐵產線進行智能化升級。

三、案例應用詳情

1、總體應用框架

通過智能傳感、人工智能、大數據、機理模型的交叉融合，實現在設備端的動態感知精準控制，在邊緣側運用機理建模和人工智能實現工況智能診斷及優化，通過雲端的智能互聯平台，構建基於煉鐵工業大數據的整體監測、分析和診斷，實現煉鐵產線的智能協同優化。本項目基於工業互聯網平台雲-邊-端頂層設計架構，覆蓋配礦-燒結-高爐大煉鐵產線的各工序單元，建立自動化、信息化、網絡化、智能化的鐵前一體化的智能工廠。

項目包含配礦-燒結-高爐大煉鐵產線的工藝單元。以構建智能化、網絡化、集成化的新一代鐵前系統為主要目標，通過傳感技術、網絡技術、人工智能技術、大數據技術、工業軟件技術（機理模型）的交叉融合，在實現煉鐵產線各單元的智能管控的基礎上，智能互聯產線原料場、燒結、高爐各單元，實現煉鐵產線的智能協同優化，打造鋼鐵行業智能工廠。

2、關鍵技術應用詳情

主要包含以下4個方面內容：

（1）基於工業互聯網平台雲-邊-端頂層設計

在建設過程中對大煉鐵產線L1-L2自動化系統進行升級改造，同時在此基礎上綜合運用「物、大、智、雲、移」技術進行煉鐵產線智能化建設，總體採用雲-邊-端的工業互聯網新型架構進行功能頂層設計以及架構頂層設計。

（2）設備端：基於物聯網和自控系統實現動態感知精準控制

在本項目中對煉鐵產線燒結、高爐單元的基礎L1/L2自動化系統進行升級改造以及大煉鐵產線基礎物聯網建設，為後續各單元智能管控系統建設奠定紮實基礎。

自動化升級改造範圍主要包括高爐、燒結主體工藝設施及公用設施。以配置合理、操作維護簡單、設備先進、主體設備國產化為原則進行，主要面向生產，實施對設備、儀表的控制和監視，其系統升級改造後當達到當今國內一流水平。

（3）邊緣智能端：構建大煉鐵產鐵各智能單元

1）智能配礦

原料場本身具備的貯存、配混的功能，核心意義是為煉鐵系統提供適用的原燃料，滿足燒結、球團、高爐的最優成本生產，料場智能化建設以此為目標建設，設備及模型均為具體實施的措施。

2）燒結智能管理系統

基於燒結機硬件監測點、參數以及控制系統現狀，進行 燒結智能管控系統建設，主要包括燒結質量管理模塊、燒結過程管理模塊、生產信息管理模塊和系統參數管理模塊。

燒結智能管控系統可以通過燒結終點預測準確判斷燒結上升點位置、燒結上升點溫度、燒結終點位置、燒結終點溫度，根據實際終點位置與目標燒結終點偏差情況，提出改善燒結終點靠前或滯後的合理化建議，實現燒結終點判斷的智能化，穩定生產，實現優質高產。

3）高爐智能管理系統

在建立完備的工業傳感器及物聯網基礎檢測系統，開發高爐智能單元，將大數據、冶煉機理數學模型、模糊數學、人工智能、專家經驗、知識庫等多學科技術應用於實際生產操作過程中，人機一體化，實現自感知、自決策、自執行、自決策的智能製造。

（4）雲端搭建基於工業互聯網的大煉鐵智能互聯平台

通過搭建煉鐵大數據智能互聯平台，實現從單一傳統煉鐵監測到基於煉鐵工業大數據的整體監測、分析和診斷的體系建立；助力從煉鐵產線數字化管控到企業級全局分析再到集團對標決策的整體優化。

四、創新性與優勢

本項目的創新性在於以下幾個方面：

（1）在雲端開展對煉鐵產線核心設備實現雲端協同的設備狀態監測，最終實現對設備狀態的數字化、網絡化、智能化監測。

（2）從工業智能傳感器出發，解析設備內部物理場變化以及化學反應熱力學與動力學過程，挖掘影響生產順行的主要因素，做到知其然並知其所以然，進而實現設備工況優化優化。

（3）通過將對設備各種監測數據、運行數據、生產數據、檢化驗數據、MES數據、ERP等具有高頻率、大批量、高並發、長周期特徵的多樣化數據接入煉鐵智能互聯平台，結合多樣、精準、高效、全面的大數據處理分析模型，在已經實現高耗能設備實時在線狀態監測的基礎上，提供煉鐵高耗能設備的故障診斷服務。

（4）通過推動煉鐵產線海量數據資產的匯集，開展數據分析與機理建模等業務，對最佳工況狀態進行挖掘，指導煉鐵產線各單元進行攻關計劃，實現生產過程節能降耗。

（5）通過在以高爐為中心的大煉鐵產線高耗能設備上加裝設備狀態監測系統對運行狀態進行在線實時或准實時監測，對監測數據進行分析，實現故障診斷、零部件壽命預測，優化維修資源和備件庫存，實現高耗能設備的預測性維護，從而降低設備全生命周期的運行成本，為企業的安全生產提供保障。

（6）以煉鐵主反應器高爐為對象，通過採用機理模型+數據挖掘的方式提高高爐生產能效，另一方面，兼顧煉鐵產線中的其他工序中的重點能耗設備重點，進行設備特性分析和能耗優化配置，以協同優化的方式形成整個煉鐵產線的能效優化解決方案。

五、案例應用效益分析

（1）勞動生產率提升創效

本項目通過上線一次料場無人行車、混勻料場智能堆取料機、高爐水渣池無人行車、燒結智能管理系統、高爐智能管理系統等智能化改造項目，大大提高企業的勞動生產率10%以上。

（2）降低能源消耗創效

煉鐵工序在鋼鐵行業中是耗能大戶，高耗能工序主要包含燒結、球團、高爐等。通過開展對大煉鐵產線智能製造，可實現對重點工序的能源消耗量的實時在線監測，基於煉鐵工業互聯網平台的各項應用服務，結合大數據挖掘技術，分析找到節能點，提高大煉鐵產線設備的能源利用率。針對本項目通過智能化項目實施，實現全局性成本優化、能效最優的協同製造，預期高爐減少燃料比5-10kg/t。

（3）延長高爐壽命創效

通過智能化高爐大數據平台對高爐進行實時在線監測和預警，指導高爐工作者採取有效護爐措施，延長高爐壽命20%。