智能制造在钢铁领域中的应用与研究

李 鸿

（河钢集团唐钢新区，河北唐山 063000）

0 引言

钢铁行业是国民经济增长的支柱产业，是我国国民经济可持续发展的有力支撑。在新一轮发展周期中，新一代信息技术与经济发展深度融合的今天，数字化变革深刻影响着各行各业生产运营的模式，催生更多新技术、新产品、新业态。

在新一轮发展周期中，中国钢铁工业将以绿色制造的全新理念，运用人工智能，信息技术引领行业发展，为世界钢铁工业留下更深的印记。未来，智能制造技术给钢铁工业带来的变革不仅是效率的提升和质量的稳定，更重要的是提升柔性生产能力。

1 《中国制造2025》在河钢集团唐钢新区中的体现与应用

《中国制造2025》的核心是“智能制造”和“互联网+”，主攻方向是智能制造，要推进信息和与工业化深度整合，把智能制造技术作为信息化和工业化深度融合的主要发展方向，主要发展智能装备和智能产品，促进生产过程中的程智能化、培养新型生产方式，大力提升企业生产、研发、管理和服务的智能化水平。在信息化技术背景下，工业与信息化的融合，催生了新的工业发展形态。河钢集团唐钢新区在《中国制造2025》行动纲领指导下，加大对数字化、智能化技术的应用，将为钢铁企业在技术、设备正常运行率、生产效率、绿色环保、能源效率等方面实现更多的改善，又能满足客户端日新月异的高标准、个性化需求，将给河钢集团唐钢新区的发展创造更加美好的未来。

2 智能制造概述

智能制造是制造业在数字化、网络化、智能化技术中的充分体现，是我国制造业创新发展的主要途径，更是我国制造业转型升级的主要路径，也是我国加快建设制造强国的主要发展方向。智能制造既是一个“大系统”，贯穿于产品、制造、服务全生命周期的各个环节，又是个“大概能”，是信息技术与制造技术的深度融合。

2.1 智能制造国内外发展与应用

20 世纪90 年代，美国开始了制造业信息化，目标是研究世界领先的先进制造技术，制定了AMT（Advanced Manufacturing Technology，先进制造技术）发展战略，支持科研院所、大学与工业界三者联合开发先进制造技术。人工智能技术、控制论、互联网等智能技术的基础大多数起源于美国。美国在智能产品的研发方面有早期的集成电路、PLC、数控机床，到如今的无人驾驶汽车、智能手机以及各种先进传感器，美国的IBM、思科、通用电气和AT&T 等软件公司也是用工业互联网来改造制造业，用信息化带动制造业发展。

早在1982 年欧洲制定的信息技术发展战略计划中，就强调了面向未来制造核心技术的开发。由德国、法国和英国发起的“未来的工厂”的尤里卡项目将相关制造业方面的研究与开发作为重点。欧洲国家在智能制造领域中的战略布局也非常早，其智能制造各环节均处于世界领先地位。德国企业在汽车电子、机械电子、机床电子、医疗电子等领域引领全球相关领域的发展。

1991 年我国国家自然科学基金委员会组织多个高校及亚太国家就智能制造的国际合作进行了研讨。在智能系统与建模、智能调度、智能机器人、智能控制、智能故障诊断5 个领域进行合作研究。我国制定的“九五”计划也将先进制造技术作为发展领域。1993 年，我国国家自然科学基金重大项目就研究了“智能制造系统关键技术”1999 年开展了“支持产品创新先进制造技术研究”，在“863”计划中先进智能制造技术被纳入计划之中。在工业4.0 以后，中国相继提出信息化和工业化深度融合、互联网+、《中国制造2025》等一系列指导思想，来指导我国智能化制造的发展。进入21 世纪以来，我国在许多智能制造重点项目方面取得巨大成果，掌握了一大批相关基础研究成果，建设了一批相关的国家重点实验室、国家工程技术研究中心。在未来20 年，我国在智能制造方面的发展总体将分为两步走。

第一步：到2025 年“互联网+制造”即数字化网络制造在全国会得到大规模推广应用；同时，新一代智能制造试点示范取得显著成果。

第二步：到2035 年，全新智能制造将在全国制造业实现大规模推广应用，中国制造业将实现智能升级。

2.2 智能工厂的构架与功能定义

全新智能工厂是实现智能制造的前提和基础，智能工厂可以分成三大部分（图1）。

图1 智能工厂构架

（1）第一部分包括：企业层对产品研发和制造准备进行统一的管控和ERP（Enterprise Resource Planning，企业资源计划）进行集成，建立统一的研发制造管理系统。

（2）第二部分包括：管理层、操作层、控制层、现场层通过工业网络进行组网，从而实现从生产管理，到工业网底层的网络连接，来满足管理生产过程、监控现场生产执行、采集现场生产设备和物料数据的业务要求。

（3）第三部分包括：要求产品开发制造过程进行建模与仿真之外，还要根据产品的变化对生产系统的重组和运行进行仿真，在投入运行前就要了解系统的使用性能，分析其可靠性、经济性、质量、工期等，为生产制造过程中的流程优化和规模性网络制造提供有力支持。

2.3 河钢集团唐钢新区主要智能工厂项目

唐钢新区的智能工厂建设，通过系统间的深度集成、互联互通，使产品的设计、计划、生产、质量、销售一贯到底，使企业内部生产管理单元与客户和市场构成了协同作业链，订单交付周期、品种钢比例、订单兑现率等指标均有良好改善。具体项目有全球首座智能“无人化”料场、冲渣水处理装置、2050 mm 热轧精轧机组、数字化生产指挥中心、智能化连铸六包回转台实现浇钢、能源环保一流管控项目等。智能制造技术全面的推广应用，能够快速带动钢铁工业实现“柔性制造”生产模式，从而实现用宏观大数据来指导微观生产，为钢铁行业节能减排、绿色环保发展，起到了有力支撑。

3 河钢集团唐钢新区的数字化工厂

对于钢铁制造业而言，数字化工厂以软件为依托，为工厂建立一个全面的电子化数据仓库平台，数据库全面涵盖了工厂设计、技术改造、设备更新等各个阶段，能够从设计开始到工厂退役之间的过程中，合理的管理工厂。河钢集团唐钢新区充分应用了数字化信息技术，在钢铁产销系统平台中，产品订单信息输入后，系统会自动根据整体生产的成本消耗和市场价格准确的测算出指定品种钢材的效益情况，生产制造部门也就可以根据测算结果来选择效益最大化的订单，并优先组织产品的生产。在满足客户需求的同时，来实现效益的最大化，充分体现了“柔性制造”生产模式。

4 智能制造装备

智能制造装备是先进制造技术、信息技术和人工智能技术的高度集成，也是智能制造产业的核心载体。与传统的数控装备不同，智能制造装备不仅是紧密、复杂的机电一体化系统，还需要具有自感知、自适应、自诊断、自决策等智能特征，才能满足航空、航天、汽车、能源等不同制造领域的多样化需要。

4.1 智能制造装备的特征与意义

智能制造装备是机电系统与人工智能系统的高度融合，充分体现了制造业向智能化、数字化和网络化发展的需求。与传统的制造装备相比，智能制造装备具有自我感知能力、自适应和优化能力、自我诊断和维护能力、自主规划和决策能力。智能制造装备是未来制造装备发展的必然趋势：智能制造装备的特点与优势将在航空、航天、汽车、能源等重点制造领域得到充分体现，对实现低污染、节能加工、对推动可持续发展具有重要战略意义；智能制造装备是全面发展社会生产力的重要基础；智能制造装备是推动我国制造业转型升级的核心力量，智能制造装备是智能化、信息化与自动化深度融合的体现，大力发展智能化装备对加快我国制造业向“高端制造”转型升级，提升制造效率、技术水平与产品质量，降低能源与资源消耗，推动制造过程智能化和可持续发展具有十分重要的战略意义，智能制造装备是实现高端装备的主要技术手段，涉及智能仪器仪表、智能数控系统、智能机床与成套装备等方面，因此，加强智能制造装备的发展，能够满足关键领域向高端制造转型的需求，是提高国家制造业核心竞争力，带动产业升级和其他新兴产业领域的发展，推动“中国制造”向“中国智造”转变。

4.2 智能制造装备及系统的组成

智能制造装备是先进制造技术、信息技术和人工智能技术的高度集成，也智能制造产业核心载体。智能制造装备通常包括装备本体与相关的智能使能技术，装备本体需要具备优异的性能指标，如精度、效率及可靠性，而相关的使能技术则是使装备本体自感知、自适应、自诊断、自决策等智能特征的关键途径。智能制造装备的组成图2 所示，其中典型的智能使能技术包括物联网、大数据、云计算、机器学习、智能传感、互联互通与远程运维等。

图2 智能制造装备组成

智能制造单体虽然具备智能特征，但其功能和效率始终是有限的，无法满足现代化制造业规模化发展的需求，因此需要基于智能制造装备，进一步发展和建立智能制造系统（图3）。其中，最下层为不同功能的智能制造装备，如智能机床、工业机器人、智能测量仪；多台制造装备组成了数字化生产线，实现了各种智能制造连接。进一步多条数字化生产线组成了数字化车间，实现了各数字化生产线的连接；最后由多个数字化车间组成智能工厂。最上一层为应用层、由物联网、云计算、大数据、机器学习、远程运维等使能技术组成，为各级智能制造系统提供技术服务和支撑。

图3 智能制造系统的组成

4.3 河钢集团唐钢新区工业机器人

河钢集团唐钢新区大力推进工业机器人在线的典型应用，加快“智能化与工艺装备的深度融合”步伐，提升生产线智能化水平，促进钢铁产业现场无人化，进一步提升产品生产线智能制造的支撑能力。工业机器人的投入有效提升了生产线捞渣的工作效率，在提高产品表面质量稳定性、提高产品合格率、降低生产成本等方面作用明显，促进生产线提质增效。从钢铁企业对工业机器人和智能制造装备应用的6 个偏好为出发点，即质量偏好、效益偏好、减员偏好、安全偏好、政策偏好、降本偏好，并根据现场工位强度需求与机器人研发难度象限图分布理论，重点研究了精炼炉自动测温取样、镀锌线自动捞锌渣、钢材自动打捆、自动包装、产品自动标识等机器人在生产线应用的可行性。通过研发并实际部署具有自主知识产权的工业机器人系统，为作业过程标准化、质量改善、工作效率提升以及安全保障能力建设提供专业化支撑手段。机器人的应用将在降低职工劳动强度、提高工作效率和标准化作业方面带来良好效果。

5 工业大数据在河钢集团唐钢新区的应用

大数据是指储存在各种介质中的大规模的各种心态数据，对各种储存介质中的海量信息进行获取、储存、管理、分析、控制而得到的数据。大数据的大不止体现在容量方面，更体现在其价值方面相较于数据的大小，数据的多元性和实时性对大数据价值有着更加直接影响，大数据技术意义并不在于数据本身，而在于将数据转变为信息，再从信息中获得知识，从而可以更好地进行决策。

工业大数据是钢铁工业未来发展的主要方向。河钢集团唐钢新区进一步推进人工智能、大数据、数字信息化等新一代信息通信技术与钢铁行业深度融合，推动质量变革和效率变革，打造智能制造时代河钢发展新优势。尤其是在智能制造方面持续发力，积累了海量的工业数据，在无人天车、一键炼钢、工业机器人应用等领域不断取得突破，这些工业大数据将推动河钢集团唐钢新区向智慧企业发展转变。

6 结束语

21 世纪以来，互联网、云计算、大数据等全新信息技术飞速发展，智能制造集中汇聚在全新人工智能技术的战略性突破，全新人工智能已经成为新一轮科技革命的核心技术。因此钢铁领域大力发展智能制造，是我国钢铁领域制造转型升级的主要途径，是加快建设制造强国的主要发展方向。