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1　目標(biāo)和概述

釩氮合金主要用作含釩微合金鋼添加劑，微量添加就能顯著改善鋼材的綜合機(jī)械性能和焊接性能，是目前釩產(chǎn)品市場(chǎng)的主流產(chǎn)品之一。但因其生產(chǎn)工藝復(fù)雜、生產(chǎn)條件要求高，2018年以前，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有任何一家釩氮合金生產(chǎn)企業(yè)做過(guò)全流程自動(dòng)化、智能化生產(chǎn)方面的嘗試。

兩化融合示范產(chǎn)線(xiàn)建設(shè)前，攀鋼集團(tuán)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)： 攀鋼）釩氮合金生產(chǎn)線(xiàn)工藝先進(jìn)，主要單體設(shè)備的自動(dòng)化控制系統(tǒng)水平較高，但是受技術(shù)條件限制，自動(dòng)化儀表檢測(cè)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用嚴(yán)重滯后，同時(shí)工序界面斷點(diǎn)較多，生產(chǎn)連續(xù)性差，生產(chǎn)操作和物流基本靠機(jī)旁 手動(dòng)（甚至純?nèi)斯ぃ┖筒孳?chē)配合完成，主要存在以下問(wèn) 題：

（1）部分工序大量依賴(lài)手工作業(yè)，對(duì)于產(chǎn)品降低成本和穩(wěn)定質(zhì)量很不利。

（2）工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，作業(yè)環(huán)境 差，安全隱患多。

（3）沒(méi)有有效的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)手段，設(shè)備故障不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)常導(dǎo)致故障擴(kuò)大化，造成非計(jì)劃停機(jī)。

（4）工序斷點(diǎn)導(dǎo)致原料備料存在大量等待時(shí)間， 制約了進(jìn)一步設(shè)備挖掘潛力。

（5）工序斷點(diǎn)和純?nèi)斯ぷ鳂I(yè)環(huán)節(jié)導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)粉塵污染嚴(yán)重，作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣。

（6）產(chǎn)品質(zhì)量控制存在過(guò)多人為因素。釩氮合金生產(chǎn)線(xiàn)作為公司的高技術(shù)示范產(chǎn)線(xiàn)，其裝備及管控手段的現(xiàn)狀，既沒(méi)有跟上行業(yè)技術(shù)的步伐，也與其示范形象極不相配。

因此，2018年初，攀鋼立項(xiàng)實(shí)施“釩氮合金兩化 融合示范線(xiàn)建設(shè)”項(xiàng)目。

攀鋼集團(tuán)旗下西部物聯(lián)成都星云智聯(lián)科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)：星云智聯(lián)）作為項(xiàng)目實(shí)施方，與攀鋼相關(guān)單位攜手，按照“整體策劃，分步實(shí)施”的工作思路，從技術(shù)設(shè)計(jì)、功能實(shí)現(xiàn)、方案實(shí)施等方面開(kāi)始了大膽探索。

作為攀鋼首批“兩化融合”示范線(xiàn)建設(shè)項(xiàng)目，該 項(xiàng)目融合了5G、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、智能制造和人工智能等先進(jìn)技術(shù)，并率先在國(guó)內(nèi)釩制造領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了智慧物聯(lián)傳輸、生產(chǎn)物料自主運(yùn)轉(zhuǎn)、產(chǎn)品自動(dòng)包裝、全線(xiàn)集中遠(yuǎn)控和物流連續(xù)自動(dòng)等功能。

釩氮合金生產(chǎn)線(xiàn)包括原料拆包上料、吊車(chē)轉(zhuǎn)運(yùn)、 篩分加料、坩堝輸送、爐溫檢測(cè)、卸料、叉車(chē)轉(zhuǎn)運(yùn)、破 碎包裝、倉(cāng)儲(chǔ)等生產(chǎn)環(huán)節(jié)。星云智聯(lián)的技術(shù)團(tuán)隊(duì)結(jié)合產(chǎn)線(xiàn)現(xiàn)狀和發(fā)展需求，基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的思路，以冶金流程學(xué)為理論指導(dǎo)，抓住數(shù)據(jù)這個(gè)核心，建立工藝模型優(yōu)化參數(shù)指標(biāo)；利用工序界面銜接技術(shù)保證物流連續(xù)性， 以智能裝備替代人工減少失誤和傷害，通過(guò)數(shù)字仿真、 過(guò)程控制、信息可視化、數(shù)據(jù)交互，讓制造全過(guò)程透明可控，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的精準(zhǔn)化和高效化。在方案設(shè)計(jì)、 功能實(shí)現(xiàn)、裝備開(kāi)發(fā)等方面大膽探索，通過(guò)智能傳感器、無(wú)人吊車(chē)、AGV以及5G通訊等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)全流程無(wú)人化、產(chǎn)線(xiàn)數(shù)據(jù)可視化、生產(chǎn)監(jiān)控集中化，打造了國(guó)內(nèi)首條釩氮合金數(shù)字化生產(chǎn)線(xiàn)。

2　方案詳細(xì)介紹

2.1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

數(shù)字化產(chǎn)線(xiàn)系統(tǒng)架構(gòu)分為四層

（1）設(shè)備層：包括自動(dòng)化設(shè)備、機(jī)器人、無(wú)人天車(chē)、傳感器、儀器儀表、智能識(shí)別等感知和執(zhí)行單元；

（2）控制層：包括可編程邏輯控制器（PLC）、 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA）、分布式控制系 統(tǒng)（DCS）、蓋勒普車(chē)間集中控制系統(tǒng)（SFC）、工 業(yè)無(wú)線(xiàn)控制系統(tǒng)（WIA）等；

（3）管理層：由智能制造平臺(tái)和智能庫(kù)管系統(tǒng) （WMS）組成，是智能裝備的信息紐帶；還包括MES 等廠(chǎng)級(jí)管理系統(tǒng)。

2.2　數(shù)字化產(chǎn)線(xiàn)全流程介紹

（1）智能制造平臺(tái)

針對(duì)釩鈦領(lǐng)域生產(chǎn)企業(yè)的現(xiàn)狀特點(diǎn)，搭建含工藝、設(shè)備、自動(dòng)化、軟件等技術(shù)的大集成平臺(tái)，各專(zhuān)業(yè)協(xié)同配合。產(chǎn)線(xiàn)中智能裝備的運(yùn)行依賴(lài)于平臺(tái)提供的信息紐帶，并且為平臺(tái)提供數(shù)據(jù)。釩氮合金智能平臺(tái)成功實(shí)施，也為其后的多個(gè)數(shù)字化產(chǎn)線(xiàn)建設(shè)項(xiàng)目， 如釩鋁合金智能生產(chǎn)線(xiàn)改造、西昌智慧板材建設(shè)等項(xiàng)目的設(shè)計(jì)提供了借鑒作用。

（2）工藝模型的建立

生產(chǎn)智能模型（配料模型、煅燒模型等），通過(guò)數(shù)據(jù)積累和分析，形成良性循環(huán)的自學(xué)習(xí)系統(tǒng)，為生產(chǎn)操作提供動(dòng)態(tài)指導(dǎo)，并通過(guò)自動(dòng)配料系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)配料，加強(qiáng)產(chǎn)品過(guò)程質(zhì)量控制，減少人工操作帶來(lái)的質(zhì)量波動(dòng)，產(chǎn)品收率提高，精準(zhǔn)控制產(chǎn)品質(zhì)量，降低能源消耗量。

（3）生產(chǎn)可視化

對(duì)主要工藝參數(shù)、檢（化）驗(yàn)參數(shù)及人員生產(chǎn)行為進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、分析，對(duì)異常進(jìn)行報(bào)警，并實(shí)現(xiàn)集中顯示和移動(dòng)發(fā)送，從而實(shí)現(xiàn)即時(shí)調(diào)度和責(zé)任追溯；對(duì)設(shè)備在線(xiàn)狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析，實(shí)現(xiàn)異常報(bào)警，并對(duì)點(diǎn)檢、維護(hù)、檢修提供指導(dǎo)，從而減少事故停機(jī)、避免事故擴(kuò)大化，減少備品備件消耗。

（4）集中操控

通過(guò)新建集控中心，將可視化系統(tǒng)與遠(yuǎn)程集中控制系統(tǒng)集成為一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)“監(jiān)—操—控—管”一體化。操控系統(tǒng)各個(gè)工序單元布置在一個(gè)集控大廳里，利用信息顯示大屏和HMI操控站進(jìn)行集中控制、遠(yuǎn)程操作，各工序單元內(nèi)及單元間的崗位可以實(shí)現(xiàn)緊密融合、 高效協(xié)同。

將生產(chǎn)可視化系統(tǒng)在集控室顯示，既可對(duì)整個(gè)示范線(xiàn)總攬全局，又可細(xì)看各部分的詳細(xì)信息。各工藝段實(shí)時(shí)狀況以透明化的方式呈現(xiàn)，如物流信息、質(zhì)量狀態(tài)、能耗數(shù)據(jù)等等，并且可查看生產(chǎn)線(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)工藝實(shí)時(shí)監(jiān)控視頻。

（5）管理信息化

建立企業(yè)MES系統(tǒng)，優(yōu)化模塊，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線(xiàn)信息化和自動(dòng)化的深度融合，并充分考慮與上級(jí)公司ERP的銜接、匹配，縮短市場(chǎng)響應(yīng)時(shí)間，為上級(jí)公司遠(yuǎn)程管控創(chuàng)造條件。

（6）產(chǎn)品數(shù)字化

通過(guò)對(duì)制造全過(guò)程物料追蹤，將數(shù)據(jù)按縱向（時(shí) 序）和橫向（多業(yè)務(wù)類(lèi)型）集成到每批次產(chǎn)品上，從而加強(qiáng)產(chǎn)品過(guò)程質(zhì)量控制，及時(shí)發(fā)現(xiàn)質(zhì)量異常，對(duì)售后問(wèn)題產(chǎn)品進(jìn)行處理，減少異議，提升用戶(hù)滿(mǎn)意度。

3　代表性及推廣價(jià)值

（1）優(yōu)化人力資源、降低生產(chǎn)成本

項(xiàng)目通過(guò)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化，提高生產(chǎn)效率， 減小作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度，減少生產(chǎn)線(xiàn)崗位需求，優(yōu)化人 力資源，降低單位產(chǎn)品能耗，從而降低生產(chǎn)成本。

（2）提高產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性

通過(guò)建立控制模型和提高生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化水平，減少人為干預(yù)環(huán)節(jié)，精準(zhǔn)控制產(chǎn)品質(zhì)量，減少生產(chǎn)的隨意性造成的產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)。

（3）改善作業(yè)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保

通過(guò)實(shí)現(xiàn)上料的自動(dòng)化，解決上料過(guò)程的物料灑落、揚(yáng)塵等環(huán)境問(wèn)題，改善作業(yè)環(huán)境，保護(hù)職工健康，創(chuàng)建綠色工廠(chǎng)。

（4）提高現(xiàn)場(chǎng)安全本質(zhì)化

以智能設(shè)備替代人工作業(yè)，減少現(xiàn)場(chǎng)工作人員；通過(guò)集中遠(yuǎn)程控制，為工人提供安全性較高的勞動(dòng)生產(chǎn)條件。

（5）為MES系統(tǒng)提供全方位的支撐

MES在各生產(chǎn)單元生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、自動(dòng)收集基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)全廠(chǎng)的有機(jī)管控，示范產(chǎn)線(xiàn)不僅在數(shù)據(jù)采集、信息傳遞方面為MES系統(tǒng)提供支撐，而且實(shí)現(xiàn)釩氮合金生產(chǎn)線(xiàn)各工序的自動(dòng)執(zhí)行、生產(chǎn)監(jiān)控、調(diào)度，為及時(shí)掌握各工序生產(chǎn)狀況、優(yōu)化生產(chǎn)調(diào)度組織提供先進(jìn)的管理手段。

4　探索與展望

未來(lái)的數(shù)字化產(chǎn)線(xiàn)建設(shè)可在已有的技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行全方位的創(chuàng)新優(yōu)化，各個(gè)環(huán)節(jié)逐一升級(jí)設(shè)計(jì)，再根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景定制專(zhuān)屬技術(shù)方案，結(jié)合技術(shù)、運(yùn)行、環(huán)保等多個(gè)因素進(jìn)行產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

（1）進(jìn)行數(shù)字化產(chǎn)線(xiàn)整體技術(shù)創(chuàng)新規(guī)劃；

（2）建立更高標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化產(chǎn)線(xiàn)技術(shù)規(guī)范；

（3）重視智能加工單元建設(shè)；

（4）強(qiáng)調(diào)人機(jī)協(xié)作而不是機(jī)器換人；

（5）運(yùn)用邊緣計(jì)算等新技術(shù)。

特別強(qiáng)調(diào)要重視數(shù)字仿真的應(yīng)用，數(shù)字工廠(chǎng)仿真技術(shù)可以基于離散事件建模、3D幾何建模、可視化仿真與優(yōu)化等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)工廠(chǎng)靜態(tài)布局、動(dòng)態(tài)物流過(guò)程等進(jìn)行綜合仿真和分析，從而能夠先建立數(shù)字化的生產(chǎn)系統(tǒng)甚至全部工廠(chǎng)，依據(jù)既定工藝進(jìn)行運(yùn)行仿真。此外， AR（Augmented Reality，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）技術(shù)將被大量應(yīng)用到工廠(chǎng)的設(shè)備維護(hù)和人員培訓(xùn)中。

數(shù)字化產(chǎn)線(xiàn)的應(yīng)用十分廣泛，針對(duì)鋼鐵行業(yè)各個(gè)傳統(tǒng)工廠(chǎng)的數(shù)字化改造都存在大量的應(yīng)用場(chǎng)景。針對(duì)不同的生產(chǎn)線(xiàn)，從流程的起點(diǎn)到終點(diǎn)、從原材料到成品入庫(kù)的完整產(chǎn)線(xiàn)的深入分析，都能夠通過(guò)數(shù)字化技術(shù)定制一整套數(shù)字化方案。例如鋼鐵行業(yè)中的釩鈦領(lǐng)域，釩氮、釩鋁領(lǐng)域，鋼鐵板材領(lǐng)域，鋼鐵運(yùn)輸領(lǐng)域等等鋼鐵行業(yè)所涉及的領(lǐng)域。

從單一產(chǎn)線(xiàn)到整個(gè)工廠(chǎng)的數(shù)字化升級(jí)，結(jié)合智能制造等創(chuàng)新技術(shù)構(gòu)建智慧工廠(chǎng)，從釩制品行業(yè)再擴(kuò)大到上下游行業(yè)的全產(chǎn)業(yè)鏈數(shù)字化應(yīng)用，前景更為廣闊，也符合由單一行業(yè)走向多元化的積極路線(xiàn)。AP

摘自《自動(dòng)化博覽》2021年8月刊