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北京首鋼自動化信息技術有限公司，混合流程工業自動化系統及裝備技術國家重點實驗室首鋼分實驗室 錢宏智，郭雨春，胡丕俊

摘要：通過回顧首鋼發展歷史及在搬遷調整過程中工業化與信息化的深度融合發展歷程，介紹了兩化深度融合對新首鋼、新工藝與新技術的支撐。通過分析新的發展時期，鋼鐵企業面臨的問題，開展了首鋼智能制造的理論探索與實踐，并提出了對三點熱點問題的冷靜思考。

關鍵詞：兩化融合；智能制造；大數據分析；技術應用；創新驅動

1　引言

自中華人民共和國成立至20世紀末，首鋼逐漸從手工作業發展到電氣化時代，再到自動化加初級信息化時代，完成了從工業1.0到工業3.0的跨越[1]。

1958年石景山鋼鐵廠更名為石景山鋼鐵公司。1964年建成中國第一座頂底復吹轉爐和全球第一家高爐噴煤裝置，結束了有鐵無鋼的歷史。1972年建成容積為1200立方米的4號高爐，提高了煉鐵機械化與自動化水平。1978年后，首鋼率先實現承包制，成為經濟體制改革試點。1984年建成三級計算機網絡系統，公司生產經營管理其中包括財務、計劃等10個專業系統全部實現了計算機化，使全公司580多項管理業務應用了計算機。初步實現了信息資源共享和辦公自動化。20世紀九十年代，首鋼開始了第二波次的自動化信息化建設新階段。引進了IBM ES/9000及AS/400計算機，取代了舊的計算機系統，分別配置于總公司及北鋼、特鋼、礦山等各個子公司，并成功實現了遠程聯網。首鋼公司級新計算機管理信息系統，采用客戶端/服務器體系架構以及集中分布式相結合的網絡拓撲方式，將總公司和各個子公司實現了網絡連接。

21世紀以來，首鋼的發展面臨著搬遷調整的歷史重任。首鋼鋼鐵主業的搬遷調整有兩個主要特點：一是鋼鐵產業的產品結構調整，由以長材生產為主向以高端板材生產為主轉變；二是鋼鐵產業的地域布局調整，由集中在北京石景山地區向北京順義及河北多地域轉移。與此相適應的管理模式也發生了明顯的變化：一是對高端鋼鐵產品生產經營的管理；二是集團對“一業多地”多法人公司的管理。這些變化對首鋼自動化、信息化建設提出了新的要求。

2　兩化融合對新首鋼、新工藝、新產品的支撐

2.1　新首鋼新格局

首鋼在搬遷過程中，實現裝備與工藝的升級，采用新一代鋼鐵流程工藝技術及裝備。通過不斷實踐與完善，單元技術成熟先進，界面技術高效可靠，全流程高水平系統集成優勢正在顯現。為實現高效率、低成本、低能耗、綠色環保的生產高品質鋼材產品的目標奠定了基礎。按中國鋼鐵協會鋼材品種統計分類總計23類，首鋼產品覆蓋20類。如表1所示。　 　 　

2.2　兩化融合戰略

在首鋼“一業多地”的大格局下，結合時代特點與新技術發展趨勢，首鋼制定了明確的兩化融合戰略——以業務需求為導向，堅持戰略引領、創新驅動、整體優化、持續完善的兩化融合方針，以全流程應用緊密集成，全流程業務協同高效為兩化融合目標。堅持自主創新、集成創新，不斷推進數據、技術、業務流程、組織機構的互動創新和持續優化，推進兩化深度融合，打造公司新型能力，提升公司核心競爭力。

表1 首鋼產品結構表

2.3　具體工作

首鋼鋼鐵業的信息化與自動化按照典型的五級架構體系進行建設，用以支撐生產管理的全部業務，通過覆蓋產品制造全流程的物流、工作流、資金流與信息流的集成融合，促進企業管理創新、提升企業運營的質量和效益。系統架構如圖1所示。

圖1 鋼鐵業五級系統架構

自動化固化工藝、優化控制。首鋼集團在搬遷建廠的同時，同步設計建設了覆蓋全流程的自動化、信息化系統，各產線基礎自動化覆蓋率達100%，生產工藝數據自動數采率達95%以上，自控投用率達95%以上，各工序自動化固化工藝實現對工藝設備的精準、優化控制、按照MES系統的生產指令，完成生產任務。

信息化固化管理、優化流程。在兩化融合管理體系的支撐下，在制造執行系統和企業資源計劃系統的高效集成下，建立訂單管理、生產計劃與調度等優化模型，支持企業模型化智能分析決策、企業資源配置的優化、生產過程的精細化管理、成本和質量的動態跟蹤、原材料和產成品配送的供應鏈管理優化，支撐精益制造、敏捷制造、綜合集成制造等生產模式的創新。

生產過程實現一體化質量管控。按照質量一體化設計理念，質量管理體系架構的設計采用了冶金規范數據庫“標準+α”的理念，形成冶金規范數據庫。通過實施生產和質量管理，實現了將質量標準、計劃、生產、質檢判定、物流等業務在系統內的緊密集成，將一貫質量管理的概念貫穿于生產全過程。

實現工廠級四流同步。根據鋼鐵企業的特點建立了基于精細化管理理念，四流合一的集成化管理體系。實現了連續化大規模生產條件下的能流、物流、信息流和資金流的時時協同，實現了以產銷一體化為導向的生產全過程狀態的動態跟蹤。適應了首鋼集團裝備大型、流程緊湊的工藝流程特點。

實現協同制造。從鋼鐵制造全流程角度，建立適合于首鋼集團的各專業智能生產協同制造平臺。通過優化、整合現有的各種形式的規則、策略、途徑等信息，形成全流程的各專業策略包，包括質量設計、高級計劃排產、生產排序、庫存管理/數據倉庫、質量檢驗規則，為廠級的智能制造提供服務。

2.4　實施效果

經過十幾年的建設，首鋼已經形成了基本功能完善的信息化、自動化體系及平臺架構。通過財務管理系統、產銷系統、物流系統、質量管控系統等支撐了首鋼集團資源計劃的集中性、集團整體的協調性、運作的靈活性、各實體各專業管理反映的高效性、各級決策的科學性，實現了主要業務運作的流程固化和優化，支撐了新首鋼、新工藝、新產品的發展。

3　智能制造的思考與實踐

3.1　鋼鐵企業面臨的問題

當前鋼鐵企業面臨著三大難題。第一是鋼鐵工業的環保壓力。中國鋼鐵工業能源消耗約占我國工業總能耗的23%，二氧化硫排放量約占工業部門總排放量的8%。通過科技創新，與2000年比，重點鋼鐵企業的噸鋼綜合能耗下降約27%，噸鋼SO2排放量降低78%，噸鋼煙粉塵排放下降89%，噸鋼CO2排放下降40%，縮小了與國際先進水平的差距。但由于鋼鐵產能增加太快，產業規模過大，布局極不合理等因素，導致鋼鐵企業能源消耗總量和污染物排放總量居高不下[2]。特別2015年1月1日新環保法的實施，更增加了鋼鐵企業能源環保的壓力。

第二個難題是產能過剩。中國鋼鐵行業增長迅速，據中鋼協統計，2015年我國粗鋼產量已達到8.0383億噸，占世界比重的49.61%，人均粗鋼產量586kg/人，是世界人均值的兩倍還多。2017年前5個月，銷售利潤率僅2.68%，在所有行業中墊底。主導產品的附加值低，產能嚴重過剩。缺乏“超高純、超均質、超細化”的高附加值鋼鐵產品。

第三個難題來源于企業內部，即當前用戶需求的高質量、多品種、小批量產品與大型鋼鐵企業大規模、連續性、批量化生產之間的差異更為顯現。如何實現大型鋼鐵企業柔性化、高效率、低成本穩定生產，滿足當前用戶千差萬別的多樣性需求是鋼鐵企業自身面臨的重要問題之一。

總之，面對環保壓力與市場壓力的外在壓力，與企業柔性化生產內部壓力，鋼鐵企業需要結合“中國制造2025”國家發展戰略，推進鋼鐵企業智能制造，提高鋼材產品質量和檔次，實現由生產商向生產+服務商轉變，實現冶金行業轉型升級。

3.2　智能制造的理解

結合鋼鐵工業流程特點，鋼鐵工業的智能制造應該是：結合鋼鐵流程特點，打通鋼鐵廠內各工序單元關聯，優化現有鋼鐵企業完整自動化信息化系統，解決鋼鐵企業內部流程界面問題與信息孤島問題，以三流合一為抓手[3~5]，利用先進信息化與鋼鐵生產的深度融合技術手段，構成一個包括設計、訂單、計劃、生產、銷售、財務、服務在內的智能化的動態運行系統。實現信息深度自感知、智能化自決策、精準控制自執行、自適應等功能，可有效優化鋼鐵制造流程結構，提升全流程運行過程界面優化合理、動態有序，協同高效的智能化控制和管理水平。最終實現產品綠色化、生產智能化與質量品牌化。

3.3　智能制造具體實踐

精耕細作工業化和信息化融合服務，應用物聯網、大數據、云計算、智能建模控制和虛擬現實仿真等技術，圍繞企業組織管理和產品生產制造，重點開展智能工廠、智能裝備、智能物流、智慧服務等核心業務的研發與實踐，為客戶提供更深層次的咨詢與增值服務，幫助客戶從傳統制造向制造+服務進行轉型，實現多工廠生產設計協同、資源協同和制造協同，從而增強企業的整體競爭力[6]。發展線路圖如圖2所示。

圖2 首鋼智能制造發展線路圖

首鋼與國內16家大型國有鋼鐵企業、知名研究院設計院以及高等冶金院校，按照產、學、研、用方式，組合科研攻關團隊，開展鋼鐵流程綠色化關鍵技術、鋼鐵流程關鍵要素協同優化和集成應用等九大類國家級鋼鐵流程智能化關鍵技術研發。

在開展關鍵共性技術研發的同時，結合首鋼實際情況，我們推進開展了硅鋼一冷軋智能工廠示范項目的建設。項目通過產品智能設計、工廠柔性化生產、面向客戶價值的精準營銷服務、全流程質量管控與溯源、關鍵裝備服役質量預警與管控、能源管理智能決策及協同管控、綠色安全環境智能監控、大數據平臺、基于物聯網的數據采集與集成融合平臺、生產過程和工藝系統功能安全評估等十個方面建設實現硅鋼一冷軋智能工廠數字化智能化，實現研發、制造、營銷、能源、質量、設備、綠色、安全等全生命周期所有環節的整體提升。

項目的核心是將物聯網、大數據、云計算、智能裝備應用等技術有機結合起來，搭建功能完備的企業大數據中心，為智能工廠服務層和應用層的各項功能提供基礎數據保障；在應用層中，通過一系列智能化技術的應用，構建以產品智能設計與工廠柔性化制造和營銷服務為核心，以質量、設備、能源、綠色安全為有效支撐的硅鋼一冷軋工廠產銷研體系。改變為客戶服務的模式，基于務聯網（IOS）為用戶提供云服務，針對產品的高柔性化生產和客戶定制的發展趨勢，建立高度靈活的個性化和數字化的產品與服務的生產模式。

3.4　熱點問題的冷思考

第一，觀念的轉變。智能制造是鋼鐵企業在新時期新形式下，實現供給側改革與企業轉型升級的重要手段。在實現智能制造過程中，企業需要注重培育數據驅動的新型鋼鐵生產體系，需要從過去重視的“材料、工藝、成本”向現在重視的“服務、知識、數據”轉變。這背后，是鋼鐵工業領域信息化與工業化不斷深入融合、企業沉淀了大量的帶有工藝特征與數據特征的工業大數據資源的結果。

第二，補齊短板。智能制造不能一蹴而就，需要注重分析企業實際特征，確定所處階段，發揮長板優勢效應，補齊短板。實施過程中特別注重補齊裝備的智能化與基于物聯網的傳感器部署等方面的短板，以獲得大量的工業大數據資源，為基于工業大數據分析的先進應用提供海量豐富的數據資源，實現鋼鐵企業形成產品+服務的新的發展模式。

第三，協調發展。鋼鐵企業工業大數據的發展，應該基于工業互聯網與工業物聯網的整體框架中推進，涉及連接、數據、安全、應用，連接是基礎，數據是核心，安全是保障，應用是價值。這四個方面是一個有機整體，需要整體推進、穩步推進，才能達到工業大數據分析應有的水平與目的，才能產生應有的價值。

4　結論

智能制造為企業插上了騰飛的翅膀。目前，首鋼的智能制造僅僅是個開始，今后的路更長，但是我們有信心在“中國制造2025”及“互聯網+”的指引下，通過生產智能化、設備智能化、運營管理智能化、經營決策智能化，實現鋼鐵生產全流程閉環的自動化控制與智能化管理，達到生產精細化、服務個性化、管理知識化的三化目標。最終智能制造會在鋼鐵行業內落地生根，開花結果。

作者簡介：

錢宏智（1980-），男，內蒙古赤峰人，冶煉高級工程師，工學博士，現就職于北京首鋼自動化信息技術有限公司，研究方向是面向鑄坯質量的冶煉智能控制系統研發與應用。

郭雨春，計算機與自動化控制高級工程師，現任首鋼自動化信息技術有限公司自動化研究所總工程師，從事冶金企業自動化和信息化項目。

胡丕俊，教授級高級工程師，工學碩士，現任北京首鋼自動化信息技術有限公司副總經理，主管公司工業智能化領域。

參考文獻：

[1] 首鋼黨委組織部, 首鋼檔案館. 首鋼足跡（上冊、下冊）[M]. 北京：中央文獻出版社, 2009.

[2] 中國工程院. “鋼鐵工業綠色發展工程科技戰略及對策”研究報告[M]. 北京：中國工程院，2014.

[3] 制造強國戰略研究項目組. 制造強國戰略研究·綜合卷[M]. 北京：電子工業出版社，2015.

[4] 制造強國戰略研究項目組. 制造強國戰略研究·領域卷（二）[M]. 北京：電子工業出版社，2015.

[5] 制造強國戰略研究項目組. 制造強國戰略研究·智能制造專題卷[M]. 北京：電子工業出版社，2015.

[6] 錢宏智, 胡丕俊, 李亮舉, 邱成國. 首鋼智能制造探索與實踐[J]. 冶金自動化，2017, 41 ( 2 ) ：22 - 26, 35.

摘自《自動化博覽》2018年2月刊