智能化钢厂的探讨

1、关于智能化钢厂的讨论关于智能化钢厂的讨论从物理系统一侧出发讨论钢厂智能化从物理系统一侧出发讨论钢厂智能化殷瑞钰殷瑞钰钢铁研究总院钢铁研究总院2017年年3月月16日日主要内容主要内容一、离散制造与流程制造的特征与不同一、离散制造与流程制造的特征与不同二、不同类型制造业的二、不同类型制造业的发展趋向发展趋向三、三、流程制造业智能制造的涵义流程制造业智能制造的涵义四、四、钢铁企业钢铁企业管控管控架构架构五、五、钢厂信息物理系统的架构钢厂信息物理系统的架构六、六、制造流程中制造流程中“界面技术界面技术”的物理系统优化和的物理系统优化和信息数字系统的构建信息数字系统的构建七、结语七、结语一、离散制造与

2、流程制造的特征与不同一、离散制造与流程制造的特征与不同 以机械加工等为代表的离散型制造的特征以机械加工等为代表的离散型制造的特征是：是： 机械类产品一般是由可拆分的零部件机械类产品一般是由可拆分的零部件组装而成的。产品的性能、质量和加工效率取组装而成的。产品的性能、质量和加工效率取决于总体设计。决于总体设计。 机械类零部件及其加工过程一般在常机械类零部件及其加工过程一般在常温、固体状态下进行，较易温、固体状态下进行，较易实现实现数字化。数字化。 离散的零部件在组装的过程中可数字离散的零部件在组装的过程中可数字化。化。 各种机械加工装备的运行过程易数字化。各种机械加工装备的运行过程易数字化。 机

3、器装配、运行整体上易于数字化。机器装配、运行整体上易于数字化。 离散型制造离散型制造业业的智能化主要体现在产品功的智能化主要体现在产品功能智能化。能智能化。 以冶金、化工、建材为代表的流程型制造的特征以冶金、化工、建材为代表的流程型制造的特征是：是： 企业由异质、异构、相关协同的工序构成，企业由异质、异构、相关协同的工序构成，企业以不可拆分的制造流程整体协同运行企业以不可拆分的制造流程整体协同运行的方式存在的方式存在，适合于连续、批量化生产，适合于连续、批量化生产。 制造流程中存在着复杂的物理、化学过程，制造流程中存在着复杂的物理、化学过程，甚至往往出现气、液、固多相共甚至往往出现气、液、固多

4、相共存存的连续变化，物质的连续变化，物质/能量转化过程复杂，难以全部实现数字化。能量转化过程复杂，难以全部实现数字化。 企业是复杂的大系统，企业是复杂的大系统，输入的输入的原料原料/燃料组燃料组分波动，外界随机干涉因素多，难以直接数字化。分波动，外界随机干涉因素多，难以直接数字化。 组成制造流组成制造流程的程的单元工序单元工序/装置的功能是不装置的功能是不同的，同的，制造流程制造流程属于异质属于异质、异构单元异构单元组合组合的集成体。的集成体。 工序工序/装置之间的关系属于异质、异构单装置之间的关系属于异质、异构单元之间元之间非线性非线性相互作用、动态耦合过程，匹配、相互作用、动态耦合过程，匹

5、配、协同协同的参数的参数复杂多变，数字化较难。复杂多变，数字化较难。 产品性能、质量、生产效率取决于工艺产品性能、质量、生产效率取决于工艺流程设计优化，各个工艺过程的优化和全流程运流程设计优化，各个工艺过程的优化和全流程运行的整体优化。行的整体优化。 流程型制造流程型制造业业的智能化主要体现在制造的智能化主要体现在制造流程运行过程的智能化。流程运行过程的智能化。二、不同类型制造业的二、不同类型制造业的发展趋向发展趋向 离散型制造：产品功能智能化、高效化离散型制造：产品功能智能化、高效化 流程型制造：绿色化、制造过程智能化流程型制造：绿色化、制造过程智能化、产品质量品牌化、产品质量品牌化 行（产

6、）业不同，企业类型不同。实现智能行（产）业不同，企业类型不同。实现智能化的途径、内涵、目标不能一概而论化的途径、内涵、目标不能一概而论，应该各有，应该各有特色特色。三、三、流程制造业智能制造的涵义流程制造业智能制造的涵义 根据流程制造业的特征，其智能制造的涵根据流程制造业的特征，其智能制造的涵义应该是以企业生产经营全过程和企业发展全义应该是以企业生产经营全过程和企业发展全局的智能化、绿色化、产品质量品牌化为核心局的智能化、绿色化、产品质量品牌化为核心目标研发出来的生产经营全过程的数字物理融目标研发出来的生产经营全过程的数字物理融合系统。合系统。 其关键技术是生产工艺其关键技术是生产工艺/装置技

7、术优化、工装置技术优化、工艺艺/装置之间的装置之间的“界面界面”技术优化和制造全过程技术优化和制造全过程的整合的整合-协同优化，以此为基础嵌入数字信息技协同优化，以此为基础嵌入数字信息技术，从而构成体现智能特色的数字物理融合系术，从而构成体现智能特色的数字物理融合系统统CPS。四、四、钢铁企业钢铁企业管控管控架构架构 作为与智能化钢厂相关的管控架构应是两作为与智能化钢厂相关的管控架构应是两层平台的框架层平台的框架。图图1 钢铁企钢铁企业管控业管控架构架构两层平台两层平台图图2 钢铁企业决策架构解析钢铁企业决策架构解析五、五、钢厂信息物理系统的架构钢厂信息物理系统的架构 钢厂信息物理系统的架构实

8、际上不一定包括钢厂信息物理系统的架构实际上不一定包括ERP系系统，从物理机制上看，其架构大体上如图统，从物理机制上看，其架构大体上如图3所示。所示。 图图3 钢厂信息物理系统的架构钢厂信息物理系统的架构 “界面技术界面技术”是一种复杂嵌入式系统，对是一种复杂嵌入式系统，对CPS特别重要，因为物理系统是由异质、异特别重要，因为物理系统是由异质、异构的组成单元（子系统）构建而成的。要实构的组成单元（子系统）构建而成的。要实现智能化必须解决异质异构的子系统之间的现智能化必须解决异质异构的子系统之间的相互辨识相互辨识、相互感知、相互作用、相互协同相互感知、相互作用、相互协同的关系，从而以优化的的关系，

9、从而以优化的“嵌入嵌入”件的方式融入件的方式融入数字物理系统之中，促进上位系统（全流程数字物理系统之中，促进上位系统（全流程）的优化、协同。）的优化、协同。六、六、制造流程中制造流程中“界面技术界面技术”的物理系统优化的物理系统优化和信息数字系统的构建和信息数字系统的构建推进钢厂智能化的一个重要切入口推进钢厂智能化的一个重要切入口 制造流程是由一系列相关的、异质制造流程是由一系列相关的、异质-异构异构的工序的工序/装置以及它们之间的装置以及它们之间的“界面技术界面技术”构成构成的。的。“界面技术界面技术”承载着物质流承载着物质流/能量流能量流/信息流信息流的沟通、传递功能；工序的沟通、传递功能

10、；工序/装置之间的功能衔装置之间的功能衔接、匹配；工序接、匹配；工序/装置之间物质流、能量流的装置之间物质流、能量流的承接、缓冲功能等。承接、缓冲功能等。“界面技术界面技术”鲜明地影响鲜明地影响着制造流程的结构，尤其是动态运行结构和着制造流程的结构，尤其是动态运行结构和运行效率。运行效率。 长期以来对单元装置的自动化、无人化做长期以来对单元装置的自动化、无人化做了大量的研发，并较好地应用于生产制造过程了大量的研发，并较好地应用于生产制造过程，解决了局部的自动控制问题。应该作为制造，解决了局部的自动控制问题。应该作为制造流程智能化的基础。然而这只是实现制造流程流程智能化的基础。然而这只是实现制造

11、流程全盘智能化中的一部份。全盘智能化中的一部份。 “界面技术界面技术”的物理系统优化和数字化建模的物理系统优化和数字化建模也是流程制造业智能化的核心技术之一，至今也是流程制造业智能化的核心技术之一，至今研究较少，应该引起关注，深入探索。应该认研究较少，应该引起关注，深入探索。应该认识到识到“界面技术界面技术”同样也是由物理系统硬件和信同样也是由物理系统硬件和信息数字软件构成的，应该建立在扎实的工程科息数字软件构成的，应该建立在扎实的工程科学基础上。似可按如下方法探索：学基础上。似可按如下方法探索：（1）以图论为工具构建制造流程的静态网络以图论为工具构建制造流程的静态网络 制造流程的工程化是要通

12、过工程设计落实制造流程的工程化是要通过工程设计落实到总平面图等一系列的图形上，到总平面图等一系列的图形上，“图图”是由节点是由节点及其联系线弧构成的图形。因此要通过图论的及其联系线弧构成的图形。因此要通过图论的知识，在知识，在“节点节点”和和“线弧线弧”方面进行研究：方面进行研究：l 节点优化：包括节点功能、节点容量、节点优化：包括节点功能、节点容量、节点数优化等的研究；节点数优化等的研究；l 连接线弧优化：重在节点间相互关系优连接线弧优化：重在节点间相互关系优化，距离、时间、路线等优化；化，距离、时间、路线等优化； 对于构建静态网络及其优化而言，图论是对于构建静态网络及其优化而言，图论是构建

13、静态网络的理论基础之一，也是动态精准构建静态网络的理论基础之一，也是动态精准设计方法的重要方法之一。设计方法的重要方法之一。（2）以排队论以排队论-Gantt图等方法描述图等方法描述“界面界面”过程过程的运行动力学的运行动力学 在静态网络初步优化的基础上，由于串联在静态网络初步优化的基础上，由于串联-并并联关系的存在，上、下游工序之间动态运行路线的联关系的存在，上、下游工序之间动态运行路线的确定有赖于上、下游工序间输出流确定有赖于上、下游工序间输出流-输入流的方向输入流的方向、排队队长和顺序等，由此需用排队论和动态运行、排队队长和顺序等，由此需用排队论和动态运行Gantt图来分析研究，得到优化

14、的动态运行程序图来分析研究，得到优化的动态运行程序即功能序即功能序-空间序空间序-时间序之间的信息参数（数字时间序之间的信息参数（数字）协同优化，解决）协同优化，解决“界面界面”运行过程及其参数的协同运行过程及其参数的协同优化。排队论优化。排队论-Gantt图是动态运行程序编制的依据图是动态运行程序编制的依据之一。同时，也影响着制造流程动态运行的网络和之一。同时，也影响着制造流程动态运行的网络和轨迹。这一方法在工程设计过程和实际生产运行过轨迹。这一方法在工程设计过程和实际生产运行过程都是离不开的。程都是离不开的。（3）流程动态运行规则制定流程动态运行规则制定 根据流程静态网络优化和动态运行程序

15、优根据流程静态网络优化和动态运行程序优化的分析，要进一步按照化的分析，要进一步按照“协同论协同论”的原则制定的原则制定工序工序/装置之间动态运行的规则。多工序装置之间动态运行的规则。多工序/装置装置协同运行的相互依赖、相互制约、相互促进关协同运行的相互依赖、相互制约、相互促进关系，特别是彼此间的伺服关系是动态运行过程系，特别是彼此间的伺服关系是动态运行过程优化必须建立的基本规则。这一点在工程设计优化必须建立的基本规则。这一点在工程设计时就应重视，生产运行过程中更应遵守。时就应重视，生产运行过程中更应遵守。（4）以软件仿真手段研究以软件仿真手段研究“界面界面”过程动力学过程动力学及其比较优化及其

16、比较优化 在上述三步的基础上，构建起了制造流程在上述三步的基础上，构建起了制造流程的物理系统，进而要利用相关的计算机软件，的物理系统，进而要利用相关的计算机软件，进行全流程动态运行过程的仿真建模。要在图进行全流程动态运行过程的仿真建模。要在图论、排队论论、排队论-Gantt图图和动态运行规则和动态运行规则的基础上的基础上进一步深化进一步深化“界面技术界面技术”的过程内涵，挖掘出若的过程内涵，挖掘出若干反映运行过程动力学机制干反映运行过程动力学机制“次界面次界面”的方法、的方法、步骤，进而研究步骤，进而研究“界面界面”-“次界面次界面”的动态过程的动态过程路线优化和工序之间的长程协同优化，反过来

17、路线优化和工序之间的长程协同优化，反过来也可评价流程动态运行和静态网络之间的优化也可评价流程动态运行和静态网络之间的优化关系。关系。（5）工程化工程化 在运行规则和信息感知器件的支持下，解在运行规则和信息感知器件的支持下，解决物质流决物质流/能量流能量流/信息流协同优化的自感知、信息流协同优化的自感知、自决策、自执行、自适应的数字信息系统，在自决策、自执行、自适应的数字信息系统，在此问题上要解决好物质流网络、能量流网络和此问题上要解决好物质流网络、能量流网络和信息流网络之间的信息流网络之间的“三三网网”联结、融合问题，构联结、融合问题，构建起基于物理系统过程耗散优化的建起基于物理系统过程耗散优

18、化的CPS系统，系统，实现工程化的全流程智能化。实现工程化的全流程智能化。（6）关于物质流关于物质流-能量流之间的关联能量流之间的关联 流程动态运行过程中，物质流（铁素物质流）的流程动态运行过程中，物质流（铁素物质流）的转换运行过程和能量流（包括二次能量流、三次能量转换运行过程和能量流（包括二次能量流、三次能量流）的输入流）的输入-转换转换-输出过程是密切相关的，特别是二输出过程是密切相关的，特别是二次能量流的产生次能量流的产生/输出与冶金工艺装置的运行特征直接输出与冶金工艺装置的运行特征直接有关，例如高炉煤气的产生有关，例如高炉煤气的产生/输出形式是连续流；转炉输出形式是连续流；转炉煤气的产

19、生煤气的产生/输出则与转炉吹氧过程直接关联，是间歇输出则与转炉吹氧过程直接关联，是间歇流；而焦炉由于存在轮流出焦的工艺方式，其焦炉煤流；而焦炉由于存在轮流出焦的工艺方式，其焦炉煤气的产生气的产生/输出呈锯齿型的连续流输出呈锯齿型的连续流。实际上，蒸汽。实际上，蒸汽的产生的产生/输出也有类似的现象。不同的物质流输出也有类似的现象。不同的物质流-能量流能量流关联形式，可以出现不同的信息流和程序，将物质流关联形式，可以出现不同的信息流和程序，将物质流、能量流关联起来，将钢铁生产过程和能源系统联系、能量流关联起来，将钢铁生产过程和能源系统联系起来，这是当前钢厂能源中心技术升级的关键点。起来，这是当前钢厂能源中心技术升级的关键点。七、结语七、结语 （1）智能化是钢铁工业的重要发展方向）智能化是钢铁工业的重要发展方向之一，