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如何打造流程制造業(yè)智能工廠

  • 來源:智能制造縱橫
  • 關鍵字:流程,制造業(yè),智能工廠
  • 發(fā)布時間:2023-11-11 11:52

  本刊編輯整理

  在中國,流程行業(yè)是制造業(yè)的重要組成部分,占全國規(guī)模以上工業(yè)總產(chǎn)值的47%左右。我國流程行業(yè)經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展,歷經(jīng)70年代技術與裝備引進、80年代初消化吸收、90年代自主創(chuàng)新幾個階段。發(fā)展到目前,流程行業(yè)的生產(chǎn)工藝、裝備和生產(chǎn)過程自動化水平已經(jīng)得到了大幅度提升,整體實力增長迅速。我國已成為世界上門類最齊全、規(guī)模最龐大的流程制造業(yè)大國。

  當前,智能制造的浪潮席卷全球,我國流程行業(yè)也迎來第四次工業(yè)革命、中國制造業(yè)升級轉(zhuǎn)型和供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的關鍵時期,如何在當前面臨的挑戰(zhàn)下抓住其中蘊藏的機遇,實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型是重中之重。

  智能化改革的困境

  流程型制造是以資源和可回收資源為原料,通過物理變化和化學反應的連續(xù)復雜生產(chǎn),為制造業(yè)提供原材料和能源的基礎工業(yè),包括石化、化工、造紙、水泥、有色、鋼鐵、制藥、食品飲料等行業(yè)。

  與離散行業(yè)相比,流程行業(yè)生產(chǎn)運行模式特點突出,例如:原料變化頻繁,生產(chǎn)過程涉及物理化學反應,機理復雜;生產(chǎn)過程連續(xù),不能停頓,任一工序出現(xiàn)問題必然會影響整個生產(chǎn)線和最終的產(chǎn)品質(zhì)量;部分產(chǎn)業(yè)的原料成分、設備狀態(tài)、工藝參數(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量等無法實時或全面檢測等。上述特點在流程行業(yè)實施智能化轉(zhuǎn)型的過程中突出地表現(xiàn)為測量難、建模難、控制難和優(yōu)化決策難。

  此外,我國流程行業(yè)的發(fā)展正面臨資源緊缺、能源消耗大、環(huán)境污染嚴重的制約。流程行業(yè)是高能耗、高污染行業(yè),我國石油、化工、鋼鐵、有色、電力等流程行業(yè)的能源消耗、CO2排放量以及SO2排放量均占全國工業(yè)的第一位。

  據(jù)中國電子技術標準化研究院、深圳華制智能制造技術有限公司、東北大學聯(lián)合發(fā)布的《流程型智能制造白皮書》中總結(jié),現(xiàn)階段,我國流程型制造企業(yè)從制造過程底層到生產(chǎn)經(jīng)營頂層還存在一些問題。

  1)在以資金流為主的經(jīng)營決策層面:供應鏈采購與裝置運行特性關聯(lián)度不高、產(chǎn)業(yè)鏈分布與市場需求存在不匹配,知識型工作自動化水平低,缺乏快速和主動響應市場變化的商業(yè)決策機制。

  2)在以物質(zhì)流為主的生產(chǎn)運行層面:資源和廢棄資源缺乏綜合利用,運行過程依靠知識工作者憑經(jīng)驗和知識進行操作,精細化優(yōu)化控制水平不高,面向高端制造的工藝流程構(gòu)效分析與認知能力不足,缺乏虛擬制造技術。

  3)在以能量流為主的能效安環(huán)層面:能源的錯時空利用技術有待發(fā)展,能源管理與生產(chǎn)運行缺乏協(xié)同,單位產(chǎn)量能效水平亟需提高。高?;瘜W品、廢水、廢氣、廢固的全生命周期足跡缺乏監(jiān)管和溯源,?;啡狈π畔⒒傻牧魍ㄜ壽E監(jiān)控與風險防范。

  4)在以信息流為主的信息感知層面:物料屬性和加工過程部分特殊參量無法快速獲取,大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和云計算等技術在物流和產(chǎn)品流通軌跡監(jiān)控、生產(chǎn)和管理優(yōu)化中的應用不夠,亟需工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)擴充信息資源以深度認識復雜的流程行業(yè)過程。

  5)在系統(tǒng)支撐層面:我國流程行業(yè)生產(chǎn)效率不理想,既體現(xiàn)為生產(chǎn)系統(tǒng)跨層次運行效率低下,也體現(xiàn)為企業(yè)跨領域運營效率低下。現(xiàn)有的系統(tǒng)難以自動化處理非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)以驅(qū)動智能決策,也無法支撐復雜的知識自動化軟件平臺以輔助操作工人決策,需要全新的控制系統(tǒng)架構(gòu)以實現(xiàn)控制-優(yōu)化-決策一體化。

  由此可以了解,工藝優(yōu)化、智能控制、計劃調(diào)度、物料平衡、設備運維、質(zhì)量檢驗、能源管控、安全環(huán)保等內(nèi)容,是流程制造業(yè)推進智能制造建設時需要考慮的核心要素。盡管現(xiàn)實情況復雜,但是可以看到,智能化轉(zhuǎn)型升級已成為流程行業(yè)重要發(fā)展趨勢,終將推動該行業(yè)形成新的生產(chǎn)方式、產(chǎn)業(yè)形態(tài)和商業(yè)模式。

  在行業(yè)的實施落地

  面向工藝優(yōu)化、智能控制、生產(chǎn)調(diào)度、物料平衡、設備運維、質(zhì)量檢驗、能源管理、安全環(huán)保等核心問題,流程行業(yè)智能制造建設主要圍繞數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化展開。建設過程主要是在已有的物理制造系統(tǒng)基礎上,充分融合智能傳感、先進控制、數(shù)字孿生、工業(yè)大數(shù)據(jù)、工業(yè)云等智能制造關鍵技術,從生產(chǎn)、管理以及營銷的全過程優(yōu)化出發(fā),實現(xiàn)制造流程、操作方式、管理模式的高效化、綠色化和智能化。

  以中國鋼鐵行業(yè)首個入選“燈塔工廠”的鋼企——寶山鋼鐵股份有限公司(以下簡稱“寶鋼股份”)為例,2020年,寶鋼股份上?;氐奈鍌€智慧制造項目獲評“燈塔工廠”最佳實踐案例,覆蓋智慧計劃、智慧生產(chǎn)、智慧設備管理、智慧質(zhì)量管理和智慧物流五大模塊。具體包括了滿足個性化定制需求的大數(shù)據(jù)熱軋自動生產(chǎn)計劃編制系統(tǒng);降低煉鋼成本的轉(zhuǎn)爐數(shù)字孿生系統(tǒng)與自動出鋼專家系統(tǒng);實現(xiàn)設備狀態(tài)智能診斷的數(shù)字化工廠平臺與智能模型;代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工經(jīng)驗的AI表面質(zhì)量線檢測系統(tǒng);以及實現(xiàn)實時追蹤、無人操作和自動計劃的智慧物流系統(tǒng)。

  世界經(jīng)濟論壇對此評價道,“作為一家有著四十余年歷史的企業(yè),寶鋼股份很早就進行了數(shù)字化的探索,廣泛應用了AI、高級分析技術,在數(shù)字時代里依然保持著引領行業(yè)的競爭力”。

  寶鋼股份的智能制造,以營銷、采購、研發(fā)、制造等公司核心業(yè)務作為數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型的切入點,以精準、實時、高效的數(shù)據(jù)采集互聯(lián)體系為紐帶,旨在構(gòu)建一個“全要素、全業(yè)務、全流程”的智能化動態(tài)運行系統(tǒng),持續(xù)優(yōu)化資源配置效率,以自動化提高工作效率,以智能化、智慧化提高決策精準性,實現(xiàn)“作業(yè)自動化、管理智能化、決策智慧化”的精細化深度運營。

  經(jīng)過多年的努力,寶鋼股份在國家級試點示范、作業(yè)無人化、業(yè)務模式創(chuàng)新、流程變革等領域取得了顯著成效與經(jīng)驗,其中,入選“燈塔工廠”網(wǎng)絡的上?;亟ǔ闪藷掕F數(shù)字化料場、1580智能車間試點示范、一煉鋼厚板連鑄智能產(chǎn)線、冷軋C008智能車間、硅鋼四期智能工廠、出廠物流優(yōu)化等一批智能化產(chǎn)線,效益效果明顯,在智慧制造推進中起到示范引領作用。寶鋼股份其他各大基地亦在現(xiàn)場無人化、工業(yè)機器人應用、智能化產(chǎn)線建設等各方面持續(xù)發(fā)力、協(xié)同共進,形成了智慧制造的良好發(fā)展態(tài)勢。

  如今,寶鋼股份智能制造體系正在日趨完善,形成綜合性的大數(shù)據(jù)服務能力和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu),技術能力建設進入新的發(fā)展階段,以人工智能、數(shù)字孿生等技術為代表的應用不斷拓寬,部分實現(xiàn)了新的突破。

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