智能化鋼廠的探討PPT優(yōu)秀課件

1、關(guān)于智能化鋼廠的討論關(guān)于智能化鋼廠的討論 從物理系統(tǒng)一側(cè)出發(fā)討論鋼廠智能化從物理系統(tǒng)一側(cè)出發(fā)討論鋼廠智能化 殷瑞鈺殷瑞鈺 鋼鐵研究總院鋼鐵研究總院 2017年年3月月16日日 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 一、離散制造與流程制造的特征與不同一、離散制造與流程制造的特征與不同 二、不同類型制造業(yè)的二、不同類型制造業(yè)的發(fā)展趨向發(fā)展趨向 三、三、流程制造業(yè)智能制造的涵義流程制造業(yè)智能制造的涵義 四、四、鋼鐵企業(yè)鋼鐵企業(yè)管控管控架構(gòu)架構(gòu) 五、五、鋼廠信息物理系統(tǒng)的架構(gòu)鋼廠信息物理系統(tǒng)的架構(gòu) 六、六、制造流程中制造流程中“界面技術(shù)界面技術(shù)”的物理系統(tǒng)優(yōu)化和的物理系統(tǒng)優(yōu)化和 信息數(shù)字系統(tǒng)的構(gòu)建信息數(shù)字系統(tǒng)的構(gòu)建 七、

2、結(jié)語七、結(jié)語 一、離散制造與流程制造的特征與不同一、離散制造與流程制造的特征與不同 以機械加工等為代表的離散型制造的特征以機械加工等為代表的離散型制造的特征 是：是： 機械類產(chǎn)品一般是由可拆分的零部件機械類產(chǎn)品一般是由可拆分的零部件 組裝而成的。產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和加工效率取組裝而成的。產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和加工效率取 決于總體設(shè)計。決于總體設(shè)計。 機械類零部件及其加工過程一般在常機械類零部件及其加工過程一般在常 溫、固體狀態(tài)下進行，較易溫、固體狀態(tài)下進行，較易實現(xiàn)實現(xiàn)數(shù)字化。數(shù)字化。 離散的零部件在組裝的過程中可數(shù)字離散的零部件在組裝的過程中可數(shù)字 化?；?各種機械加工裝備的運行過程易數(shù)字化。各

3、種機械加工裝備的運行過程易數(shù)字化。 機器裝配、運行整體上易于數(shù)字化。機器裝配、運行整體上易于數(shù)字化。 離散型制造離散型制造業(yè)業(yè)的智能化主要體現(xiàn)在產(chǎn)品功的智能化主要體現(xiàn)在產(chǎn)品功 能智能化。能智能化。 以冶金、化工、建材為代表的流程型制造的特征以冶金、化工、建材為代表的流程型制造的特征 是：是： 企業(yè)由異質(zhì)、異構(gòu)、相關(guān)協(xié)同的工序構(gòu)成，企業(yè)由異質(zhì)、異構(gòu)、相關(guān)協(xié)同的工序構(gòu)成， 企業(yè)以不可拆分的制造流程整體協(xié)同運行企業(yè)以不可拆分的制造流程整體協(xié)同運行的方式存在的方式存在 ，適合于連續(xù)、批量化生產(chǎn)，適合于連續(xù)、批量化生產(chǎn)。 制造流程中存在著復(fù)雜的物理、化學過程，制造流程中存在著復(fù)雜的物理、化學過程， 甚至

4、往往出現(xiàn)氣、液、固多相共甚至往往出現(xiàn)氣、液、固多相共存存的連續(xù)變化，物質(zhì)的連續(xù)變化，物質(zhì) /能量轉(zhuǎn)化過程復(fù)雜，難以全部實現(xiàn)數(shù)字化。能量轉(zhuǎn)化過程復(fù)雜，難以全部實現(xiàn)數(shù)字化。 企業(yè)是復(fù)雜的大系統(tǒng)，企業(yè)是復(fù)雜的大系統(tǒng)，輸入的輸入的原料原料/燃料組燃料組 分波動，外界隨機干涉因素多，難以直接數(shù)字化。分波動，外界隨機干涉因素多，難以直接數(shù)字化。 組成制造流組成制造流程的程的單元工序單元工序/裝置的功能是不裝置的功能是不 同的，同的，制造流程制造流程屬于異質(zhì)屬于異質(zhì)、異構(gòu)單元異構(gòu)單元組合組合的集成體。的集成體。 工序工序/裝置之間的關(guān)系屬于異質(zhì)、異構(gòu)單裝置之間的關(guān)系屬于異質(zhì)、異構(gòu)單 元之間非線性相互作用、動

5、態(tài)耦合過程，匹配、元之間非線性相互作用、動態(tài)耦合過程，匹配、 協(xié)同的參數(shù)復(fù)雜多變，數(shù)字化較難。協(xié)同的參數(shù)復(fù)雜多變，數(shù)字化較難。 產(chǎn)品性能、質(zhì)量、生產(chǎn)效率取決于工藝產(chǎn)品性能、質(zhì)量、生產(chǎn)效率取決于工藝 流程設(shè)計優(yōu)化，各個工藝過程的優(yōu)化和全流程運流程設(shè)計優(yōu)化，各個工藝過程的優(yōu)化和全流程運 行的整體優(yōu)化。行的整體優(yōu)化。 流程型制造業(yè)的智能化主要體現(xiàn)在制造流程型制造業(yè)的智能化主要體現(xiàn)在制造 流程運行過程的智能化。流程運行過程的智能化。 二、不同類型制造業(yè)的二、不同類型制造業(yè)的發(fā)展趨向發(fā)展趨向 離散型制造：產(chǎn)品功能智能化、高效化離散型制造：產(chǎn)品功能智能化、高效化 流程型制造：綠色化、制造過程智能化流程型制

6、造：綠色化、制造過程智能化 、產(chǎn)品質(zhì)量品牌化、產(chǎn)品質(zhì)量品牌化 行（產(chǎn)）業(yè)不同，企業(yè)類型不同。實現(xiàn)智能行（產(chǎn)）業(yè)不同，企業(yè)類型不同。實現(xiàn)智能 化的途徑、內(nèi)涵、目標不能一概而論化的途徑、內(nèi)涵、目標不能一概而論，應(yīng)該各有，應(yīng)該各有 特色特色。 三、三、流程制造業(yè)智能制造的涵義流程制造業(yè)智能制造的涵義 根據(jù)流程制造業(yè)的特征，其智能制造的涵根據(jù)流程制造業(yè)的特征，其智能制造的涵 義應(yīng)該是以企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營全過程和企業(yè)發(fā)展全義應(yīng)該是以企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營全過程和企業(yè)發(fā)展全 局的智能化、綠色化、產(chǎn)品質(zhì)量品牌化為核心局的智能化、綠色化、產(chǎn)品質(zhì)量品牌化為核心 目標研發(fā)出來的生產(chǎn)經(jīng)營全過程的數(shù)字物理融目標研發(fā)出來的生產(chǎn)經(jīng)營全過

7、程的數(shù)字物理融 合系統(tǒng)。合系統(tǒng)。 其關(guān)鍵技術(shù)是生產(chǎn)工藝其關(guān)鍵技術(shù)是生產(chǎn)工藝/裝置技術(shù)優(yōu)化、工裝置技術(shù)優(yōu)化、工 藝藝/裝置之間的裝置之間的“界面界面”技術(shù)優(yōu)化和制造全過程技術(shù)優(yōu)化和制造全過程 的整合的整合-協(xié)同優(yōu)化，以此為基礎(chǔ)嵌入數(shù)字信息技協(xié)同優(yōu)化，以此為基礎(chǔ)嵌入數(shù)字信息技 術(shù)，從而構(gòu)成體現(xiàn)智能特色的數(shù)字物理融合系術(shù)，從而構(gòu)成體現(xiàn)智能特色的數(shù)字物理融合系 統(tǒng)統(tǒng)CPS。 四、四、鋼鐵企業(yè)鋼鐵企業(yè)管控管控架構(gòu)架構(gòu) 作為與智能化鋼廠相關(guān)的管控架構(gòu)應(yīng)是兩作為與智能化鋼廠相關(guān)的管控架構(gòu)應(yīng)是兩 層平臺的框架層平臺的框架。 圖圖1 鋼鐵企鋼鐵企業(yè)管控業(yè)管控架構(gòu)架構(gòu)兩層平臺兩層平臺 圖圖2 鋼鐵企業(yè)決策架構(gòu)解析

8、鋼鐵企業(yè)決策架構(gòu)解析 五、五、鋼廠信息物理系統(tǒng)的架構(gòu)鋼廠信息物理系統(tǒng)的架構(gòu) 鋼廠信息物理系統(tǒng)的架構(gòu)實際上不一定包括鋼廠信息物理系統(tǒng)的架構(gòu)實際上不一定包括ERP系系 統(tǒng)，從物理機制上看，其架構(gòu)大體上如圖統(tǒng)，從物理機制上看，其架構(gòu)大體上如圖3所示。所示。 圖圖3 鋼廠信息物理系統(tǒng)的架構(gòu)鋼廠信息物理系統(tǒng)的架構(gòu) “界面技術(shù)界面技術(shù)”是一種復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)，對是一種復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)，對 CPS特別重要，因為物理系統(tǒng)是由異質(zhì)、異特別重要，因為物理系統(tǒng)是由異質(zhì)、異 構(gòu)的組成單元（子系統(tǒng)）構(gòu)建而成的。要實構(gòu)的組成單元（子系統(tǒng)）構(gòu)建而成的。要實 現(xiàn)智能化必須解決異質(zhì)異構(gòu)的子系統(tǒng)之間的現(xiàn)智能化必須解決異質(zhì)異構(gòu)的子系統(tǒng)

9、之間的 相互辨識相互辨識、相互感知、相互作用、相互協(xié)同相互感知、相互作用、相互協(xié)同 的關(guān)系，從而以優(yōu)化的的關(guān)系，從而以優(yōu)化的“嵌入嵌入”件的方式融入件的方式融入 數(shù)字物理系統(tǒng)之中，促進上位系統(tǒng)（全流程數(shù)字物理系統(tǒng)之中，促進上位系統(tǒng)（全流程 ）的優(yōu)化、協(xié)同。）的優(yōu)化、協(xié)同。 六、六、制造流程中制造流程中“界面技術(shù)界面技術(shù)”的物理系統(tǒng)優(yōu)化的物理系統(tǒng)優(yōu)化 和信息數(shù)字系統(tǒng)的構(gòu)建和信息數(shù)字系統(tǒng)的構(gòu)建 推進鋼廠智能化的一個重要切入口推進鋼廠智能化的一個重要切入口 制造流程是由一系列相關(guān)的、異質(zhì)制造流程是由一系列相關(guān)的、異質(zhì)-異構(gòu)異構(gòu) 的工序的工序/裝置以及它們之間的裝置以及它們之間的“界面技術(shù)界面技術(shù)”構(gòu)

10、成構(gòu)成 的。的?！敖缑婕夹g(shù)界面技術(shù)”承載著物質(zhì)流承載著物質(zhì)流/能量流能量流/信息流信息流 的溝通、傳遞功能；工序的溝通、傳遞功能；工序/裝置之間的功能銜裝置之間的功能銜 接、匹配；工序接、匹配；工序/裝置之間物質(zhì)流、能量流的裝置之間物質(zhì)流、能量流的 承接、緩沖功能等。承接、緩沖功能等。“界面技術(shù)界面技術(shù)”鮮明地影響鮮明地影響 著制造流程的結(jié)構(gòu)，尤其是動態(tài)運行結(jié)構(gòu)和著制造流程的結(jié)構(gòu)，尤其是動態(tài)運行結(jié)構(gòu)和 運行效率。運行效率。 長期以來對單元裝置的自動化、無人化做長期以來對單元裝置的自動化、無人化做 了大量的研發(fā)，并較好地應(yīng)用于生產(chǎn)制造過程了大量的研發(fā)，并較好地應(yīng)用于生產(chǎn)制造過程 ，解決了局部的自

11、動控制問題。應(yīng)該作為制造，解決了局部的自動控制問題。應(yīng)該作為制造 流程智能化的基礎(chǔ)。然而這只是實現(xiàn)制造流程流程智能化的基礎(chǔ)。然而這只是實現(xiàn)制造流程 全盤智能化中的一部份。全盤智能化中的一部份。 “界面技術(shù)界面技術(shù)”的物理系統(tǒng)優(yōu)化和數(shù)字化建模的物理系統(tǒng)優(yōu)化和數(shù)字化建模 也是流程制造業(yè)智能化的核心技術(shù)之一，至今也是流程制造業(yè)智能化的核心技術(shù)之一，至今 研究較少，應(yīng)該引起關(guān)注，深入探索。應(yīng)該認研究較少，應(yīng)該引起關(guān)注，深入探索。應(yīng)該認 識到識到“界面技術(shù)界面技術(shù)”同樣也是由物理系統(tǒng)硬件和信同樣也是由物理系統(tǒng)硬件和信 息數(shù)字軟件構(gòu)成的，應(yīng)該建立在扎實的工程科息數(shù)字軟件構(gòu)成的，應(yīng)該建立在扎實的工程科 學基

12、礎(chǔ)上。似可按如下方法探索：學基礎(chǔ)上。似可按如下方法探索： （1）以圖論為工具構(gòu)建制造流程的靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)以圖論為工具構(gòu)建制造流程的靜態(tài)網(wǎng)絡(luò) 制造流程的工程化是要通過工程設(shè)計落實制造流程的工程化是要通過工程設(shè)計落實 到總平面圖等一系列的圖形上，到總平面圖等一系列的圖形上，“圖圖”是由節(jié)點是由節(jié)點 及其聯(lián)系線弧構(gòu)成的圖形。因此要通過圖論的及其聯(lián)系線弧構(gòu)成的圖形。因此要通過圖論的 知識，在知識，在“節(jié)點節(jié)點”和和“線弧線弧”方面進行研究：方面進行研究： l 節(jié)點優(yōu)化：包括節(jié)點功能、節(jié)點容量、節(jié)點優(yōu)化：包括節(jié)點功能、節(jié)點容量、 節(jié)點數(shù)優(yōu)化等的研究；節(jié)點數(shù)優(yōu)化等的研究； l 連接線弧優(yōu)化：重在節(jié)點間相互關(guān)系優(yōu)

13、連接線弧優(yōu)化：重在節(jié)點間相互關(guān)系優(yōu) 化，距離、時間、路線等優(yōu)化；化，距離、時間、路線等優(yōu)化； 對于構(gòu)建靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)及其優(yōu)化而言，圖論是對于構(gòu)建靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)及其優(yōu)化而言，圖論是 構(gòu)建靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)的理論基礎(chǔ)之一，也是動態(tài)精準構(gòu)建靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)的理論基礎(chǔ)之一，也是動態(tài)精準 設(shè)計方法的重要方法之一。設(shè)計方法的重要方法之一。 （2）以排隊論以排隊論-Gantt圖等方法描述圖等方法描述“界面界面”過程過程 的運行動力學的運行動力學 在靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)初步優(yōu)化的基礎(chǔ)上，由于串聯(lián)在靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)初步優(yōu)化的基礎(chǔ)上，由于串聯(lián)-并并 聯(lián)關(guān)系的存在，上、下游工序之間動態(tài)運行路線的聯(lián)關(guān)系的存在，上、下游工序之間動態(tài)運行路線的 確定有賴于上、下游工序間

14、輸出流確定有賴于上、下游工序間輸出流-輸入流的方向輸入流的方向 、排隊隊長和順序等，由此需用排隊論和動態(tài)運行、排隊隊長和順序等，由此需用排隊論和動態(tài)運行 Gantt圖來分析研究，得到優(yōu)化的動態(tài)運行程序圖來分析研究，得到優(yōu)化的動態(tài)運行程序 即功能序即功能序-空間序空間序-時間序之間的信息參數(shù)（數(shù)字時間序之間的信息參數(shù)（數(shù)字 ）協(xié)同優(yōu)化，解決）協(xié)同優(yōu)化，解決“界面界面”運行過程及其參數(shù)的協(xié)同運行過程及其參數(shù)的協(xié)同 優(yōu)化。排隊論優(yōu)化。排隊論-Gantt圖是動態(tài)運行程序編制的依據(jù)圖是動態(tài)運行程序編制的依據(jù) 之一。同時，也影響著制造流程動態(tài)運行的網(wǎng)絡(luò)和之一。同時，也影響著制造流程動態(tài)運行的網(wǎng)絡(luò)和 軌跡。

15、這一方法在工程設(shè)計過程和實際生產(chǎn)運行過軌跡。這一方法在工程設(shè)計過程和實際生產(chǎn)運行過 程都是離不開的。程都是離不開的。 （3）流程動態(tài)運行規(guī)則制定流程動態(tài)運行規(guī)則制定 根據(jù)流程靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和動態(tài)運行程序優(yōu)根據(jù)流程靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和動態(tài)運行程序優(yōu) 化的分析，要進一步按照化的分析，要進一步按照“協(xié)同論協(xié)同論”的原則制定的原則制定 工序工序/裝置之間動態(tài)運行的規(guī)則。多工序裝置之間動態(tài)運行的規(guī)則。多工序/裝置裝置 協(xié)同運行的相互依賴、相互制約、相互促進關(guān)協(xié)同運行的相互依賴、相互制約、相互促進關(guān) 系，特別是彼此間的伺服關(guān)系是動態(tài)運行過程系，特別是彼此間的伺服關(guān)系是動態(tài)運行過程 優(yōu)化必須建立的基本規(guī)則。這一點在

16、工程設(shè)計優(yōu)化必須建立的基本規(guī)則。這一點在工程設(shè)計 時就應(yīng)重視，生產(chǎn)運行過程中更應(yīng)遵守。時就應(yīng)重視，生產(chǎn)運行過程中更應(yīng)遵守。 （4）以軟件仿真手段研究以軟件仿真手段研究“界面界面”過程動力學過程動力學 及其比較優(yōu)化及其比較優(yōu)化 在上述三步的基礎(chǔ)上，構(gòu)建起了制造流程在上述三步的基礎(chǔ)上，構(gòu)建起了制造流程 的物理系統(tǒng)，進而要利用相關(guān)的計算機軟件，的物理系統(tǒng)，進而要利用相關(guān)的計算機軟件， 進行全流程動態(tài)運行過程的仿真建模。要在圖進行全流程動態(tài)運行過程的仿真建模。要在圖 論、排隊論論、排隊論-Gantt圖圖和動態(tài)運行規(guī)則和動態(tài)運行規(guī)則的基礎(chǔ)上的基礎(chǔ)上 進一步深化進一步深化“界面技術(shù)界面技術(shù)”的過程內(nèi)涵，挖

17、掘出若的過程內(nèi)涵，挖掘出若 干反映運行過程動力學機制干反映運行過程動力學機制“次界面次界面”的方法、的方法、 步驟，進而研究步驟，進而研究“界面界面”-“次界面次界面”的動態(tài)過程的動態(tài)過程 路線優(yōu)化和工序之間的長程協(xié)同優(yōu)化，反過來路線優(yōu)化和工序之間的長程協(xié)同優(yōu)化，反過來 也可評價流程動態(tài)運行和靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)之間的優(yōu)化也可評價流程動態(tài)運行和靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)之間的優(yōu)化 關(guān)系。關(guān)系。 （5）工程化工程化 在運行規(guī)則和信息感知器件的支持下，解在運行規(guī)則和信息感知器件的支持下，解 決物質(zhì)流決物質(zhì)流/能量流能量流/信息流協(xié)同優(yōu)化的自感知、信息流協(xié)同優(yōu)化的自感知、 自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)的數(shù)字信息系統(tǒng)，在自決策、自執(zhí)行、

18、自適應(yīng)的數(shù)字信息系統(tǒng)，在 此問題上要解決好物質(zhì)流網(wǎng)絡(luò)、能量流網(wǎng)絡(luò)和此問題上要解決好物質(zhì)流網(wǎng)絡(luò)、能量流網(wǎng)絡(luò)和 信息流網(wǎng)絡(luò)之間的信息流網(wǎng)絡(luò)之間的“三三網(wǎng)網(wǎng)”聯(lián)結(jié)、融合問題，構(gòu)聯(lián)結(jié)、融合問題，構(gòu) 建起基于物理系統(tǒng)過程耗散優(yōu)化的建起基于物理系統(tǒng)過程耗散優(yōu)化的CPS系統(tǒng)，系統(tǒng)， 實現(xiàn)工程化的全流程智能化。實現(xiàn)工程化的全流程智能化。 （6）關(guān)于物質(zhì)流關(guān)于物質(zhì)流-能量流之間的關(guān)聯(lián)能量流之間的關(guān)聯(lián) 流程動態(tài)運行過程中，物質(zhì)流（鐵素物質(zhì)流）的流程動態(tài)運行過程中，物質(zhì)流（鐵素物質(zhì)流）的 轉(zhuǎn)換運行過程和能量流（包括二次能量流、三次能量轉(zhuǎn)換運行過程和能量流（包括二次能量流、三次能量 流）的輸入流）的輸入-轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換-輸

19、出過程是密切相關(guān)的，特別是二輸出過程是密切相關(guān)的，特別是二 次能量流的產(chǎn)生次能量流的產(chǎn)生/輸出與冶金工藝裝置的運行特征直接輸出與冶金工藝裝置的運行特征直接 有關(guān)，例如高爐煤氣的產(chǎn)生有關(guān)，例如高爐煤氣的產(chǎn)生/輸出形式是連續(xù)流；轉(zhuǎn)爐輸出形式是連續(xù)流；轉(zhuǎn)爐 煤氣的產(chǎn)生煤氣的產(chǎn)生/輸出則與轉(zhuǎn)爐吹氧過程直接關(guān)聯(lián)，是間歇輸出則與轉(zhuǎn)爐吹氧過程直接關(guān)聯(lián)，是間歇 流；而焦爐由于存在輪流出焦的工藝方式，其焦爐煤流；而焦爐由于存在輪流出焦的工藝方式，其焦爐煤 氣的產(chǎn)生氣的產(chǎn)生/輸出呈鋸齒型的連續(xù)流輸出呈鋸齒型的連續(xù)流。實際上，蒸汽。實際上，蒸汽 的產(chǎn)生的產(chǎn)生/輸出也有類似的現(xiàn)象。不同的物質(zhì)流輸出也有類似的現(xiàn)象。不同的物質(zhì)流-能量流能量流 關(guān)聯(lián)形式，可以出現(xiàn)不同的信息流和程序，將物質(zhì)流關(guān)聯(lián)形式，可以出現(xiàn)不同的信息流和程序，將物質(zhì)流 、能量流關(guān)聯(lián)起來，將鋼鐵生產(chǎn)過程和能源系統(tǒng)聯(lián)系、能量流關(guān)聯(lián)起來，將鋼鐵生產(chǎn)過程和能源系統(tǒng)聯(lián)系 起來，這是當前鋼廠能源中心技術(shù)升級的關(guān)鍵點。起來，這是當前鋼廠能源中心技術(shù)升級的關(guān)鍵點。 七、結(jié)語七、結(jié)語 （1）智能化是鋼鐵工業(yè)的重要發(fā)展方向）智能化是鋼鐵工業(yè)的重要發(fā)展方向 之一，要高度重視，不能錯失時機