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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、七、结语2 2一、离散制造
2、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 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。 3 3 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
3、字化。 机器装配、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。4 4 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
4、出现气、液、固多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。5 5 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、异构单元之间非线性相互作用、动态耦合过程，匹配、元之间非线性相互
5、作用、动态耦合过程，匹配、协同的参数复杂多变，数字化较难。协同的参数复杂多变，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。 流程型制造业的智能化主要体现在制造流程型制造业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。6 6二、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
6、品牌化产品质量品牌化 行（产）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。7 7三、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
7、产工艺其关键技术是生产工艺/装置技术优化、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。8 8四、四、钢铁企业钢铁企业管控管控架构架构 作作为为与与智智能能化化钢钢厂厂相相关关的的管管控控架架构构应应是是两两层平台的框架层平台的框架。图1 钢铁企企业管控管控架构架构两两层平台平台图图2 钢铁企业决策架构解析钢铁企业决策架构解析9 9五、五、钢厂信息物理系统的架构钢厂信息物理
8、系统的架构 钢钢厂厂信信息息物物理理系系统统的的架架构构实实际际上上不不一一定定包包括括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1010 “界界面面技技术”是是一一种种复复杂嵌嵌入入式式系系统，对CPS特特别重重要要，因因为物物理理系系统是是由由异异质、异异构构的的组成成单元元（子子系系统）构构建建而而成成的的。要要实现智智能能化化必必须解解决决异异质异异构构的的子子系系统之之间的的相相互互辨辨识、相相互互感感知知、相相互互作作用用、相相互互协同同的的关关系系，从从而而以以优化化的的“
9、嵌嵌入入”件件的的方方式式融融入入数数字字物物理理系系统之之中中，促促进上上位位系系统（全全流流程程）的的优化、化、协同。同。1111六六、制制造造流流程程中中“界界面面技技术术”的的物物理理系系统统优优化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 制制造造流流程程是是由由一一系系列列相相关关的的、异异质质-异异构构的的工工序序/装装置置以以及及它它们们之之间间的的“界界面面技技术术”构构成成的的。“界界面面技技术术”承承载载着着物物质质流流/能能量量流流/信信息息流流的的沟沟通通、传传递递功功能能；工工序序/装装置置之之间间的的功功
10、能能衔衔接接、匹匹配配；工工序序/装装置置之之间间物物质质流流、能能量量流流的的承承接接、缓缓冲冲功功能能等等。“界界面面技技术术”鲜鲜明明地地影影响响着着制制造造流流程程的的结结构构，尤尤其其是是动动态态运运行行结结构构和和运行效率。运行效率。12121313 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。应该作为制造流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全程智能化的基础。然而这只是实现制造流程全盘智能化中的一部份。
11、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：1414（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过工程设计落实制造流
12、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，图论是构建静态网络的理论基础之一，
13、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。1515（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 在在静静态态网网络络初初步步优优化化的的基基础础上上，由由于于串串联联-并并联联关关系系的的存存在在，上上、下下游游工工序序之之间间动动态态运运行行路路线线的的确确定定有有赖赖于于上上、下下游游工工序序间间输输出出流流-输输入入流流的的方方向向、排排队队队队长长和和顺顺序序等等，由由此此需需用用排排队队论论和和动动态态运运行行Gantt图图来来分分析析研研究究，得得到到优优化化的的动动
14、态态运运行行程程序序即即功功能能序序-空空间间序序-时时间间序序之之间间的的信信息息参参数数（数数字字）协协同同优优化化，解解决决“界界面面”运运行行过过程程及及其其参参数数的的协协同同优优化化。排排队队论论-Gantt图图是是动动态态运运行行程程序序编编制制的的依依据据之之一一。同同时时，也也影影响响着着制制造造流流程程动动态态运运行行的的网网络络和和轨轨迹迹。这这一一方方法法在在工工程程设设计计过过程程和和实实际际生生产产运运行行过过程程都是离不开的。都是离不开的。1616（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优根据流程静态网络优化和动态运行程序
15、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。1717（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比较优化 在上述三步的基础上
16、，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，反过来路线优化和工序之间的长程协同
17、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。1818（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化的CPS系统，系统
18、，实现工程化的全流程智能化。实现工程化的全流程智能化。1919（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 流流程程动动态态运运行行过过程程中中，物物质质流流（铁铁素素物物质质流流）的的转转换换运运行行过过程程和和能能量量流流（包包括括二二次次能能量量流流、三三次次能能量量流流）的的输输入入-转转换换-输输出出过过程程是是密密切切相相关关的的，特特别别是是二二次次能能量量流流的的产产生生/输输出出与与冶冶金金工工艺艺装装置置的的运运行行特特征征直直接接有有关关，例例如如高高炉炉煤煤气气的的产产生生/输输出出形形式式是是连连续续流流；转转炉炉煤煤气气的的产产生生/输输出出则则与与
19、转转炉炉吹吹氧氧过过程程直直接接关关联联，是是间间歇歇流流；而而焦焦炉炉由由于于存存在在轮轮流流出出焦焦的的工工艺艺方方式式，其其焦焦炉炉煤煤气气的的产产生生/输输出出呈呈锯锯齿齿型型的的连连续续流流。实实际际上上，蒸蒸汽汽的的产产生生/输输出出也也有有类类似似的的现现象象。不不同同的的物物质质流流-能能量量流流关关联联形形式式，可可以以出出现现不不同同的的信信息息流流和和程程序序，将将物物质质流流、能能量量流流关关联联起起来来，将将钢钢铁铁生生产产过过程程和和能能源源系系统统联联系系起起来，这是当前钢厂能源中心技术升级的关键点。来，这是当前钢厂能源中心技术升级的关键点。2020七、结语七、结
20、语 （1）智智能能化化是是钢钢铁铁工工业业的的重重要要发发展展方方向向之之一一，要要高高度度重重视视，不不能能错错失失时时机机，但但也也不不会会在在短短时时内内一一蹴蹴而而就就，要要经经历历一一个个探探索索、研研发发、积累、集成、创新的过程；积累、集成、创新的过程； （2）钢钢厂厂智智能能化化要要与与数数字字化化物物理理融融合合系系统统的的概概念念相相对对接接，突突出出“流流”、“流流程程网网络络”和和“运运行行程程序序”的的概概念念，特特别别是是优优化化的的物物质质流流网网络络、能能量量流流网网络络和和信信息息流流网网络络之之间间的的协协同同运运行行，实实现现全全厂厂性性动动态态运运行行、管
21、管理理、服服务务等等过过程程的的自自感感知、自决策、自执行、自适应；知、自决策、自执行、自适应；2121 （3）制制造造流流程程物物理理系系统统优优化化是是钢钢厂厂智智能能化化的的重重要要基基础础性性前前提提，要要充充分分认认识识制制造造流流程程的的运运行行特特点点，不不可可盲盲目目搬搬用用离离散散型型制制造造的的某某些些概概念念和方法；和方法； （4）“界界面面技技术术”的的研研发发是是信信息息物物理理系系统统建建构构中中的的一一个个缺缺失失环环节节，应应作作为为解解决决智智能能化化钢钢厂的重要切入点，予以重视；厂的重要切入点，予以重视； （5）要要防防止止一一知知半半解解、一一哄哄而而起起、以以偏偏概概全全、盲盲目目搬搬用用离离散散型型制制造造智智能能化化的的方方法法来来搞搞钢钢厂智能化。厂智能化。2222谢谢 谢！谢！个人观点供参考，欢迎讨论
