如何打造流程制造业智能工厂

　　本刊编辑整理

　　在中国，流程行业是制造业的重要组成部分，占全国规模以上工业总产值的47%左右。我国流程行业经过数十年的发展，历经70年代技术与装备引进、80年代初消化吸收、90年代自主创新几个阶段。发展到目前，流程行业的生产工艺、装备和生产过程自动化水平已经得到了大幅度提升，整体实力增长迅速。我国已成为世界上门类最齐全、规模最庞大的流程制造业大国。

　　当前，智能制造的浪潮席卷全球，我国流程行业也迎来第四次工业革命、中国制造业升级转型和供给侧结构性改革的关键时期，如何在当前面临的挑战下抓住其中蕴藏的机遇，实现产业数字化、智能化转型是重中之重。

　　智能化改革的困境

　　流程型制造是以资源和可回收资源为原料，通过物理变化和化学反应的连续复杂生产，为制造业提供原材料和能源的基础工业，包括石化、化工、造纸、水泥、有色、钢铁、制药、食品饮料等行业。

　　与离散行业相比，流程行业生产运行模式特点突出，例如：原料变化频繁，生产过程涉及物理化学反应，机理复杂；生产过程连续，不能停顿，任一工序出现问题必然会影响整个生产线和最终的产品质量；部分产业的原料成分、设备状态、工艺参数和产品质量等无法实时或全面检测等。上述特点在流程行业实施智能化转型的过程中突出地表现为测量难、建模难、控制难和优化决策难。

　　此外，我国流程行业的发展正面临资源紧缺、能源消耗大、环境污染严重的制约。流程行业是高能耗、高污染行业，我国石油、化工、钢铁、有色、电力等流程行业的能源消耗、CO2排放量以及SO2排放量均占全国工业的第一位。

　　据中国电子技术标准化研究院、深圳华制智能制造技术有限公司、东北大学联合发布的《流程型智能制造白皮书》中总结，现阶段，我国流程型制造企业从制造过程底层到生产经营顶层还存在一些问题。

　　1）在以资金流为主的经营决策层面：供应链采购与装置运行特性关联度不高、产业链分布与市场需求存在不匹配，知识型工作自动化水平低，缺乏快速和主动响应市场变化的商业决策机制。

　　2）在以物质流为主的生产运行层面：资源和废弃资源缺乏综合利用，运行过程依靠知识工作者凭经验和知识进行操作，精细化优化控制水平不高，面向高端制造的工艺流程构效分析与认知能力不足，缺乏虚拟制造技术。

　　3）在以能量流为主的能效安环层面：能源的错时空利用技术有待发展，能源管理与生产运行缺乏协同，单位产量能效水平亟需提高。高危化学品、废水、废气、废固的全生命周期足迹缺乏监管和溯源，危化品缺乏信息化集成的流通轨迹监控与风险防范。

　　4）在以信息流为主的信息感知层面：物料属性和加工过程部分特殊参量无法快速获取，大数据、物联网和云计算等技术在物流和产品流通轨迹监控、生产和管理优化中的应用不够，亟需工业物联网扩充信息资源以深度认识复杂的流程行业过程。

　　5）在系统支撑层面：我国流程行业生产效率不理想，既体现为生产系统跨层次运行效率低下，也体现为企业跨领域运营效率低下。现有的系统难以自动化处理非结构数据以驱动智能决策，也无法支撑复杂的知识自动化软件平台以辅助操作工人决策，需要全新的控制系统架构以实现控制-优化-决策一体化。

　　由此可以了解，工艺优化、智能控制、计划调度、物料平衡、设备运维、质量检验、能源管控、安全环保等内容，是流程制造业推进智能制造建设时需要考虑的核心要素。尽管现实情况复杂，但是可以看到，智能化转型升级已成为流程行业重要发展趋势，终将推动该行业形成新的生产方式、产业形态和商业模式。

　　在行业的实施落地

　　面向工艺优化、智能控制、生产调度、物料平衡、设备运维、质量检验、能源管理、安全环保等核心问题，流程行业智能制造建设主要围绕数字化、网络化、智能化展开。建设过程主要是在已有的物理制造系统基础上，充分融合智能传感、先进控制、数字孪生、工业大数据、工业云等智能制造关键技术，从生产、管理以及营销的全过程优化出发，实现制造流程、操作方式、管理模式的高效化、绿色化和智能化。

　　以中国钢铁行业首个入选“灯塔工厂”的钢企——宝山钢铁股份有限公司（以下简称“宝钢股份”）为例，2020年，宝钢股份上海基地的五个智慧制造项目获评“灯塔工厂”最佳实践案例，覆盖智慧计划、智慧生产、智慧设备管理、智慧质量管理和智慧物流五大模块。具体包括了满足个性化定制需求的大数据热轧自动生产计划编制系统；降低炼钢成本的转炉数字孪生系统与自动出钢专家系统；实现设备状态智能诊断的数字化工厂平台与智能模型；代替传统人工经验的AI表面质量线检测系统；以及实现实时追踪、无人操作和自动计划的智慧物流系统。

　　世界经济论坛对此评价道，“作为一家有着四十余年历史的企业，宝钢股份很早就进行了数字化的探索，广泛应用了AI、高级分析技术，在数字时代里依然保持着引领行业的竞争力”。

　　宝钢股份的智能制造，以营销、采购、研发、制造等公司核心业务作为数字化、智能化转型的切入点，以精准、实时、高效的数据采集互联体系为纽带，旨在构建一个“全要素、全业务、全流程”的智能化动态运行系统，持续优化资源配置效率，以自动化提高工作效率，以智能化、智慧化提高决策精准性，实现“作业自动化、管理智能化、决策智慧化”的精细化深度运营。

　　经过多年的努力，宝钢股份在国家级试点示范、作业无人化、业务模式创新、流程变革等领域取得了显著成效与经验，其中，入选“灯塔工厂”网络的上海基地建成了炼铁数字化料场、1580智能车间试点示范、一炼钢厚板连铸智能产线、冷轧C008智能车间、硅钢四期智能工厂、出厂物流优化等一批智能化产线，效益效果明显，在智慧制造推进中起到示范引领作用。宝钢股份其他各大基地亦在现场无人化、工业机器人应用、智能化产线建设等各方面持续发力、协同共进，形成了智慧制造的良好发展态势。

　　如今，宝钢股份智能制造体系正在日趋完善，形成综合性的大数据服务能力和工业互联网体系架构，技术能力建设进入新的发展阶段，以人工智能、数字孪生等技术为代表的应用不断拓宽，部分实现了新的突破。

　　（本文整理自《流程型智能制造白皮书》、宝钢股份官网）