工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

賽迪張朝:工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)+工業(yè)設(shè)備上云系列研究(一)煉鐵高爐

ainet.cn   2021年06月22日

  工業(yè)設(shè)備上云是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)建設(shè)和應(yīng)用的重點(diǎn),難點(diǎn),也是切入點(diǎn),意義十分重大。2018年7月工信部發(fā)布的《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)建設(shè)及推廣指南》,提出要“實(shí)施工業(yè)設(shè)備上云‘領(lǐng)跑者’計(jì)劃”,并明確了四類十大重點(diǎn)工業(yè)設(shè)備,即以煉鐵高爐、工業(yè)鍋爐、石化設(shè)備為代表的高能耗設(shè)備,以柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、大中型電機(jī)、大型空壓機(jī)為代表的高通用設(shè)備,以工程機(jī)械、數(shù)控機(jī)床為代表的高價(jià)值設(shè)備和以風(fēng)電、光伏為表的新能源設(shè)備。

  三年來(lái),工業(yè)設(shè)備上云取得了重大進(jìn)展,全國(guó)重點(diǎn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)連接的工業(yè)設(shè)備數(shù)量超過(guò)7300萬(wàn)臺(tái)套,上云深度從狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷向預(yù)測(cè)預(yù)警、精準(zhǔn)運(yùn)維演進(jìn)。為幫助業(yè)界進(jìn)一步明確不同工業(yè)設(shè)備上云面臨的痛點(diǎn)問(wèn)題、應(yīng)用場(chǎng)景、實(shí)施路徑和推廣前景,賽迪智庫(kù)信息化與軟件產(chǎn)業(yè)研究所工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)研究室在調(diào)研40余家企業(yè)的基礎(chǔ)上,編制形成了“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)+工業(yè)設(shè)備上云”系列研究報(bào)告。

文 | 賽迪智庫(kù)信軟所工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)研究室 張朝

  煉鐵高爐面臨著設(shè)備管理低效、環(huán)保管理粗放、工藝知識(shí)高度隱性和設(shè)備互聯(lián)水平低等痛點(diǎn)問(wèn)題。以東方國(guó)信、北京智冶互聯(lián)、寶信軟件等為代表的解決方案企業(yè)積極探索基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)推動(dòng)煉鐵高爐上云,并開(kāi)展高爐故障診斷、高爐綠色生產(chǎn)、生產(chǎn)工藝優(yōu)化和產(chǎn)線協(xié)同管控等新型應(yīng)用服務(wù),有效提升了煉鐵高爐運(yùn)行效率和能源利用效率。

痛點(diǎn)問(wèn)題

  01設(shè)備管理低效

  鋼鐵企業(yè)通常部署煉鐵高爐等眾多高價(jià)值設(shè)備,數(shù)字化水平普遍較低,亟需增強(qiáng)自感知、自分析和自決策等功能。傳統(tǒng)的高爐管理主要采取事后維護(hù)或定期維護(hù),難以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高爐等設(shè)備的溫度、壓力、流量等各種工況數(shù)據(jù)并準(zhǔn)確識(shí)別設(shè)備故障,容易造成產(chǎn)線停滯和生產(chǎn)安全等重大問(wèn)題。

  02環(huán)保管理粗放

  鋼鐵行業(yè)是高耗能、高污染、高排放的代表性行業(yè),在國(guó)家大力治理環(huán)境污染背景下,面臨著環(huán)保成本急劇上升的壓力。在傳統(tǒng)模式下,企業(yè)采集、監(jiān)測(cè)的煉鐵產(chǎn)線設(shè)備能耗和排污情況,難以精準(zhǔn)確定重點(diǎn)問(wèn)題環(huán)節(jié),清潔發(fā)展水平不高。

  03工藝知識(shí)高度隱性

  鋼鐵行業(yè)是典型的長(zhǎng)流程行業(yè),生產(chǎn)環(huán)節(jié)眾多,工藝復(fù)雜,對(duì)工藝知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)的依賴程度很高。鋼鐵企業(yè)冶煉工藝、冶煉配方等決策只能依靠隱性生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),容易造成工人操作水平參差不齊和產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng),對(duì)生產(chǎn)效率具有重要影響。

  04設(shè)備互聯(lián)水平低

  鋼鐵企業(yè)內(nèi)部、上下游企業(yè)之間設(shè)備信息孤島問(wèn)題嚴(yán)重,互聯(lián)互通水平較差,容易造成上下游企業(yè)間的信息盲區(qū),使鋼鐵企業(yè)很難作出科學(xué)高效的采銷決策,難以減少庫(kù)存、提高產(chǎn)能利用率。

應(yīng)用場(chǎng)景

  01高爐故障診斷

  推動(dòng)煉鐵高爐上云,可實(shí)時(shí)采集高爐等高價(jià)值設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù),結(jié)合設(shè)備故障診斷模型,自動(dòng)預(yù)警設(shè)備故障并確定最優(yōu)設(shè)備維護(hù)方案,實(shí)現(xiàn)設(shè)備健康管理。一是設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)。實(shí)時(shí)采集高爐設(shè)備工作溫度、應(yīng)力分布和工作環(huán)境等狀態(tài)數(shù)據(jù),并做可視化處理,增強(qiáng)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性和可靠性。二是設(shè)備故障預(yù)警。綜合利用采集的高爐設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù),結(jié)合煉鐵高爐故障診斷模型,對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行分析和預(yù)警,避免發(fā)生高爐燒穿、高爐爆炸等生產(chǎn)事故。三是煉鐵設(shè)備維護(hù)仿真。精準(zhǔn)確定設(shè)備故障位置和重要性,在賽博空間中仿真模擬維護(hù)方案,提高設(shè)備維護(hù)效率。

  例如,寶武集團(tuán)面向鋼鐵行業(yè)設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)維建立了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái),推動(dòng)煉鐵高爐等設(shè)備上云上平臺(tái),促進(jìn)了設(shè)備維修實(shí)現(xiàn)從被動(dòng)處理到主動(dòng)管控、從單一數(shù)據(jù)專項(xiàng)分析到大數(shù)據(jù)綜合分析、從基于經(jīng)驗(yàn)的預(yù)防性維修到基于數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)性維修、從單純反饋設(shè)備狀態(tài)到提供整體解決方案的四個(gè)轉(zhuǎn)變,為企業(yè)帶來(lái)了顯著經(jīng)濟(jì)效益,使設(shè)備運(yùn)維成本降低5%以上、檢修作業(yè)效率提升10%以上、設(shè)備整體效率提升5%以上、備件使用效率提升10%,并每年為企業(yè)帶來(lái)基于平臺(tái)增加的社會(huì)市場(chǎng)技術(shù)服務(wù)費(fèi)2000萬(wàn)元以上。

  寶武裝備智能科技有限公司通過(guò)智能傳感、工業(yè)物聯(lián)、數(shù)據(jù)挖掘、人機(jī)交互等先進(jìn)技術(shù),率先開(kāi)發(fā)了鐵區(qū)設(shè)備遠(yuǎn)程智能運(yùn)維云平臺(tái),將設(shè)備狀態(tài)與生產(chǎn)工藝相結(jié)合、將智能傳感與5G相結(jié)合、將煉鐵工藝機(jī)理與人工智能(AI)技術(shù)相結(jié)合,對(duì)煉鐵63093臺(tái)套設(shè)備按照重要程度、運(yùn)行狀態(tài)、可監(jiān)測(cè)度、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行多維度分類梳理,確定41104臺(tái)設(shè)備可通過(guò)遠(yuǎn)程運(yùn)維進(jìn)行管理。目前,寶鋼股份煉鐵廠關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)維遠(yuǎn)程化率達(dá)到65.1%,設(shè)備突發(fā)故障趨向于零,停機(jī)時(shí)間縮短20%以上,人員負(fù)荷下降20%以上,備件庫(kù)存下降6%以上,構(gòu)建了面向未來(lái)的遠(yuǎn)程、智能、高效設(shè)備運(yùn)維新模式。

  02高爐綠色生產(chǎn)

  推動(dòng)煉鐵高爐上云,可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能耗和排污情況,提高環(huán)保管理的精準(zhǔn)性和科學(xué)性,實(shí)現(xiàn)清潔低碳的綠色化生產(chǎn)。一是節(jié)能降耗。采集高爐等煉鐵產(chǎn)線設(shè)備能源消耗類型、速度、時(shí)間等數(shù)據(jù),基于高爐能效優(yōu)化模型,精準(zhǔn)優(yōu)化設(shè)備能源供給,降低能耗成本。二是治污減排。動(dòng)態(tài)采集煉鐵高爐排放的廢水、廢氣的總量、成分、時(shí)間等數(shù)據(jù),結(jié)合各環(huán)節(jié)化學(xué)反應(yīng)模型,深入分析問(wèn)題環(huán)節(jié),綜合確定工藝優(yōu)化和設(shè)備升級(jí)方案,減少對(duì)生態(tài)環(huán)境的污染和破壞。

  例如,酒鋼集團(tuán)是我國(guó)西部最大的鋼鐵聯(lián)合企業(yè),其原燃料主要依賴自產(chǎn),原燃料質(zhì)量差并且波動(dòng)幅度大,高爐類型多樣化,因反應(yīng)器“黑箱”特性,其能耗成本和環(huán)保成本一直居高不下。在實(shí)施了東方國(guó)信煉鐵云平臺(tái)后,煉鐵高爐等設(shè)備數(shù)據(jù)在云端匯聚,提高企業(yè)優(yōu)化綠色發(fā)展水平,助力酒鋼集團(tuán)單座高爐每年減少碳排放20000噸。東方國(guó)信預(yù)期整個(gè)鋼鐵行業(yè)在推行Cloudiip平臺(tái)后,每年將為我國(guó)鋼鐵行業(yè)降低100億元成本和1000萬(wàn)噸碳排放。

  03生產(chǎn)工藝優(yōu)化

  推動(dòng)煉鐵高爐上云,可實(shí)時(shí)采集高爐工況數(shù)據(jù),與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)中的工業(yè)機(jī)理模型進(jìn)行對(duì)接,優(yōu)化生產(chǎn)決策,實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)。一是生產(chǎn)工藝優(yōu)化?;诟郀t狀態(tài)、物料、產(chǎn)出等經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)優(yōu)化煉鐵工藝模型,依托煉鐵高爐實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),動(dòng)態(tài)優(yōu)化原料配比、裝料制度等生產(chǎn)決策,優(yōu)化生產(chǎn)工藝方案。二是生產(chǎn)過(guò)程管控。采集煉鐵過(guò)程中的物料檢化驗(yàn)數(shù)據(jù)、操作工藝數(shù)據(jù)、運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù),結(jié)合過(guò)程管控模型,實(shí)時(shí)優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程,自主決策并控制高爐運(yùn)行參數(shù)。三是產(chǎn)品質(zhì)量管控。利用機(jī)器視覺(jué)等技術(shù),結(jié)合質(zhì)量檢測(cè)、質(zhì)量管理等模型,對(duì)采集到的產(chǎn)品全過(guò)程質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析,實(shí)現(xiàn)全流程產(chǎn)品質(zhì)量跟蹤及自動(dòng)控制。

  例如,東方國(guó)信利用在行業(yè)機(jī)理和大數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域積累的技術(shù)優(yōu)勢(shì),基于煉鐵高爐上云,將采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和機(jī)理模型相結(jié)合,在工藝優(yōu)化、生產(chǎn)管控和質(zhì)量管理等環(huán)節(jié)為鋼鐵企業(yè)實(shí)現(xiàn)了降本增效的經(jīng)濟(jì)目標(biāo)。酒鋼集團(tuán)在實(shí)施煉鐵平臺(tái)之后,鐵水質(zhì)量穩(wěn)定性提高了20%,平均單座高爐每年降低了成本2400萬(wàn)元,冶煉效率提升了10%。

  鞍鋼股份積極推動(dòng)煉鐵高爐上云,通過(guò)引進(jìn)業(yè)內(nèi)先進(jìn)技術(shù),運(yùn)用數(shù)字測(cè)溫、三維激光雷達(dá)、熱成像等技術(shù)對(duì)高爐爐缸、冷卻壁及爐內(nèi)等關(guān)鍵部位的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè),根據(jù)各高爐的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和操作特點(diǎn),從熱力學(xué)、煉鐵學(xué)、冶金物理化學(xué)等機(jī)理層面開(kāi)發(fā)高爐數(shù)字模型,實(shí)現(xiàn)高爐的高效穩(wěn)定生產(chǎn),建立了合理的管理標(biāo)準(zhǔn),有效控制煤氣流分布,減少異常工況情況,提高煤氣利用率,降低煉鐵成本3元/噸,目前已完成兩座高爐的改造,正在逐步推廣。

  04產(chǎn)線協(xié)同管控

  推動(dòng)煉鐵高爐上云,可實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈中高爐設(shè)備的互聯(lián)互通,匯聚產(chǎn)業(yè)鏈上下游信息,結(jié)合上游物料供給和下游需求情況,依據(jù)高爐生產(chǎn)狀態(tài),制定科學(xué)的物料采購(gòu)與生產(chǎn)計(jì)劃,在一定計(jì)劃原料庫(kù)存的情況,實(shí)現(xiàn)采購(gòu)、生產(chǎn)與銷售的協(xié)同,降低產(chǎn)線整體生產(chǎn)成本。一是產(chǎn)業(yè)鏈物料流通協(xié)同。采集煉鐵高爐原材料消耗和鐵水產(chǎn)出數(shù)據(jù),結(jié)合智能排產(chǎn)模型自動(dòng)生成生產(chǎn)計(jì)劃,實(shí)現(xiàn)企業(yè)物料動(dòng)態(tài)平衡。二是社會(huì)范圍生產(chǎn)能力協(xié)同。基于煉鐵高爐上云推動(dòng)全產(chǎn)業(yè)鏈高爐運(yùn)行數(shù)據(jù)集成共享,結(jié)合產(chǎn)訂單共享、產(chǎn)能平衡等機(jī)理模型,動(dòng)態(tài)匹配產(chǎn)品性能要求和鋼廠的生產(chǎn)工藝水平,提高煉鐵高爐設(shè)備利用率。

  例如,北京智冶互聯(lián)科技有限公司為興澄特鋼搭建企業(yè)私有云平臺(tái),推動(dòng)以高爐為中心的鐵前產(chǎn)線生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)上云,同時(shí)也建立了基于配料機(jī)理及大數(shù)據(jù)分析的市場(chǎng)-采購(gòu)-生產(chǎn)一體化協(xié)同配礦體系,助力興澄特鋼實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)(檢化驗(yàn)、生產(chǎn)、采購(gòu)庫(kù)存等數(shù)據(jù))采集超過(guò)97%,并為其提供基于成本最優(yōu)、止損等定制服務(wù),尋找外圍市場(chǎng)和廠內(nèi)原料庫(kù)存與生產(chǎn)之間的最優(yōu)采購(gòu)與配料方案,使企業(yè)噸鐵配礦成本降低6.88元,單條年產(chǎn)150萬(wàn)噸的燒結(jié)-高爐產(chǎn)線年降本344萬(wàn)元,提高鐵水質(zhì)量8.8%。

  寶信軟件基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái),依托中國(guó)寶武大數(shù)據(jù)中心,建設(shè)高爐互聯(lián)智控平臺(tái),通過(guò)寶武集團(tuán)內(nèi)大跨域廣連接多高爐信息鏈、資產(chǎn)鏈、價(jià)值鏈的全景展示和融合應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)集團(tuán)內(nèi)40座在役運(yùn)行高爐(3000m3以上高爐數(shù)量占全國(guó)40%,服務(wù)高爐的生鐵產(chǎn)量占全國(guó)11%、占世界7%)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通、數(shù)據(jù)匯集、遠(yuǎn)程監(jiān)視、智能對(duì)標(biāo)、高爐畫(huà)像(競(jìng)爭(zhēng)力評(píng)價(jià))、數(shù)據(jù)挖掘和生產(chǎn)優(yōu)化,有效支撐寶武集團(tuán)各個(gè)基地?zé)掕F一體化協(xié)同運(yùn)作。

推廣前景

  當(dāng)前,我國(guó)鋼鐵行業(yè)有1000余座煉鐵高爐,僅有30%的高爐已接入云平臺(tái),能耗水平較高,環(huán)保壓力日益增大,上云推廣市場(chǎng)空間巨大。據(jù)統(tǒng)計(jì),2019年我國(guó)高爐煉鐵焦比為366.26kg/t、燃料比為535.95kg/t,均落后于國(guó)際先進(jìn)水平。2020年,我國(guó)鋼鐵行業(yè)的碳排放量占全國(guó)碳排放總量的15%左右,是迫切需要實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展的重點(diǎn)行業(yè)。推動(dòng)煉鐵高爐上云,可實(shí)時(shí)采集設(shè)備工況數(shù)據(jù),結(jié)合大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù),開(kāi)展高爐設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)、故障預(yù)警、遠(yuǎn)程運(yùn)維等智能服務(wù),改善能耗水平和綠色生產(chǎn)水平。預(yù)計(jì)到2025年,煉鐵高爐上云普及率將超過(guò)45%,使設(shè)備平均能耗降低2%,CO2排放量減少1千萬(wàn)噸以上。

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