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轉(zhuǎn)自我的鋼鐵網(wǎng)-王國(guó)棟:鋼鐵工業(yè)信息系統(tǒng)必須是全流程、一體化

發(fā)布時(shí)間:[2019-10-13 11:5:30]    瀏覽量:1766次

“我國(guó)鋼鐵工業(yè)近幾年形成了信息技術(shù)集成、過程工藝技術(shù)集成、全生命周期技術(shù)集成的三維技術(shù)集成,這些技術(shù)集成是信息化的基礎(chǔ)。因此,鋼鐵行業(yè)是離智能化最近的行業(yè),具有最好的實(shí)現(xiàn)智能化的條件,對(duì)智能化的需求也是最迫切的!9月27日,中國(guó)工程院院士、東北大學(xué)教授王國(guó)棟在由中國(guó)冶金報(bào)社、唐山市工業(yè)和信息化局共同主辦,遷安市九江線材有限責(zé)任公司協(xié)辦的2019(第五屆)中國(guó)鋼鐵產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+推進(jìn)大會(huì)上表示。

鋼鐵工業(yè)智能制造平臺(tái)架構(gòu)

王國(guó)棟介紹了鋼鐵工業(yè)智能制造的平臺(tái)架構(gòu)。

在他看來,智能有以下幾個(gè)特點(diǎn):一是具有感知能力,即具有能夠感知外部世界、獲取外部信息的能力,是產(chǎn)生智能活動(dòng)的前提條件和必要條件。二是具有記憶和思維能力,即能夠存儲(chǔ)感知到的外部信息及由思維產(chǎn)生的知識(shí),同時(shí)可利用已有的知識(shí)對(duì)信息進(jìn)行分析、計(jì)算、比較、判斷、聯(lián)想、決策。三是具有學(xué)習(xí)能力和自適應(yīng)能力,即通過與環(huán)境的相互作用,不斷學(xué)習(xí)積累知識(shí),使自己能夠適應(yīng)環(huán)境變化。四是具有行為決策能力,即對(duì)外界的刺激做出反應(yīng),形成決策并傳達(dá)相應(yīng)的信息。

智能控制的核心是信息物理系統(tǒng)(CPS)。該系統(tǒng)的總體架構(gòu)為:感知(物理)層、網(wǎng)絡(luò)層、計(jì)算層。其通過集成先進(jìn)的感知、計(jì)算、通信、控制等信息技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù),構(gòu)建了物理空間與信息空間中人、機(jī)、物、環(huán)境、信息等要素相互映射、適時(shí)交互、高效協(xié)同的復(fù)雜系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)資源配置和運(yùn)行的按需響應(yīng)、快速迭代、動(dòng)態(tài)優(yōu)化。目前冶金企業(yè)的嵌入式工業(yè)控制系統(tǒng)構(gòu)成為物理層、網(wǎng)絡(luò)層、計(jì)算控制層、應(yīng)用層。

王國(guó)棟指出,智能制造平臺(tái)建設(shè)的原則,一是充分利用企業(yè)現(xiàn)有系統(tǒng)和現(xiàn)有數(shù)據(jù),采用先進(jìn)的智能制造技術(shù),增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通和數(shù)據(jù)采集與處理,開發(fā)CPS系統(tǒng)的數(shù)字孿生,即數(shù)字感知系統(tǒng),使企業(yè)現(xiàn)有系統(tǒng)升級(jí)為具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自組織的智能系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)全流程智能制造,促進(jìn)企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

二是要實(shí)施真正的智能化。企業(yè)在實(shí)施全流程、一體化智能制造的過程中,應(yīng)當(dāng)在滿足系統(tǒng)功能要求的前提下,逐步、穩(wěn)妥地對(duì)現(xiàn)有的企業(yè)資源計(jì)劃(ERP)、制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)、過程控制、基礎(chǔ)自動(dòng)化等系統(tǒng)進(jìn)行軟件改造,使其具有感知能力、記憶和思維能力、學(xué)習(xí)能力和自適應(yīng)能力、行為決策能力,成為真正的智能化系統(tǒng)。

“鋼鐵工業(yè)是一個(gè)流程工業(yè),因此鋼鐵工業(yè)信息系統(tǒng)必須是全流程、一體化的,能夠?qū)崿F(xiàn)物質(zhì)流、信息流、能量流的綜合分析、控制、管理。”王國(guó)棟強(qiáng)調(diào)。

他進(jìn)一步指出,隨著技術(shù)手段的豐富和計(jì)算能力的提升,解決問題的方式將從把復(fù)雜問題分為相對(duì)簡(jiǎn)單的不同層次,逐層解決問題的傳統(tǒng)方式,轉(zhuǎn)變?yōu)椤翱鐚、跨域”的扁平化發(fā)展的方式。

扁平化雙層架構(gòu)為“云端智能層”和“本地決策層”。云端智能層具有低實(shí)時(shí)性的MES、ERP和BI(商務(wù)智能)功能,實(shí)現(xiàn)質(zhì)量、設(shè)備能力、成本、資源、人力資源等多個(gè)目標(biāo)的綜合協(xié)調(diào)!氨镜貨Q策層”具有高實(shí)時(shí)性PCS(過程控制系統(tǒng))、BA(樓宇設(shè)備自控系統(tǒng))和傳感器等功能,輔以人工智能、大數(shù)據(jù)等新技術(shù),強(qiáng)化計(jì)算能力、實(shí)時(shí)性等。兩層級(jí)之間在線實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整,靈活、協(xié)調(diào)地實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量、效率的提升。

為了更好地實(shí)現(xiàn)扁平化發(fā)展,企業(yè)需要邊緣計(jì)算。應(yīng)用邊緣計(jì)算可實(shí)現(xiàn)對(duì)近場(chǎng)裝置、設(shè)備及系統(tǒng)的智能控制,解決網(wǎng)絡(luò)延時(shí)帶來的不確定性問題,減輕云端負(fù)擔(dān),同時(shí)兼顧云計(jì)算和終端的協(xié)同。

鋼鐵智能制造平臺(tái)的核心是數(shù)字感知系統(tǒng)

鋼鐵企業(yè)在智能化發(fā)展過程中,面臨著一些問題。王國(guó)棟指出,鋼鐵行業(yè)是多工序、長(zhǎng)流程的流程工業(yè),鋼鐵生產(chǎn)過程為全流程“黑箱”,冶煉反應(yīng)器內(nèi)部、連鑄和軋制工件內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)和物理變化以及相關(guān)的重要參數(shù),看不見、摸不到、測(cè)不出,實(shí)時(shí)、內(nèi)部信息感知極度缺乏;目前系統(tǒng)中使用的模型大多為理論模型或經(jīng)驗(yàn)?zāi)P,存在較大的不確定性,預(yù)報(bào)精度差,難以實(shí)現(xiàn)高精度的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制,控制決策存在粗獷性甚至是盲目性問題;由于工藝條件、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)變化引起生產(chǎn)工況發(fā)生復(fù)雜變化,過程輸入條件、狀態(tài)變量和控制目標(biāo)之間關(guān)系復(fù)雜。

“數(shù)字感知為我們利用大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、AI(人工智能)等現(xiàn)代信息技術(shù)攻克以往無法逾越的障礙提供了全新的思路和可行的方法,為冶金等行業(yè)的精準(zhǔn)感知及控制提供了理想的解決方案!蓖鯂(guó)棟進(jìn)一步表示,“在信息流的控制下,物質(zhì)流與能量流發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或物理作用,因此以足夠的精度求解基于物理—化學(xué)反應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,可以獲得物質(zhì)流、能量流、信息流的統(tǒng)一解!

鋼鐵行業(yè)數(shù)學(xué)模型由于具有不確定性、強(qiáng)非線性、極其復(fù)雜性的特點(diǎn),必須采用數(shù)學(xué)模型與AI/大數(shù)據(jù)結(jié)合的方式,以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)主線,以人工智能及實(shí)測(cè)大數(shù)據(jù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,高效率地實(shí)現(xiàn)高精度數(shù)字感知,破解鋼鐵行業(yè)“黑箱”系統(tǒng)。

CPS系統(tǒng)的基本組件包括傳感器、執(zhí)行器和決策控制單元;窘M件結(jié)合反饋循環(huán)控制機(jī)制構(gòu)成了CPS的基本功能邏輯單元,執(zhí)行最基本的檢測(cè)與控制功能數(shù)字感知系統(tǒng):基于大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和物理—化學(xué)模型的巨型數(shù)字傳感系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)物理世界全部物理量的數(shù)字孿生。

其中,決策控制單元能依據(jù)數(shù)字感知系統(tǒng)、感知信息和用戶輸入規(guī)則進(jìn)行智能決策,發(fā)出工藝控制參數(shù)調(diào)整指令,保證在既定的條件下得到控制目標(biāo)值。

王國(guó)棟指出,物理系統(tǒng)的數(shù)字孿生是核心。工業(yè)4.0的數(shù)字感知系統(tǒng)能全面感知和掌控信息流、物質(zhì)流、能量流的全流程規(guī)律。全流程一體化CPS系統(tǒng)可以系統(tǒng)解決斷點(diǎn)和數(shù)據(jù)離線自動(dòng)采集等問題,實(shí)現(xiàn)全流程一體化協(xié)調(diào)控制。

智能制造系統(tǒng)的主要功能:一是信息深度感知,即實(shí)現(xiàn)工藝質(zhì)量精準(zhǔn)預(yù)報(bào)與在線狀態(tài)感知;二是數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ),即實(shí)現(xiàn)全流程工藝質(zhì)量數(shù)據(jù)采集與處理;三是網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通,包括5G的物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)連接萬物與人;四是設(shè)備診斷維護(hù),即實(shí)現(xiàn)設(shè)備健康狀態(tài)診斷與智能維護(hù);五是質(zhì)量監(jiān)控優(yōu)化,即實(shí)現(xiàn)質(zhì)量異常原因追溯與生產(chǎn)工藝優(yōu)化;六是精準(zhǔn)協(xié)調(diào)控制,即實(shí)現(xiàn)質(zhì)量精準(zhǔn)控制與多工序協(xié)調(diào)智能優(yōu)化;七是智能優(yōu)化決策,即實(shí)現(xiàn)橫向產(chǎn)供銷全流程一體、縱向各層次協(xié)同的智能優(yōu)化決策。

“建設(shè)鋼鐵工業(yè)信息系統(tǒng),應(yīng)按照鋼鐵生產(chǎn)的流程,在主要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)建立可以進(jìn)行智能感知、決策、控制的智能體,實(shí)現(xiàn)對(duì)各環(huán)節(jié)的智能控制。這些智能體包括:原料處理智能體、高爐冶煉智能體、煉鋼—連鑄智能體、熱軋智能體、冷軋智能體、熱處理智能體。鋼企應(yīng)將各智能體組成涵蓋整個(gè)流程的多智能體,實(shí)現(xiàn)各智能體之間的銜接、協(xié)調(diào)、平衡、優(yōu)化!蓖鯂(guó)棟建議。


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