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优秀案例三:大冶特钢特种高温合金材料智能工厂项目

来源:信息化推进科      时间:2021-08-16 14:58

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大冶特钢特种高温合金材料智能工厂项目


案例简介:该项目运用三维数字化设计与仿真技术,优化车间布局与工艺流程;应用真空感应炉、真空自耗炉、气体保护电渣炉、数控车床、数控铣床、数控平面磨床等智能化设备,搭建全流程智能化特冶生产线,实现年产万吨特种高温合金材料;集成数据采集系统、特冶MES系统、制造管理系统、ERP系统、产品数据管理系统、能源管理系统、工业大数据分析系统及工业云平台, 实现生产和产品的全生命周期可追溯、数据信息化和共享,建立高效节能的全新特冶智能制造新模式应用。实现生产效率提高56.97%,运营成本降低20.62%,产品研制周期缩短33.33%,产品不良率降低47.77%,单位产值能耗降低10.98%。

一、项目背景

特种高温合金材料在汽车、核电、军工以及高速铁路等重大装备制造、重大工程建设、国防先进武器和战略新兴产业中具有关键作用,是制造业转型升级的关键原材料之一。随着国民经济的快速发展,汽车、军工、装备制造等行业对特种高温合金材料的需求急剧增加,同时对特种高温合金材料品种和质量也提出了更高要求。

大冶特钢作为国内装备最齐全,生产规模最大的特种高温合金材料生产企业之一。通过建设特种高温合金材料智能工厂,重点攻克特冶全流程智能化生产设备,实现车间总体布局与工艺流程仿真化、最优化,基于MES实现工业互联网数据与管理数据的高效协同与集成,建立产品全生命质量可追溯体系,采用先进智能装备提升核心工艺过程中的制造精度,在生产的每个环节采用自动化生产和智能化控制,保证每个制造节点上的质量稳定性,将有效提升产品质量、满足市场需求、增强企业国际竞争力。

二、项目内容

(一)项目总体方案

本项目以建设特种高温合金材料智能工厂为目标,运用三维数字化设计与仿真技术,优化车间布局与工艺流程;应用真空感应炉、真空自耗炉、气体保护电渣炉、数控车床、数控铣床、数控平面磨床等智能化设备,搭建全流程智能化特冶生产线;集成数据采集系统、特冶MES系统、制造管理系统、ERP系统、产品数据管理系统、能源管理系统、工业大数据分析系统及工业云平台,建立高效节能的全新特冶智能制造新模式应用,总体方案如图1所示:

1  总体方案设计

(二)项目主要建设内容

1、特种高温合金材料三维虚拟工厂

大冶特钢特种高温合金材料三维虚拟工厂以工艺流程仿真为主,利用计算机虚拟现实、 三维仿真技术、视频监控技术、物联网技术为厂区的关键设备运行监控、生产工艺流程、工厂的管网可视化保障,实现厂房和关键区域的安全监控

该平台主要包括厂房工艺管网可视化、工艺仿真可视化(设备运行监测预警和工艺流程动态模拟)。工艺管网可视化包括管网属性查询可视化、管道工艺流程可视化、管网视频监控等相关功能。设备运行监测报警包括真空感应炉相关生产参数/设备监视和真空感应炉相关生产参数/设备报警功能。工艺流程动态模拟主要对接第三方实时数据信息,真实、直观展示3台真空感应炉、4台真空自耗炉、3台退火炉的生产工艺流程。实现特种高温合金车间区域的入口安全帽检测和区域周界防范。

2 作业场景界面图

3 真空自耗炉界面图

2、特冶MES系统

特冶MES系统作为生产厂级别的管理系统,承担着大冶特钢特种冶炼产线下各工序的日常生产管控及生产数据处理职能。即根据上层制造管理系统下达的生产计划、判定标准执行日常生产作业,并向下采集生产数据反馈至制造管理系统,支撑企业整体信息化运作。

从产供销系统中订立合同开始,经过合同处理、合同计划、转用充当、材料申请、作业计划编制下发,特种高温合金MES系统接收生产计划,进行作业指令调整下达。通过生产实绩收集、在线质量控制、缴库、发货作业管理等环节,同产供销系统一起构成企业销售、生产、质量、供货等企业活动的计算机管理闭环。

该系统包括作业命令管理、物料跟踪与实绩、仓库管理、在线质量管理、工装管理、工序成本管理、统计报表及系统管理等功能模块。为特冶厂提供全面的数据采集与质量追溯,达到生产管理数字化、无纸化、可视化的目标。打造一个扎实、可靠、全面、可行的制造协同管理平台。

3、特冶锻造质量大数据系统

针对特冶、锻造各条生产线,根据产品工程师、工艺工程师以及各产线的质量技术人员的需求,以生产过程中的实时质量数据为基础,质量标准为依据,将质量信息前后工序传递、展示,对异常信息进行报警。建立基于工业大数据平台为基础的质量大数据系统,通过积累的全流程质量数据,为产品工程师、工艺工程师、质量技术人员提供质量追溯,也为后期进行质量分析提供支撑。

4、基于深度学习的产品自动评级系统

系统为一款完全端到端的显微金相评级系统,测量人员从显微镜或者计算机中将显微图像导入到评级模块中以后,通过选择不同的评级模块,评级模型自动完成平均晶粒粒度、混合晶粒粒度或者是夹杂物的评级工作,然后将结果导入到数据库中,并生成可视化报表以供查看,人工仅需完成制样以及其它的额外辅助工作即可。

三、成效总结

通过智能制造新模式应用,本项目实现在生产效率、运营成本、产品升级周期、产品不良率、单位产值能耗等方面的提升。

1、生产效率提升通过采用全自动真空感应炉、全自动真空自耗炉、全自动电渣炉、自动送样系统、全自动分析系统等设备建设自动化生产线,提高生产能力与生产效率。通过MES、ERP等智能化管控系统集成,有效识别并解决生产管理中的瓶颈,有效解决生产关键点工艺管理问题。建立完整的识别、改善、实施、验证流程,使得生产产品状态得到有效保证,全面提升生产效率。

2、运营成本降低通过全自动的生产线和智能化的管理监控,有效提高设备效率、整合技术工人,提高人员劳动效率,降低人工成本;通过二级系统、MES、能源工控系统、ERP系统的高效协同与集成,采用优化排程技术,提高物料周转速度,可提升销售量降低存货量,实现降低工厂的运营成本。

3、产品研制周期缩短通过产品质量建模与工艺仿真,有效规避多余工艺验证,找到最佳工艺参数,降低工艺验证周期。应用基于工业大数据的工艺监控和质量优化平台,有效缩短新产品研制周期,修正新产品的性能指标,实现全寿命周期的产品研发管理,提高新产品产业化实现能力。

4、产品不良品率降低通过应用全自动化设备和智能化设备,减少人工操作不确定性,有效降低人工失误对产品质量的影响;通过工艺优化,使得产品制程参数维持在可控范围内,能够有效控制工艺废品率;通过工艺参数实时监控与数据采集,实现产品质量可追溯,降低产品不良品率。

5、单位产值能耗降低通过采用最先进的空心电感技术,无电抗器的压降损失,熔炼过程可采用常规弧压控制及计算机自动控制,可自动引弧,自动补缩、弧压自动跟踪,保证熔化电流稳定同时减少电能损耗;通过燃气炉智能燃烧技术应用,实现退火炉空煤比的精准控制,减少煤气消耗;通过应用能源综合管控系统,降低出炉温度、减少加热时间,降低工序电耗。达到单位产值能耗降低的目的。

四、亮点及模式总结

(一)项目的主要创新点

本项目将数字化、网络化技术应用于特冶生产车间建设,以先进的生产流程管控系统、质量工艺管控系统、生产过程控制管控系统、制造执行MES系统等为依托,实现特种高温合金材料生产管理的智能化和工艺流程的自动化。

企业信息化过程中,统一应用集成平台。应用集成开发平台采用基于C++、.net语言的Baosight iPlat4C,通过组件化、一体化的平台产品提供了完整的覆盖企业应用全生命周期的支撑,从设计、开发、调试和部署,到运行、维护、管控和治理,真正意义上帮助企业实现统一应用架构的发展策略,并达到低成本、高质量、灵活、易管控的构造应用和服务的目标。

特冶MES的开发。在制造执行层中,MES生产管理层向生产过程传达生产计划,向有关的部门提供产品制造过程状态的信息反馈;物流管理层实现与MES/ERP的接口,接收生产任务单,并将任务单发送给调度监控层,采集、跟踪、存储各种物流信息,并实现对信息的分析,实现工艺管理、生产管理质量管理、设备管理等功能。企业ERP与MES系统实现无缝集成,将合同、生产计划、产品质量、销售出厂进行有机衔接,形成了一套完整的企业信息化管理系统。

生产工艺设备自动化,引入特冶控制模型,提高作业效率。过程动态控制系统包括冶金数据库、专家系统、智能化控制模型等,对冶炼全进程进行预报和优化。自动熔炼控制系统无需操作人为干涉而自动运行,它可自动控制真空自耗炉整个熔炼过程,包括起弧阶段、稳态阶段和热封顶阶段。无人为干涉而排除了人为因素的影响,保证了熔炼过程的平稳性,熔炼结果的一致性和再现性。

(二)项目实施对行业的影响和带动作用

1、推动合金材料行业智能制造关键共性技术研究实现合金材料行业智能制造,需要冶炼恶劣环境下的机器人应用技术、工业大数据技术、制造精准控制关键技术、在线检测及质量评估技术、全流程产品质量管控与优化技术、全流程能源及环保管理与优化技术、设备状态监测与智能化管理技术等许多关键共性技术进行支撑,针对智能感知和智能执行水平较低是实施合金材料行业智能制造的主要瓶颈问题。通过特种高温合金材料智能制造新模式的应用,大冶特钢加强对合金材料行业智能制造急需的在线分析监测、过程智能化控制、设备状态监测、工业软件、工业机器人及智能化管理等技术的研发与创新,突破关键部件和装备并实施产业化。对行业的智能制造关键共性技术研究起到了推动作用。

2、形成合金材料行业智能制造建设标准针对典型的流程制造业所具有的连续化、工艺体系复杂、生产过程不确定因素多、制造过程中间产品形态、性质及最终产品多样化的产业技术特点,本项目通过运用三维数字化设计与仿真技术,优化车间布局与工艺流程,搭建全流程智能化特冶生产线,集成智能管控软件系统,建立特种高温合金材料智能制造新模式应用,实现数据信息在装备、人、企业、产品之间的实时交换、准确识别、智能处理以及快速更新,促进合金材料行业智能制造建设标准的形成,在行业内具有可复制性。

3、引领合金材料行业加快智能制造转型升级通过建立特种高温合金材料智能制造新模式,加强了特冶智能化装备的应用与工艺流程需求间的契合度,发挥了大冶特钢在特冶技术研发和推广中的引导作用,带动了一批装备制造企业、系统集成商、软件供应商的发展、升级与提升,促进了特种高温合金冶炼工艺流程、物流流程、信息化流程的深度融合。项目建立了智能制造“产、学、研”合作机制,有效整合产学研、产业链上下游、设备制造商、系统集成商等多方资源,对合金材料行业智能制造转型升级具有极大的指导和带动作用。