中小钢铁企业智能制造实施路径研究

冶金经济与管理2018年第1期-……8……-□ 范铁军  吴秀婷  施灿涛文章编号：1002-1779…（2018）…01-0008-03中小钢铁企业智能制造实施路径研究摘要：分析了新时期中小钢铁企业所面临的新发展形势；针对中小钢铁企业目前主要存在的产销衔接不畅、质量管控系统功能不足、生产管控系统功能不全、管理层的决策支持系统缺失等问题，指出智能制造可以助力中小钢铁企业实现转型升级；同时，特别强调了企业实施智能制造要秉持“需求引领，效益驱动”的基本原则；设计了面向中小钢铁企业的集成化-智能化综合性解决方案，并对中小钢铁企业发展智能制造的保障措施提出了看法。关键词：中小钢铁企业；智能制造；转型升级中图分类号：F273……………文献标识码：A智能制造以制造业为核心的实体经济是保持国家竞争力和经济健康发展的基础。金融危机发生后，美国、德国、英国、法国、日本等发达国家纷纷实施“再工业化”战略。2015年，中国提出了“中国制造2025”战略规划，着力推进制造强国建设。钢铁产业是国民经济的重要基础原材料产业，智能制造是制造业实现转型升级的关键所在，大力发展钢铁智能制造，建设钢铁强国，是落实制造强国战略的重要举措。中小钢铁企业是我国钢铁工业的重要组成部分，其在产能规模、产品类别、管理模式、两化融合基础等方面，具有较高的相似性；探索中小钢铁企业智能制造实施路径，打造中小钢铁企业智能制造试点，在行业内更具有可复制性和推广性，对推动钢铁企业的智能化改造，实现钢铁工业的转型升级具有重要意义。一、新时代下，中小钢铁企业面临新的发展形势中国特色社会主义进入新时代后，贯彻新发展理念、建设现代化经济体系对我国钢铁产业发展提出了新的要求，智能制造成为钢铁行业转型升级的现实需要。我国钢铁企业应紧抓新一代信息技术发展应用的历史机遇，通过智能化，从粗放式管理向精细化、智能化管理转变，培育市场竞争新优势。1.中小钢铁企业是国民经济的重要组成部分中小钢铁企业是国民经济社会重要组成部分，在促进经济增长、满足市场需求、推动技术创新、增加就业等方面发挥着不可替代的作用。据中钢协数据显示，2016年全国生产粗钢8.08亿吨，产量超过500万吨的企业共35家，产量占比为63.5%，销售利润率为1.06%；中钢协会员钢铁企业产量达到6.31亿吨，利润率达到1.08%。我国具有冶炼能力的钢铁企业有500多家，也就是说，2016年产量低于500万吨的中小钢铁企业有400多家，产量占比达到36.5%，且其利润率要高于产量大于500万吨的钢铁企业。中小钢铁企业在钢铁行业具有一定的竞争优势。2017年12月，冶金工业规划研究院对外发布“2017年钢铁企业综合竞争力评级”，拥有较强竞争力及以上的钢铁企业共有85家，其中，竞争力特强的企业共计29家，其中中小钢铁企业（2016年产量小于500万吨）…10家；竞争力优强的企业共计31家，包括中小钢铁企业有8家。可见，与大型钢铁企业相比，中小钢铁企业具有一定的竞争优势。2.“精准、高效、优质、低耗”成为企业的核心竞争力随着钢铁工业供给侧结构性改革的深入推进，中小钢铁企业也从原来“增量、扩能”的快速发展期，进入到“减量、调整”时代。减量不是不发展，而是在减量发展阶段下推进绿色化、有序化、品质化、标准化、差异化、服务化、智能化、多元化、国际化“九化”协同，重塑价值链，不断提高钢铁产业竞争力。“精准、高效、优质、低耗”，成为中小钢铁企业的必然选择。钢铁行业是典型的资本密集型、技术密集型、资源密集型产业。在减量发展时代，相对于大型钢铁企业，中小钢铁企业更难获得资源的使用权。在有限的资源下，如何优化资源配置，提升资源利用效率，成为中小企业面临的难题。此外，在产能严重过剩、能源环保等环节压力巨大的情况下，只有以较低成本向市场提供有竞争力的冶金经济与管理-……9……-智能制造产品才是唯一选择。精准对接市场需求，优化生产组织方式，高效低耗地生产优质产品，才能在市场中占据有利地位。二、智能制造助力中小钢铁企业实现转型升级中小钢铁企业主要是满足区域市场需要的普钢企业，其产品以建筑材为主，企业间工艺装备、技术水平、产品质量、服务水平等差别不大，同质化竞争严重。因此，中小钢铁企业亟需借助智能制造，进一步提高产品质量，降低生产成本，实现定制式生产和精准服务，以提升企业的核心竞争力。目前，中小钢铁企业主要存在以下几个问题：1.产销衔接不畅，现有系统无法支撑企业实现产销一体化钢铁企业的紧凑、高效、快节奏生产流程与多品种、小批量的客户需求之间构成了基本的产销一体化衔接问题。企业既不能单纯地追求生产环节的高产而影响销售环节客户需求的品种质量和交货期，也不能过分地强调按单生产而牺牲规模效益并增加切换成本。基于人工经验的管理模式，无法兼顾客户需求、区域市场、发运装车约束、生产工艺约束、生产准备成本、生产切换成本和质量损失成本等因素，不能支撑企业实现产销一体化。2.质量管控系统功能不足，无法实现质量的全流程追溯质量管控不仅影响质量成本和质量效益，还影响生产计划与排程的执行和生产管控的复杂性。质量管理系统需要能够根据客户的定制要求进行质量设计，实时跟踪和分析产品加工过程质量数据，并进行产品加工过程技术、设备参数与质量偏差分析、预警，与产品出厂质量检验、判定、质保书管理等进行有效集成。目前，大部分钢铁企业质量管控系统功能不足，无法实现对质量的全流程追溯。3.生产管控系统功能不全，无法实现生产管控一体化生产过程动态因素复杂，接受客户插单、质量命中、生产设备稳定性及能源动力供应等动态因素，都直接影响生产计划的执行。例如，冶—铸—轧一体化在生产组织方面要求钢轧工序紧密衔接，最大限度地提高热装率，为此需要实施冶铸轧一体化的生产计划，统一协调钢轧生产节奏，使工序间的物流衔接顺畅、紧凑，达到节能降耗、缩短生产周期的目的。基于人工经验的生产计划与调度模式，很难做到生产管控的一体化。4.管理层的决策支持系统缺失，缺乏企业驾驶舱及商务智能系统目前，大部分中小钢铁企业建设的信息系统实现了主要业务操作的无纸化，但大部分系统对于各级管理人员（尤其是高层领导）所需的管理报表的统计分析功能缺乏，比如企业运营决策、成本效益分析、效益测算、库存分析等，无法为领导决策提供有力的数据支持。智能制造是钢铁企业转型升级的有力抓手。企业实施智能制造，可以很好地解决上述问题，实现产供销一体化、铁钢轧一体化和管控一体化：——通过生产设备的自动化、集成化、智能化改造，提高设备、材料的利用率，提高劳动生产率及优质产品率；——通过数据的实时采集与信息的共享，整合生产、物流、设备、能源等资源，优化资源配置，实现柔性制造，提高产品质量，降低能耗与成本；——加快互联网与采购、销售、研发、服务的融合步伐，打通内外信息通道，整合信息资源，降低产业链综合成本。三、“需求引领，效益驱动”是企业实施智能制造的基本原则钢铁智能制造一次性投资较大，而在效益方面主要是通过服务水平、管理水平的提升，投资回报需要较长时间运行后才能统计得出。中小钢铁企业更注重成本管控，面对此种情况往往望而却步。“需求引领，效益驱动”，中小钢铁企业的智能制造需要遵循先进性、经济性、适用性、示范性的基本原则。1.先进性在把握智能制造内涵和目标的基础上，以满足企业实际需求为原则，将先进的信息技术和人工智能方法应用于过程管控、经营决策等核心环节。2.经济性本着充分利旧的原则，以最少的投入解决企业最关心的问题，逐步提升企业智能化水平。3.适用性以“适合的才是最好的”作为设计理念，为企业量身定制整体解决方案，充分考虑企业装备情况、管理现状及两化融合基础。4.示范性中小钢铁企业无论从产能规模、产品类别、管理模式，还是从两化融合建设历程上来看，都具有较大的相似性，因此中小企业的智能制造综合解决方案在全行业的推广具有很强的示范作用。四、面向中小钢铁企业的集成化-智能化综合性解决方案经过多年的发展，钢铁企业逐步搭建了以PLC—冶金经济与管理2018年第1期-……10……-智能制造PCS—MES—ERP—EIP为主线的信息系统5级架构体系。然而，中小钢铁企业生产自动化建设情况比较复杂，陆续的技术改造和升级导致工艺设备和技术水平不一，配套的信息系统缺乏统一规划，信息孤岛现象严重，存在信息集成度低、系统功能不完善、数据管理不规范、信息资源开发利用欠缺等问题。冶金规划院工业智能研究中心在深刻把握钢铁企业特征的基础上，密切跟踪先进的智能制造理论、方法和技术，着眼于企业生产过程、业务经营和企业决策等核心环节，精准对接工业企业实际需求，打造了面向下一代的钢铁智能制造管理与执行系统（Steel-iMES）。该系统以集成化（integrated）和智能化（intelligent）为核心，以经济性、先进性、适用性为原则，充分考虑企业自动化、信息化现状，基于行业成熟的技术体系，为企业量身定制智能制造解决方案。Steel-iMES围绕计划、质量、物流、能源、设备和成本6条主线，打造产供销一体化、铁钢轧一体化和管控一体化，实现效益最大化、服务实时化、决策智能化和运营可视化的四大效果。Steel-iMES在架构设计上分为4层：DAS——数据采集与应用系统、PES——制造执行系统、PMS——制造管理系统、APS——高级计划与排程系统。1.DAS——数据采集与应用系统数据采集与应用系统是构建透明工厂的基础，是整个iMES体系的主要数据源。系统以实时数据库技术为核心，通过网关隔离技术，利用OPC…Server对各分厂的数据进行采集与上传，实现对各分厂设备状态的监视与分析，覆盖范围涉及铁钢轧、公辅及能源相关数据。2.PES——制造执行系统制造执行系统面向炼铁、炼钢、高线、带钢、棒材各生产分厂，能够指导各厂按照计划及质量要求进行生产，同时能够准确及时地跟踪物料信息，根据不同精度的要求实现按炉次、批次、件次跟踪，具体内容包括烧结执行系统、高炉执行系统、炼钢执行系统、高线执行系统、带钢执行系统、棒材执行系统、远程计量系统及相配套的检化验系统。3.PMS——制造管理系统制造管理系统面向公司管理层，是实现公司级全局资源掌控的关键，是承接ERP系统及PES生产执行系统的重要组成部分，主要功能包括采购与存货管理、销售与发运管理、质量管理、生产计划管理、工序成本管理、能源耗用平衡管理、主数据管理等内容。4.APS——高级计划与排程系统APS系统作为Steel-iMES的智能化核心组成部分，将先进的管理理念及智能优化算法融入到APS系统中，助力钢铁企业实现大规模定制的生产模式，提高企业核心竞争力。APS核心优化点主要包括解决产供矛盾的采购决策优化及解决产销矛盾的订单排产。五、发展建议与保障措施1.转变思想，正确认知企业实施智能制造需要进行生产组织和业务流程的重构，促进采购、销售、生产、质量、能源等企业内部的协同，这就要求企业构建相适应的制度和管理模式。此外，钢铁企业的智能制造是一个持续推进的过程，企业战略演进，管理理念、生产组织模式不断优化，经验积累促进知识转化，都需要对智能制造系统进行迭代更新。因此，企业实施智能制造时，需要深度参与，借助项目的实施，培养自己的智能制造队伍。2.着眼核心，深度挖潜在中小钢铁企业的经营管理过程中，决策意味着不断根据实际生产情况在利润、质量和市场之间进行快速有效的权衡。为提高资源和能源利用效率，钢铁企业应采用系统优化的思想，对企业生产经营过程进行规范化、精细化梳理，通过建立优化模型、设计优化算法来进行辅助决策。（1）供应——采购决策优化采购决策优化：制定月、周配比计划，最大限度地获取市场原料种类、价格、成本信息，寻求最优的采购品种及采购量。配料结构优化：在给定的铁水需求下，在满足烧结、铁水成分及指标约束下，推导出高炉最优配比、烧结最优配比及烧结配比，使得铁区全局总成本最小。（2）生产——生产计划排产优化高级计划与排程：以有限产能和产线实时生产动态为基础，兼顾订单多样化需求和生产组织要求，协调产销矛盾，达到小批量需求与大规模生产的平衡；通过轧制一体化计划，以热送热装率、设备利用率为目标制订炼钢、轧钢的最优生产批量