【企業快訊】縱身進入鋼鐵「工業元宇宙」——寶武首個連鑄數字孿生工廠投運
世界金屬導報
以下文章來源於中國寶武 ，作者記者 張萍
編者按
作為寶武集團2022年重點任務「工程數字化設計交付雲平台及數字化工廠建設」載體項目之一，寶鋼股份寶山基地2號連鑄機數字孿生工廠於近日投運。這個被稱為「工業元宇宙」的項目是寶武作為流程製造行業從數字化交付到數字化運營的跨越，用數據產生知識、積累知識、應用知識，催化了數據價值的實現，並由此推動了現場在技術、管理等方面的變革，在工業互聯網快速發展的今日有極強的現實意義。
元宇宙的帷幕已逐漸開啟，幕後世界的生機勃勃與無限可能讓人心嚮往之。可以預見，對流程製造企業來說，這個與現實世界映射交互的平行世界將對我們的生產、製造、服務各個環節產生深遠影響。數字技術不斷進步和更廣泛應用的新表現，也是現代文明發展的新進程。熱情擁抱、主動作為，相信寶武定能在新一輪的發展進程中贏得主動，努力成為中國乃至全球未來鋼鐵工業的引領者。
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隨意打開一台電腦，登錄，瞬間便自由穿梭於鋼鐵廠房之中。沿著鋼板路不斷前行，腳下地面凹凸的防滑花紋帶著深淺不一的磨痕清晰可見，黃色扶手帶著稍顯斑駁的銹跡一路延伸。儘管機組正熱火朝天地運行中，一個縱身進入其中，內里的部件清晰可見。輕觸零件，各類屬性、功能、當前運行情況等數據信息一併在眼前展開；點開攝像頭，火紅滾燙的鋼水就在你眼皮底下緩緩流淌……
這並非是電影或者網路遊戲中的場景，而是寶鋼股份寶山基地於日前投運的2號連鑄機數字孿生工廠帶來的真實體驗。作為寶武首個數字孿生工廠，通過三維模型、模擬模型、設備狀態監測模型的數據交互，完成虛擬空間的數字映射，構建了虛實協同、綜合集成的鋼鐵「工業元宇宙」。
「其實無論是元宇宙還是CPS，都強調有實、有虛，虛實交互，本質是軟體定義過程，演算法優化資源分配，從而最優化配置實體世界資源，這是大勢所趨。」集團數智辦信息總監張群亮介紹說，「但是，對於工業場景而言，落地挑戰很大，工業系統組成往往非常複雜，不僅表現在系統組件數量多，還體現在結構複雜而且精密協作方面。工業系統的數字化過程勢必要對對象進行簡化。如何在簡化過程中滿足工業的可靠性、實時性、穩定性和經濟性？這需要系統的設計、有效的方法、創新的路徑，不是簡單的數字化集成問題。」
要讓連鑄機有一顆智慧的大腦
連鑄產線是鋼鐵工序鏈的關鍵環節，是鋼鐵從液態變為固態的「咽喉」。高溫鋼水直接連續澆鑄成固態坯的複雜工藝過程中，發生的系列物理變化與化學變化，直接影響鑄坯質量。由於缺乏海量數據支撐，具有典型的「黑箱」特徵，是整個行業面臨的難題。
寶山基地2號連鑄機於1989年投產，是寶鋼股份生產汽車板的主力機組。為了滿足不斷提升的產品質量需求，同時提高機組的運行效率，2020年，寶鋼股份決定對這條機組進行綜合改造。怎麼改？我們需要一條什麼樣的連鑄機？成為首先要回答的一個問題。
「這幾年，我們大力推進智慧製造取得了很大進步，以連鑄來說，尤其在點狀的機器取代人的方面基本技術都實現了突破，把效率、質量控制等工作幾乎已經做到了當前條件下的極致。但是，我們還沒能改變原有的運行模式。」寶鋼股份寶山基地鍊鋼廠廠長田正宏說，「要讓連鑄機有一顆智慧的大腦，繼續做解放人的事」。
2020年，寶武技術創新重點支持項目「工程數字化設計交付雲平台關鍵技術研究與應用」正式啟動，系統研究產線裝備的系列化、標準化、數字化。2號連鑄機項目成為其載體項目之一，開啟了信息化時代數字孿生工廠的探索。
我們需要一個怎樣的數字化平台？
在數字化信息化發展至今，軟硬體都已更迭N代的今日，我們要把2號連鑄機做成一個什麼樣的數字工廠？這個問題幾乎貫穿了項目始終。
「當然最好是3D的，我們需要的設備信息都能在電腦上隨時點開查看。現在買個手機都不附說明書了，而是在線上有各種視頻、模型的多方位展示，一目了然。」「即便在家也能隨時全方位看到設備情況，不用半夜突然進廠。」寶鋼股份寶山基地鍊鋼廠副廠長陳向東說，「要建一個開放的平台，讓操作、檢修、技術、管理人員都能在線上把自身的經驗積累固化下來，應用到生產中。」「不能是一鎚子買賣，項目要有持續改進的餘地。」……現場的技術、設備、管理者都提出了各自的想法。
「這是個跨公司、跨部門、跨專業、跨流程的事情，無論是技術還是管理難度都極大。因此，我們成立了聯合項目團隊共同推進。」寶鋼工程副總經理袁磊說，「我們有責任從設計源頭開始，建數據水塔，讓數據的涓涓細流穿越冰山、凍土，彙集成大江大河，肥沃一方土壤。」
從一個細小的零部件到龐大的機組，從廠房結構到走廊扶手，寶鋼工程從項目設計開始就一一在線上同步建設孿生工廠。設計師在寶鋼工程具有自主知識產權的線上設計平台寶數雲上，為2號連鑄機數字孿生工廠添磚加瓦，將實體廠房內的一絲銹斑都映射到虛擬廠房中，同步將每個設備的身份信息都植入其中。這讓產線擁有了真實可靠並且極為精細化的靜態數據。「我們不僅交付實體工廠，我們將同步交付數字工廠和工程建設造價庫，交付線上線下兩個工廠。」袁磊說。
疏通數據「堰塞湖」，
讓數據流動起來
一直以來，鋼鐵行業產線交付時，均是一手產線一手圖紙。「我們拿到後，會對設備進行編碼，然後按管理區域劃分，分發圖紙，圖紙就基本鎖在現場柜子里了。但現場設備是一個動態維護的過程，隨著人員更替、設備檢修零件替換等，漸漸地，初始圖紙也就成了廢紙一張。」寶鋼股份寶山基地鍊鋼廠設備管理室副主任陳臣說。同時，同樣的設備在項目建設、採購、設備管理等不同時期在系統中的代碼不通，這個問題在大型生產製造型企業普遍存在。
數字化工廠建設，首先要解決的就是數據標準化、規範化的問題。「數據，只有流動起來才可以產生價值。我們要疏通數據『堰塞湖』，由源頭產生清晰乾淨的有效數據，通過河流網流向數據消費端。」袁磊說。
通過對國內外石化、電廠、核電等行業的有關編碼標準規範的學習，以及數字化孿生的過程和特點的理解，結合寶鋼股份工程設計管理經驗，數字化交付編碼標準——位號（TAG）由此而生。以TAG統一標識所有工廠對象，柔性連接BPMS、iEQMS、PSCS系統代碼，實現了建設期與運營期系統代碼「書同文，車同軌」。基於TAG貫穿工廠對象生命周期，通過工廠整編形成工廠對象結構樹，關聯包括三維模型、圖紙、文檔、屬性、造價等，讓數據標準化、序列化，方便實時更新查詢。
一腳踏入「工業元宇宙」，
讓數據發揮更大價值
如果說產線裝備等的靜態數據為2號連鑄機數字孿生工廠搭建了堅實的骨架，由現場上萬個數據採集點實時採集的海量動態數據則為其注入了新鮮血液，讓它真正具有了生命的活力。靜態數據和動態數據互相融合、虛實協同。
對於2號連鑄機數字孿生工廠，項目團隊用了三個詞來進行了描述：萬「件」歸一，設備全生命周期的設計參數、圖紙、維修履歷、備件庫存及採購渠道、價值等諸多信息與唯一的TAG樹柔性鏈接；身「輕」如燕，三維模型、設計數據、實時生產數據、鑄機狀態等數字資產秒級查詢；見「模」如面，藉助數字化交付模型、模擬模型，完成虛擬空間數字映射，實現可視化數字孿生應用場景。最為關鍵的是，所有信息的取得無需任何專業設備，僅一台普通電腦隨便在世界哪個角落登錄系統，便可一腳進入數字孿生工廠。
在這個虛擬空間中，每一位進入其中的人都能將自身對設備與工藝、質量之間的關係認識等經驗，按空間規則轉化為數據模型，慢慢拓展它的思維空間和維度。就像一個孩子的生長一樣，在五官接收大量信息之後，還要培養他的邏輯思維等各項能力，這是一個漫長的過程。寶鋼工程大數據中心副主任喬建基介紹說，基礎的模型等已經有了，現在就要培養機組的思考能力。主要有兩個方向，一方面是數據要服務於設備，讓設備能夠更合理、經濟、高效率運行；另一個方面數據要服務於產品，也就是「數字板坯」，從鋼水到鋼坯的過程中，深入挖掘設備與操作、生產、質量的關係，讓每一段板坯質量都以過程數據說話。「現在還是1.0版，我們已經實現了現場操作、檢修、技術、管理人員的四個解放。然而，後續還需要我們投入更大的精力，把孩子教好，到時我們才能得到真正的解放。」田正宏說。
「我們開始做項目的時候，都沒想過『元宇宙』的事。但當我們做完，上線試運行的時候，就有很多人不約而同地說，這不就是『工業元宇宙』嘛。」袁磊說，「回過頭來也驗證了，我們一路推進智慧製造、不斷解決現場難題的方法和路徑是對的，是契合當前整個時代和行業發展方向的。」
寶武設計院院長、寶鋼工程黨委書記、董事長陸鵬程表示，在人才高地、創新高地的寶鋼股份打造2號連鑄機數字孿生工廠，既是支撐主業創新發展的實踐探索，同時也是寶鋼工程發揮「前店後廠」的獨特優勢、打造示範標杆的重要一步，具有十分深遠的戰略意義。「數字化設計、數字化交付、數字孿生工廠」是寶鋼工程的職責、使命和重要發展方向，是踐行科技引領的重要部署，也是寶武所賦予的戰略性任務。當前的階段性成果，是在多家兄弟單位領導鼎力支持之下取得的，是將管理創新與技術創新相結合的一次有益實踐，未來也有很大的優化延展空間。寶鋼工程將堅決貫徹落實寶武戰略部署，與主業生產運營實際緊密結合，以設計為源頭打造好智能工廠的數字底座，強化工程集成在技術創新體系中的橋樑作用，全力聚焦業主需求，強化資源配置和工程技術攻堅，主動攜手產業生態圈夥伴，一起探索、永不止步。
「2號連鑄機數字孿生工廠，是一個很好的實踐探索案例，找到了一種實現虛擬交互的數字連鑄產線構建方法，這與過去離線的虛實無交互的模擬計算有著本質區別。」張群亮說，「目前，寶武智慧製造已經進入2.0『三跨』階段，只有不斷提升實體工廠的數字化水平和虛實交互範圍，才能真正突破邊界，跨域賦能。這個案例探索形成的一些經驗和方法，對於加速建設虛實交互工廠有著很強的指導意義。」
內容來源：中國寶武
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