水泥工業(yè)智慧工廠建設(shè)研究

修 瑞（中國(guó)建材集團(tuán)有限公司，北京 100036）

水泥工業(yè)智慧工廠建設(shè)研究

修 瑞（中國(guó)建材集團(tuán)有限公司，北京 100036）

智能制造將是我國(guó)水泥工業(yè)發(fā)展的必由之路。本文通過(guò)對(duì)水泥智慧工廠信息系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)，生產(chǎn)基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)，信息網(wǎng)絡(luò)云平臺(tái)建設(shè)三部分內(nèi)容的闡述，設(shè)計(jì)建設(shè)集生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)、智能巡檢、遠(yuǎn)程運(yùn)維及大數(shù)據(jù)分析的信息網(wǎng)絡(luò)云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)水泥生產(chǎn)裝備智能化，控制自動(dòng)化，管理信息化，構(gòu)建一個(gè)高效節(jié)能、綠色環(huán)保、環(huán)境舒適的水泥智慧工廠。

水泥工業(yè)；信息化；智慧工廠

1 智慧工廠目標(biāo)

水泥生產(chǎn)全線配備在線智能儀表和設(shè)備，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制及監(jiān)測(cè)，生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)自動(dòng)采集率達(dá)100%。建成集生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)、智能巡檢、遠(yuǎn)程運(yùn)維及大數(shù)據(jù)分析的信息網(wǎng)絡(luò)云平臺(tái)，水泥生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)裝備智能化，控制自動(dòng)化，管理信息化。構(gòu)建一個(gè)高效節(jié)能、綠色環(huán)保、環(huán)境舒適的兩化深度融合的水泥智能工廠。

2 水泥工業(yè)生產(chǎn)信息化現(xiàn)狀分析

2.1 水泥工業(yè)生產(chǎn)信息化現(xiàn)狀

中國(guó)水泥工業(yè)的工廠基礎(chǔ)信息化管理和智能化水平還遠(yuǎn)落后國(guó)際先進(jìn)水平。在信息化方面，存在數(shù)據(jù)滯后、時(shí)效性差、數(shù)據(jù)來(lái)源單一等問題，不能為企業(yè)管理與調(diào)度人員及時(shí)、準(zhǔn)確地提供生產(chǎn)決策依據(jù)。在智能化方面，大多仍采用“半自動(dòng)化”操作模式，很難實(shí)現(xiàn)水泥生產(chǎn)過(guò)程的優(yōu)化操作運(yùn)行和精細(xì)化管理，必然帶來(lái)生產(chǎn)運(yùn)行不穩(wěn)定、能耗高、熱效率低、產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量波動(dòng)大等諸多問題[1]。

2.2 與國(guó)外的差距

國(guó)外的著名水泥裝備公司均已開發(fā)了自身品牌的控制和優(yōu)化系統(tǒng)。如F.L.Smidth公司的ECS和ProcessExpert系統(tǒng)，Polysius公司的POLCIDNT和POLEXPERT系統(tǒng)。這些系統(tǒng)除了完成水泥生產(chǎn)的過(guò)程控制，都集成了燒成和粉磨工段的過(guò)程優(yōu)化軟件。另外，國(guó)外許多電氣自動(dòng)化控制公司也開發(fā)了適用于水泥工廠的過(guò)程智能和過(guò)程優(yōu)化軟件包。如SIEMENS公司在專為水泥工業(yè)開發(fā)的CEMAT系統(tǒng)中集成了水泥窯和粉磨的優(yōu)化控制軟件，ABB公司在IndustryIT中集成了OptimizeIT優(yōu)化控制軟件。雖然我國(guó)在軟件開發(fā)方面有很高的水平，但在這方面與國(guó)外比還有很大差距。另外，我國(guó)新型干法水泥企業(yè)除繼續(xù)改進(jìn)生產(chǎn)過(guò)程控制技術(shù)外，要進(jìn)一步探索和實(shí)施管理和生產(chǎn)的信息化和智能化途徑，加強(qiáng)管理、生產(chǎn)信息化和智能化的開發(fā)，不斷提高水泥工業(yè)的信息化、智能化水平，盡快實(shí)現(xiàn)我國(guó)水泥工業(yè)智能制造的目標(biāo)[2]。

3 水泥工業(yè)實(shí)施智能制造的必要性和重要意義

3.1 對(duì)水泥工業(yè)持續(xù)發(fā)展具有重要的意義

智能制造技術(shù)可以提高水泥質(zhì)量，延長(zhǎng)水泥使用壽命，從而降低水泥消費(fèi)，達(dá)到降低資源、能源消耗，降低污染物的排放。水泥工業(yè)節(jié)能減排工作隨著執(zhí)行新國(guó)標(biāo)GB16780-2012《水泥單位產(chǎn)品能源消耗限額》，明確了淘汰達(dá)不到國(guó)家水泥單位產(chǎn)品能耗限額定額要求，環(huán)保部發(fā)布的GB4915-2013《水泥工業(yè)大氣污染排放標(biāo)準(zhǔn)》，明確了達(dá)不到國(guó)家水泥企業(yè)大氣污染排放值的生產(chǎn)線要淘汰[3]。這是水泥工業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的一部分，智能制造將是水泥工業(yè)發(fā)展的必由之路。

3.2 廣大水泥企業(yè)提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的需要

預(yù)計(jì)我國(guó)水泥需求的高峰期有可能在2020年前后出現(xiàn)，水泥需求高峰期過(guò)后，我國(guó)對(duì)水泥的需求量將逐年減少，目前我國(guó)尚處在水泥需求的上升期，水泥產(chǎn)能的發(fā)揮率尚且只有70%左右，預(yù)計(jì)將有越來(lái)越多的水泥產(chǎn)能逐步退出市場(chǎng)，水泥市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)程度將日益加劇，只有那些具有更高生產(chǎn)效率、效能和很強(qiáng)市場(chǎng)運(yùn)作能力的企業(yè)，才有可能成為市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中最終的贏者，因此，打造升級(jí)版水泥工業(yè)，是我國(guó)企業(yè)提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的現(xiàn)實(shí)需要[4]。

3.3 中國(guó)水泥裝備及技術(shù)走向世界的需要

大型機(jī)電成套裝備的出口，對(duì)于一個(gè)國(guó)家來(lái)說(shuō),是綜合經(jīng)濟(jì)實(shí)力的體現(xiàn)。對(duì)于一個(gè)行業(yè)來(lái)說(shuō),是技術(shù)裝備水平提高的標(biāo)志。但是，近年來(lái)，水泥裝備及技術(shù)出口大部分僅僅停留在水泥窯的回轉(zhuǎn)窯、預(yù)熱器等個(gè)別設(shè)備和技術(shù)，大量的水泥裝備及技術(shù)還是靠國(guó)外進(jìn)口，尤其是高附加值的智能裝備及智能制造技術(shù)目前國(guó)內(nèi)外還是處于起步階段，我國(guó)在智能裝備和智能制造技術(shù)的突破，必將為中國(guó)水泥打上技術(shù)含量高、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)的“中國(guó)制造”標(biāo)志，實(shí)現(xiàn)中國(guó)水泥裝備及技術(shù)走向世界的發(fā)展戰(zhàn)略。

4 水泥智慧工廠建設(shè)方案

4.1 信息系統(tǒng)總體架構(gòu)建設(shè)

縱觀我國(guó)水泥企業(yè)信息化系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀，建設(shè)的重點(diǎn)普遍在ERP系統(tǒng)和DCS系統(tǒng)兩個(gè)方面。由于水泥產(chǎn)品行銷在近些年間從生產(chǎn)導(dǎo)向快速演變成市場(chǎng)導(dǎo)向、競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)向，因而對(duì)企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)管理和組織提出挑戰(zhàn)，僅僅依靠ERP和DCS系統(tǒng)往往無(wú)法應(yīng)付這新的局面。工廠制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)恰好能填補(bǔ)這一空白。MES可以為用戶提供一個(gè)快速反應(yīng)、有彈性、精細(xì)化的制造業(yè)環(huán)境，幫助企業(yè)減低成本、按期交貨、提高產(chǎn)品的質(zhì)量和提高服務(wù)質(zhì)量。

圖1 總體架構(gòu)

如圖1所示，信息化架構(gòu)分為三層：

1）計(jì)劃層(ERP)

ERP系統(tǒng)“位”于企業(yè)上層計(jì)劃層，用于整合企業(yè)現(xiàn)有的生產(chǎn)資源，編制生產(chǎn)計(jì)劃。ERP系統(tǒng)的服務(wù)對(duì)象是企業(yè)管理的上層，一般對(duì)車間層的管理流程不提供直接和詳細(xì)的支持。

2）生產(chǎn)控制層(DCS)

通過(guò)自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備、自動(dòng)化檢測(cè)儀器、集散控制系統(tǒng)等關(guān)鍵設(shè)備及控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的自動(dòng)化控制。生產(chǎn)管理層的主要作用在于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和工藝參數(shù)的監(jiān)控，它可以向管理人員提供現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，但是本身并非真正意義上的管理系統(tǒng)。

3）執(zhí)行層（MES）

MES處于計(jì)劃層和生產(chǎn)控制層之間的執(zhí)行層，負(fù)責(zé)車間生產(chǎn)管理和調(diào)度執(zhí)行。它可以在統(tǒng)一平臺(tái)上集成諸如生產(chǎn)調(diào)度、產(chǎn)品跟蹤、質(zhì)量控制、設(shè)備故障分析、網(wǎng)絡(luò)報(bào)表等管理功能，使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)和通過(guò)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接可以同時(shí)為生產(chǎn)部門、質(zhì)檢部門、工藝部門、物流部門等提供車間管理信息服務(wù)。

系統(tǒng)通過(guò)強(qiáng)調(diào)制造過(guò)程的整體優(yōu)化來(lái)幫助水泥企業(yè)實(shí)施完整的閉環(huán)生產(chǎn)，協(xié)助企業(yè)建立一體化和實(shí)時(shí)化的ERP/MES/DCS信息及生產(chǎn)管理體系[5]。

4.2 生產(chǎn)基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)

新型干法水泥生產(chǎn)技術(shù)是一種系統(tǒng)工程，它包括若干子流程和單元操作。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)創(chuàng)新工作，可以更加準(zhǔn)確掌握相關(guān)關(guān)系，并利用系統(tǒng)工程理論來(lái)解決成套技術(shù)裝備開發(fā)中的工程設(shè)計(jì)、裝備設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制與檢測(cè)、主輔機(jī)各項(xiàng)平衡等極為復(fù)雜的技術(shù)難題，確保整個(gè)系統(tǒng)在高效、穩(wěn)定條件下運(yùn)轉(zhuǎn)。

4.2.1 水泥生產(chǎn)裝備智能化

為滿足水泥生產(chǎn)過(guò)程智能化控制的應(yīng)用需求以及提升工廠智能化建設(shè)的水平，全廠關(guān)鍵電氣設(shè)備需選用智能型設(shè)備，實(shí)現(xiàn)全廠設(shè)備、儀表和控制系統(tǒng)的智能通訊連接。操作人員不僅可以在控制室在線監(jiān)測(cè)設(shè)備及儀表的狀態(tài)、參數(shù)，還能對(duì)它們進(jìn)行標(biāo)定、參數(shù)設(shè)置、功能組態(tài)及故障分析，操作維護(hù)等操作。電氣設(shè)備的智能化主要體現(xiàn)在低壓電機(jī)的智能化、高壓電機(jī)的智能化、儀表的智能化、核心裝備的智能化幾個(gè)方面。

4.2.2 水泥生產(chǎn)過(guò)程控制的智能化

DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。水泥行業(yè)BMI庫(kù)可對(duì)輔助原料取料機(jī)、原料配料站、原料粉磨、廢氣處理、生料均化及計(jì)量入窯、熟料燒成與冷卻系統(tǒng)、原煤取料機(jī)、煤粉制備與計(jì)量輸送、水泥粉磨輸送和水泥存儲(chǔ)及包裝等范圍內(nèi)的主要生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行分布控制，并在中央控制室進(jìn)行集中操作和監(jiān)控，設(shè)備的數(shù)字化監(jiān)控率可超過(guò)95%。通過(guò)故障專家診斷系統(tǒng)提高故障排查效率；自動(dòng)控制回路系統(tǒng)提高設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)；專家智能控制系統(tǒng)打造最優(yōu)控制模；立體監(jiān)控系統(tǒng)使無(wú)人值守成為可能。

4.3 信息網(wǎng)絡(luò)云平臺(tái)建設(shè)

4.3.1 企業(yè)制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）建設(shè)情況

企業(yè)制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）處于計(jì)劃層和生產(chǎn)控制層之間的執(zhí)行層，通過(guò)MES可以實(shí)現(xiàn)車間生產(chǎn)管理和調(diào)度執(zhí)行。

MES系統(tǒng)將企業(yè)ERP系統(tǒng)與FCS控制系統(tǒng)集成，是實(shí)施企業(yè)智能制造的基本技術(shù)手段。MES系統(tǒng)主要由遠(yuǎn)程生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)、設(shè)備管理系統(tǒng)、物流管理系統(tǒng)、質(zhì)量管理系統(tǒng)、智能巡檢系統(tǒng)、設(shè)備遠(yuǎn)程維護(hù)保障系統(tǒng)等組成。

智慧工廠全廠信息化融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)一崗多責(zé)。窯、磨專家智能控制系統(tǒng)實(shí)施后，生產(chǎn)過(guò)程的調(diào)節(jié)都由專家智能控制系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行，中控室操作員不需隨時(shí)關(guān)注生產(chǎn)畫面；遠(yuǎn)程生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)的實(shí)施使得操作員不在中控室也可以監(jiān)視生產(chǎn)畫面；智能巡檢系統(tǒng)使巡檢過(guò)程更為程序化和數(shù)字化。將三者合而為一，可以使中控操作員在生產(chǎn)正常穩(wěn)定的情況下，參與巡檢工作，在對(duì)設(shè)備進(jìn)行巡檢、記錄的同時(shí)，通過(guò)智能移動(dòng)終端查看生產(chǎn)畫面，了解生產(chǎn)狀況，實(shí)現(xiàn)水泥企業(yè)中控室操作員與巡檢人員的融合，做到一崗多責(zé)，從而達(dá)到減員的目的。

圖2 全廠信息化融合技術(shù)框圖

4.3.2 資源計(jì)劃管理系統(tǒng)（ERP）建設(shè)

作為智慧工廠的核心和有機(jī)組成部分，ERP企業(yè)資源管理系統(tǒng)選擇集成了面向制造行業(yè)進(jìn)行物質(zhì)資源、資金資源和信息資源一體化集成的智能化企業(yè)信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)物流、信息流和資金流的動(dòng)態(tài)管理，依托工廠數(shù)據(jù)庫(kù)大量的生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過(guò)系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)分析功能和在線專家數(shù)據(jù)庫(kù)的支持，預(yù)測(cè)企業(yè)經(jīng)營(yíng)發(fā)展的趨勢(shì)，及時(shí)為企業(yè)管理決策提供依據(jù)和建議。

ERP系統(tǒng)針對(duì)水泥行業(yè)進(jìn)行二次開發(fā)，符合水泥行業(yè)發(fā)展特點(diǎn)，集成應(yīng)用集團(tuán)管控、設(shè)計(jì)與制造集成、管控銜接、產(chǎn)供銷一體、業(yè)務(wù)和財(cái)務(wù)銜接等功能，為智慧工廠的全業(yè)務(wù)鏈綜合集成提供了路徑和方法。

5 結(jié) 語(yǔ)

電氣自控、信息化、智能化方面的技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)品研發(fā)更新日新月異，升級(jí)很快，所以本案采用眾多的信息化和智能化的系統(tǒng)技術(shù)手段和措施，也將面臨時(shí)限性，屆時(shí)不可避免地需進(jìn)行不斷軟件更新、產(chǎn)品換代等。

按照本案策劃、實(shí)施上述建設(shè)內(nèi)容后，最終將真正實(shí)現(xiàn)水泥智慧工廠的建設(shè)目標(biāo)。代表目前水泥生產(chǎn)的最高水平，預(yù)期在今后5~10年的期限內(nèi)，其它新建設(shè)水泥項(xiàng)目將恐難達(dá)到或突破這樣的指標(biāo)，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)也在相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)將起到標(biāo)桿與示范作用。

[1]壯炳良,張書法.水泥生產(chǎn)過(guò)程智能控制技術(shù)及應(yīng)用[S].水泥節(jié)能環(huán)保創(chuàng)新技術(shù)參考手冊(cè), 2015.

[2]韓仲琦.我國(guó)水泥工業(yè)的發(fā)展新階段(下)[J].中國(guó)水泥，2013,01.

[3]魏晉渝,梁喜琴.嚴(yán)峻的形勢(shì)與我們的任務(wù)—專訪中國(guó)水泥協(xié)會(huì)會(huì)長(zhǎng)喬龍德[J].中國(guó)建材，2015,04.

[4]劉長(zhǎng)發(fā),江源.促進(jìn)兩化深度融合打造升級(jí)版水泥工業(yè)[N]. 中國(guó)建材報(bào)，2013,11.

[5]杜繼東.工廠制造執(zhí)行系統(tǒng)的探討[J]. 電子質(zhì)量，2008,09.

Research on the construction of intelligent plant in cement industry

Intelligent manufacturing will be the essential way for the development of cement industry in China. This paper illustrates the elaboration of overall framework design, automatic system construction and information network cloud platform construction of cement intelligent factory. The research aims to design the information network cloud platform which integrates production operation, intelligent inspection, long-distance maintenance and large data analysis, which will promote equipment intelligence, control automation and management information for cement production, and build a highly efficient energy-saving,green, environmental comfortable and integrated cement intelligent plant.

cement industry; information technology; intelligent factory

TP301

B

1003-8965（2017）05-0038-03