水泥智能制造生產管控MES系統

李志丹，童睿，馮蘭洲

1 水泥生產智能化建設總體思路

水泥生產智能制造是基于新一代信息通信技術與先進制造技術，貫穿于設計、生產、管理、服務等活動的各個環節，具有自感知、自學習、自決策、自執行等功能的新型生產方式，協調智能裝備、智能生產、智能管理、智能物流、優化控制等組成部分，實現水泥生產運營全流程的智能制造。

水泥智能制造解決方案基于先進過程控制APC、物聯網IOT、工業互聯網、生產信息管控MES、企業資源計劃ERP、大數據等先進技術，實現工廠生產經營管理全流程的可視化管控，優化人員結構，降低勞動強度和勞動力成本，減少生產環節的人為干預，保障生產穩定性與產品質量，提高生產系統運行效率，杜絕安全隱患，降低污染物排放，圍繞整個水泥生產流程（礦山到包裝），構建信息數字化系統，以全生命周期管理為核心，實現水泥工廠的五個維度的智能建設：

（1）工程設計智能化建設

以數字化設計為開端，從工程精細化管理、模型仿真開始，建立工廠數字雙胞胎模型，貫穿從設計到數字化運維，包括大修的全生命周期PLM系統數字化管理，實現垂直和橫向的數字化集團管控。該環節針對新建生產線及改造項目。

（2）生產過程控制智能化建設

通過各種在線檢測儀器及先進檢測設備，提高過程控制參數的采集率，為智能優化控制系統提供完備的精細控制依據，建設以產品質量穩定/成本最優/減員增效為目的，包括礦山/破碎/生料磨/燒成/水泥磨/包裝線的全流程先進過程控制系統。

（3）設備運維智能化建設

通過點巡檢、設備智能運維、在線振動監測實現故障預警及診斷技術實現主機設備的全生命周期管理。通過故障預警、預知性維護和備件倉庫數字化技術，優化大修檢修、動態優化備品備件庫存，實現集團級備件采購和調配優化，大幅降低備品備件成本。

（4）生產管理智能化建設

基于工藝、能源、設備、質量、安環五大維度的智能生產管理MES系統，能提供豐富的數據交互接口，可集成現有各種信息化系統及DCS系統。與地磅計量系統數據交互實現進出廠原材料的計量平衡、統計、盤庫，與DCS系統、脫硝脫硫系統數據交互實現生產工藝數據實時監控、生產運行數據自動記錄、生產人員績效考核、生產過程可視化、生產管理精細化。能源管理中心能通過能耗實時對標、設備能耗同比環比分析、自動預警、生產避峰分析等技術手段輔助優化能效管理及生產調度。智能化驗室能將自動采集到的檢測數據傳輸到質量管理模塊中，實現對水泥生產全過程的質量控制，自動生成各種需要的質量統計報表，提供可視化的質量數據分析工具以及SPC（統計過程控制）分析工具，及時發現質量過程控制中的畸變、突變及趨勢性劣化，提供早期預警，及時發現異常、降低生產過程的異常波動及廢品率，保障質量穩定。MES平臺可集成建設點巡檢及設備智能運維系統，實現五大維度在統一平臺、統一數據庫上融合分析，為基于大數據、深度學習的數據挖掘、輔助生產決策奠定基礎；可與市場主流的OA系統、物流管理、計量系統、ERP、客商管理、銷售系統等進行數據交互。

（5）供應鏈物流智能化建設

通過建設智能化供應鏈物流系統，實現供應鏈、物流、采購、倉儲、營銷的一體化管理，貫通供應商-MES生產管控-客戶的生產運營脈絡；通過集團化管理，進行區域智能調配，實現從現場設備、自動化控制系統、MES生產管理系統、供應鏈物流系統到ERP系統的縱向數字化管控；通過高度集成開放的MES平臺，貫穿物流、供應鏈管理到生產管控的橫向數字通道；最終實現從設備到工廠、工廠到大區，大區到集團級的數字化管理。

在以上數字化基礎平臺上積累數據資產，借助高速發展的大數據、數據挖掘、深度學習及云計算技術，形成設備級、產線級、廠區級、集團級的生產決策尋優模型，有效進行各類資源調配和調度優化，實現真正意義上的智能化生產運營管理。

通過上述五大維度的智能化建設，預期可實現如下建設成果：

（1）實現國內一流、國際頂尖配置的智能化數字工廠。引入先進的在線檢測儀器、質量檢測設備，填補過程控制數據采集率，針對性定制智能過程控制策略。

（2）從生產一線需求出發，針對現有運營的生產線，分模塊分階段建設，并為未來擴建的部分統一規劃并保留接口，根據實際情況及需求靈活擴展。

（3）所建設的工廠具備持續更新優化和持續擴展的能力，具備集團級集中管理、快速復制的能力。

2 水泥工廠智能化建設框架

圖1是工業4.0（中國智能制造2025）定義的智能工廠，展現了從供應商到客戶（銷售）、從生產到業務（控制）、從設計到服務（工程、運維）的整體智能化框架。

本系統立足于整體建設長遠發展需求和ISA95國際標準構架，貫穿從生產到業務管控、從設計開始到數字化運維服務、從供應商到客戶三條水泥智能制造業務流程，三條業務流程建設的核心就在于建設一個強健、靈活擴展的MES管控平臺，構建核心數據資產。中材邦業遵循工業4.0建設架構及適合國情的智能化建設需求，立足現狀，統一規劃，提供集智能檢測、智能裝備、智能控制、智能運營、智能管理和智能物流等技術于一體的綜合性解決方案。以BIM技術實現設計、工程建設數字化，以自主知識產權的智能化控制技術（智能控制平臺）實現生產過程控制高度自動化、智能化，以靈活擴展的生產信息化管控技術（MES平臺）為核心實現生產運營數字化、供應鏈物流一體化管控，以在線設備狀態監測為核心實現設備預知性維護，在五大維度的基礎上，實現真正意義的水泥工業智能制造。

在整個智能化工廠建設完成后，以MES系統為核心的高度集成的一體化管控平臺上將會實現物流、信息流、業務流和資金流的深度融合，實現多種先進控制技術、數據挖掘技術的深度融合，實現多種應用業務的深度融合，實現精益生產運營管理思想的全方位滲透，從而實現在生產運營的全流程上融入和強化精益生產的管理理念。

3 水泥智能制造生產管控系統建設實施方案

圖3為基于集團級的定制化MES系統架構，此模型在未來可在新廠快速部署，對集團級的管理和信息傳送提供標準接口，具有良好的可擴展性和持續性建設。對新建線、改造線以及現有生產線信息化實現標準化定制。

圖1 水泥制造智能三維度結構圖

圖2 整體實施架構

圖3 集團級定制化MES系統架構

系統建設以中材邦業自有知識產權的MES系統和智能控制ICE系統為核心，以工藝設計為導向，支持模塊化實施，整個系統將在統一的信息化數字平臺上進行整體部署，避免產生信息孤島和解決未來數據交互問題的同時，逐步實現信息化/智能化/人工智能在線尋優/智能生產決策的升華，最終實現全流程的智能制造。

3.1 MES生產管控信息化系統架構

圖4 基于ISA95標準信息流向網絡拓撲圖

定制化設計開發的MES平臺遵循國際ISA95標準，是基于集團級、產線級管控需求研發的全功能性生產管控平臺。主要完成生產定義、生產能力、生產計劃、生產性能等四大方面的信息處理并連接ERP和下游自動化、信息化系統。系統包括生產過程可視化、生產管理、能源管理、點巡檢及設備運維管理、質量管理、物流供應鏈管理、振動在線監測及預知性維護系統、安環管理、移動APP、集團數據倉庫建設及云端部署等核心功能模塊。

3.2 MES生產管理信息化系統功能模塊

生產管控信息化平臺建設是水泥生產智能制造的核心支撐系統，以工藝參數、物料消耗、能源消耗、質量、設備運維、供應鏈、物流銷售等數據為基礎，構建多維度、精細化的水泥企業一體化管控平臺，集成生產管理、點巡檢管理、設備管理、能源管理、質量管理、故障監測及診斷分析、視頻監控、物流供應鏈等功能模塊，構建企業生產運營數據資源中心，優化生產調度及運營決策。依托工業實時庫與關系庫的無縫融合，通過對企業生產過程中涉及到的海量工藝運行參數、設備運行數據、能源消耗數據以及眾多質量相關化驗數據、物流供應鏈數據、銷售數據的多維度調用，實現多參數、多平臺技術的融合，借助直觀、簡潔的可視化展現，實現綜合查詢、多數據對比、直觀性分析，有力提升企業生產操控水平，提高企業生產效率。

生產管控信息化平臺利用計算機技術、網絡技術和數據庫技術，集成管理企業生產經營活動中的各種信息，實現企業內外部信息的共享和有效利用，優化生產要素組合，合理配置企業資源，完善業務流程，控制生產成本，以提高企業的經濟效益和市場競爭力。信息化內容包含生產過程控制及運營管理中的工藝數據、電氣參數、設備能效、品質控制、人員績效管理等。

MES系統有如下幾大核心模塊：DCS生產實時監控、生產管理、能源管理、質量管理、設備運維管理、設備狀態在線監測及故障診斷系統、移動APP及集團數據倉庫建設及云端部署等模塊。

3.2.1 DCS生產實時監控

基于對現場實時數據的采集、存儲，通過模塊化的組態流程，實現對生產現場運行狀態的跨空間再現，并在此基礎上實現了實時與歷史趨勢曲線追蹤對比查詢、報警等基本功能，還可以實現視頻、設備等信息的廣泛集成，方便企業管理層隨時了解現場。

針對每個工段、重要裝置，系統提供精細化的數據實時監控，實時采集工藝參數，監控工藝參數的變化情況；實時采集生產過程中產品質量數據，監控質量變化；實時采集環境數據，監控環境變化；實時采集安全指標，監控生產安全情況；分析實時/歷史數據，查找原因，持續改進，逐步實現精益生產；實時預警，防患于未然，實現事前控制。

3.2.2 生產管理系統

以生產計劃為龍頭，生產工藝流程為主線，將生產管理所涉及的人、財、物、技術、質量、安全、成本等信息關聯起來，實現生產全過程信息化、可視化管理。生產管理系統助力企業形成虛擬生產調度業務協調中心、運行指導中心，構建生產管理、運營分析和運行狀態監測中心。

生產管理模塊包含生產計劃、生產調度、生產管理駕駛艙、統計管理、盤庫管理、計量平衡、生產報表分析、運行記錄、操作員績效報表、停機統計報表等。

3.2.3 能源管理系統

能源管理系統實時在線采集能源消耗數據、工藝數據、電氣數據、品質數據，實時計算監測生產線、車間、班組及主要耗能設備的能耗數據及綜合能效水平，當能效超限時自動提醒。通過系統展現的實時和歷史能耗動態信息和變化趨勢，深入掌握能源使用過程中存在的不合理環節，為查找能耗偏高和異常提供靈活的分析和診斷工具，同時系統生成的各種能耗統計數據和管理報表實現實時能效同比環比對標、設備效率及人員績效考核，為生產運營實施精細化管理和生產運營調度提供高效決策輔助，在幫助企業杜絕跑冒滴漏、能源安全高效運行、實現降本增效、降低生產運營成本的基礎上，有效提升企業能源管理和生產運營水平。

能源管理系統可以實現能源生產消耗數據全流程的信息化、可視化，設備級、工序級能效實時監測、超標報警、查缺補漏、杜絕能源空耗低效環節。以操作人員績效對標考核、設備能效實時對標監測為抓手，實時發出能效超限提醒。提供數據下載、企業能效、成本對標、績效考核管理工具，通過能耗數據對比、診斷及節能量預分析手段，協助形成最佳生產調度、能源優化方案。通過主機設備綜合能效實時監測，強化設備維護管理，提高連續運轉率及系統可靠性。提供能效、工藝、電氣、品質多維數據融合智能分析優化方案，最終實現協助推進精細化管理、提高企業能源管理水平的目標。

3.2.4 質量管理系統

圖5 生產管理者駕駛艙

通過質量管理系統實現化驗室人員減配，自動生成質量數據記錄，提高管理水平。質量管理系統的前端采集軟件實時接收分析儀器最新檢驗數據，經規范化處理后傳輸存儲到質量管理系統數據庫中。其他人工化驗數據經數據錄入傳輸存儲到質量數據庫中，質量數據錄入存儲流程完全按照設定的業務流程規范進行，對異常數據進行預警并提示打回重做，整個業務流程細節可追溯。提供數據查詢、統計分析、圖形化展示功能、化驗人員績效考核、異常自動提醒并智能分析可能原因。在流程控制、質量控制、統計分析、績效考核、智能輔助決策等方面，輔助質量管理及生產管理者推進質量管理精細化。

本系統利用水泥生產工藝數據、質量數據的歷史值，結合數據統計分析方法，分析影響水泥質量的諸多因素，定性計算相關性系數建立質量預測模型，對成品強度進行準確預測。在保障成品質量的前提下，實現混合材的最佳、最大摻量，降低生產成本，提高經濟效益。

3.2.5 設備運維管理系統

設備運維管理系統以設備臺賬為基礎，以工單的提交、審批和執行為主線，以提高維修效率、降低總體維護成本為目標，提供故障檢修、計劃維修、狀態檢修等維修保養模式，集成物資管理、預算管理、項目管理、財務管理等協同應用，實現對設備全生命周期管理，支持設備管理的持續優化。并且以手持巡檢儀設備點巡檢為驅動，及時發現設備運行過程中存在的問題；配合設備運行實時監控，運行參數統計，實現企業全面動態設備管理。

動態設備管理系統通過實時監控設備運行狀態，建立設備臺帳，對設備的累計運行時間、超限運行時間、日常維護、運行情況、點巡檢、潤滑、維修等全生命周期內容進行管理。

通過實現面向生產流程的設備狀態跟蹤,分析影響生產過程正常運行的瓶頸因素，予以預防和改進，減少故障和非正常停產時間，提高工藝設備資源的利用率。當設備發生故障時，及時進行故障性質、程度、類別、部位、原因及趨勢的診斷及信息存儲，建立設備狀態數據庫，幫助工程技術人員做出設備管理和診斷決策。

設備管理系統主要功能包括：設備運行實時監控、設備基礎臺帳管理、缺陷管理、設備啟停信息管理、設備身份信息、設備智能巡檢、潤滑維護管理、設備維修記錄、備品備件管理等，除以上功能以外，系統支持按企業需求定制各種設備運維統計報表并可與企業已有的ERP系統相連接。

3.2.6 設備狀態在線監測及故障診斷系統

圖6 質量管理駕駛艙

實現目標：結合現代故障診斷技術實現主機設備全生命周期的預知性維修、預知報警，避免突發事故，減少設備故障率及意外事故造成重大經濟損失。

設備狀態監測與故障診斷系統在設備資產管理系統的基礎上通過對主機設備狀態在線監測數據、點巡檢數據、常規維修歷史數據等綜合分析挖掘，結合現代故障診斷技術實現主機設備全生命周期的預知性維修。

常規方案規劃對輥壓機、循環風機、尾排風機、回轉窯、高溫風機、入庫斗式提升機、入窯斗式提升機、頭排風機、煤輥磨、煤磨通風機等主機設備加裝在線狀態監測及故障診斷系統，實現對主機設備的預知性維護及故障診斷。

總體建設目標可歸納如下：

（1）建立以預知性維修為主的動態維修管理體系，實現維修與生產的動態平衡，維修工作的可視化、可控化；

（2）建立故障分析專家系統，實現在線培訓和遠程維修支持；

（3）建立設備預警系統，動態反饋設備運行狀態，有效配置資源，實現知識管理；

設備狀態監測與故障診斷系統的預期效果如下：

（1）在水泥企業設備資產管理系統事后維修和按時間的預防維修的基礎上，預知設備運行狀態，實現預知性維修，超前管理。

（2）在線監測系統實時監測關鍵性設備運行狀況、實時頻譜監測、出現情況及時報警。

（3）定期巡檢設備，周期采集數據，有針對性對出現狀況設備進行狀態監測和故障分析，為設備維修提供技術支持，降低設備事故率。

（4）系統報表中心，關于設備、位置、測點、報警、計劃、違規、頻譜和巡檢都可以形成規范化報表，便于管理者及時把握整個工作流程中的各個環節。

（5）流程化操作、制度化管理、可視化監控、預知性維修，相比傳統設備管理方法，在設備狀態監測、維修、備品備件、人員配備等方面都能有的放矢、因地制宜、節約成本、提高效益。

3.2.7 移動終端APP

MES系統支持移動終端的APP程序，用戶可以直接通過移動終端瀏覽圖表、趨勢圖或者看板等數據。

支持移動終端應用程序，提供下列功能：

（1）生產流程可視化，生產管理者通過移動終端可隨時隨地掌控生產。

（2）能效超標報警及時推送，強化人員、設備績效考核實效。

（3）質量檢驗操作，為質檢人員提供質量數據錄入界面。

（4）設備維護信息提醒，為運維人員提供隨時隨地操作指導。

3.2.8 集團級數字倉庫及云端部署

通過集團級的數字倉庫中心，可實現對各大區、各分廠的KPI數據自動匯總、統計、分析，支持組建專家團隊遠程診斷生產一線故障、分析原因及提供生產優化方案；通過遠程、手機APP或者微信推送模式對生產、能源等數據進行對標分析和匯總；支持將集團級統一數字化管理部署到云平臺，實現集團級數字中心的云端管控。

4 MES建設效果

中材邦業自主研發的MES系統是水泥行業目前唯一一家基于ISA95標準，并且定位于集團管理的MES成熟專業化平臺，可對廠區生產運營全流程進行一體化數字管控。基于統一數字化平臺的各個模塊（能源、生產、質量、物流、遠程監控、設備管控等），可以靈活部署并定制開發。

在統一信息化平臺基礎上，構建強健的數據倉庫，方便后期部署大數據分析應用，對全平臺MES系統中關于生產、工藝、能源、質量、供應鏈等全維度數據進行數據挖掘，能夠進一步挖掘生產潛力，優化生產管理，提高企業盈利能力。

5 建設效益分析

在現有生產工藝和設備基礎上，將信息化、智能化以及人工智能技術嵌入整個水泥制造全流程，能提升產品品質和生產效率，降低水泥生產成本，有力推進水泥工業生產過程管控的數字化、信息化、智能化。該系統提供了智能管控、預知維護、精益管理等多維度智能制造解決方案，實現了水泥生產企業的智能化領域的重大突破，對于構建安全可靠、經濟高效、綠色智能的生產運營及設備運維體系具有十分重要的意義。■