智能化生產創新試點與探討

王振軍，謝慶云，盧耀錦，王虎城，楊少武，楊志軍，王世軍

（西北稀有金屬材料研究院寧夏有限公司 稀有金屬特種材料國家重點實驗室，寧夏 石嘴山753000）

目前，根據我國“十二五”發展規劃要求，要在各行各業大力推進智能制造，由此來推進產業轉型升級，最終提高核心競爭力。為此，本集團公司積極響應國家產業政策，試點將智能制造應用到新建項目上，成功實現了以智能化生產，創新驅動產業大發展。

1 智能化試點

1.1 立項背景

原生產線信息化狀況落后。裝備均為信息孤島，無法互聯互通，遠程共享； 多為單機控制或人工操作；生產現場管理靠人工巡視；質量過程管理靠人工記錄。

新建生產線引入智能化試點建設。以實現無粉塵危害遠程管理，提質增效，擴大產能，扭虧脫困。生產線裝備特點：單機間歇式生產；工藝復雜，流程長；批量小，多批次；高溫，高真空度，脫氣粉末冶金工藝復雜，控制精細，安全防護要求高等，特別適合智能化應用開發。生產線裝備如圖1 所示。

1.2 建設概況

圖1 生產線裝備實物圖

公司投資近數百萬，試點建設了智能化生產線，開創了智能化建設項目示范，由傳統單機不互聯制造模式向信息化物聯網制造模式轉變，實現了四個方面的智能化：裝備自動化、管理可視化、質量信息化及工藝流程化，實現了節能、增能、產值及效益翻倍增長，成為集團外來參觀最具特色的展示中心之一。

1.3 建設方案

實現生產信息化。建立生產物聯網信息MES 管理平臺及生產監視調度指揮中心總站，實現生產裝備由人工管理向信息化管理方式轉型升級。建立車間集控平臺子站，實現自動化無人值守，減少人工，實現通風防護要求節能化。

開發建設裝備自動化。推廣應用工廠通風智能化及節能技術，降低成本；新開發等靜壓擴能深度自動化技術，擴大產能；推廣應用數控化機械加工中心等智能化加工裝備；提升裝備精密加工制造能力，提高產品合格率及效率。

優化生產流程。創新開發3D 打印快速成型數控技術，縮短生產流程。

1.3.1 平臺架構

組建全線各單體設備DCS/PLC 物聯網，將全線20 多套冶金爐單機及7 套通風控制系統組成網絡匯集、處理全線約6 000 點生產數據；建立生產監控/調度/管理系統：建立7 個車間信息子站，建立一個信息化物聯網中心總站平臺；自動采集、存儲、顯示生產數據，生成質量、工藝、裝備、能耗管理信息數據庫。平臺架構如圖2 所示。

1.3.2 遠程可視化平臺

建立大屏監視中心。共設有150 路高清視頻攝像頭；統一組網全線工藝數據及視頻信息，綜合顯示在 9×60 寸 DLP+16×42 寸電視墻上； 設有車間級監控顯示終端，并將信息遠傳至總調度指揮顯示中心；車間子站及總控室全線無死角，全天候“電子眼”監視，記錄定期備份，常年可查；提升現場生產管理效率，且無粉塵危害，遠程管理；總控中心實時在線監控，及時調度指揮生產。視頻信號均可上電視/DLP墻進行輪巡監視。可視化平臺結構如圖3 所示。

1.3.3 生產監控平臺

建立可自動采集全線生產6 000 個信息點數據的智能監控平臺以及生產質量管理系統、 裝備運行養護數據平臺。實現了工藝及裝備數字化、智能化；改善產品過程控制水平； 自動執行工藝過程控制流程，實現質量的透明、精細、高效、優化管理；產品質量全程可追溯，便于改進生產管理，提質增效。實現了生產控制、分析、決策等，實現了智能化技術升級；改善了工藝優化及質量控制技術，節能降耗，改進設備運維效率；建立設備運維及能耗智能管理平臺，提高了運維效率，延長設備壽命；實現節能精準管理。生產監控平臺如圖4 所示。

圖3 可視化平臺結構圖

1.3.4 裝備智能化擴能

深度自動化擴產能。等靜壓成型技術（Hot Isostatic Pressing，簡稱HIP）是將制品放置到密閉的耐高壓容器中，向制品施加各向同等的壓力，同時施以高溫，在高溫高壓的作用下，制品得以燒結和致密化，傳統等靜壓成型技術瓶頸是受熱均溫區短，冷卻時間長，高溫高壓安全保護及操作流程多為人工方式，生產效率低下，產量滿足不了生產需求，急需擴能改造。

對傳統等靜成型技術進行深度改造（如圖5 所示）。全自動PLC 控制，簡化操作，一鍵式操作，提高運維效率及開機率，故障自診斷；增強設備及人身安全，聯鎖保護控制。采取快速冷卻技術改造：快速冷卻 30～50 ℃/min，縮短生產周期近 24 h，提高生產效率，增加產能；采取縮短工藝流程技術改造；自動制氬氣，降費用，省人力，工藝簡化，操作安全。

1.3.5 裝備智能化降耗

圖4 生產監控平臺圖

圖5 等靜成型技術深度自動改造介紹圖

以下述項目為例說明如何解決負壓密閉高耗能及成本大的難題。項目設計風量45 萬m3/h，裝機電量約800 kW，通風能耗成本巨大，年電費近300 多萬元。

房間通風用量智能化控制。通過各調試房間送風和排風的手動閥開度，調整送風量與排風量，保證一定負壓，使得有害粉塵按系統各房間預設的負壓梯度，從低濃度區域向高濃度區域定向流動；在房間送風管和排風管上設有電動密閉閥門，根據實際各用風房間的需求啟停，避免了通風房間“一開全開”的空耗運行方式。

送排風總管路通風量智能控制。由送、排風風機組的PLC 控制系統自動調節其頻率來維持出口壓力，實現總管路按實際需量供風，杜絕了定工頻運行方式下耗風耗電缺陷。

節風約49%，節電約30%，年節省電費約90 萬元；采取無人職守技術，智能化節省人工10 人，節省人工費約30 萬元。裝備智能化降耗（廠房通風按需智能化供風）如圖6 所示。

1.3.6 試點經驗教訓

圖6 裝備智能化降耗（廠房通風按需智能化供風）示意圖

智能化試點建設要充分做好立項調研，將智能化系統規劃設計到新建項目初步設計及施工設計，做好統籌協調聯控，統一訂制設備選型支持聯網聯控協議、軟硬件通訊接口、開放OPC 協議，盡量統一裝備控制系統選型等，協調各家通訊聯控。

2 智能化探討

四次工業革命歷程包括：機械化生產革命、流水線生產革命、 可編程序生產革命及網絡物理系統生產革命（見圖7）。目前工業正處在第四階段，基于物聯網的智能化階段。智能化范疇包括自動化、 物聯網、信息化、數字化、大數據、機器人及“互聯網+制造”等；智能化目的在于解決企業自身在生產制造、產業鏈及企業管理等方面所遇到的瓶頸和困局。

2.1 智能化案例思考

通過深度自動化控制技術，解決企業鈉還原工藝中只能手工中注鈉操作，無法保證產品穩定性和一致性，裝備產量不足等重大技術難題。將鈉還原化學反應放熱控制與電阻爐物理加熱控制并網聯控，創新開發了注鈉智能控制系統，一舉打破了原有手工方式的技術瓶頸，突破了產品質量穩定性、一致性技術難關，產能擴大4～5 倍。

通過智能化優化流程技術，解決企業制粉生產效率低的難題。采用雙向對沖氣流粉碎取代單向靶式沖擊粉碎系統，縮短提高制粉效率；采用氣力輸送系統取代人工轉運，縮短工藝流程； 改進工藝流程后，產能擴大3 倍。

2.2 智能化原則

把握智能化“增效+提質”基本原則，摸清生產現狀及需求，做好可研；必須正視企業所處工業化階段水平，實事求是；抓住關鍵痛點開刀，以點帶面，逐步推進；切莫搞跨越式工業2.0 及3.0 的智能化。

重視系統規劃設計，在新建項目前期須統一信息化規劃，提前籌備現場設備層通訊，網絡構架等最底層信息化建設。

圖7 四次工業革命歷程示意圖

2.3 智能化步驟

智能化道路要結合企業實際循序漸進。第一步要實現生產制造自動化，實現產品質量的一致性和穩定性，是提高質量最直接的方法；第二步要實現流程管理數字化，將產品的生產和管理信息數字化，透明化，分析/歸納/總結數據，實現流程制定的最優化，提高生產、運行和管理的效率；第三步要實現企業信息網絡化，加快研發速度。

3 結語

通過智能化技術推廣應用，實現質量一致和穩定、 實現生產數字化和遠程高效管理，提高生產效率、產品質量、能效管理以及整體自動化水平；達到減人、節能、增效、提質、降耗等目的，智能制造才能成功在企業推廣應用。