智能制造實(shí)驗(yàn)室建設(shè)探索與實(shí)踐

胡波

新疆維吾爾自治區(qū)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院 新疆烏魯木齊 830000

水泥作為水硬性膠凝材料，其產(chǎn)品種類較多、使用領(lǐng)域廣泛。水泥產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)管是否到位直接關(guān)系到建筑市場(chǎng)的穩(wěn)定和人民生命財(cái)產(chǎn)的安全，一直都是市場(chǎng)監(jiān)督管理部門進(jìn)行市場(chǎng)抽檢的重中之重。但抽檢只能代表部分產(chǎn)品質(zhì)量水平，如何真正確保水泥市場(chǎng)安全穩(wěn)定，質(zhì)量檢驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，還要從水泥企業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量管控這一源頭入手。水泥企業(yè)的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)能力在很大程度上能夠反映出該企業(yè)水泥生產(chǎn)質(zhì)量水平，也是保障水泥出廠合格的最重要一環(huán)。智能制造實(shí)驗(yàn)室建設(shè)不僅是水泥生產(chǎn)企業(yè)實(shí)施過程管控的關(guān)鍵基礎(chǔ)，也是水泥行業(yè)保證產(chǎn)品質(zhì)量性能、提升產(chǎn)品檢測(cè)能力的重要抓手。

1 智能制造背景趨勢(shì)

“工業(yè)4.0”概念是德國(guó)最先提出的。所謂“工業(yè)4.0”，是指利用現(xiàn)代信息通信技術(shù)革命（以移動(dòng)互聯(lián)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等）而促使全球產(chǎn)業(yè)形成新的工業(yè)變革；“工業(yè)4.0”概念不僅是生產(chǎn)方式的變革，更是包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、市場(chǎng)銷售、售后服務(wù)以及需求反饋全部?jī)r(jià)值鏈條的徹底顛覆和全面升級(jí)。

本質(zhì)上，“工業(yè)4.0”意味著互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)化、集成化、創(chuàng)新性、轉(zhuǎn)型期，是以智能制造為主體的。而所謂智能制造，雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者有不同的理解。但多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，智能制造是基于網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)信息、云計(jì)算等當(dāng)下主流信息通信技術(shù)的深度融合，集成于整個(gè)生產(chǎn)活動(dòng)，包括設(shè)計(jì)、制造、管理、售后等各個(gè)環(huán)節(jié)。智能制造不僅可以降低企業(yè)生產(chǎn)成本、縮短產(chǎn)品制造周期、同時(shí)可以提高效率、提升品質(zhì)、降低資源能源消耗等，是當(dāng)下世界格局發(fā)展的主流。

智能制造是未來制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。隨著信息技術(shù)和人工智能的快速發(fā)展，世界各國(guó)紛紛確立以智能制造作為轉(zhuǎn)型升級(jí)的發(fā)展戰(zhàn)略。2015年5月，我國(guó)國(guó)務(wù)院印發(fā)《中國(guó)制造2025》，這是我國(guó)部署全面推進(jìn)實(shí)施制造強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略文件，文件中明確提到“以推進(jìn)智能制造為主攻方向”。當(dāng)然，發(fā)展智能制造業(yè)的重要基礎(chǔ)和前提條件是擁有足夠數(shù)量的智能制造技術(shù)人才。然而，我國(guó)智能制造技術(shù)人才匱乏，這已經(jīng)成為我國(guó)智能制造綜合實(shí)力的提升的主要阻礙。

2 智能制造實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)建工作的重要意義

智能制造實(shí)驗(yàn)室是水泥企業(yè)生產(chǎn)建設(shè)過程中的核心部門，實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)質(zhì)量、硬件設(shè)施、人員配備、檢驗(yàn)?zāi)芰皺z驗(yàn)技能人才的培養(yǎng)都關(guān)系著水泥企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)命脈。目前，由于水泥企業(yè)規(guī)模大小不一，實(shí)驗(yàn)室配備參差不齊，檢驗(yàn)?zāi)芰皺z驗(yàn)水平差距較大，嚴(yán)重影響著水泥行業(yè)水泥產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)價(jià)體系的運(yùn)行效果，水泥產(chǎn)品使用的安全性受到考驗(yàn)。因此，急需社會(huì)各方面技術(shù)機(jī)構(gòu)共同參與水泥企業(yè)智能制造實(shí)驗(yàn)室建設(shè)工作，制定完善統(tǒng)一的智能制造實(shí)驗(yàn)室考核指標(biāo)，促進(jìn)水泥企業(yè)重視實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的重要意義，不斷提升實(shí)驗(yàn)室建設(shè)水平，真正做到從源頭抓緊抓實(shí)水泥產(chǎn)品質(zhì)量控制關(guān)，確保水泥產(chǎn)品使用安全[1]。

3 水泥廠智能制造實(shí)驗(yàn)室建設(shè)實(shí)踐

3.1 自動(dòng)取樣——發(fā)送站

自動(dòng)取樣——發(fā)送站分布于現(xiàn)場(chǎng)各取樣點(diǎn)，是水泥質(zhì)量控制的源頭，主要由取樣器、制樣、縮分單元以及發(fā)送站組成。取樣及發(fā)送的規(guī)范性決定著后續(xù)水泥樣品的分析與配料的準(zhǔn)確性。其中取樣器根據(jù)物料性質(zhì)可分為粉料取樣器和塊狀物料取樣器兩種，由于樣品輸送為炮彈載體輸送，以及實(shí)驗(yàn)室樣品處理設(shè)備的特殊性，塊狀物料取樣后在發(fā)送前，需要經(jīng)過破碎處理方可封裝發(fā)送。

某項(xiàng)目根據(jù)智能實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的控制思想，配置了10臺(tái)自動(dòng)取樣器：其中生料、水泥粉料取樣器共計(jì)8臺(tái)、熟料取樣器2臺(tái)，取樣、發(fā)送站配置如表1。該項(xiàng)目在發(fā)送站配置上結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況做了如下優(yōu)化，1#、2#水泥磨取樣器和3#、4#水泥磨取樣器分別共用了發(fā)送站，其它各取樣點(diǎn)分別共6臺(tái)發(fā)送站，另考慮水泥出廠發(fā)運(yùn)量大，取樣分散的特點(diǎn)，在散裝廣場(chǎng)水泥庫(kù)側(cè)配置了一臺(tái)手動(dòng)發(fā)送站，大幅降低取樣勞動(dòng)強(qiáng)度。

在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行過程中，多余的樣品需通過壓縮空氣回收至原輸送系統(tǒng)，由于該樣品已經(jīng)過縮分，為保證生產(chǎn)出水泥的質(zhì)量，對(duì)壓縮空氣的品質(zhì)要求較高。其中壓力露點(diǎn)溫度要求≤-20℃，而水泥工廠空壓機(jī)站配置的冷凍式干燥機(jī)出口露點(diǎn)最多只能做到≤10℃，無法滿足該系統(tǒng)用氣，因此該項(xiàng)目在取樣及發(fā)送時(shí)采用就近取氣的方式，并額外配置了吸附式干燥器對(duì)壓縮空氣進(jìn)行預(yù)處理，從而有效降低了壓縮空氣溫度對(duì)回收樣品質(zhì)量的影響[2]。

3.2 中央實(shí)驗(yàn)室

經(jīng)取樣器取出的樣品需送至中央實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)分析，中央實(shí)驗(yàn)室主要是由全自動(dòng)實(shí)驗(yàn)室、操作室、除塵室、空壓機(jī)房、輔助間及配套電力室組成，其中全自動(dòng)實(shí)驗(yàn)室由一套樣品接收、準(zhǔn)備單元和若干分析設(shè)備組成。樣品接收、準(zhǔn)備單元主要集成了樣品接收站、粉磨壓片一體機(jī)、留樣單元等設(shè)備間，這些設(shè)備間的工作銜接由一臺(tái)定制的機(jī)械手完成。中央實(shí)驗(yàn)室工作原理圖如圖1。

圖1 中央實(shí)驗(yàn)室工作原理

中央實(shí)驗(yàn)室主要承擔(dān)著水泥生產(chǎn)中的分析環(huán)節(jié)，是控制水泥質(zhì)量的核心，該實(shí)驗(yàn)室從功能性上替代了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室里的控制室、熒光制樣室和熒光分析室，其中分析設(shè)備主要有激光粒度儀、熒光儀、衍射儀等，可以對(duì)樣品的粒度，化學(xué)成分以及物相組成進(jìn)行全面的分析，評(píng)價(jià)其質(zhì)量的優(yōu)劣。若全自動(dòng)實(shí)驗(yàn)室與生產(chǎn)線同步實(shí)施，可將中控室、實(shí)驗(yàn)室統(tǒng)籌考慮。

3.3 自動(dòng)送樣管網(wǎng)

自動(dòng)送樣管網(wǎng)則是將現(xiàn)場(chǎng)各取樣發(fā)送站以及中央實(shí)驗(yàn)室接收站連接的管道系統(tǒng)，是決定整個(gè)智能系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。該管道系統(tǒng)是通過氣力負(fù)壓輸送將載有試樣的炮彈輸送至實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)機(jī)械手完成卸樣后，炮彈原路正壓返回至發(fā)送站準(zhǔn)備下一次送樣。組成管網(wǎng)的主要設(shè)備、管件有：輸送風(fēng)機(jī)、管道換向器（站）、φ80×2.5mm無縫管道、R1000彎頭、T型閥、連接抱箍和管卡等[3]。

自動(dòng)送樣管道雖與常見的煤粉輸送管道、壓縮空氣管道同為管道式氣力輸送，但要確保整個(gè)智能實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)安全且高效運(yùn)行，則需對(duì)管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)一步改進(jìn)，同時(shí)在安裝過程中應(yīng)盡量避免客觀因素造成的調(diào)整。在管網(wǎng)的實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，為滿足炮彈的順利輸送與返回，該系統(tǒng)重點(diǎn)從以下幾方面進(jìn)行了考慮：

首先需要考慮的是輸送方式，與普通的正壓氣力輸送相比，由于該系統(tǒng)炮彈需要原路返回，所以設(shè)計(jì)上可以通過改變氣體去向來控制炮彈在管道中的運(yùn)行方向，負(fù)壓輸送時(shí)氣體經(jīng)風(fēng)機(jī)外排，正壓輸送時(shí)通過T型三通外排；其次在管道連接方式上應(yīng)盡量減少輸送阻力的影響，管道對(duì)接通過抱箍緊固，管道內(nèi)壁光潔度要求很高，不允許焊接，由于現(xiàn)場(chǎng)管網(wǎng)覆蓋范圍大，輸送距離長(zhǎng)，取樣點(diǎn)分散的特點(diǎn)，必要時(shí)可采用帶坡度設(shè)計(jì)；最后考慮到輸送過程中的變向方式的設(shè)計(jì)，一方面由于炮彈區(qū)別于氣體和物料不具有流動(dòng)性的特點(diǎn)，在輸送時(shí)遇到變向過程則需考慮將彎頭曲率相應(yīng)提高，受炮彈尺寸影響，管徑一般不低于1000mm，在管道平面/豎向布置盡量橫平豎直，以減少?gòu)濐^數(shù)量。另一方面結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際采用了雙路管道進(jìn)中央試驗(yàn)室的設(shè)計(jì)方案：兩條熟料線出磨和入窯生料匯總一路，另外出窯熟料×2、出磨水泥×4樣和出廠手動(dòng)樣匯總一路，兩路管道匯合并行，考慮兩邊樣品數(shù)量的不平衡性，在匯總之后需設(shè)置一個(gè)兩進(jìn)兩出的換路站，解決兩路樣品數(shù)量的不平衡問題。

4 智能制造實(shí)驗(yàn)室建設(shè)質(zhì)量控制措施

4.1 智能制造實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

實(shí)驗(yàn)室寬敞、明亮、整潔是實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)的基本要求。實(shí)驗(yàn)室硬件設(shè)施的優(yōu)化固然重要，但有些企業(yè)卻過于追求實(shí)驗(yàn)室外觀的唯美設(shè)計(jì)，裝修過度，比如安裝裝飾頂燈、墻燈等，這些裝飾物既不實(shí)用，又浪費(fèi)經(jīng)費(fèi)，致使實(shí)驗(yàn)室過于華麗而失去實(shí)驗(yàn)室本身的功能，同時(shí)裝飾燈光線昏暗、存在色差，會(huì)對(duì)一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，比如需要通過顏色變化判斷實(shí)驗(yàn)終點(diǎn)的某些化學(xué)分析結(jié)果，可能因?yàn)楣饩€問題推遲或提前判斷，導(dǎo)致誤差。此外，長(zhǎng)期處于過度裝修的密閉實(shí)驗(yàn)室中，還會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)人員的身體健康產(chǎn)生影響。水泥企業(yè)應(yīng)該建立滿足生產(chǎn)控制和產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)需求的實(shí)驗(yàn)室、樣品存放室、藥品試劑庫(kù)等檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)施。周圍環(huán)境的粉塵、噪音、振動(dòng)、電磁輻射等均不得影響檢驗(yàn)工作。實(shí)驗(yàn)室的面積、采光、通風(fēng)、溫度、濕度、水、電等均應(yīng)滿足檢驗(yàn)試驗(yàn)需求及國(guó)家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求。化學(xué)分析儀器設(shè)備必須按照相關(guān)要求合理布局，方便操作，保證安全。實(shí)驗(yàn)室應(yīng)有通風(fēng)系統(tǒng)，安全處理、處置有毒有害物質(zhì)，以及有效防止易燃易爆現(xiàn)象的措施。制定《基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)化管理模板》，定期對(duì)實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理隱患。

4.2 智能制造實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)儀器配置及實(shí)驗(yàn)方法選擇

在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)過程中，實(shí)驗(yàn)儀器的配置和實(shí)驗(yàn)方法的選擇占有極其重要的地位，間接體現(xiàn)著實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)水平。然而某些水泥企業(yè)并不重視實(shí)驗(yàn)儀器的更新?lián)Q代和實(shí)驗(yàn)方法最新標(biāo)準(zhǔn)的查新，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)儀器陳舊、實(shí)驗(yàn)方法落后，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)最新水泥檢驗(yàn)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果失真，嚴(yán)重影響企業(yè)水泥生產(chǎn)質(zhì)量控制的正確性和時(shí)效性。因此，當(dāng)儀器誤差及檢測(cè)能力已經(jīng)不能滿足檢驗(yàn)要求時(shí)要及時(shí)更換，同時(shí)新購(gòu)進(jìn)的機(jī)器要按照說明書要求定期保養(yǎng)。不能只顧追求購(gòu)買先進(jìn)儀器設(shè)備，而忽略對(duì)現(xiàn)有儀器的保養(yǎng)和參數(shù)標(biāo)定，可以制定《儀器維護(hù)保養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)化管理模板》，定期開展儀器參數(shù)標(biāo)定及抽查考核工作，保證實(shí)驗(yàn)儀器檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確穩(wěn)定[4]。

4.3 智能制造實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)人員技能水平培養(yǎng)

如果說實(shí)驗(yàn)室硬件配置占實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)半壁江山的話，那另一重要組成部分就是實(shí)驗(yàn)室工作人員的技能水平，可以說實(shí)驗(yàn)室人員的操作技能和經(jīng)驗(yàn)積累是實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)的“軟黃金”。有一些新引進(jìn)的原燃材料，由于品相復(fù)雜、成分不確定，常規(guī)檢驗(yàn)不能分析出其正確的成分含量，化學(xué)分析終點(diǎn)顏色判斷難度增加，這些都需要檢驗(yàn)員的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)才可以做出準(zhǔn)確判斷。然而現(xiàn)在很多企業(yè)不太重視檢驗(yàn)人員的培訓(xùn)及上崗考核，不重視老檢驗(yàn)員的工作成績(jī)，沒有充分發(fā)揮“傳幫帶”精神，致使老檢驗(yàn)員檢驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)輕易流失。因此，建立適合的人才培養(yǎng)制度，使師傅愿意教、徒弟愿意學(xué)，同時(shí)建立經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，制定《實(shí)驗(yàn)人員培訓(xùn)標(biāo)準(zhǔn)化管理模板》，將一些好的方法、想法以及操作規(guī)程納入經(jīng)驗(yàn)庫(kù)。要有“走出去、請(qǐng)進(jìn)來”的思想，經(jīng)常與國(guó)家及地方檢測(cè)機(jī)構(gòu)、行業(yè)內(nèi)先進(jìn)企業(yè)進(jìn)行交流，可以邀請(qǐng)行業(yè)專家駐廠開展培訓(xùn)學(xué)習(xí)指導(dǎo)。制定相關(guān)容錯(cuò)機(jī)制，對(duì)于有想法、敢實(shí)踐的員工，要給予鼓勵(lì)，使員工努力的方向更明確、實(shí)踐的舞臺(tái)更寬廣[5]。

4.4 智能制造實(shí)驗(yàn)室的考核評(píng)價(jià)體系建立

實(shí)驗(yàn)室的軟硬件都配備齊全后，階段性開展實(shí)驗(yàn)室考核評(píng)價(jià)非常必要。很多企業(yè)實(shí)驗(yàn)室考核評(píng)價(jià)體系不健全，致使實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期處于無人過問的真空地帶，這是極其危險(xiǎn)的。對(duì)實(shí)驗(yàn)室開展階段性考核是水泥企業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)室軟硬件核查，發(fā)現(xiàn)存在問題及管理漏洞，及時(shí)補(bǔ)漏并完善相關(guān)設(shè)施，排除安全隱患，對(duì)降低水泥產(chǎn)品質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)起到十分有效的監(jiān)管作用。水泥企業(yè)要貫徹落實(shí)化驗(yàn)室管理規(guī)程及相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，制定《考核評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)化管理模板》，模板內(nèi)容可以包括：定期進(jìn)行檢驗(yàn)檢測(cè)方法查新；及時(shí)更換檢驗(yàn)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)；不定期開展控制、化學(xué)分析、物理檢驗(yàn)對(duì)比工作；通過交叉抽樣、密碼抽樣、現(xiàn)場(chǎng)抽樣來保證實(shí)驗(yàn)質(zhì)量；充分做好設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)及檢驗(yàn)設(shè)備對(duì)比，保證檢驗(yàn)設(shè)備始終處于穩(wěn)定狀態(tài)；注重檢驗(yàn)人員技能培訓(xùn)與考核，提高檢驗(yàn)檢測(cè)水平等等。階段性開展實(shí)驗(yàn)室考核評(píng)價(jià)，能夠有效促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室軟硬件水平穩(wěn)步提高，對(duì)于水泥企業(yè)智能制造實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成果的持續(xù)性推廣具有較好的推動(dòng)作用。

5 結(jié)語

總而言之，智能實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的應(yīng)用提高了生產(chǎn)檢驗(yàn)的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，在大幅降低員工勞動(dòng)強(qiáng)度同時(shí)，也有效提高了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。質(zhì)量控制系統(tǒng)的智能化、數(shù)據(jù)化控制，一方面指導(dǎo)著數(shù)字化智能礦山系統(tǒng)進(jìn)行石灰石的合理開采與搭配，以提高資源利用率；另一方面也幫助專家優(yōu)化控制系統(tǒng)和工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)中的節(jié)能降耗目標(biāo)。智能實(shí)驗(yàn)室在水泥工廠中的成功應(yīng)用，將成為未來水泥工廠的發(fā)展趨勢(shì)。