SCR 連鑄連軋銅桿生產線智能化工廠建設研究

胡浙平

(江西銅業加工事業部銅材公司,江西 貴溪 335424)

銅加工行業是銅產業鏈的中間環節,銅加工產品的應用極為廣泛。目前,國內銅加工行業正面臨著企業轉型升級和高質量發展問題,而大數據因技術水平完善、實用功能超強,可大幅提升銅加工領域的作業效率和工作水平。隨著信息化、數字化、智能化等新技術的快速發展,依托于大數據背景下的智能化工廠建設已受到國內外銅加工企業的普遍青睞。

江銅銅材公司擁有美國南線 SCR3000、SCR4500 兩條連鑄連軋銅桿生產線、四條德國尼霍夫大拉機組生產線。SCR 銅桿生產線由美國南線公司、摩根公司和西屋電氣公司共同研制開發,主產品T1 M2OΦ8.0 mm 銅桿設計總產能為37 萬t/a,主要工藝設備采用美國精煉公司豎爐,設計熔銅速率分別為25 t/h、35 t/h,連鑄采用五輪鋼帶式連鑄機,連軋采用摩根二輥懸臂式連軋機組,豎爐原料投爐、燃燒系統控制、鑄坯澆鑄、軋制成型、冷卻清洗、成卷稱重全程均實現計算機在線監控,自動化程度高,且產量大、產品表面光亮、質量好,性能優異、熱效率高、能耗成本低,2020 年銅桿產量達36.4 萬t/a[1]。德國尼霍夫大拉機組技術裝備世界領先,生產效率高,安全可靠,且制品表面光亮、無氧化等,主產品ΦTR2.6 mm 銅線設計總產能為12 萬t/a,2020 年產量達10.7 萬t/a。該公司現已成為國內最大的光亮銅桿線生產基地之一。

在“中國制造2025”戰略指引下,江銅近年來加快創建智能工廠步伐,利用物聯網、大數據、人工智能、邊緣計算、5G 等新型信息化技術,對企業進行了智能化改造,為企業高質量發展奠定了基礎。

1 系統總體架構

SCR 連鑄連軋銅桿生產線智能化建設系統總體架構,如圖1 所示。該系統總體架構可分為三層結構:

圖1 智能化系統總體架構

(1)智能決策層。包括公司層面已有的OA 系統、ERP 系統、全面預算管理系統等,生產運營管控系統能夠提供相應的生產數據,為經營管理提供數據支撐。

工業大數據平臺承擔企業數據的采集與清洗轉換工作,同時與其他獨立的業務系統進行各類數據交互,將生產、經營及管理等多類業務數據進行整合,以便形成完整的大數據分析數據鏈。

(2)生產運營管控系統層。主要完成生產、質量、設備、生產統計等管理,實現現場生產、質量、設備運行、物料、能源的實時監控,及時把控現場生產節奏、檢修、運行、故障情況,自動形成各類報表和績效考核KPI 指標,實現透明化的生產工廠管理。

(3)工廠數據庫層。是整個智能工廠的基礎層,擔負著基礎數據的收集、存儲、匯總和歸并上傳。實現現場各類控制系統、儀器、儀表、檢測設備、設備運行等各類生產、工藝過程、設備運行、投入產出、計量檢測實時數據的采集和歸集。

在生產管理方面,通過人、機、料、法、環的綜合管理,實現管理效益的有效提升;在質量管控方面,通過優化參數、固化知識,實現銅桿成品質量的穩定和提升。

本研究主要是完成工廠數據庫層和生產運營管控系統的建設。

2 技術方案

“智能化工廠”基本特征主要有制程管控可視化、系統監管全方位、制造綠色化三個層面[2]。可通過數字化生產過程管控,借助新一代寬帶無線通信網、移動物聯網產業技術手段,以實現SCR 連鑄連軋銅桿生產線制造控制智能化、過程透明化、設備生產信息集成化等。建立以工廠數據庫平臺為基礎,以精益思想為靈魂,以工業數據和業務數據驅動為核心,建立現代化的生產管理調度運行機制,智能化分析生產現狀,實現生產流程的可視化、運營管理的精益化,不斷提高產品質量,持續提升管理目標;同時,創建銅加工企業智能化控制樣板。

計算中心網絡即管理網。按公司整網接入標準規范,將應用平臺環境部署于數據機房,實現數字化生產線域、管控大廳域,為多單位生產人員提供平臺應用服務。管理網無需大的改造,僅涵蓋調度大廳的網絡布線(詳見調度大廳與數據機房建設部分內容)。

產線網絡。即控制網,控制網隨接入設備的增加,需要做擴展性改造。

SCR4500 銅桿生產線控制網改造方案,如圖2所示。主要改造內容有:(1)原GE 實時數據文件存儲服務器仍沿用作為實時歷史數據庫的采集與存儲服務器,并配置雙網卡(管理網與控制網網段IP 地址);(2)采用跨網段交換機。為實時數據庫設置專門端口,作為管理網段指定服務器獲取實時數據庫數據的入口;(3)傳感器數據接收系統,需接入SCR4500 銅桿生產線PLC 控制系統。

圖2 SCR4500 銅桿生產線控制網改造方案

移動網絡。隨著各個行業信息化應用的廣泛深入,新業務需求的不斷出現,為了加快和提升產線數字化技術水平、提高工作效率等方面考慮,采用5G移動網絡接入,實現各項移動應用。主要應用為:(1)與運營商合作,實現5G 網絡對全區域進行有效覆蓋;(2)移動網絡可提供產線智能終端無線訪問需求,提升靈活的移動辦公;(3)移動網絡能夠實現域外無線辦公,提高工作效率。

以SCR4500 銅桿生產線為例。SCR4500 銅桿生產線控制網改造方案,如圖2 所示。該控制網仍采用與管理網分開部署的方式,但智能工廠系統需采集實時數據,因而需加設一個交換節點連接管理網與控制網。

3 系統的研發及應用研究

3.1 創建公司大數據中心

公司原有機房不能滿足國家相關規范及本次項目工程建設要求。在不改變和中斷原有業務系統的情況下,將SCR4500 廠房二樓65 m2會議室改造為生產調度指揮大廳,即中央集中調度大廳與視頻監控中心,將大屏、遠程操控、數據中心機房,均集中部署在此,進行綜合布線、網絡改造,其中15 平米區域用玻璃門墻隔開,建設一個符合國家等保三級相關標準的全新機房,成為公司大數據中心,將所有數據匯總至新機房進行存儲、分析,機房建設時考慮未來兼顧其他生產線進行數字化改造或類似項目的數據交換、運算及存儲;同時,考慮為將來大數據運算準備足夠的運算資源和存儲資源。

原有服務器資源暫不遷入新機房,但后續新建系統數據均遷入該機房。數據中心主要包括機房裝飾、暖通、消防、防雷、機柜、環境監控等系統。

3.2 超融合云計算系統

該系統設計配置4 臺2 顆英特爾至強處理器金牌6242 16 核處理器;配置128GB DDR4 內存;4 塊960GB SSD 存儲系統。存儲系統采用超融合架構,部署分布式存儲系統,可用容量約6.3 T。數據網絡配置4 臺25 光口交換機,每兩臺一組進行堆疊,實現橫向和縱向流量50 G 高速鏈路帶寬。

為實現統一管控、自動化運維和考慮未來縱向、橫向擴展,本次采用超融合云計算系統,部署服務器虛擬化模塊和存儲虛擬化模塊,完成IaaS 基礎設施層建設。該系統已具有計算資源能力、統一數據源存儲調用及復用能力、超融合兼容能力等。

3.3 生產數據采集與監控系統

SCR4500、SCR3000 在線生產監控系統皆儲存了大量數據,但往往分散在不同的計算機或控制系統上,不能統一存儲、調用和管理,各控制系統是互不相連的自動化孤島,許多問題因無法采集到足夠數據進行綜合分析,難以得到合理快捷的解決方法。

采用知名品牌的實時歷史數據庫采集與存儲系統,作為整個輔控網絡整個系統采集歷史數據的中心。實時歷史數據庫服務器和輔控中的IFIX 采集器進行通信,采集現場數據。實時歷史數據庫平臺利用標準軟、硬件接口技術,快速、高效地從生產線控制系統中直接取得第一手現場實時數據,且完成海量數據的高效壓縮和安全存儲,為產線數據應用,如生產過程可視化動態跟蹤、生產實時調度、設備故障診斷、經濟運行、產能優化、質量管理等,提供各種在線(如產量、溫度、流量)或離線(配方、質量分析)的過程數據,從而為消除信息孤島、實現資源共享以及管理應用建立基礎數據庫平臺。實時歷史數據庫需具備以下技術標準:

(1)擁有每秒超過20 000 事件的持續存儲和檢索能力;(2)采用高效數據壓縮算法,將存儲的數據壓縮到只占磁盤極小空間,平均每個數據值只占3個字節;(3)能夠支持豐富的數據類型,包括數字、字符串和二進制對象(例如文檔、圖像和其它文件);(4)為所有數據點建立索引,并可通過產品代碼和其它數據值,實現數據檢索,大大簡化生產過程中或不同生產階段數據的比較和分析;(5)擁有良好的可擴展性,可應用于任何一種生產環境,包括可從OPC、IFIX、CIMPLICITY,甚至CSV 和XML 文件上獲取數據;(6)提供豐富的訪問接口,用戶可通過OLE DB 供應者和軟件開發工具包(SDK)對實時歷史數據進行訪問。

3.4 生產運營管控應用軟件系統

建立標準、統一、數出一源的應用系統集中集成平臺,是智能工廠建設的基礎。該項目建設的系統不能形成新的信息孤島,必須與部分已建成或還在持續建設系統信息共享、數據聯動,利用相應的適配器,上掛ESB,實現應用集成、業務協同。需與全面預算系統進行接口,與實時數據庫進行對接,獲取智能工廠系統所需的生產線運行參數、傳感器參數的所在數據標簽的值。

3.4.1 生產管理系統

該系統主要包括計劃管理、生產班組管理、生產巡檢管理、生產智能監控、產品信息采集等環節。可實現生產計劃、排程、調度、執行、監控、反饋、優化的閉環及痕跡化管理;提高物流、質量、化驗管理的高效性;建設立體直觀的聯合指揮中心。主要功能包括計劃管理、調度指揮、大屏組態、質量計量管理、原料管理、檢化驗管理。

生產計劃在全面預算管理系統中錄入,智能工廠系統需接入企業全面預算系統中SCR4500 銅桿生產線的周生產計劃,以便查詢;根據智能工廠系統獲取生產線完工數據,自動形成SCR4500 銅桿生產線周生產計劃完成情況,回傳全面預算系統。

3.4.2 質量管理系統

可實現質檢標準的制定、過程檢驗、產品檢驗,質量等級自動判定,質量追溯、分析及預警等功能。

生產過程與產品質量管理。支持對在制品不定期取樣進行金相檢驗,檢驗結果要按照設定時間段覆蓋該時間段內所有產品的該項檢驗指標(這些指標在后續產品檢驗中不再檢驗);支持在生產過程末端取樣作為成品檢驗依據,樣品需要與批號(卷號)對應,支持批號(卷號)數據采集;質量檢驗數據支持錄入與采集,需要與含氧量檢測設備對接采集部分檢驗指標數。

產品與質量相關性分析。SCR 銅桿生產線分為豎爐、鑄機、軋機、卷曲四大區域,各區域的工藝控制皆會影響到產品質量。需結合先進數據分析模型,針對采集數據進行建模,從而建立質量與工藝參數的直接關系,輔助智能決策。智能工廠的重點建設內容之一,即在數據采集并集中后,通過數據挖掘、展現與分析,為管理人員提供產品與質量相關性分析。要根據企業實際,將經驗提煉、總結、抽象成理論,共同設計出SCR4500 產線的產品與質量相關性分析數據模型、數據處理功能,及前臺界面操作。

3.4.3 設備管理系統

該系統主要包括設備基礎信息管理、設備點檢管理、設備運行監測、設備維護管理。鑒于目前在線全面預算管理系統已實現了部分設備管理基礎功能應用,包括設備檔案、設備零部件管理和部分設備維修管理,但由于該系統不能與PLC 相連,且移動端功能較弱。因此,智能工廠建設需補充部分設備管理功能,特別是設備與生產相銜接,以及設備移動點檢部分。

設備基礎信息管理。包括基礎編碼、臺賬管理、檔案管理、點檢標準、潤滑標準、檢修作業標準、量器檢定、資料庫等功能;實現特種設備注冊登記、定期檢測檢驗、報廢注銷等功能,未按規定實施特種設備檢測檢驗的可自動統計和預警,支持設備條形碼/二維碼/RFID 射頻碼的管理;支持設備目錄按照樹形結構排列;設備檔案與臺賬信息,需實現智能工廠系統與全面預算系統建立對照關系,實現操作同步,包括新增或啟用、變更、報廢,并更新設備臺賬。

利用物聯網,結合公司03 專項計劃,對部分設備電機、粗精軋機組、能源儀表等通過加裝智能傳感器用于檢測設備的電流、電壓、振動頻率、壓力、溫度等參數。物聯網平臺構架圖,如圖3 所示。

圖3 物聯網平臺構架圖

設備點檢管理。擴充已有PMS 點巡檢管理系統功能,覆蓋司控、廠控、車間重點設備,增加測點,配置電子標簽、測振儀、抄表儀(支持拍照、離線暫存、無線傳輸功能)。支持設備App 現場掃設備現場標識條碼后,點檢任務下載,點檢記錄填報。

設備運行監測。通過DCS、PLC、傳感器采集設備運行狀態實時數據。需在線監測設備上利用數據監測元件、信號采集器將設備振動、工藝量等數據通過無線通訊進行實時采集和監控,將采集數據存放在關系型數據庫中,并在智能工廠前端(PC 及移動端)分析、處理數據,向用戶提供各類圖譜,供用戶進行設備運行狀態監測及診斷。

設備維護管理。目前全面預算系統有部分設備維修功能,但偏重于結算與財務核算,如核算維修工時費用,零部件材料費用等;智能工廠系統的設備維修管理,無需考慮結算層面的功能,但需提供一個自行發起維修申請,或通過設備點檢、生產巡檢、異常管理、日常維修計劃等上游應用推式生成維修申請,并按維修申請形成系統內的閉環。智能工廠系統發起設備維修申請,維修申請需傳至全面預算系統,在智能工廠內要管理維修作業完畢,并通知申請發起人,申請發起人要確認維修成功或失敗,前者結束,后者可再次發起維修申請或結束。

3.4.4 創建大數據背景下的考評制度

大數據背景下,應創建科學合理的考評制度,以充分調動員工的積極性,保障生產經營信息流暢、運行成本低,促使企業順利完成工作目標。依托大數據相關數據計算,可將各種生產經營指標列為各種考核因子,核算因子有工作嚴謹度、作業時長、日常作業表現,考核表宜公平公正公開,讓員工能及時發現問題、杜絕錯誤行為,讓考評制度成為提高企業生產效率的重要制度[3]。

4 結語

生產實踐表明,該公司針對SCR 連鑄連軋銅桿生產線智能化工廠建設探究是成功的,具有前瞻性、先進性,已融合進各種新技術,是科學、合理、可行的。集智能機器、生產設施及存儲系統為一體的智能體系完全能實現自主交換信息,且該智能體系各構成要素之間能獨立運行、相互控制,可更好地助力企業安全可靠高效生產,降低風險,提高生產服務效率[4],大幅提升銅桿成品質量;開發綠色生產的產業鏈,形成了透明化、智能化和協同化三大主要需求特征,通過大數據整理、分析設備運行中產生的數據,可及時消除設備故障或事故隱患,設備損耗小,生產成本能耗低;且針對銅桿產品市場的檢測,還能制定相應的生產目標,此次智能化升級改造僅花費280 余萬元,社會經濟效益十分顯著。