水泥生產全流程智能制造模式

[摘 要]運用人工智能和信息網絡等新一代信息技術與水泥制造技術融合，推動水泥工業生產、管理和營銷模式的變革，已成為我國水泥行業高質量轉型發展的關鍵。海螺集團聚焦生產管控、設備管理、安全環保和營銷物流等核心業務，按照工業互聯網相關標準，以數字工廠建設為目標，建成了行業首個包含智能生產、智能運維和智慧管理三大平臺的水泥生產全流程智能化工廠，并迅速推廣應用，初步形成了“以智能生產為核心、以運行維護作保障、以智慧管理促經營”的水泥生產全流程智能制造模式，為傳統產業的轉型升級和高質量發展發揮了標桿引領作用。

[關鍵詞]水泥生產；智能制造；轉型升級

一、實施背景

目前，水泥行業正處于轉型升級的關鍵時期，企業信息化、自動化和智能化水平參差不齊，亟需采用融合工藝機理的信息化、智能化技術，推動生產、管理和營銷模式從局部、粗放向全流程、精細化和綠色低碳發展方向變革，以解決資源、能源與環境的約束問題，提高生產制造水平和效能，實現水泥行業“降成本、補短板”和跨越式發展。

運用人工智能和信息網絡等新一代信息技術與水泥制造技術融合，推動水泥工業生產、管理和營銷模式的變革，已成為我國水泥行業高質量轉型發展的關鍵。

安徽海螺集團有限責任公司（簡稱“海螺集團”）作為水泥行業龍頭企業，在水泥生產過程管控方面有著深厚的工業積淀，不僅擁有水泥工藝、電氣自動化、機械裝備和工業信息化等專業技術人才隊伍，而且建立了專業化的信息技術工程公司。

30多年來，海螺集團對水泥自動控制、裝備管理、工藝操作和供應鏈管理進行不斷地總結和優化，并通過計算機應用軟件進行固化和統一，形成了具有海螺特色的水泥生產知識庫，促進了水泥產業的高標準化和集團高速發展，也為集團水泥智能工廠建設奠定了良好基礎。

近年來，海螺集團以企業實際需求為導向，針對原料來源多、質量波動大、質量檢測及時性準確性不足、生產操作依賴人工經驗、產品發運環節勞動強度大等問題，深入分析行業生產管理現狀，通過聚焦生產管控、設備管理、安全環保和營銷物流等核心業務，按照工業互聯網相關標準，以數字工廠建設為目標，建成了行業首個水泥生產全流程智能化工廠，并快速推廣應用，初步形成了集團水泥智能工廠集群。（見圖1）

二、主要做法

海螺集團采用自主研發與集成創新相結合的方式，以典型生產線為試點，由點到面逐步推廣應用，并運用5G+AI等最新技術持續迭代升級，不斷提升智能工廠技術及應用水平。

水泥智能工廠包含智能生產、智能運維和智慧管理三大平臺，具體包括數字化礦山管理系統、專家自動操作系統和智能質量控制系統等八個涵蓋水泥生產全過程的智能化控制及管理系統。

（一）基于智能生產平臺，實現“一鍵輸入、全程智控”生產

智能生產平臺包括數字化礦山管理系統、專家自動操作系統和智能質量控制系統。該平臺在行業率先構建了“一鍵輸入、全程智控”的生產模式。只需在智能質量控制系統中輸入熟料或水泥的質量預控目標，系統自動根據原燃材料信息完成生產配料，并向數字化礦山管理系統下達開采和配礦指令。專家自動操作系統按照配料參數和品質要求在節能穩產模式下自動引導生產。進入智能生產閉環后，開采的礦石品位和終端產品的質量數據則又會由系統自動實時采集分析，用以不斷優化生產方案，使產品品質、能源消耗等控制目標不斷逼近預設的最優參數，最終實現降低人員勞動強度、提高產品生產品質和降低資源能源消耗的運營目標。

1.數字化礦山管理系統

該系統涵蓋了礦山三維建模、中長期采礦計劃、爆破、取樣化驗、采礦日計劃、精細化配礦、GPS車輛調度、礦車無人駕駛、卡車裝載量監量、混礦品位在線分析、配礦自動調整、生產管理、司機考核等礦山管理的各領域，實現了三維采礦的智能設計、配礦質量在線分析、礦車調度優化管理、礦山生產立體化管控，解決了水泥企業在礦山生產方面存在的配礦、監督和管理問題，提高了礦山生產效率、資源利用率和安全保障。

2.智能質量控制系統

進廠原煤、入堆場石灰石等大宗原燃材料采用在線式跨帶中子活化分析儀進行實時檢測，并建立堆場質量數據三維模型；生料、熟料、水泥等經全自動取樣器取樣，由炮彈輸送系統送至中央實驗室，通過機械手、粉磨壓片一體機等全自動制樣設備進行制樣，并由中子活化在線分析、激光粒度儀、X熒光分析儀及XRD衍射儀等檢測分析設備進行自動檢測。

結合海螺多年來的生產控制經驗，還開發了自動配料軟件系統，形成了集自動采樣、樣品傳輸、在線檢驗、自動化驗和智能配料一體化的管理平臺，實現了對原料、燃料、熟料和水泥等各類物料的全程自動取樣、化驗分析和配料調控。（見圖2）

3.專家自動操作系統

該系統利用世界先進的實時智能專家系統開發平臺，針對水泥生產過程中長滯后、多變量、難檢測和多擾動的特點，將大數據分析、人工智能技術與海螺工匠實操經驗完美結合，建立海螺集團水泥生產知識庫，搭建最符合水泥生產的專家自動操作系統。

專家自動操作系統以MPC（模型預測控制）、規則控制、模糊邏輯控制等先進的控制理論為基礎，將海螺集團水泥工藝控制思想進行標準化、軟件化，并與DCS控制系統、數字化礦山管理系統和智能質量控制系統無縫集成、協調共進，實現水泥生產線的智能化操作控制，擺脫人為操作的波動性，使生產線始終以最佳參數自動完成熟料、水泥的連續穩定生產。（見圖3）

（二）基于智能運維平臺，實現能耗精細化管理、設備預測性維護

智能運維平臺主要為智能生產平臺提供高效、安全、節能、環保的運行環境，包括設備管理及輔助巡檢、能源管理和安全環保管理三大系統，具有“穩產助優產、優產促節能、節能優環保”的特點。

1.設備管理及輔助巡檢系統

該系統利用現代化網絡和通信技術，通過溫度壓力傳感器、振動檢測器、高清視頻攝像儀和移動巡檢等先進儀器，實現對原料立磨減速機、回轉窯主電機、高溫風機等設備運行、保養、檢修和故障診斷的管理，并通過PC端與手機App數據交互，達到“降低勞動強度、信息實時共享、提高管理效率”的目標。

同時，將重大設備故障自檢測、主要設備實時在線監測、點巡檢移動物聯網化、三維仿真全息管理四大功能全面融合，實現設備在線監管、重大故障提前預判。

2.能源管理系統

水泥行業是能源消耗大戶，能源消耗占水泥生產總成本的50%以上，節能減排對水泥行業可持續發展具有重要意義。

能源管理系統，通過對水泥生產過程的用煤、用電、用油等能源消耗數據進行在線收集、實時傳輸，并結合各工序產量、設備開停狀態等生產過程數據，對各工序電耗進行統計、分析，對噸石灰石、噸熟料、噸水泥能耗進行對標分析，以及對能源指標數據的橫向比較等，有效提升水泥工廠能源管理水平，從而使水泥企業的能源管理由傳統方式、常規方式向可視化、數字化、網絡化、智能化轉變，達到節約用煤、減少用電的效果。

3.安全環保管理系統。按照原國家安監總局下發的《企業安全生產標準化基本規范》和《冶金等工貿行業企業安全生產預警系統技術標準（試行）》等規定要求，海螺集團以“集團、二級子公司、三級子公司”為架構，以“四大要素、八大指標”為綱要，開發了安全環保管理系統。系統從企業領導決策者、安全環保管理者、安全環保參與者等多維度出發，圍繞“事前、事中、事后”三條業務主線，通過信息化技術手段，幫助企業建立“日常監管、提前預警、事中救援、事后提高”的涵蓋安全環保管理全過程的業務系統。

（三）基于智慧管理平臺，實現企業經營決策數字化

智慧管理平臺包含生產制造執行系統和營銷物流管理系統，在系統整合智能生產和智能運維平臺數據的基礎上，推動工廠的卓越運營。

1.制造執行系統

水泥制造是典型的流程化生產。在生產過程中，各工序的生產調度、生產部門間的組織協調、銷售部門的發運組織、各職能部門的職能管理，乃至企業級的整體運營決策等行為，都需要及時、有效的數據支撐。

通過制造執行系統的實施，構建以產品生產為主線，貫穿生產調度、物資、能源、設備、質量、安全環保、統計等環節的生產全過程管理平臺，打通智能工廠各系統間數據壁壘，實現各大工業智能系統的互聯互通、全面融合，支撐生產管理業務全面信息化，提高生產效率，降低生產成本，使得企業始終以最優化、最經濟的方式生產。

2.營銷物流管理系統

傳統的水泥工廠都設有銷售大廳，車輛排隊簽單、開票，工作既耗時又繁瑣。

通過“互聯網+物聯網”技術的應用，構建包含水泥電商平臺、物流通道無人值守、水泥全自動包裝、產品流向監控子系統的營銷物流管理系統，將互聯網銷售、工廠智能發運和水泥運輸在線監管全面融合，實現工廠訂單處理、產品發運、貨物流向監控等業務流程無人化和數據應用智能化，提升服務質量與效率、互動參與度以及便捷性，為客戶提供更為方便、快捷的服務，實現水泥傳統營銷、管理模式的創新和升級。

三、實施成效

（一）經濟效益

海螺集團水泥智能工廠充分融合了生產工藝特征和集團多年在生產過程管控方面深厚的工業積淀，實現了數據的大平臺、大交換、大融合，真正做到了生產工序操作全自動、過程分析全數據的智能化生產。

以2條標準的5000t/d生產線進行智能工廠綜合效能考核評測，系統運行效果如下：

數字化礦山管理系統通過對礦體三維地質建模、采剝編制、計算機優化，集成在線質量分析與檢測等設備，實現了自動化配礦和車輛智能調度，每年可多搭配低品位礦石34萬噸，柴油消耗同比下降3%，輪胎消耗同比下降36%。

專家自動操作系統通過“小幅多頻”自動優化控制代替人工操作，使原料磨、回轉窯、煤磨、水泥磨、余熱發電機組等水泥生產主機設備始終逼近最佳狀態運行，實現熟料產量提升6.6%，標準煤耗下降5.58kg/t，操作員勞動強度降低90%，綜合在線達到98%以上，產品穩定性顯著提升。

智能質量控制系統投運后，入堆石灰石CaO堆平均合格率提升7.22%，熟料f- CaO合格率提升3.52%，熟料28天強度上升1.10MPa。取消礦山化驗及部分過程樣品的人工取、制、檢工作，大幅降低了取樣人員勞動強度和安全風險。

設備管理及輔助巡檢系統投入運行以后，水泥燒成系統機電設備故障率下降70%，備件消耗下降20%，現場巡檢工作量下降40%，設備運行周期延長37%，專業用工優化20%以上。

海螺集團水泥智能工廠建成實施后，主要經濟技術指標得到持續優化，員工勞動強度得到有效減輕，取得了良好的經濟效益。生產線設備自動化控制率達100%、勞動生產率提升30.89%、資源綜合利用率提升5%，能源消耗下降5.2%，質量穩定性提升3.7%；各類資源消耗下降及勞動生產率提升帶來的經濟效益每年達7650.95萬元。預計，水泥智能工廠在集團全面推廣完成后，各類資源消耗及勞動生產率提升帶來的經濟效益每年逾10億元，對水泥等傳統行業具有較好的借鑒意義。

（二）社會效益

海螺集團水泥智能工廠建設，在水泥行業首次實現了全流程智能化技術應用，通過裝備智能化、生產管控智能化和商業智能化的深度融合，促進了水泥行業發展的信息化和智能化，推動了水泥企業生產方式的變革，對我國水泥行業轉型升級和高質量發展具有重要意義。

通過建設由數字化礦山管理系統、專家優化控制系統以及智能質量管理系統組成的智能生產平臺，實現了水泥生產全過程的三維地質建模、采剝編制、計算機優化、小頻多幅自動調整、在線質量分析與檢測等智能制造模式和方法，有效提升了能源資源的綜合利用率。以全椒海螺為例，系統投運后每年可多搭配低品位石灰石34萬噸，節約標準煤耗2.24萬噸。若在全國推廣落地后，預計每年可多搭配低品位石灰石1.29億噸，節約標準煤849萬噸。

智能化管控技術的應用減少了水泥生產過程中的溫室氣體排放，增強了對工業廢棄物的處理能力。以全椒海螺工廠為例進行測算，系統投運后每年可減排二氧化碳2.95萬噸，多消納煤矸石、粉煤灰、脫硫石膏等工業廢渣16萬噸；若在全國推廣落地后，預計每年可減排二氧化碳1118萬噸、多消納工業廢渣6000萬噸，有力地促進了水泥行業向綠色制造邁進。

四、思考探討

隨著新技術、新裝備的應用，水泥行業邁向智能化已勢在必行。未來的水泥企業集團將會由單一生產水泥、熟料的制造型工廠，升級為涵蓋上下游產品的多業態水泥產業集群，對資源綜合利用率、生產效率和成本管控方面的要求將進一步提高。

從整個水泥行業來看，智能制造目前仍處于起步階段，下一步應繼續以水泥生產實際需求和痛點問題為導向，加強技術研發和集成創新，在自動尋優、跨系統協同、機器人應用、5G及AI等方面持續開展智能制造系統迭代升級，并借鑒離散型行業智能制造技術及經驗，擴大智能制造應用范圍，提升水泥工業智能制造技術水平，持續保持行業領先地位。

水泥智能工廠是建立在工廠穩定運行基礎上更高層次的提升和優化。在實施智能工廠建設之前，應持續加大工藝、裝備及信息系統等方面的投入，進一步提升物料輸送、設備監控、DCS系統、基礎網絡等方面的穩定性和可靠性，為智能工廠的穩定高效運行提供基礎條件。

在現有的水泥智能工廠體系基礎上，結合人工智能、大數據、5G+AI等新一代信息技術的前沿科研成果，開展水泥智能工廠迭代升級、工業互聯網平臺搭建等技術的攻關研發，提高水泥行業整體智能化水平，推動傳統制造向數字制造、智能制造轉型升級。

高度重視水泥工廠智能化核心技術和基礎軟件平臺的開發，進一步加強對自主知識產權工業基礎軟件和智能裝備的研發和支持力度，切實解決部分底層基礎軟件平臺和智能裝備系統的“卡脖子”問題，對全面提升我國水泥工業智能制造自主化水平有重大現實意義。

總的來看，水泥智能制造技術本質上是IT（信息技術）和OT（運行技術）技術的融合，應用的關鍵就是要立足于企業的實際需求，利用最新和最適用的信息技術賦能企業的生產和管理，提升企業生產和管理效益。

作為水泥生產企業在開展智能制造系統建設時，不能完全依賴系統解決方案供應商或者照搬照抄其他企業方案，必須要從自身的實際需求出發，并全程參與其中，切實解決影響智能制造系統運行的設備、流程和管理問題，才能充分發揮出智能制造系統的作用。

編輯/王盈 統籌/李斐