三化改造背景下磷酸鐵工廠智能化建設研究

摘 要：【目的】對甘肅東方鈦業有限公司年產500 000 t磷酸鐵項目進行智能化建設研究，以提高生產線的自動化水平，節約能源和成本?！痉椒ā恳浴傲颉住F—鈦—鋰—釩”綠色循環低碳產業項目為研究對象，先建立智能工廠的整體框架，再分步實施各功能單元?！窘Y果】建立基于PROFINET通信技術的工業以太網磷酸鐵生產線，自動化程度提高，人力成本降低40%，節能減排效果顯著。【結論】對傳統工業進行“高端化、智能化、綠色化”改造，走高質量發展的道路才是未來工業的發展方向。

關鍵詞：智能工廠；智能化；PROFINET；工業以太網；磷酸鐵

中圖分類號：TP27 文獻標志碼：A 文章編號：1003-5168（2024）16-0028-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.16.006

Research on Intelligent Construction of Iron Phosphate Factory Based on the Transformation of "High-end， Intelligent and Green"

LIU Mingming1，2

（1.Gansu Oriental Titanium Industry Co.， Ltd.， Baiyin 730900，China;

2.Gansu Zetong New Energy Materials Co.， Ltd.， Baiyin 730900，China）

Abstract：[Purposes] Research on the intelligent construction of the project of Gansu Oriental Titanium Industry Co.， Ltd. with an annual output of 500，000 tons of iron phosphate was conducted to improve the automation level of the production line and save energy and cost.[Methods] Based on the "sulfur—phosphorus—iron— titanium—lithium—vanadium" green cycle low-carbon industry project，this paper first establishes the overall framework of the smart factory and then implements each functional unit separately.[Findings] Industrial ethernet iron phosphate production line based on PROFINET communication technology has been established， which has a high degree of automation， reduces labor cost by about 40%， and achieves remarkable effect of energy saving and emission reduction.[Conclusions] To transform traditional invBizWsUy4yhY3Ic33aTDoQ==dustries into "high-end， intelligent and green" and embark on the road of high-quality development is the development direction of future industries.

Keywords：smart factory; intelligent; PROFINET; industrial ethernet; iron phosphate

0 引言

隨著工業4.0的概念在2013年漢諾威工業博覽會上首次出現，2015年國務院正式印發《中國制造2025》，我國的工業從傳統工業自動化開始走向智能制造升級轉變的兩化融合（信息化和工業化）道路［1］。甘肅省政府也通過《甘肅省綠色化信息化智能化改造推進傳統產業轉型升級實施方案》開始了對智能制造的不斷探索和實踐。自黨的十九屆五中全會以來，根據甘肅省傳統重工業占比大、轉型需求高的現狀，甘肅省政府將傳統產業“三化”改造進一步明確為“高端化、智能化、綠色化”改造，旨在引領甘肅省工業向中高端邁進，實現高質量發展。

近年來，受益于磷酸鐵鋰電池的崛起，市場對磷酸鐵的需求激增，國內各磷化工廠、鈦白粉廠紛紛憑借自身優勢，對磷酸鐵產線進行了新建和擴建。甘肅東方鈦業有限公司以“硫—磷—鐵—鈦—鋰—釩”綠色循環低碳產業項目為集聚點，利用鈦白粉副產品硫酸亞鐵的原材料優勢，新建年產500 000 t磷酸鐵產線，在實現從無到有的同時，對磷酸鐵產線進行從精細化轉向規模化的探索?，F以一條50 000 t磷酸鐵生產線為對象，對“三化”改造背景下的“智能化”建設進行研究。

1 智能工廠的目標和實施策略

1.1 以兩化融合的高自動化生產線為基礎

與傳統化工工業不同的是，磷酸鐵生產線具有很強的批次性。雖然這會對自動化控制的設計帶來一定難度，但依然可以采用離散式控制系統的架構，結合工業以太網強大的通信能力，實現產線的全自動化生產。兩化融合的關鍵點之一便是大量生產基礎數據的收集和數字化處理，因此，做好智能工廠的前提便是建立一條可以便捷、準確、穩定地對基礎生產數據完成采集的自動化生產線［2］。

1.2 以“高端化、智能化、綠色化”中的“智能化”為建設目標

智能化旨在完成以融合信息技術（IT）和運營管理技術（OT）的工業互聯網［3］為枝干，并同步集成資源管理系統（ERP）、生產過程執行系統（MES）、倉儲管理系統（WMS）的工業數據中心平臺后，通過數據中心收集存儲的大量數據，利用先進算法構建各類生產、設備、質量模型［4］，并通過不斷地訓練和優化，實現制造運營管理系統（MOM）對生產狀態、設備全生命周期、質量全過程管控的自動分析、決策建議、自動糾偏或糾錯等功能［5］。

1.3 以模塊化的手段逐步實現

將整個智能化工廠的建設規劃為三個階段，在確認整體框架的前提下，根據不同模塊的特性逐層、逐級進行建設。

第一階段為基礎設施建設期。一個高程度的自動化產線是實現智能化建設的基礎；一個安全、穩定、標準、開放的工業網絡是智能化建設中打破信息孤島的關鍵。DCS系統、能源管理系統、設備管理系統、質量管理系統、HSE管理系統均在這個階段完成。

第二階段是數字化轉換階段。以數據處理能力超群的實時數據庫為核心，建立一個搭載各類數據處理服務器的數據平臺，對收集到的數據進行分類、統計、存儲、傳遞，并進行初步分析，生成相應的報表。該平臺需要利用通用接口和標準協議與ERP、WMS等企業管理系統進行無縫對接。

第三階段是智能化建設階段，也是智能工廠建設的終極目標。該階段需要采用先進算法對數據中心存儲的各類生產數據進行分析，完成現有工廠的各類生產管理流程的建模。隨著數字模型的不斷完善，才能真正發揮MOM系統的能力，打通生產數據流、產品數據流和供應鏈數據流，構建覆蓋產品全生命周期和全業務活動的管理平臺。

2 智能工廠的框架

智能工廠的框架如圖1所示。從硬件設施結構角度來看，其實質是一個正金字塔模型，最底層是現場控制層，該層的自動化傳感器和工業以太網形成一個物物互聯的數據網絡，是整個工廠的數字化框架的基礎。第二層是生產管理層，是一個以實時數據庫為背景，具有對象感知、數據分析、業務應用三大功能的數據管理平臺。其依靠龐大的基礎數據做支撐，配合先進的數據處理和分析技術［6］，建立多種多樣的數學模型，從而生成相應的生產執行系統、設備管理系統、能源管理系統等。金字塔頂層便是企業資源管理、供應鏈管理這一類決策支持管理系統，同時也可在該層采用上云的方式，實現多地方、多工廠的協同生產。

智能工廠的核心是構建一個安全、穩定、可靠、算力強大的數據中心，可實時處理現場收集到的數據，并根據需要對數據進行處理。數據中心以實時數據庫服務器為核心，其他數字化系統服務器為節點，遍布全廠的工業網絡和辦公網絡為枝干，連接起全廠底層的自動化控制系統。

對數據中心最重要的是標準的、開放的數據接口和通信協議，這涉及各單元之間、層與層之間的數據流通方式。對于基礎的自動化系統，數據的傳輸應該優先保證生產穩定安全地進行，同時帶有HART通信協議的智能儀表也應兼顧基礎數據量的收集。因此，采用HART和PROFINET為主，MODBUS RTU、PROFIBUS DP等為輔的通信方式。而上升到自動化控制系統層和MES、AMS等層之間的數據傳輸，可采用OPCUA的C/S主從通信方式，加上TCP/IP的以太網通信方式來實現數據傳輸［7］。通過實時數據庫保證全廠數據來源真實、可靠、唯一。

整個架構還應充分考慮未來智能化進一步的發展，保證可升級性、兼容性、開放性、標準性等。在建設智能工廠的同時，緊隨最新技術的發展，保證系統的可持續更新。隨著智能化的建設，數據安全問題也變得愈發重要。全廠應該規劃工業網絡和辦公網絡相互獨立。工業網絡肩負著底層自動化控制系統數據傳輸至實時數據庫的職責［8］，應用主要是現場控制層；辦公網絡則負責ERP、WMS、SCM等管理系統間的數據傳輸，應用主要是決策層。因為涉及數據的交換傳輸，所以防止網絡入侵造成自控系統癱瘓影響生產顯得尤為重要，必須在關鍵部分做好相應的安全措施。包括數據網關、防火墻等硬件，以及采集過程中數據的讀寫權限控制、上位機等禁止數據外接傳輸管理軟件的使用，來保障數據安全。

3 磷酸鐵智能產線的創新及應用

傳統磷酸鐵行業存在規模較小，自動化程度較低的特點。本次新建產線除了進行單線產能放大的同時，還大大提高了自動化程度?；贏BB 800XA平臺實現亞鐵凈化和磷鐵合成工序的全自動化控制，對過濾、干燥、粉碎、混批、包裝等工序的成套設備進行通信數據集成，并在此基礎上，完成了能源管理、設備管理系統的底層數據采集。

3.1 高程度的自動化設計

對液相反應部分進行全自動化控制設計，與國內現有產線對比，大幅減少產線工人數量和現場勞動強度，可通過DCS系統實現對原始生產數據的可追溯、可對比。整條磷酸鐵產線已全面實現自動化監測和遠程上位機或觸摸屏控制，各工序獨立反應模塊具備一鍵順控運行功能。

3.2 基于PROFINET通信技術的工業以太網構建

考慮到后期智能化建設的拓展，在產線設計階段就規劃統一了工業以太網的通信標準。根據響應時間的不同，PROFINET支持下列兩種通信方式：實時RT（Real—Time）通信、同步實時IRT（Isochronous Real—Time）通信［9］。正是基于這種開放性、靈活性、高效率和高性能的優勢，可以在同一硬件網絡下同時進行TCP／IP的非實時通信和RT的實時通信［10］，完成對現場層設備的控制和訪問。

磷酸鐵產線具有數量龐大的基于PLC控制的成套設備，在各設備的招標采購初期，將可編程邏輯控制器統一成西門子S7-1214C。關鍵的智能儀表和所有變頻器也統一要求選配支持PROFINET的通信卡件。

3.3 基于ABB 800XA平臺的數據收集和預處理

IndustrialIT 800XA系統是ABB開放的新一代DCS平臺，與傳統DCS系統不同的是，該平臺除了基本的集散控制功能外，還集成了信息管理（IM）、生產管理（PM）、現場設備管理（DM）等模塊工具，為數字化提供了新的思路和捷徑。

在建設產線時，將變頻器、馬達保護器、各類儀表通信至該平臺，采集了設備的基本運行參數、關鍵設定參數、報警等信息作為DM模塊的數據來源；將配電室所有電能表通過RS485統一采集，作為能源管理的數據來源。

在數據整理和存儲上，一方面800XA提供了開放的結構變量編輯工具，可以采用結構化數據存儲歸檔的方式，大大減少相同或類似設備的數據處理量。另一方面針對各管理模塊需求，提前對原始數據進行初步的相關性描述和相關性分析，并將輸出結果保存進DCS系統的數據庫中。采用這種邊緣計算的方式，可以有效減少數據中心的數據處理壓力，減少資源占用率。

3.4 基于OPC UA標準的通信接口

OPC UA是一種不依賴平臺的標準［11］，主要為C/S架構，具有更高的安全性和可靠性［12］。 IndustrialIT 800XA系統提供了基于OPC客戶端連接（OPC Client Connection），允許ERP、WMS、SCM等管理系統配置的OPC客戶端通過OPC UA、OPC DA、OPC AE及OPC HAD服務器與之進行數據交換。

4 取得的成果

首先，實現了磷酸鐵行業全自動化生產線建設，大大減輕了亞鐵凈化工序的人力投入，整條50 000 t產線每班只需崗位工人約30人，其中核心操作人員為4人。整體的人工成本約為傳統生產線的60%。利用DCS平臺實現單元模塊一鍵啟動，自動投料，并設置諸多防呆、防錯連鎖，減少人為誤操作。

其次，建立了基于PROFINET的工業以太網，實現全部成套設備的互聯互通，打破傳統的信息孤島局面，實現一個平臺便可以監控到所有成套單元的運行信息。并收集分類了所有關鍵設備的能源原始數據，通過橫向和縱向比較找到能耗缺口，通過變頻控制使電機工作在最經濟的工作特性曲線上，以實現節能減排、降耗增效的目的。

最后，完成了智能工廠的框架搭建，預留了其他功能模塊的標準接口，方便后期的拓展和其他系統的接入。

5 結語

建設基于工業以太網的智能工廠，是響應《中國制造2025》戰略，貫徹“高端化、智能化、綠色化”的高質量發展理念，提高生產設備自動化，降低生產成本，保障產品質量的重要舉措。甘肅東方鈦業有限公司積極貫徹落實甘肅省政府“三化”改造的決策，在磷酸鐵智能產線的基礎上加快推進工廠智能化建設，打破信息孤島，實現生產協同工作，努力建成國內一流的磷酸鐵智能工廠。

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