為提高我國水泥工業的技術水平，水泥技術裝備平臺愿意與各水泥企業及技術、管理人員一起，逐步解決新型干法水泥生產線的各種技術問題，為水泥企業降低運行成本做出努力，并實現與水泥行業人員合作共贏、全面拓展。
1水泥工廠智能化背景分析
隨著新一代信息技術與制造業的深度融合,形成了新的生產方式、產業形態、商業模式和經濟增長點。基于信息物理系統的智能化水泥工廠正在引領水泥制造方式的變革;精準供應鏈管理、全生命周期管理、電子商務等正在重塑水泥產業價值鏈體系。
同時,水泥行業的發展環境發生了重大變化。隨著我國經濟發展進入新常態,水泥行業發展面臨著新的挑戰。資源和環境約束不斷強化,勞動力等生產要素成本不斷上升,水泥行業利用規模擴張的粗放發展模式已經難以為繼,水泥行業的轉型升級、提質增效已經刻不容緩。因此,急需推進水泥生產過程智能化,培育新型的生產方式,全面提升企業生產控制、管理的智能化水平。
將智能控制、智能物流、信息化管理等技術應用到水泥生產的全過程,通過物聯網、互聯網、大數據等的綜合應用,將進一步優化生產控制過程,提升質量控制技術,完善質量管理機制,提高設備管理水平等,實現對水泥工廠的智能管控。為水泥企業轉型升級、提質增效、節能降耗、減員增效創造條件。
《建材工業發展規劃(2016~-2020年)》提出堅持融合發展,推進業態和模式創新,促進信息技術與建材工業深度融合,強化建材工業與建筑業等上下游產業跨界互動,加快建材工業由生產型制造向服務型制造轉變。規劃要求2020年規模以上企業中智能工廠數量達到200家以上,應用電子商務開展采購、銷售等業務的比例達到40%,關鍵工序數控化率達到60%。深化互聯網、移動互聯網、工業互聯網、物聯網、云計算、大數據在建材工業應用,加快兩化融合管理體系標準普及推廣。重點推進建材企業信息技術的綜合集成應用,實現生產制造、經營管理等過程的信息共享和業務協同。促進信息技術在節能降耗減排和循環經濟等方面的廣泛應用,加快推廣企業能源管控中心項目建設。支持建材企業開展信息物理系統應用,推廣應用大數據、數據倉庫、決策支持系統(DSS)和商務智能(BI)等信息技術,加強企業信息資源開發利用和市場動態監控預警。鼓勵建設并使用公共云服務平臺。深化智能感知、工藝分析、在線仿真等技術在生產過程中的集成應用。推進數字化車間、工業機器人、智能傳感器、智能儀器儀表、在線檢測設備、固體廢棄物智能化分選裝備、智能化除塵裝備等應用,推進建材工業生產過程數字化、智能化、柔性化。重點支持開發適合建材工業高溫窯爐和大流量傳輸實時監測的溫度、壓力、質量、流量、物料成分等傳感器,實現建材生產過程數字化、可視化。開展“機器代人”等專項試點,應用智能制造關鍵技術開展智能工廠、數字礦山、工業機器人試點示范研究,推廣智能傳感器等,力爭到2020年建材企業中達到智能制造水平的不少于200家。
《建筑材料工業“十三五”科技發展規劃》要求大力發展智能制造技術,加速建材行業“兩化”融合。把智能制造作為兩化深度融合的主攻方向,重點開發智能化工藝設計、系統仿真、人工智能操作與管理中的集成與應用技術,產品全生命周期數字化設計模式,數字化、智能化、網絡化為特征的自動控制系統和裝備,提升智能制造水平。加快建材行業信息資源開發和公共服務平臺建設,采用新一代信息技術與建材工業在裝備、工藝、生產、管理、服務等方面的深度融合,實現建材工業的創新發展、綠色發展。加強工業互聯網、智能機器人等智能化技術在建材工業生產過程的研究與應用示范,加快建立以智能工廠為代表的現代生產體系,建立以產品訂單、產品質量、物料消耗和排放相適應的原燃材料進場、生產設備和生產工藝的穩定優化運行的工業互聯網系統,實現智能轉型。
以上一系列政策要求水泥企業加快智能化改造,提高企業效益和社會效益。
2實現智能化工廠需滿足的基本條件及基本解決方案
工廠智能化高效運行的基礎是設備運行的高運轉率和各傳感器的高可靠性,設備和控制系統正常運行才能實現智能工廠節能、智能和高效。2.1實現智能化工廠需滿足的基本條件
1)改造設備現存的結構設計不合理導致的問題;2)采購質量可靠的零部件、耐磨易損件,提高設備使用耐久性;
3)采購質量可靠的傳感器、執行器,提高計量值和自動控制的可靠性;
4)液壓站、稀油站等液壓元件質量可靠,需保證泵、閥的壽命及密封效果;
5)嚴格遵守計劃檢修,降低設備損傷程度以及降低設備使用過程中故障導致的額外維護;
6)改變觀念,先進的設計需要許多傳感器和控制系統的支撐,這些原件或控制系統和機械零部件一樣會有壽命,損壞時需要的是及時修復而不是直接棄用。
2.2實現智能化工廠基本解決方案
1)增加測點:增加設備上的測溫、測振、測壓、料位監測,減輕巡檢工的巡檢點數和勞動負荷,尤其對于一些位置較高的巡檢點,如斗式提升機、庫頂斜槽及預熱器等,這些新增的測點還是某些專家系統的數據采集基礎。
2)增加必要的攝像頭,實時監控設備運行狀況,減輕巡檢工的巡檢點數和勞動負荷,也可輔助中控操作現場設備。
3)提升設備自動化、智能化控制:例如實現主機設備無人化控制、增濕塔噴水系統改造、篦冷機液壓推桿的中控操作等。
4)通過設備管理軟件,提高設備管理的信息化水平,提升設備管理能力。
3智能化工廠實施的主要內容3.1智能化工廠改造的總體內容
總體內容包括:數字化車間設計;質量控制自動化;生產控制智能化;物流控制智能化;生產管理信息化;生產過程可視化;數據中心建設。
實施智能化工廠目標:穩定生產、提質增效、節能降耗、減員增效。落實實施智能化工廠的基礎條件:完善設備的可靠性,基本保證檢測儀表的穩定、準確性,優化智能控制系統的可靠性、穩定性、先進性,保證原燃材料的穩定性等。
1)通過能源管理系統,對企業能源消耗的過程數據實時監控、記錄、分析,為節能降耗提供直觀科學的依據。在提升生產系統穩定性的前提下,可直接帶來節煤節電的經濟效益,提高企業親谷境急盛基白
2)通過設備管理系統,包括:設備資產管理、主機設備在線診斷分析、智能巡檢、備品備件管理、OEE分析等組件,提升設備管理效率,規范設備管理要求,降低勞動強度。
3)專家優化系統連接生產控制系統及管理系統,實現對工業過程的控制、穩態及優化,并能在一定條件下用于幫助或替代操作員控制、管理生產。
4)通過智能物流管理系統實現公司日益發展的物流管理要求,提高物流速度,降低物流和人員成本。
5)通過質量管理信息化手段,提高質量控制、質量分析和質量管理水平,使企業質量管理變得更加高效、有效、可控、可追溯,并能通過質量管理信息，提供質量控制和質量管理決策依據。
6)通過遠程服務平臺,可提供有效﹑快捷的遠程服務。
3.2數字化車間設計
1)通用設備增加數據采集要求
①電動機:電動機繞組、軸承溫度,振動檢測,變頻器頻率(若有)(55kW及以上的大電動機檢測功率)。
②減速機:55kW及以上檢測油溫和軸承溫度(高速軸),振動。
③稀油潤滑站:電動機及油泵信號,出口油溫,回油管路中的油溫,出管道流量,供油壓力,壓差信號,油箱液位,加熱器啟停,備用泵切換信號。
④干油潤滑站:壓力及干油分配閥信號(改造使用智能潤滑油站,每個注油嘴單獨監測)。
⑤液壓站:主油泵信號,油箱液位,出口油溫,供油壓力,壓差信號,加熱器啟停,備用泵切換信號,液壓缸及各測點壓力,液壓缸位移(需改造原液壓控制箱)。
⑥大型風機:軸承溫度、振動值。⑦羅茨風機:油溫。
備注:針對重要軸承,如大型風機軸承、輕壓機軸承等,建議配置軸承自動檢測及故障診斷系統。
相關檢測信號首先進其自帶的子控制系統,其子控制系統采用PROFIBUS_DP通訊方式與DCS系統之間實現數據采集。
2)工藝設備的工藝參數主要設備工藝參數見表1。3.3質量控制自動化
原燃材料的質量控制是通過智能物流或智能物流加在線檢測措施實現。在線檢測措施作為備選項
永泥技濠質備平臺
確認。采用在線分析儀和在線細度檢測儀方式,實現生產過程質量控制的全過程。主要有:原料配料站入磨皮帶在線分析儀;生料磨出磨成品采用細度檢測儀;水泥磨出磨在線顆粒級配檢測儀;煤粉細度在線檢測儀。
3.4生產控制智能化
生產控制智能化包含:計算機控制系統的擴展，燒成系統和磨系統的專家優化,水泥包裝自動化(與智能物流一卡通集成),散裝控制自動化(與智能物流一卡通集成),堆取料機無人駕駛自動化,全廠供水、供氣自動化控制,改變部分設備的控制模式如立磨控制、稀油站控制等,進一步完善DCS系統控制要求，如增加PID自動回路調節、增加系統顯示信息、增加設備及工藝等報警檢測及預警信息等自動控制水平和控制手段,提升控制的智能化水平。
1)計算機控制系統改造要求
根據各專業數字化采集要求,原有DCS系統的配置要求已不能滿足智能化工廠的設計要求。因此,原有的DCS系統配置需從以下幾個方面提升要求:
授權:3增加PROFIBUS_DP主站模塊;4增加雙屏顯示功能。
2)提高控制軟件處理功能
提高自動化控制水平和控制手段,是實現生產
控制智能化的華知金l精制的必要措施。.時
結合傳統的控制系統編程要求,針對項目的改
造要求,提出如下措施:
①完善傳統的邏輯控制要求;
②增加工藝、設備參數的信息顯示功能;
③完善、修改部分設備如立磨控制箱、稀油站控制箱、堆取料機控制箱等的遠程控制和操作功能;
④4增加和完善PID自動控制調節回路;
⑤建立設備分級和故障分級系統,結合邏輯控
備按車間要求、工藝要求、設備要求劃分為1類設備、2類設備、3類設備等,根據設備的重要性確定在程序
中的處理過程。例如將小袋收塵器設為2類設備,如
做延時判斷,在規定的時間內如處理不好,再決定是否停相關設備。
⑥將專家優化軟傳感器技術作為關鍵測量設備的備份。比如當一個關鍵過程測量設備失效時,運用軟傳感器,代替設備做出有效的預估。這就允許損壞設備維修期間控制和優化系統可以持續工作。
3)PID調節回路
在應用軟件程序編制中,根據工藝、設備要求,完善和增加PID自動調節回路,提高自動控制水平。
PID智能調節:涉及到物料量、氣流量變化的設備(板喂機、給料機、秤、閥門等)根據產量設定最佳工作參數點,當工作參數偏離最佳工作參數點時能自動調節,減少中控人員手動操作的工作量。
主要PID回路控制點有:
①在石灰石、輔料、石膏和混合材破碎機受料皮帶上設置秤計量,將物料量反饋給板喂機,板喂機變頻調速,調整板喂機的給料速度,自動調整輸送量。
②生料配料秤及板喂機通過在線分析儀實現自動控制。
③生料磨入口溫度由循環風機轉速控制。4窯尾排風機轉速由高溫風機出口壓力控制。⑤噴水增濕系統由高溫風機入口溫度控制。
⑥生料庫入倉流量閥由小倉倉重控制。⑦生料倉和煤粉倉下流量閥由轉子秤控制。⑧窯頭罩負壓由窯頭排風機轉速控制。主要PID回路控制點的控制方式見表2。
4)水泥包裝自動化
建議部分水泥包裝采用自動插袋、自動裝車功能,可以有效降低勞動定員,提高勞動效率,提升勞動安全。
包裝自動化控制系統與智能物流一卡通相結合,實現部分水泥包裝車間的智能化要求。
5)水泥散裝控制自動化
改造原有的散裝控制箱,將散裝的自動控制、結合視頻監控與智能物流一卡通,實現水泥散裝的智能化要求。
6)水處理自動化
水泵房不設崗位,自動調壓,壓力在中控室顯示。具體措施:水泵房的控制改至中控室控制,基于能源管理要求,增設電磁流量計,流量信號(包括瞬時流量和累積流量)通過總線通訊方式傳至中控室和能源管理中心。在出水總管上安裝壓力變送器，壓力信號傳至中控室。
建議:各車間進水總管設電磁流量計,流量信號(包括瞬時流量和累積流量)通過總線通訊方式傳至中控室。流量計前設電動閘閥(管徑不小于DN50)或電磁閥(管徑小于DN50)。另外設旁通管。
在中控操作畫面編制全廠用水管網監測畫面，中控操作員對全廠用水及各車間用水顯示、監視、調節。提高用水效率,不設巡檢工。
7)壓縮空氣站智能控制
改變原壓縮空氣控制箱現場控制模式至中控控制,空壓機控制箱按運行時間選擇卸載和運行,保證設定的總管壓力范圍。同時設壓力變送器,信號傳至中控室。基于能量管理要求,建議加設氣體流量計。保證最遠點壓力在0.5 MPa以上,每個車間壓力在中控室顯示,中控室設壓縮空氣管網的界面。
各車間儲氣罐前依次設電動閘閥或電磁閥及截止閥,外設旁通截止閥。儲氣罐后加裝壓力變送器,壓力信號傳至中控室,顯示實時壓力。電磁閥(電動閥)可以在中控人工開關,停產關,工作開。
在中控操作畫面編制全廠用氣管網監測畫面，中控操作員對全廠用氣及各車間用氣顯示、監視、控制。提高用氣效率,不設巡檢工。
8)專家優化系統
專家優化是實現智能控制、減員增效、節能減排的具體措施。考慮采用:①燒成系統專家優化;②生料磨系統專家優化;⑶煤磨系統專家優化;④水泥磨系統專家優化。
水泥專家優化系統是專門針對水泥生產線的高級自控優化系統,通過運用模糊邏輯、模型預估、神經元網絡等先進人工智能控制技術,可以實現對水泥工廠的全自動操作,減少中控操作員數量,消除操作員人為因素對生產的不利影響,并且在穩定工況的前提下實現降低水泥生產企業能源消耗,降低碳排放,達到增產保質的效果,提高了生產效率,降低了生產成本,提高了企業的核心競爭力。
3.5物流控制智能化
升級智能物流一卡通系統,結合水泥散裝、水泥包裝的自動化改造,實現原燃材料采購運輸及產品銷售自動處理,融合采購、銷售、質量、財務信息,打造智能物流系統,并且和ERP系統實現松耦合的集中分布式架構,有效整合ERP、MES系統和智能物流系統,提升物流系統的運行效率,降低物流運行成本。形成對原燃材料等的采購、水泥銷售、質量等的整體管控要求。3.6可視化
3.6.1現場可視化
在原有的現場視頻監控基礎上,根據各專業要求,合理增加部分視頻監控點。
原則:需要人工巡檢的閥門、溜子及相關設備總體情況等關鍵部位設置攝像頭,視頻信號連至中控,由中控人員進行監控,減少巡檢人員數量。視頻監控點設備情況見表3。
3.6.2生產數據可視化
完成對生產流水線上重要工藝參數.設備狀態、料位、喂料量進行監視。所有圖形根據工廠原有圖形站上的生產流程圖進行設計,所有顯示值均為動態數據,實時刷新。可視化具有如下功能:
1)生產工藝流程圖
完成對生產流水線上重要工藝參數.設備狀態、料位、喂料量等的監視。所有圖形根據工廠原有圖形站上的生產流程圖進行設計,所有顯示值均為動態數據,定時刷新。主要有:生產流程顯示、工藝參數顯示、主機設備運轉狀態顯示,報警顯示等。
2)趨勢曲線
以曲線形式顯示生產流程上重要工藝參數的實時及歷史變化趨勢,并將相關的曲線放在一個屏顯示,用于分析對比。主要有:分類定義曲線、實時曲線顯示、歷史曲線顯示、曲線縮放。
3)生產報表
定時工藝參數報表,生產統計按班/日/月/年報。4)遠程監控
通過VPN連接,可以實現在任何地方只要有Internet就能監控工廠,同時能查看歷史曲線,分析和優化工廠,進行事故分析。
3.6.3 生產管理可視化
從生產排程、物料庫存、物料消耗、質量情況、能源消耗、備品備件等各個環節,以圖表的形式提供給相應的管理人員,供管理人員決策。
3.7生產管理信息化MES
在水泥制造企業里,MES系統是面向生產、計劃、執行利用的主要信息化手段和工具,管理的核心功能處于運營管理層面,但其信息流和部分功能則橫跨生產控制層和業務管理層,成為一個跨管理領域、跨系統的綜合性管理系統。
1)建立集中扁平化的集團管控模式
在新常態下,我們面臨著快速變化、激烈競爭的商業環境,從金字塔式的分權管理轉變為扁平化的集權管理已成為全球領先企業的共同選擇。實施集中管理、分散經營的運營模式,公司能夠在全球范圍內實現制造成本的下降和提升整個價值鏈對市場的響應速度。集中扁平化的管控模式體現為集中管理、分散經營,內部供應鏈高度集成的管理體系。
2)建立基于價值鏈的管理流程
集成價值鏈管理系統把整條價值鏈上的活動作為一個連續的、無縫進行的過程來加以規劃和優化,進行相應的組織結構設計,而不是按照活動功能分隔開來設計組織結構,推動從科層制的縱向流程轉變為基于供應鏈的橫向流程。
隨著企業規模擴大,縱向流程延長信息溝通渠道,導致效率低下,產生利益本位主義,增加管理成本,不利于對市場變化做出快速反應。在國際化、信息化時代背景下,流程再造的目標就是打破縱向流程,建立基于供應鏈的橫向流程,提升公司對市場的響應速度,從而降低成本。不僅是總部職能部門之間,而且在總部與子公司、事業部之間都要有清楚并且順暢的業務流程關系。在信息系統的支撐和控制下,流程運行高效快捷。
通過MES系統,進一步提升生產管理、設備管理、質量管理水平,通過大數據分析處理,給生產管理者提供決策依據。
生產管理信息化設計了以下管理模塊:生產計劃管理;生產執行管理;庫存管理;生產過程監控管理;質量管理;設備管理;備品備件管理;生產對標管理;APP移動查詢。
系統上線的過程也就是流程再造和管理變革提升的過程,解決方案的實施必須和流程再造緊密結合,才能取得成功,才能真正實現商業模式的轉型。3.8能源管理中心
能源管理系統是企業信息化系統的一個重要組成部分,它的主要功能是實現能源系統分散的數據采集和控制、集中的管理調度和能源供需平衡,以及實現所需能源預測,為在生產全過程中實現較好的節能、降耗和環保的目標創造條件。
集成、融合是能源管理信息系統的基礎,數據處理、數據分析是手段,節能、降耗、降低成本是目的。3.9建立生產數據中心
根據每個工廠的實際情況,設置一套數據服務器,該服務器的重要功能完成設備數據、質量數據、能源數據、生產數據、供應數據、銷售數據等的采集與管理,建立一套完整的數據采集與數據處理中心，將數據中心和MES系統共用統一平臺。
4結論及建議
1)水泥工廠智能化是經濟發展的必然趨勢,是實現《建材工業發展規劃(2016~2020年)》的必要措施。
2)將智能控制、智能物流、信息化管理等技術應用到水泥生產的全過程,通過物聯網、互聯網、大數據等的綜合應用,進一步優化水泥生產控制過程,提升質量控制技術,完善質量管理機制,提高設備管理水平等,實現對水泥工廠的智能管控,技術上是可行的,國內已經有多條示范生產線。
3)水泥工廠智能化將有利于企業提高勞動生產率,節能降耗,降低成本,提高企業經濟效益。
4)建議水泥工廠根據企業各自設備維護情況及管理水平,對近年投產的生產線優先升級改造,也可以分步實施,先從智能物流著手;企業應事先做好可行性研究及風險防范,與地方政府充分溝通,做好轉崗分流人員預案,減少失業人員,保持社會穩定。
