为提高我国水泥工业的技术水平，水泥技术装备平台愿意与各水泥企业及技术、管理人员一起，逐步解决新型干法水泥生产线的各种技术问题，为水泥企业降低运行成本做出努力，并实现与水泥行业人员合作共赢、全面拓展。
1水泥工厂智能化背景分析
随着新一代信息技术与制造业的深度融合,形成了新的生产方式、产业形态、商业模式和经济增长点。基于信息物理系统的智能化水泥工厂正在引领水泥制造方式的变革;精准供应链管理、全生命周期管理、电子商务等正在重塑水泥产业价值链体系。
同时,水泥行业的发展环境发生了重大变化。随着我国经济发展进入新常态,水泥行业发展面临着新的挑战。资源和环境约束不断强化,劳动力等生产要素成本不断上升,水泥行业利用规模扩张的粗放发展模式已经难以为继,水泥行业的转型升级、提质增效已经刻不容缓。因此,急需推进水泥生产过程智能化,培育新型的生产方式,全面提升企业生产控制、管理的智能化水平。
将智能控制、智能物流、信息化管理等技术应用到水泥生产的全过程,通过物联网、互联网、大数据等的综合应用,将进一步优化生产控制过程,提升质量控制技术,完善质量管理机制,提高设备管理水平等,实现对水泥工厂的智能管控。为水泥企业转型升级、提质增效、节能降耗、减员增效创造条件。
《建材工业发展规划(2016~-2020年)》提出坚持融合发展,推进业态和模式创新,促进信息技术与建材工业深度融合,强化建材工业与建筑业等上下游产业跨界互动,加快建材工业由生产型制造向服务型制造转变。规划要求2020年规模以上企业中智能工厂数量达到200家以上,应用电子商务开展采购、销售等业务的比例达到40%,关键工序数控化率达到60%。深化互联网、移动互联网、工业互联网、物联网、云计算、大数据在建材工业应用,加快两化融合管理体系标准普及推广。重点推进建材企业信息技术的综合集成应用,实现生产制造、经营管理等过程的信息共享和业务协同。促进信息技术在节能降耗减排和循环经济等方面的广泛应用,加快推广企业能源管控中心项目建设。支持建材企业开展信息物理系统应用,推广应用大数据、数据仓库、决策支持系统(DSS)和商务智能(BI)等信息技术,加强企业信息资源开发利用和市场动态监控预警。鼓励建设并使用公共云服务平台。深化智能感知、工艺分析、在线仿真等技术在生产过程中的集成应用。推进数字化车间、工业机器人、智能传感器、智能仪器仪表、在线检测设备、固体废弃物智能化分选装备、智能化除尘装备等应用,推进建材工业生产过程数字化、智能化、柔性化。重点支持开发适合建材工业高温窑炉和大流量传输实时监测的温度、压力、质量、流量、物料成分等传感器,实现建材生产过程数字化、可视化。开展“机器代人”等专项试点,应用智能制造关键技术开展智能工厂、数字矿山、工业机器人试点示范研究,推广智能传感器等,力争到2020年建材企业中达到智能制造水平的不少于200家。
《建筑材料工业“十三五”科技发展规划》要求大力发展智能制造技术,加速建材行业“两化”融合。把智能制造作为两化深度融合的主攻方向,重点开发智能化工艺设计、系统仿真、人工智能操作与管理中的集成与应用技术,产品全生命周期数字化设计模式,数字化、智能化、网络化为特征的自动控制系统和装备,提升智能制造水平。加快建材行业信息资源开发和公共服务平台建设,采用新一代信息技术与建材工业在装备、工艺、生产、管理、服务等方面的深度融合,实现建材工业的创新发展、绿色发展。加强工业互联网、智能机器人等智能化技术在建材工业生产过程的研究与应用示范,加快建立以智能工厂为代表的现代生产体系,建立以产品订单、产品质量、物料消耗和排放相适应的原燃材料进场、生产设备和生产工艺的稳定优化运行的工业互联网系统,实现智能转型。
以上一系列政策要求水泥企业加快智能化改造,提高企业效益和社会效益。
2实现智能化工厂需满足的基本条件及基本解决方案
工厂智能化高效运行的基础是设备运行的高运转率和各传感器的高可靠性,设备和控制系统正常运行才能实现智能工厂节能、智能和高效。2.1实现智能化工厂需满足的基本条件
1)改造设备现存的结构设计不合理导致的问题;2)采购质量可靠的零部件、耐磨易损件,提高设备使用耐久性;
3)采购质量可靠的传感器、执行器,提高计量值和自动控制的可靠性;
4)液压站、稀油站等液压元件质量可靠,需保证泵、阀的寿命及密封效果;
5)严格遵守计划检修,降低设备损伤程度以及降低设备使用过程中故障导致的额外维护;
6)改变观念,先进的设计需要许多传感器和控制系统的支撑,这些原件或控制系统和机械零部件一样会有寿命,损坏时需要的是及时修复而不是直接弃用。
2.2实现智能化工厂基本解决方案
1)增加测点:增加设备上的测温、测振、测压、料位监测,减轻巡检工的巡检点数和劳动负荷,尤其对于一些位置较高的巡检点,如斗式提升机、库顶斜槽及预热器等,这些新增的测点还是某些专家系统的数据采集基础。
2)增加必要的摄像头,实时监控设备运行状况,减轻巡检工的巡检点数和劳动负荷,也可辅助中控操作现场设备。
3)提升设备自动化、智能化控制:例如实现主机设备无人化控制、增湿塔喷水系统改造、篦冷机液压推杆的中控操作等。
4)通过设备管理软件,提高设备管理的信息化水平,提升设备管理能力。
3智能化工厂实施的主要内容3.1智能化工厂改造的总体内容
总体内容包括:数字化车间设计;质量控制自动化;生产控制智能化;物流控制智能化;生产管理信息化;生产过程可视化;数据中心建设。
实施智能化工厂目标:稳定生产、提质增效、节能降耗、减员增效。落实实施智能化工厂的基础条件:完善设备的可靠性,基本保证检测仪表的稳定、准确性,优化智能控制系统的可靠性、稳定性、先进性,保证原燃材料的稳定性等。
1)通过能源管理系统,对企业能源消耗的过程数据实时监控、记录、分析,为节能降耗提供直观科学的依据。在提升生产系统稳定性的前提下,可直接带来节煤节电的经济效益,提高企业亲谷境急盛基白
2)通过设备管理系统,包括:设备资产管理、主机设备在线诊断分析、智能巡检、备品备件管理、OEE分析等组件,提升设备管理效率,规范设备管理要求,降低劳动强度。
3)专家优化系统连接生产控制系统及管理系统,实现对工业过程的控制、稳态及优化,并能在一定条件下用于帮助或替代操作员控制、管理生产。
4)通过智能物流管理系统实现公司日益发展的物流管理要求,提高物流速度,降低物流和人员成本。
5)通过质量管理信息化手段,提高质量控制、质量分析和质量管理水平,使企业质量管理变得更加高效、有效、可控、可追溯,并能通过质量管理信息，提供质量控制和质量管理决策依据。
6)通过远程服务平台,可提供有效﹑快捷的远程服务。
3.2数字化车间设计
1)通用设备增加数据采集要求
①电动机:电动机绕组、轴承温度,振动检测,变频器频率(若有)(55kW及以上的大电动机检测功率)。
②减速机:55kW及以上检测油温和轴承温度(高速轴),振动。
③稀油润滑站:电动机及油泵信号,出口油温,回油管路中的油温,出管道流量,供油压力,压差信号,油箱液位,加热器启停,备用泵切换信号。
④干油润滑站:压力及干油分配阀信号(改造使用智能润滑油站,每个注油嘴单独监测)。
⑤液压站:主油泵信号,油箱液位,出口油温,供油压力,压差信号,加热器启停,备用泵切换信号,液压缸及各测点压力,液压缸位移(需改造原液压控制箱)。
⑥大型风机:轴承温度、振动值。⑦罗茨风机:油温。
备注:针对重要轴承,如大型风机轴承、轻压机轴承等,建议配置轴承自动检测及故障诊断系统。
相关检测信号首先进其自带的子控制系统,其子控制系统采用PROFIBUS_DP通讯方式与DCS系统之间实现数据采集。
2)工艺设备的工艺参数主要设备工艺参数见表1。3.3质量控制自动化
原燃材料的质量控制是通过智能物流或智能物流加在线检测措施实现。在线检测措施作为备选项
永泥技濠质备平台
确认。采用在线分析仪和在线细度检测仪方式,实现生产过程质量控制的全过程。主要有:原料配料站入磨皮带在线分析仪;生料磨出磨成品采用细度检测仪;水泥磨出磨在线颗粒级配检测仪;煤粉细度在线检测仪。
3.4生产控制智能化
生产控制智能化包含:计算机控制系统的扩展，烧成系统和磨系统的专家优化,水泥包装自动化(与智能物流一卡通集成),散装控制自动化(与智能物流一卡通集成),堆取料机无人驾驶自动化,全厂供水、供气自动化控制,改变部分设备的控制模式如立磨控制、稀油站控制等,进一步完善DCS系统控制要求，如增加PID自动回路调节、增加系统显示信息、增加设备及工艺等报警检测及预警信息等自动控制水平和控制手段,提升控制的智能化水平。
1)计算机控制系统改造要求
根据各专业数字化采集要求,原有DCS系统的配置要求已不能满足智能化工厂的设计要求。因此,原有的DCS系统配置需从以下几个方面提升要求:
授权:3增加PROFIBUS_DP主站模块;4增加双屏显示功能。
2)提高控制软件处理功能
提高自动化控制水平和控制手段,是实现生产
控制智能化的华知金l精制的必要措施。.时
结合传统的控制系统编程要求,针对项目的改
造要求,提出如下措施:
①完善传统的逻辑控制要求;
②增加工艺、设备参数的信息显示功能;
③完善、修改部分设备如立磨控制箱、稀油站控制箱、堆取料机控制箱等的远程控制和操作功能;
④4增加和完善PID自动控制调节回路;
⑤建立设备分级和故障分级系统,结合逻辑控
备按车间要求、工艺要求、设备要求划分为1类设备、2类设备、3类设备等,根据设备的重要性确定在程序
中的处理过程。例如将小袋收尘器设为2类设备,如
做延时判断,在规定的时间内如处理不好,再决定是否停相关设备。
⑥将专家优化软传感器技术作为关键测量设备的备份。比如当一个关键过程测量设备失效时,运用软传感器,代替设备做出有效的预估。这就允许损坏设备维修期间控制和优化系统可以持续工作。
3)PID调节回路
在应用软件程序编制中,根据工艺、设备要求,完善和增加PID自动调节回路,提高自动控制水平。
PID智能调节:涉及到物料量、气流量变化的设备(板喂机、给料机、秤、阀门等)根据产量设定最佳工作参数点,当工作参数偏离最佳工作参数点时能自动调节,减少中控人员手动操作的工作量。
主要PID回路控制点有:
①在石灰石、辅料、石膏和混合材破碎机受料皮带上设置秤计量,将物料量反馈给板喂机,板喂机变频调速,调整板喂机的给料速度,自动调整输送量。
②生料配料秤及板喂机通过在线分析仪实现自动控制。
③生料磨入口温度由循环风机转速控制。4窑尾排风机转速由高温风机出口压力控制。⑤喷水增湿系统由高温风机入口温度控制。
⑥生料库入仓流量阀由小仓仓重控制。⑦生料仓和煤粉仓下流量阀由转子秤控制。⑧窑头罩负压由窑头排风机转速控制。主要PID回路控制点的控制方式见表2。
4)水泥包装自动化
建议部分水泥包装采用自动插袋、自动装车功能,可以有效降低劳动定员,提高劳动效率,提升劳动安全。
包装自动化控制系统与智能物流一卡通相结合,实现部分水泥包装车间的智能化要求。
5)水泥散装控制自动化
改造原有的散装控制箱,将散装的自动控制、结合视频监控与智能物流一卡通,实现水泥散装的智能化要求。
6)水处理自动化
水泵房不设岗位,自动调压,压力在中控室显示。具体措施:水泵房的控制改至中控室控制,基于能源管理要求,增设电磁流量计,流量信号(包括瞬时流量和累积流量)通过总线通讯方式传至中控室和能源管理中心。在出水总管上安装压力变送器，压力信号传至中控室。
建议:各车间进水总管设电磁流量计,流量信号(包括瞬时流量和累积流量)通过总线通讯方式传至中控室。流量计前设电动闸阀(管径不小于DN50)或电磁阀(管径小于DN50)。另外设旁通管。
在中控操作画面编制全厂用水管网监测画面，中控操作员对全厂用水及各车间用水显示、监视、调节。提高用水效率,不设巡检工。
7)压缩空气站智能控制
改变原压缩空气控制箱现场控制模式至中控控制,空压机控制箱按运行时间选择卸载和运行,保证设定的总管压力范围。同时设压力变送器,信号传至中控室。基于能量管理要求,建议加设气体流量计。保证最远点压力在0.5 MPa以上,每个车间压力在中控室显示,中控室设压缩空气管网的界面。
各车间储气罐前依次设电动闸阀或电磁阀及截止阀,外设旁通截止阀。储气罐后加装压力变送器,压力信号传至中控室,显示实时压力。电磁阀(电动阀)可以在中控人工开关,停产关,工作开。
在中控操作画面编制全厂用气管网监测画面，中控操作员对全厂用气及各车间用气显示、监视、控制。提高用气效率,不设巡检工。
8)专家优化系统
专家优化是实现智能控制、减员增效、节能减排的具体措施。考虑采用:①烧成系统专家优化;②生料磨系统专家优化;⑶煤磨系统专家优化;④水泥磨系统专家优化。
水泥专家优化系统是专门针对水泥生产线的高级自控优化系统,通过运用模糊逻辑、模型预估、神经元网络等先进人工智能控制技术,可以实现对水泥工厂的全自动操作,减少中控操作员数量,消除操作员人为因素对生产的不利影响,并且在稳定工况的前提下实现降低水泥生产企业能源消耗,降低碳排放,达到增产保质的效果,提高了生产效率,降低了生产成本,提高了企业的核心竞争力。
3.5物流控制智能化
升级智能物流一卡通系统,结合水泥散装、水泥包装的自动化改造,实现原燃材料采购运输及产品销售自动处理,融合采购、销售、质量、财务信息,打造智能物流系统,并且和ERP系统实现松耦合的集中分布式架构,有效整合ERP、MES系统和智能物流系统,提升物流系统的运行效率,降低物流运行成本。形成对原燃材料等的采购、水泥销售、质量等的整体管控要求。3.6可视化
3.6.1现场可视化
在原有的现场视频监控基础上,根据各专业要求,合理增加部分视频监控点。
原则:需要人工巡检的阀门、溜子及相关设备总体情况等关键部位设置摄像头,视频信号连至中控,由中控人员进行监控,减少巡检人员数量。视频监控点设备情况见表3。
3.6.2生产数据可视化
完成对生产流水线上重要工艺参数.设备状态、料位、喂料量进行监视。所有图形根据工厂原有图形站上的生产流程图进行设计,所有显示值均为动态数据,实时刷新。可视化具有如下功能:
1)生产工艺流程图
完成对生产流水线上重要工艺参数.设备状态、料位、喂料量等的监视。所有图形根据工厂原有图形站上的生产流程图进行设计,所有显示值均为动态数据,定时刷新。主要有:生产流程显示、工艺参数显示、主机设备运转状态显示,报警显示等。
2)趋势曲线
以曲线形式显示生产流程上重要工艺参数的实时及历史变化趋势,并将相关的曲线放在一个屏显示,用于分析对比。主要有:分类定义曲线、实时曲线显示、历史曲线显示、曲线缩放。
3)生产报表
定时工艺参数报表,生产统计按班/日/月/年报。4)远程监控
通过VPN连接,可以实现在任何地方只要有Internet就能监控工厂,同时能查看历史曲线,分析和优化工厂,进行事故分析。
3.6.3 生产管理可视化
从生产排程、物料库存、物料消耗、质量情况、能源消耗、备品备件等各个环节,以图表的形式提供给相应的管理人员,供管理人员决策。
3.7生产管理信息化MES
在水泥制造企业里,MES系统是面向生产、计划、执行利用的主要信息化手段和工具,管理的核心功能处于运营管理层面,但其信息流和部分功能则横跨生产控制层和业务管理层,成为一个跨管理领域、跨系统的综合性管理系统。
1)建立集中扁平化的集团管控模式
在新常态下,我们面临着快速变化、激烈竞争的商业环境,从金字塔式的分权管理转变为扁平化的集权管理已成为全球领先企业的共同选择。实施集中管理、分散经营的运营模式,公司能够在全球范围内实现制造成本的下降和提升整个价值链对市场的响应速度。集中扁平化的管控模式体现为集中管理、分散经营,内部供应链高度集成的管理体系。
2)建立基于价值链的管理流程
集成价值链管理系统把整条价值链上的活动作为一个连续的、无缝进行的过程来加以规划和优化,进行相应的组织结构设计,而不是按照活动功能分隔开来设计组织结构,推动从科层制的纵向流程转变为基于供应链的横向流程。
随着企业规模扩大,纵向流程延长信息沟通渠道,导致效率低下,产生利益本位主义,增加管理成本,不利于对市场变化做出快速反应。在国际化、信息化时代背景下,流程再造的目标就是打破纵向流程,建立基于供应链的横向流程,提升公司对市场的响应速度,从而降低成本。不仅是总部职能部门之间,而且在总部与子公司、事业部之间都要有清楚并且顺畅的业务流程关系。在信息系统的支撑和控制下,流程运行高效快捷。
通过MES系统,进一步提升生产管理、设备管理、质量管理水平,通过大数据分析处理,给生产管理者提供决策依据。
生产管理信息化设计了以下管理模块:生产计划管理;生产执行管理;库存管理;生产过程监控管理;质量管理;设备管理;备品备件管理;生产对标管理;APP移动查询。
系统上线的过程也就是流程再造和管理变革提升的过程,解决方案的实施必须和流程再造紧密结合,才能取得成功,才能真正实现商业模式的转型。3.8能源管理中心
能源管理系统是企业信息化系统的一个重要组成部分,它的主要功能是实现能源系统分散的数据采集和控制、集中的管理调度和能源供需平衡,以及实现所需能源预测,为在生产全过程中实现较好的节能、降耗和环保的目标创造条件。
集成、融合是能源管理信息系统的基础,数据处理、数据分析是手段,节能、降耗、降低成本是目的。3.9建立生产数据中心
根据每个工厂的实际情况,设置一套数据服务器,该服务器的重要功能完成设备数据、质量数据、能源数据、生产数据、供应数据、销售数据等的采集与管理,建立一套完整的数据采集与数据处理中心，将数据中心和MES系统共用统一平台。
4结论及建议
1)水泥工厂智能化是经济发展的必然趋势,是实现《建材工业发展规划(2016~2020年)》的必要措施。
2)将智能控制、智能物流、信息化管理等技术应用到水泥生产的全过程,通过物联网、互联网、大数据等的综合应用,进一步优化水泥生产控制过程,提升质量控制技术,完善质量管理机制,提高设备管理水平等,实现对水泥工厂的智能管控,技术上是可行的,国内已经有多条示范生产线。
3)水泥工厂智能化将有利于企业提高劳动生产率,节能降耗,降低成本,提高企业经济效益。
4)建议水泥工厂根据企业各自设备维护情况及管理水平,对近年投产的生产线优先升级改造,也可以分步实施,先从智能物流着手;企业应事先做好可行性研究及风险防范,与地方政府充分沟通,做好转岗分流人员预案,减少失业人员,保持社会稳定。
