銅冶煉智能工廠應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)思路與方案

劉海泉

（江西銅業(yè)集團(tuán)公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)通信等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，正深刻改變著傳統(tǒng)制造業(yè)的發(fā)展模式。2015年5月國務(wù)院印發(fā)了《中國制造2025》，把智能制造作為兩化深度融合的主攻方向。2016年12月，工信部發(fā)布了《智能制造發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）》，明確了到2020年，將要建成300個(gè)以上智能制造試點(diǎn)示范項(xiàng)目，數(shù)字化車間、智能工廠試點(diǎn)示范項(xiàng)目，遴選確定150個(gè)以上智能制造標(biāo)桿企業(yè)”［1-3］。

江西銅業(yè)股份有限公司貴溪冶煉廠（簡稱貴冶）是中國第一家采用世界先進(jìn)閃速熔煉技術(shù)、高濃度二氧化硫轉(zhuǎn)化制酸技術(shù)、傾動(dòng)爐、卡爾多爐雜銅冶煉技術(shù)和ISA（艾薩法）電解精煉技術(shù)的現(xiàn)代化煉銅工廠。年產(chǎn)陰極銅百萬噸以上，是中國最大的銅、硫化工、稀貴金屬產(chǎn)品生產(chǎn)基地，也是世界首個(gè)單廠陰極銅產(chǎn)量超百萬噸的煉銅工廠。

貴冶將依托物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等信息化技術(shù)，建設(shè)以智能化、網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化為核心特征的智能工廠，實(shí)現(xiàn)工廠轉(zhuǎn)型升級、提質(zhì)增效和綠色發(fā)展。

2 智能工廠建設(shè)目標(biāo)及內(nèi)容

2.1 建設(shè)目標(biāo)

通過實(shí)現(xiàn)銅冶煉工廠的自動(dòng)化、數(shù)字化、模型化、集成化、智能化，構(gòu)建企業(yè)的智能決策、智能生產(chǎn)管理、智能執(zhí)行與感知體系，打造從管理決策到執(zhí)行反饋的閉環(huán)管控結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)制造效率、成本、質(zhì)量等資源優(yōu)化配置的智能化工廠。

2.2 建設(shè)內(nèi)容

智能工廠是兩化深度融合的結(jié)果，是兩化融合的具體實(shí)踐和落地。通過建設(shè)作用與生產(chǎn)制造全過程、全產(chǎn)業(yè)鏈、產(chǎn)品全生命周期的兩化融合應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)貴冶的生產(chǎn)范式的重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)有感知（反饋）、有控制（執(zhí)行）的智能化的工業(yè)軟件的綜合集成體系，形成基于大數(shù)據(jù)的科學(xué)決策平臺(tái)，完成智能化工廠建設(shè)。

通過智能感知與執(zhí)行體系、生產(chǎn)運(yùn)營管理體系、智能決策體系三個(gè)層次體系的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)的智能工廠整體智能體系的構(gòu)建，每個(gè)層次本身是自治閉環(huán)，又構(gòu)成單層的智能體系，這樣分層化的建設(shè)和整體智能體系的集成，全面生動(dòng)地反應(yīng)了整個(gè)工廠的智能［7-9］。

圖1 智能工廠三層建設(shè)體系

3 應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)方案

貴冶智能工廠應(yīng)用系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)為智能感知與執(zhí)行層、運(yùn)營管理層和智能決策層三個(gè)層次體系，包含三個(gè)技術(shù)支撐平臺(tái)、六大業(yè)務(wù)系統(tǒng)［10-12］。

3.1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

貴冶智能工廠的建設(shè)是根據(jù)貴冶對應(yīng)用系統(tǒng)功能的需求，結(jié)合貴冶生產(chǎn)管理現(xiàn)狀、信息化建設(shè)現(xiàn)狀、兩化融合現(xiàn)狀為基本出發(fā)點(diǎn)，從總體架構(gòu)和具體實(shí)現(xiàn)上進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，搭建出可實(shí)施落地的、符合貴冶的智能工廠框架。

圖2 智能工廠總體設(shè)計(jì)框架

通過三層智能體系和三個(gè)技術(shù)平臺(tái)，結(jié)合感知、計(jì)算、通信、控制等信息技術(shù)與設(shè)計(jì)、工藝、生產(chǎn)、裝備等工業(yè)技術(shù)融合，打造屬于貴溪冶煉廠的生產(chǎn)制造全過程、全產(chǎn)業(yè)鏈、產(chǎn)品全生命周期智能化工廠。

3.2 三層智能體系

智能工廠的三個(gè)智能層次體系圍繞智能感知、實(shí)時(shí)計(jì)算、科學(xué)決策、精準(zhǔn)執(zhí)行的閉環(huán)賦能體系進(jìn)行構(gòu)建，每個(gè)層次是智能實(shí)體，在整體上組合形成智能工廠的賦能架構(gòu)體系。智能工廠不是單體設(shè)備的智能、不是單個(gè)應(yīng)用的智能，是單體智能和整體智能的融合系統(tǒng)［13-15］。

3.2.1 智能感知與執(zhí)行層建設(shè)

感知與執(zhí)行層是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場全面物聯(lián)網(wǎng)的核心。通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)工廠的人、機(jī)、料、法、環(huán)數(shù)據(jù)的全面感知，提供生產(chǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和計(jì)算決策分析，并最終將工業(yè)軟件的決策命令發(fā)送給控制系統(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)執(zhí)行。

通過全面感知提供智能工廠完整的數(shù)據(jù)支撐，精準(zhǔn)執(zhí)行實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)操作指令、智能決策的落地實(shí)現(xiàn)，最終落實(shí)在對生產(chǎn)設(shè)備的操作控制、工藝流程的優(yōu)化控制，實(shí)現(xiàn)通過感知和執(zhí)行體現(xiàn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的價(jià)值。

3.2.1.1 智能感知

通過PI實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫構(gòu)建智能感知平臺(tái)，實(shí)時(shí)感知生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)，并將感知數(shù)據(jù)進(jìn)行集中存儲(chǔ)，提供給工業(yè)軟件、大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)?；谝延械腜I實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)容和升級數(shù)據(jù)系統(tǒng)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將以前沒有覆蓋的實(shí)時(shí)過程數(shù)據(jù)，包括設(shè)備運(yùn)行、狀態(tài)、故障、溫度、壓力、流量、電、體積、重量等等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。對新增加的使用RFID技術(shù)的感知數(shù)據(jù)，感知數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在各個(gè)單元級應(yīng)用系統(tǒng)里。

通過PI實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和業(yè)務(wù)系統(tǒng)的感知完成對整個(gè)智能工廠的感知系統(tǒng)的建設(shè)。

3.2.1.2 精準(zhǔn)執(zhí)行

智能控制比較常見的為模糊控制（包括模糊PID）、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制（常見BP,RBF）、專家系統(tǒng)、分級遞階控制、學(xué)習(xí)理論控制（常見PSO,GA以及學(xué)習(xí)理論-PID模型）。另外，統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論也有用于控制的，典型的是支持向量機(jī)回歸（SVMR）。

結(jié)合銅冶煉生產(chǎn)工藝，選擇機(jī)理模型和統(tǒng)計(jì)分析方法，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)工藝流程的優(yōu)化控制，達(dá)到對生產(chǎn)過程的精準(zhǔn)執(zhí)行。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化系統(tǒng)的改造升級、智能協(xié)同調(diào)度優(yōu)化管理、各工序優(yōu)化控制方案的落地。

圖3 熔煉車間協(xié)同調(diào)度優(yōu)化

3.2.2 運(yùn)營管理層建設(shè)

3.2.2.1 生產(chǎn)管理系統(tǒng)

生產(chǎn)管理系統(tǒng)的功能模塊包括計(jì)劃、調(diào)度、生產(chǎn)實(shí)績、預(yù)算執(zhí)行、檢化驗(yàn)、質(zhì)量、計(jì)量、三維展示等。通過企業(yè)服務(wù)總線（ESB）與外部業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行集成，需要集成的系統(tǒng)包括ERP、全面預(yù)算系統(tǒng)、人力資源系統(tǒng)、OA系統(tǒng)、設(shè)備管理系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)、供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)、安環(huán)管理系統(tǒng)和其它應(yīng)用系統(tǒng)，通過消息中間件與智能工廠應(yīng)用系統(tǒng)的供應(yīng)鏈管理、設(shè)備管理、能源管理和安環(huán)管理進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)情況的全方位管控，指導(dǎo)企業(yè)生產(chǎn)管理。

3.2.2.2 供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)

基于供應(yīng)鏈一體化協(xié)同管理，打造采購、生產(chǎn)、銷售協(xié)同的閉環(huán)管理體系。基于物流、信息流、資金流三流合一的數(shù)據(jù)融合，打造模型化、數(shù)字化的智能供應(yīng)鏈一體化管理體系。將集團(tuán)ERP采購銷售、貴冶進(jìn)出廠物流、廠內(nèi)生產(chǎn)物流、倉儲(chǔ)管理連接為一個(gè)信息化整體，打通集團(tuán)與貴冶的協(xié)同路徑，同時(shí)通過與無人值守磅房、鐵路微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)、車號自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)、機(jī)車無線作業(yè)系統(tǒng)、質(zhì)量計(jì)量、檢化驗(yàn)系統(tǒng)、GPS、GIS、RFID等進(jìn)行業(yè)務(wù)協(xié)同集成，實(shí)現(xiàn)貴冶的供應(yīng)鏈一體化協(xié)同管理的感知、計(jì)算、決策、執(zhí)行的閉環(huán)智能附能體系。

圖4 供應(yīng)鏈流程圖

3.2.2.3 設(shè)備全生命周期管理系統(tǒng)

通過對設(shè)備資產(chǎn)實(shí)現(xiàn)綜合管理，根據(jù)點(diǎn)檢、在線監(jiān)控或第三方配合等手段，實(shí)現(xiàn)“發(fā)現(xiàn)問題”到采用趨勢分析及綜合評價(jià)一體化管理，實(shí)現(xiàn)“分析問題”再到維修及缺陷處理的解決方案，最終實(shí)現(xiàn)全廠的設(shè)備安全運(yùn)行、減員增效、提升效能等目標(biāo)。

圖5 設(shè)備管理業(yè)務(wù)層級流圖

3.2.2.4 能源管理系統(tǒng)

能源管控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)貴冶能源管理的數(shù)字化、信息化、可視化、預(yù)測化和智能化。實(shí)現(xiàn)全廠能源數(shù)據(jù)采集全覆蓋，經(jīng)過數(shù)據(jù)清洗及相關(guān)規(guī)則約束實(shí)現(xiàn)各類角色的信息推送，輔助能源管網(wǎng)實(shí)現(xiàn)能源數(shù)據(jù)及信息的可視化。根據(jù)貴冶用能特點(diǎn)，針對不同的優(yōu)化對象，結(jié)合現(xiàn)場業(yè)務(wù)規(guī)則模型及大數(shù)據(jù)算法最終實(shí)現(xiàn)能源數(shù)據(jù)指標(biāo)的預(yù)測及智能決策。將全廠數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可用信息，同時(shí)實(shí)現(xiàn)將信息轉(zhuǎn)化為輔助企業(yè)的洞察力，提升企業(yè)的核心競爭力。

3.2.2.5 安環(huán)管理系統(tǒng)

構(gòu)建平戰(zhàn)結(jié)合的安全環(huán)保應(yīng)急一體化管控系統(tǒng)，達(dá)到安全管控一體化、日常監(jiān)控預(yù)警推送、一鍵式應(yīng)急等功能。

圖6 安環(huán)管理設(shè)計(jì)思想

安全管控一體化：建立安防、安全環(huán)保監(jiān)控、生產(chǎn)監(jiān)控和圖像監(jiān)控于一體的智能化安全監(jiān)管中心，現(xiàn)場安全管控狀態(tài)一目了然；整合各類信息，先兆識(shí)別預(yù)警，應(yīng)急處置全面支撐，決策有據(jù)可依。

日常監(jiān)控預(yù)警推送：基于真實(shí)的三維場景和位置信息，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)全過程（原料入場-備料-配料-生產(chǎn)）安全環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)的可視化管控與智能預(yù)警推送。

一鍵式應(yīng)急：異常工況下，系統(tǒng)支持在三維場景中就事故態(tài)勢進(jìn)行還原、分析、預(yù)判，并基于可視化場景制定、推演應(yīng)急策略（應(yīng)急資源調(diào)配、現(xiàn)場部署等），突發(fā)狀態(tài)下及時(shí)有效地指揮各層級進(jìn)行應(yīng)急處置與決策。

3.2.3 智能決策層建設(shè)

3.2.3.1 大數(shù)據(jù)平臺(tái)

工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)打通從供應(yīng)鏈、生產(chǎn)制造、營銷和銷售，到售后服務(wù)等產(chǎn)品全生命周期的數(shù)據(jù)流?；谶@些整合的數(shù)據(jù)，通過大數(shù)據(jù)技術(shù)，對海量的數(shù)據(jù)進(jìn)行深層次的分析，根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需要進(jìn)行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)建模，從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)大數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)價(jià)值。

圖7 數(shù)據(jù)整合與分析建模思路

3.2.3.2 決策應(yīng)用

決策應(yīng)用作為智慧工廠解決方案的重要組成部份，其對企業(yè)實(shí)現(xiàn)智能管理、智慧決策、全局優(yōu)化、降本增效至關(guān)重要。其核心價(jià)值體現(xiàn)在：優(yōu)化供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)（特別是庫存），提升管理效率；優(yōu)化設(shè)備管理、減少成本；自主學(xué)習(xí)各類主題深層次挖掘分析；增加收入、降低成本，提升企業(yè)競爭；構(gòu)建預(yù)知系統(tǒng)，輔助企業(yè)決策等方面。

圖8 決策應(yīng)用場景

4 結(jié)語

基于工業(yè)4.0、中國制造2025、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等發(fā)展背景，江銅貴冶正在開展智能工廠一期建設(shè)，計(jì)劃用兩年時(shí)間初步建成一套具有自動(dòng)化、數(shù)字化、模型化、集成化、智能化等特征的銅冶煉智能工廠?；诖髷?shù)據(jù)、云平臺(tái)、統(tǒng)計(jì)分析模型等先進(jìn)技術(shù)，構(gòu)建企業(yè)的智能決策、智能生產(chǎn)管理、智能執(zhí)行與感知體系，打造從管理決策到執(zhí)行反饋的閉環(huán)管控結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)制造效率、成本、質(zhì)量、過程管控等資源的優(yōu)化配置。在未來，江西銅業(yè)將會(huì)進(jìn)一步加大對企業(yè)智能化的建設(shè)，開發(fā)出更多具有江銅特色的數(shù)據(jù)深度分析模型，為中國銅冶煉行業(yè)發(fā)展作出更多的貢獻(xiàn)。