貴冶智能工廠建設(shè)實(shí)踐

汪飛虎

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

1 引言

在公司“鞏固冶煉”戰(zhàn)略要求下，貴冶基本不會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大產(chǎn)能，進(jìn)一步發(fā)展面臨著資源短缺、人力成本上升、環(huán)境約束進(jìn)一步增強(qiáng)、自主創(chuàng)新能力亟待提高等一系列問題，低能耗高資源利用率等挑戰(zhàn)倒逼企業(yè)要轉(zhuǎn)型升級(jí)。

貴冶未來的進(jìn)步發(fā)展，不僅需要深挖內(nèi)潛，在生產(chǎn)管理的精益化、自動(dòng)化、標(biāo)準(zhǔn)化上下功夫，站在全流程的角度進(jìn)行更多工序的集成優(yōu)化和協(xié)同運(yùn)作，更需要以智能化、網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化為核心特征的智能工廠建設(shè)和改造，實(shí)現(xiàn)工廠轉(zhuǎn)型升級(jí)、提質(zhì)增效、綠色發(fā)展。

2 智能工廠建設(shè)實(shí)踐

2.1 項(xiàng)目的立項(xiàng)批復(fù)

2016年3月31日，工業(yè)和信息化部印發(fā)了《關(guān)于開展智能制造試點(diǎn)示范2016專項(xiàng)行動(dòng)的通知》，并下發(fā)了《智能制造試點(diǎn)示范2016專項(xiàng)行動(dòng)實(shí)施方案》，在全國范圍內(nèi)選擇了 63 家單位做為試點(diǎn)示范企業(yè)，江西銅業(yè)股份有限公司申報(bào)的“銅冶煉智能工廠試點(diǎn)示范”項(xiàng)目位列其中，貴溪冶煉廠成為銅冶煉行業(yè)唯一一家智能制造試點(diǎn)示范工廠。

2.2 確定項(xiàng)目建設(shè)目標(biāo)、總體架構(gòu)及建設(shè)思路

（1）項(xiàng)目建設(shè)目標(biāo)：依據(jù)工信部實(shí)施指南、考核指標(biāo)及能力成熟度等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合工廠實(shí)際，我們擬定了貴冶智能工廠建設(shè)的總體目標(biāo)：通過信息技術(shù)、工業(yè)技術(shù)和管理技術(shù)的“三元”融合，實(shí)現(xiàn)工廠全要素的數(shù)字化感知、網(wǎng)絡(luò)化傳輸、大數(shù)據(jù)處理和智能化應(yīng)用，構(gòu)筑起 “現(xiàn)場(chǎng)識(shí)別自動(dòng)化、信息處理即時(shí)化、問題研判協(xié)同化、管理決策智能化”的智慧冶煉新模式，實(shí)現(xiàn)有貴冶特色的技術(shù)模式和管控模式的高度集成和全面優(yōu)化升級(jí)，提升工廠數(shù)字化、精準(zhǔn)化、高效化和現(xiàn)代化生產(chǎn)水平，具體是：

①工廠總體工藝流程及布局建立較完善的系統(tǒng)模型。

②配置符合設(shè)計(jì)要求的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和先進(jìn)控制系統(tǒng)，關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)基于模型的先進(jìn)控制和在線優(yōu)化。

③建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫平臺(tái)，并與過程控制、生產(chǎn)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互通集成。

④與集團(tuán)公司ERP進(jìn)行集成對(duì)接，滿足公司管控要求。

⑤建立制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES），并與企業(yè)資源計(jì)劃管理系統(tǒng)（ERP）集成，生產(chǎn)計(jì)劃、調(diào)度均建立模型，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)模型化分析決策，過程的量化管理，成本和質(zhì)量的動(dòng)態(tài)跟蹤。

（2） 項(xiàng)目建設(shè)原則和策略: 滿足業(yè)務(wù)需求優(yōu)先；綠色環(huán)保節(jié)能優(yōu)先；提升效益效率優(yōu)先。

先易后難、風(fēng)險(xiǎn)受控：不盲目追求高大上，根據(jù)輕重緩急、先易后難統(tǒng)籌推進(jìn)，找出關(guān)鍵管控點(diǎn)，把控風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)施中對(duì)生產(chǎn)影響最小、實(shí)施后調(diào)試爬坡期最短的項(xiàng)目?jī)?yōu)先建設(shè)。

以點(diǎn)帶面、抓好示范：不要貪大求全，選擇優(yōu)勢(shì)項(xiàng)目試行，試點(diǎn)成功移植推廣。抓好示范線，設(shè)計(jì)時(shí)不僅要確?？煽啃?，采用成熟的技術(shù)方案，同時(shí)要考慮到技術(shù)的先進(jìn)性，突出項(xiàng)目的示范性。

嚴(yán)控投資、效益優(yōu)先：對(duì)現(xiàn)有的IT資源、軟件資源、數(shù)據(jù)資源，要實(shí)現(xiàn)資源復(fù)用，保護(hù)已有投資、嚴(yán)控項(xiàng)目投入，追求效益、效率、效果，將投資收效明顯的項(xiàng)目?jī)?yōu)先立項(xiàng)。

（3）項(xiàng)目應(yīng)用總體架構(gòu)：《國家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南（2015年版）》指出，智能制造系統(tǒng)架構(gòu)通過生命周期、系統(tǒng)層級(jí)和智能功能三個(gè)維度構(gòu)建完成。產(chǎn)品全生命周期是由設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、物流、銷售、服務(wù)等一系列相互聯(lián)系的價(jià)值創(chuàng)造活動(dòng)組成的鏈?zhǔn)郊?。系統(tǒng)層級(jí)自下而上共五層，分別為設(shè)備層、控制層、車間層、企業(yè)層和協(xié)同層。智能制造的系統(tǒng)層級(jí)體現(xiàn)了裝備的智能化和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）化，以及網(wǎng)絡(luò)的扁平化趨勢(shì)。智能功能包括資源要素、系統(tǒng)集成、互聯(lián)互通、信息融合和新興業(yè)態(tài)等五層。

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)體系，結(jié)合工廠實(shí)際，構(gòu)建了貴冶智能工廠系統(tǒng)層級(jí)圖（圖1）。

圖1 貴冶智能工廠系統(tǒng)層級(jí)圖

工廠級(jí)管控層，將建設(shè)一個(gè)為全廠領(lǐng)導(dǎo)、管理人員、操作人員共同使用的統(tǒng)一、全面的管理信息系統(tǒng)，即“智能工廠管控系統(tǒng)”。該系統(tǒng)上與公司總部ERP、預(yù)算管理等系統(tǒng)互聯(lián)，下與DCS、監(jiān)控以及其他過程控制自動(dòng)化信息系統(tǒng)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)全廠生產(chǎn)、物流、經(jīng)營(yíng)、安環(huán)等環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)的集中管理，也是整個(gè)智能工廠的“總綱”。

在過程控制層，將構(gòu)建車間產(chǎn)線、鐵運(yùn)、汽運(yùn)、GIS等特定領(lǐng)域的專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)。其中，DCS分布式控制系統(tǒng)需要根據(jù)需求進(jìn)一步擴(kuò)容，指揮中心、鐵運(yùn)調(diào)度、計(jì)量無人值守、視頻監(jiān)控系統(tǒng)分別構(gòu)建，并集成進(jìn)智能工廠管控大系統(tǒng)中。

在單元控制層，將圍繞著需求中需要自動(dòng)化支撐的關(guān)鍵管控點(diǎn)，裝備數(shù)據(jù)采集、便捷操作等方面的自動(dòng)化支撐設(shè)備與設(shè)施，在充分考慮現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)及服務(wù)器等硬件資源基礎(chǔ)上，建設(shè)IT系統(tǒng)支撐平臺(tái)。

（4）項(xiàng)目建設(shè)范圍和步驟：按照總體規(guī)劃、務(wù)實(shí)推進(jìn)的原則，貴冶智能工廠項(xiàng)目分兩期建設(shè)。一期重點(diǎn)是構(gòu)建智能工廠系統(tǒng)框架，完成信息化及自動(dòng)化的提升及智能裝備試點(diǎn)實(shí)施。項(xiàng)目二期重點(diǎn)是深化應(yīng)用和優(yōu)化提升。與生產(chǎn)作業(yè)銜接緊密的自動(dòng)化改造項(xiàng)目，無法集中建設(shè)，按輕重緩急單獨(dú)申報(bào)立項(xiàng)，分別推進(jìn)。

2017年至2018年底為一期建設(shè)階段，建設(shè)范圍包括：構(gòu)建集成的智能工廠全面業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)平臺(tái)，含生產(chǎn)管理系統(tǒng)、供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)、設(shè)備管理系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)、安環(huán)管理系統(tǒng)、輔助決策系統(tǒng)，以及集成平臺(tái)、開發(fā)平臺(tái)和運(yùn)維平臺(tái)；構(gòu)建應(yīng)用系統(tǒng)支撐平臺(tái)，包括數(shù)據(jù)中心、網(wǎng)絡(luò)、標(biāo)準(zhǔn)機(jī)房、PI擴(kuò)容、組態(tài)大屏（調(diào)度指揮中心及閃速爐監(jiān)控大廳）、視頻監(jiān)控等子項(xiàng)目的建設(shè)；技術(shù)成熟的自動(dòng)化改造項(xiàng)目，尾礦無人行車、極板轉(zhuǎn)運(yùn)自動(dòng)化與質(zhì)檢智能化、鐵運(yùn)智能化調(diào)度、硫酸銅自動(dòng)打包碼垛、廢水站無人值守等子項(xiàng)目。

2019年至2022年底為二期建設(shè)階段，建設(shè)范圍包括：全面建成大數(shù)據(jù)中心，建立全廠各生產(chǎn)工序的材料、質(zhì)量、能源、設(shè)備、操作和模型等數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，構(gòu)建大數(shù)據(jù)平臺(tái)。建成1～2個(gè)具備行業(yè)代表性的數(shù)字化車間，覆蓋全廠的智能裝備、機(jī)器人得到廣泛使用。

2.3 如何選擇最適合的供應(yīng)商（行業(yè)案例、大項(xiàng)目設(shè)計(jì)和管控能力）

供應(yīng)商行業(yè)經(jīng)驗(yàn)很重要。有色行業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)工藝的復(fù)雜性，重點(diǎn)工藝控制裝備的控制系統(tǒng)的升級(jí)優(yōu)化，行業(yè)專業(yè)知識(shí)的沉淀應(yīng)用都需要供應(yīng)商具備很強(qiáng)的行業(yè)背景和實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，能夠在企業(yè)目前的生產(chǎn)裝備、管控現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出符合工廠實(shí)際情況的建設(shè)意見，引導(dǎo)和幫助企業(yè)加深對(duì)項(xiàng)目的理解和執(zhí)行。

貴冶項(xiàng)目此次經(jīng)過大半年的考察和實(shí)地調(diào)研，自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)化項(xiàng)目最終的選擇都是具備豐富行業(yè)經(jīng)驗(yàn)的供應(yīng)商，以保證項(xiàng)目成功，如寶信、太極等公司。在信息化項(xiàng)目上，我們更看重實(shí)施方對(duì)大項(xiàng)目的掌控能力、系統(tǒng)開發(fā)和集成能力，最終選擇了國內(nèi)最大的管理軟件和領(lǐng)先的企業(yè)云服務(wù)提供商用友公司。

2.4 企業(yè)脫產(chǎn)關(guān)鍵用戶選擇的條件

企業(yè)有各自特色的生產(chǎn)組織管理模式，智能工廠的建設(shè)離不開企業(yè)關(guān)鍵用戶的全力配合，是項(xiàng)目成功實(shí)施的保證。關(guān)鍵用戶作為企業(yè)業(yè)務(wù)及技術(shù)精英人員，在與最終用戶溝通時(shí)，能夠用最終用戶容易理解的語言來講解系統(tǒng)功能，溝通障礙少，更便于最終用戶的接受。同時(shí)也可以驗(yàn)證關(guān)鍵用戶對(duì)系統(tǒng)的掌握情況，以保證將來他們對(duì)系統(tǒng)日常運(yùn)行的支持。

（1）關(guān)鍵用戶的選拔和配置：關(guān)鍵用戶是智能工廠涉及到的各主要業(yè)務(wù)領(lǐng)域的業(yè)務(wù)或技術(shù)骨干，熟悉部門的業(yè)務(wù)處理流程及專業(yè)技術(shù)、問題所在；較強(qiáng)的溝通和協(xié)調(diào)、表達(dá)能力；很強(qiáng)的責(zé)任心和積極向上的工作態(tài)度；良好的新知識(shí)接受力；根據(jù)供應(yīng)商關(guān)鍵用戶需求表，配置必要數(shù)量的全脫產(chǎn)和半脫產(chǎn)關(guān)鍵用戶。貴冶項(xiàng)目全脫產(chǎn)關(guān)鍵用戶36人，半脫產(chǎn)關(guān)鍵用戶60人，全部為各專業(yè)技術(shù)管理人員。其中車間主任級(jí)別占40%以上，工段長(zhǎng)級(jí)別45%。

（2）關(guān)鍵用戶的管理：貴冶項(xiàng)目專門針對(duì)關(guān)鍵用戶配套了管理制度，明確業(yè)務(wù)需求、設(shè)計(jì)、實(shí)施、培訓(xùn)和上線階段的具體要求和激勵(lì)措施?？梢灶A(yù)見，隨著項(xiàng)目的建設(shè)和供應(yīng)商知識(shí)的轉(zhuǎn)移，未來關(guān)鍵用戶必將成為企業(yè)發(fā)展不可或缺的中間力量，相應(yīng)的關(guān)鍵用戶激勵(lì)績(jī)效機(jī)制和良好的職業(yè)規(guī)劃，能更好地激發(fā)關(guān)鍵用戶的能動(dòng)性和創(chuàng)新性。

2.5 探索自動(dòng)化智能化裝備的應(yīng)用

智能化工廠的建設(shè)需要同時(shí)具備諸多條件，設(shè)備的自動(dòng)化程度在很大程度上決定了后面的數(shù)字化和智能化程度。銅冶煉行業(yè)相比離散制造企業(yè)，自動(dòng)化實(shí)施更加困難。原輔料、中間品及產(chǎn)品的檢測(cè)技術(shù)尚不成熟，普遍重量大且外形不標(biāo)準(zhǔn)，自動(dòng)化裝備行業(yè)應(yīng)用明顯較少。目前主要工作一是加快本行業(yè)自動(dòng)化、智能化裝備的研發(fā)，二是充分借鑒其他行業(yè)應(yīng)用，解決一些現(xiàn)有問題。貴冶主要的配套項(xiàng)目是：

（1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫10萬點(diǎn)升級(jí)改造項(xiàng)目：實(shí)現(xiàn)企業(yè)數(shù)據(jù)集中統(tǒng)一管理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺(tái)。

（2）集中調(diào)度指揮中心：實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)調(diào)度指揮的協(xié)同和可視化統(tǒng)一指揮，提高應(yīng)急指揮響應(yīng)能力。

（3）極板自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)倉儲(chǔ)系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)陽極板和陰極板的自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)、質(zhì)檢、噴碼、批次跟蹤和庫位管理，極大提高效率的同時(shí)，為下工序的批次管理和工藝參數(shù)優(yōu)化控制提供便捷條件。

（4）尾礦無人行車系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)尾礦散料的無人自動(dòng)裝車，提高裝車效率，減少超重帶來的返車卸貨和欠重導(dǎo)致的運(yùn)費(fèi)損失。

（5） 硫酸銅智能倉儲(chǔ)系統(tǒng)：替代目前人工裝袋、碼垛、叉車轉(zhuǎn)儲(chǔ)、裝車流程，實(shí)現(xiàn)硫酸銅全自動(dòng)全流程智能控制，提高效率，降低損耗。

（6）材料備件智能倉儲(chǔ)系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)材料備件來料預(yù)告、入庫、盤存、領(lǐng)料和出庫全流程的智能倉儲(chǔ)管理，通過條碼實(shí)現(xiàn)了材料備件的批次管理和生命周期管理。

2.6 智能工廠建設(shè)中的“智能”應(yīng)用

智能化工廠的建設(shè)離不開“智能”應(yīng)用，結(jié)合貴冶目前的現(xiàn)狀和類似行業(yè)的智能化項(xiàng)目實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，本項(xiàng)目智能化建設(shè)內(nèi)容如下：

（1）智能協(xié)同調(diào)度優(yōu)化管理。根據(jù)熔煉車間三大爐的生產(chǎn)實(shí)績(jī)和生產(chǎn)組織協(xié)同調(diào)度流程，建立熔煉車間的三大爐的智能協(xié)同調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)，構(gòu)建三大爐作業(yè)時(shí)序的優(yōu)化控制模型，實(shí)現(xiàn)前后工序的生產(chǎn)操作預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)，減少待料等料時(shí)間，提高銅酸協(xié)同的及時(shí)性、準(zhǔn)確性。

（2）配料優(yōu)化計(jì)算系統(tǒng)。主要根據(jù)混合礦各元素的最優(yōu)比例，貴冶實(shí)際的精礦庫存使用策略，配料穩(wěn)定運(yùn)行周期構(gòu)建約束模型。導(dǎo)入每種精礦的成分和數(shù)量，使用線性回歸算法計(jì)算出最接近約束模型的極限結(jié)果，確定最終的配料單。同時(shí)系統(tǒng)具備自學(xué)習(xí)和優(yōu)化調(diào)整能力。

（3）轉(zhuǎn)爐捅風(fēng)眼機(jī)器人應(yīng)用。為降低風(fēng)眼清理人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高轉(zhuǎn)爐的生產(chǎn)效率，研發(fā)轉(zhuǎn)爐風(fēng)眼清掃自動(dòng)控制系統(tǒng)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)爐況參數(shù)的監(jiān)測(cè)和采集與風(fēng)眼部件的檢測(cè)數(shù)據(jù)，構(gòu)成轉(zhuǎn)爐風(fēng)眼狀態(tài)的分析模型，指令控制捅風(fēng)眼機(jī)器人進(jìn)行周期的風(fēng)眼清理工作。

（4）轉(zhuǎn)爐造渣、造銅期終點(diǎn)預(yù)報(bào)應(yīng)用。建立轉(zhuǎn)爐煙氣成分分析和溫度預(yù)測(cè)模型，結(jié)合貴冶轉(zhuǎn)爐的生產(chǎn)特點(diǎn)和操作經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行該預(yù)測(cè)模型的修正和調(diào)整，希望能通過此模型的計(jì)算和仿真，為現(xiàn)場(chǎng)操作人員造渣、造銅期的準(zhǔn)確判斷，提供參考。

（5）設(shè)備在線診斷、故障預(yù)測(cè)專家系統(tǒng)。主要針對(duì)貴冶30余臺(tái)高轉(zhuǎn)速的關(guān)鍵設(shè)備，以專業(yè)化檢測(cè)診斷手段替代人工檢查，以科學(xué)的數(shù)據(jù)分析替代經(jīng)驗(yàn)判斷，采用先進(jìn)在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，及時(shí)可靠地發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)異常，并通過故障預(yù)測(cè)專家系統(tǒng)及時(shí)報(bào)警和提出指導(dǎo)性的處理信息，避免非計(jì)劃停機(jī)。

（6）重點(diǎn)設(shè)備能效優(yōu)化。通過對(duì)設(shè)備能效進(jìn)行建模，獲取設(shè)備運(yùn)行實(shí)時(shí)參數(shù)和設(shè)備能效歷史相關(guān)數(shù)據(jù)，給出重點(diǎn)設(shè)備能效優(yōu)化方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)設(shè)備的監(jiān)控和能效評(píng)價(jià)分析。

2.7 智能工廠建設(shè)的投入產(chǎn)出效益

貴冶項(xiàng)目此次投入約2.5億元，可以預(yù)期的直接經(jīng)濟(jì)效益在2500萬到3500萬之間，基本上都來源于自動(dòng)化項(xiàng)目和供應(yīng)鏈系統(tǒng)。同時(shí)項(xiàng)目肯定會(huì)帶來效率提升、管控能力提高、分析判斷水平提高（創(chuàng)新能力），這部分效益的產(chǎn)生，取決于各系統(tǒng)的成功應(yīng)用和持續(xù)優(yōu)化，需要一定時(shí)間和數(shù)據(jù)積累才能夠顯現(xiàn)出來。

3 結(jié)論

貴冶的智能工廠建設(shè)邁出了第一步，一期建設(shè)按照《國家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南（2015年版）》的相關(guān)要求，結(jié)合銅冶煉行業(yè)的特點(diǎn)，在信息集成、互聯(lián)互通、大數(shù)據(jù)應(yīng)用、自動(dòng)化裝備等方面進(jìn)行了探索，多項(xiàng)技術(shù)和裝備都是首次在貴冶應(yīng)用，基本架構(gòu)起了貴冶的智能工廠框架。從已投入項(xiàng)目的情況看，大部分達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，減員增效的同時(shí)對(duì)生產(chǎn)的穩(wěn)定、生產(chǎn)效率的提高以及過程數(shù)據(jù)的獲取起到了重要的作用。成功的項(xiàng)目也起到了內(nèi)部示范的作用，很多以前敢想但不敢干的工作，通過示范找到了解決辦法，二級(jí)單位提出了非常多的改造提升需求，積極性很高，為智能工廠下一步建設(shè)提供了支撐。不過，一期項(xiàng)目也存在信息系統(tǒng)涵蓋范圍過寬、頂層設(shè)計(jì)不完善、行業(yè)特性體現(xiàn)不充分等問題，需要在二期項(xiàng)目建設(shè)中進(jìn)行改進(jìn)。

接下來的工作是用好系統(tǒng)、維護(hù)好裝備，堅(jiān)持先固化再優(yōu)化的原則，把一期建設(shè)的效果充分發(fā)揮出來。二期建設(shè)也明確了基本方向，主要是大數(shù)據(jù)的深化應(yīng)用、打造1～2個(gè)具有行業(yè)代表性的數(shù)字化車間、自動(dòng)化裝備的推廣應(yīng)用。不把智能工廠作為一個(gè)項(xiàng)目來建設(shè)，而是充分同工廠的重點(diǎn)難點(diǎn)問題結(jié)合起來，緊盯降本增效的目標(biāo)分解任務(wù)，集合各專業(yè)的力量，才能取得更大的成效。