智能化生產(chǎn)創(chuàng)新試點(diǎn)與探討

王振軍，謝慶云，盧耀錦，王虎城，楊少武，楊志軍，王世軍

（西北稀有金屬材料研究院寧夏有限公司 稀有金屬特種材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 石嘴山753000）

目前，根據(jù)我國(guó)“十二五”發(fā)展規(guī)劃要求，要在各行各業(yè)大力推進(jìn)智能制造，由此來(lái)推進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，最終提高核心競(jìng)爭(zhēng)力。為此，本集團(tuán)公司積極響應(yīng)國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策，試點(diǎn)將智能制造應(yīng)用到新建項(xiàng)目上，成功實(shí)現(xiàn)了以智能化生產(chǎn)，創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)產(chǎn)業(yè)大發(fā)展。

1 智能化試點(diǎn)

1.1 立項(xiàng)背景

原生產(chǎn)線(xiàn)信息化狀況落后。裝備均為信息孤島，無(wú)法互聯(lián)互通，遠(yuǎn)程共享； 多為單機(jī)控制或人工操作；生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)管理靠人工巡視；質(zhì)量過(guò)程管理靠人工記錄。

新建生產(chǎn)線(xiàn)引入智能化試點(diǎn)建設(shè)。以實(shí)現(xiàn)無(wú)粉塵危害遠(yuǎn)程管理，提質(zhì)增效，擴(kuò)大產(chǎn)能，扭虧脫困。生產(chǎn)線(xiàn)裝備特點(diǎn)：?jiǎn)螜C(jī)間歇式生產(chǎn)；工藝復(fù)雜，流程長(zhǎng)；批量小，多批次；高溫，高真空度，脫氣粉末冶金工藝復(fù)雜，控制精細(xì)，安全防護(hù)要求高等，特別適合智能化應(yīng)用開(kāi)發(fā)。生產(chǎn)線(xiàn)裝備如圖1 所示。

1.2 建設(shè)概況

圖1 生產(chǎn)線(xiàn)裝備實(shí)物圖

公司投資近數(shù)百萬(wàn)，試點(diǎn)建設(shè)了智能化生產(chǎn)線(xiàn)，開(kāi)創(chuàng)了智能化建設(shè)項(xiàng)目示范，由傳統(tǒng)單機(jī)不互聯(lián)制造模式向信息化物聯(lián)網(wǎng)制造模式轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)了四個(gè)方面的智能化：裝備自動(dòng)化、管理可視化、質(zhì)量信息化及工藝流程化，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能、增能、產(chǎn)值及效益翻倍增長(zhǎng)，成為集團(tuán)外來(lái)參觀最具特色的展示中心之一。

1.3 建設(shè)方案

實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)信息化。建立生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)信息MES 管理平臺(tái)及生產(chǎn)監(jiān)視調(diào)度指揮中心總站，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)裝備由人工管理向信息化管理方式轉(zhuǎn)型升級(jí)。建立車(chē)間集控平臺(tái)子站，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化無(wú)人值守，減少人工，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)防護(hù)要求節(jié)能化。

開(kāi)發(fā)建設(shè)裝備自動(dòng)化。推廣應(yīng)用工廠(chǎng)通風(fēng)智能化及節(jié)能技術(shù)，降低成本；新開(kāi)發(fā)等靜壓擴(kuò)能深度自動(dòng)化技術(shù)，擴(kuò)大產(chǎn)能；推廣應(yīng)用數(shù)控化機(jī)械加工中心等智能化加工裝備；提升裝備精密加工制造能力，提高產(chǎn)品合格率及效率。

優(yōu)化生產(chǎn)流程。創(chuàng)新開(kāi)發(fā)3D 打印快速成型數(shù)控技術(shù)，縮短生產(chǎn)流程。

1.3.1 平臺(tái)架構(gòu)

組建全線(xiàn)各單體設(shè)備DCS/PLC 物聯(lián)網(wǎng)，將全線(xiàn)20 多套冶金爐單機(jī)及7 套通風(fēng)控制系統(tǒng)組成網(wǎng)絡(luò)匯集、處理全線(xiàn)約6 000 點(diǎn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)；建立生產(chǎn)監(jiān)控/調(diào)度/管理系統(tǒng)：建立7 個(gè)車(chē)間信息子站，建立一個(gè)信息化物聯(lián)網(wǎng)中心總站平臺(tái)；自動(dòng)采集、存儲(chǔ)、顯示生產(chǎn)數(shù)據(jù)，生成質(zhì)量、工藝、裝備、能耗管理信息數(shù)據(jù)庫(kù)。平臺(tái)架構(gòu)如圖2 所示。

1.3.2 遠(yuǎn)程可視化平臺(tái)

建立大屏監(jiān)視中心。共設(shè)有150 路高清視頻攝像頭；統(tǒng)一組網(wǎng)全線(xiàn)工藝數(shù)據(jù)及視頻信息，綜合顯示在 9×60 寸 DLP+16×42 寸電視墻上； 設(shè)有車(chē)間級(jí)監(jiān)控顯示終端，并將信息遠(yuǎn)傳至總調(diào)度指揮顯示中心；車(chē)間子站及總控室全線(xiàn)無(wú)死角，全天候“電子眼”監(jiān)視，記錄定期備份，常年可查；提升現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)管理效率，且無(wú)粉塵危害，遠(yuǎn)程管理；總控中心實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)控，及時(shí)調(diào)度指揮生產(chǎn)。視頻信號(hào)均可上電視/DLP墻進(jìn)行輪巡監(jiān)視?？梢暬脚_(tái)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

1.3.3 生產(chǎn)監(jiān)控平臺(tái)

建立可自動(dòng)采集全線(xiàn)生產(chǎn)6 000 個(gè)信息點(diǎn)數(shù)據(jù)的智能監(jiān)控平臺(tái)以及生產(chǎn)質(zhì)量管理系統(tǒng)、 裝備運(yùn)行養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)平臺(tái)。實(shí)現(xiàn)了工藝及裝備數(shù)字化、智能化；改善產(chǎn)品過(guò)程控制水平； 自動(dòng)執(zhí)行工藝過(guò)程控制流程，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量的透明、精細(xì)、高效、優(yōu)化管理；產(chǎn)品質(zhì)量全程可追溯，便于改進(jìn)生產(chǎn)管理，提質(zhì)增效。實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)控制、分析、決策等，實(shí)現(xiàn)了智能化技術(shù)升級(jí)；改善了工藝優(yōu)化及質(zhì)量控制技術(shù)，節(jié)能降耗，改進(jìn)設(shè)備運(yùn)維效率；建立設(shè)備運(yùn)維及能耗智能管理平臺(tái)，提高了運(yùn)維效率，延長(zhǎng)設(shè)備壽命；實(shí)現(xiàn)節(jié)能精準(zhǔn)管理。生產(chǎn)監(jiān)控平臺(tái)如圖4 所示。

圖3 可視化平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

1.3.4 裝備智能化擴(kuò)能

深度自動(dòng)化擴(kuò)產(chǎn)能。等靜壓成型技術(shù)（Hot Isostatic Pressing，簡(jiǎn)稱(chēng)HIP）是將制品放置到密閉的耐高壓容器中，向制品施加各向同等的壓力，同時(shí)施以高溫，在高溫高壓的作用下，制品得以燒結(jié)和致密化，傳統(tǒng)等靜壓成型技術(shù)瓶頸是受熱均溫區(qū)短，冷卻時(shí)間長(zhǎng)，高溫高壓安全保護(hù)及操作流程多為人工方式，生產(chǎn)效率低下，產(chǎn)量滿(mǎn)足不了生產(chǎn)需求，急需擴(kuò)能改造。

對(duì)傳統(tǒng)等靜成型技術(shù)進(jìn)行深度改造（如圖5 所示）。全自動(dòng)PLC 控制，簡(jiǎn)化操作，一鍵式操作，提高運(yùn)維效率及開(kāi)機(jī)率，故障自診斷；增強(qiáng)設(shè)備及人身安全，聯(lián)鎖保護(hù)控制。采取快速冷卻技術(shù)改造：快速冷卻 30～50 ℃/min，縮短生產(chǎn)周期近 24 h，提高生產(chǎn)效率，增加產(chǎn)能；采取縮短工藝流程技術(shù)改造；自動(dòng)制氬氣，降費(fèi)用，省人力，工藝簡(jiǎn)化，操作安全。

1.3.5 裝備智能化降耗

圖4 生產(chǎn)監(jiān)控平臺(tái)圖

圖5 等靜成型技術(shù)深度自動(dòng)改造介紹圖

以下述項(xiàng)目為例說(shuō)明如何解決負(fù)壓密閉高耗能及成本大的難題。項(xiàng)目設(shè)計(jì)風(fēng)量45 萬(wàn)m3/h，裝機(jī)電量約800 kW，通風(fēng)能耗成本巨大，年電費(fèi)近300 多萬(wàn)元。

房間通風(fēng)用量智能化控制。通過(guò)各調(diào)試房間送風(fēng)和排風(fēng)的手動(dòng)閥開(kāi)度，調(diào)整送風(fēng)量與排風(fēng)量，保證一定負(fù)壓，使得有害粉塵按系統(tǒng)各房間預(yù)設(shè)的負(fù)壓梯度，從低濃度區(qū)域向高濃度區(qū)域定向流動(dòng)；在房間送風(fēng)管和排風(fēng)管上設(shè)有電動(dòng)密閉閥門(mén)，根據(jù)實(shí)際各用風(fēng)房間的需求啟停，避免了通風(fēng)房間“一開(kāi)全開(kāi)”的空耗運(yùn)行方式。

送排風(fēng)總管路通風(fēng)量智能控制。由送、排風(fēng)風(fēng)機(jī)組的PLC 控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)其頻率來(lái)維持出口壓力，實(shí)現(xiàn)總管路按實(shí)際需量供風(fēng)，杜絕了定工頻運(yùn)行方式下耗風(fēng)耗電缺陷。

節(jié)風(fēng)約49%，節(jié)電約30%，年節(jié)省電費(fèi)約90 萬(wàn)元；采取無(wú)人職守技術(shù)，智能化節(jié)省人工10 人，節(jié)省人工費(fèi)約30 萬(wàn)元。裝備智能化降耗（廠(chǎng)房通風(fēng)按需智能化供風(fēng)）如圖6 所示。

1.3.6 試點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)

圖6 裝備智能化降耗（廠(chǎng)房通風(fēng)按需智能化供風(fēng)）示意圖

智能化試點(diǎn)建設(shè)要充分做好立項(xiàng)調(diào)研，將智能化系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)到新建項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)及施工設(shè)計(jì)，做好統(tǒng)籌協(xié)調(diào)聯(lián)控，統(tǒng)一訂制設(shè)備選型支持聯(lián)網(wǎng)聯(lián)控協(xié)議、軟硬件通訊接口、開(kāi)放OPC 協(xié)議，盡量統(tǒng)一裝備控制系統(tǒng)選型等，協(xié)調(diào)各家通訊聯(lián)控。

2 智能化探討

四次工業(yè)革命歷程包括：機(jī)械化生產(chǎn)革命、流水線(xiàn)生產(chǎn)革命、 可編程序生產(chǎn)革命及網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)生產(chǎn)革命（見(jiàn)圖7）。目前工業(yè)正處在第四階段，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能化階段。智能化范疇包括自動(dòng)化、 物聯(lián)網(wǎng)、信息化、數(shù)字化、大數(shù)據(jù)、機(jī)器人及“互聯(lián)網(wǎng)+制造”等；智能化目的在于解決企業(yè)自身在生產(chǎn)制造、產(chǎn)業(yè)鏈及企業(yè)管理等方面所遇到的瓶頸和困局。

2.1 智能化案例思考

通過(guò)深度自動(dòng)化控制技術(shù)，解決企業(yè)鈉還原工藝中只能手工中注鈉操作，無(wú)法保證產(chǎn)品穩(wěn)定性和一致性，裝備產(chǎn)量不足等重大技術(shù)難題。將鈉還原化學(xué)反應(yīng)放熱控制與電阻爐物理加熱控制并網(wǎng)聯(lián)控，創(chuàng)新開(kāi)發(fā)了注鈉智能控制系統(tǒng)，一舉打破了原有手工方式的技術(shù)瓶頸，突破了產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性、一致性技術(shù)難關(guān)，產(chǎn)能擴(kuò)大4～5 倍。

通過(guò)智能化優(yōu)化流程技術(shù)，解決企業(yè)制粉生產(chǎn)效率低的難題。采用雙向?qū)_氣流粉碎取代單向靶式?jīng)_擊粉碎系統(tǒng)，縮短提高制粉效率；采用氣力輸送系統(tǒng)取代人工轉(zhuǎn)運(yùn)，縮短工藝流程； 改進(jìn)工藝流程后，產(chǎn)能擴(kuò)大3 倍。

2.2 智能化原則

把握智能化“增效+提質(zhì)”基本原則，摸清生產(chǎn)現(xiàn)狀及需求，做好可研；必須正視企業(yè)所處工業(yè)化階段水平，實(shí)事求是；抓住關(guān)鍵痛點(diǎn)開(kāi)刀，以點(diǎn)帶面，逐步推進(jìn)；切莫搞跨越式工業(yè)2.0 及3.0 的智能化。

重視系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)，在新建項(xiàng)目前期須統(tǒng)一信息化規(guī)劃，提前籌備現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層通訊，網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架等最底層信息化建設(shè)。

圖7 四次工業(yè)革命歷程示意圖

2.3 智能化步驟

智能化道路要結(jié)合企業(yè)實(shí)際循序漸進(jìn)。第一步要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的一致性和穩(wěn)定性，是提高質(zhì)量最直接的方法；第二步要實(shí)現(xiàn)流程管理數(shù)字化，將產(chǎn)品的生產(chǎn)和管理信息數(shù)字化，透明化，分析/歸納/總結(jié)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)流程制定的最優(yōu)化，提高生產(chǎn)、運(yùn)行和管理的效率；第三步要實(shí)現(xiàn)企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)化，加快研發(fā)速度。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)智能化技術(shù)推廣應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量一致和穩(wěn)定、 實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)字化和遠(yuǎn)程高效管理，提高生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量、能效管理以及整體自動(dòng)化水平；達(dá)到減人、節(jié)能、增效、提質(zhì)、降耗等目的，智能制造才能成功在企業(yè)推廣應(yīng)用。