基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的稀土冶煉分離智能生產(chǎn)管控研究

吳傳松 ,高志江 ,楚金旺

(1.廣東風(fēng)華高新科技股份有限公司,廣東 肇慶 526000;2.中國恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038)

0 引言

稀土元素包括輕稀土組La、Ce、Pr、Nd,中稀土組Sm、Eu、Cd 和重稀土組Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y 等,作為“現(xiàn)代工業(yè)的維生素”,廣泛應(yīng)用于光、電、磁等高科技領(lǐng)域以及航天、軍事和國防等核心技術(shù)領(lǐng)域,可以用來生產(chǎn)熒光材料、陶瓷材料、超導(dǎo)材料和磁性材料等,更可以作為戰(zhàn)略資源實(shí)現(xiàn)先進(jìn)裝備制造。更為重要的是,稀土元素所展現(xiàn)的獨(dú)特性能是其他金屬材料無法取代的[1-2]。我國作為世界上稀土資源儲(chǔ)量最大的國家,具備稀土元素齊全、礦物種類豐富、稀土品位較高和礦體分布合理等明顯優(yōu)勢(shì),而其中離子型稀土礦作為我國中重稀土元素的主要來源以及南嶺五省特有的礦物類型,提取過程相對(duì)簡單,經(jīng)濟(jì)效益相對(duì)較高,已成為生產(chǎn)中重稀土元素的主要礦種[3-4]。

離子型稀土礦經(jīng)過原地浸礦處理后得到稀土中間產(chǎn)物,運(yùn)輸?shù)胶罄m(xù)冶煉分離廠進(jìn)行冶煉分離、提純、產(chǎn)品加工[5-6]。為了有效降低生產(chǎn)成本以及運(yùn)輸成本,通常情況下,稀土冶煉分離廠的建設(shè)距離實(shí)際浸采礦區(qū)較近,且一般位于偏遠(yuǎn)山區(qū),這也導(dǎo)致主要作業(yè)過程仍然停留在傳統(tǒng)人工生產(chǎn)組織,基礎(chǔ)自動(dòng)化較為薄弱。而信息化水平普遍偏低,對(duì)于整個(gè)生產(chǎn)流程缺乏最基本的信息管理系統(tǒng),新技術(shù)的普及和應(yīng)用進(jìn)程較為緩慢。另外,稀土冶煉分離的主要生產(chǎn)工藝過程復(fù)雜度高,生產(chǎn)過程中,各個(gè)崗位分散在車間各個(gè)區(qū)域,生產(chǎn)管理組織者難以做到對(duì)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)掌握。而且,大部分生產(chǎn)數(shù)據(jù)仍然依賴于手工抄錄,或是無法做到實(shí)時(shí)記錄,處于缺失狀態(tài);大部分生產(chǎn)過程基本處于人工操作階段,生產(chǎn)管控也是以人工組織為主,效率較為低下。其次,基于稀土冶金分離廠生產(chǎn)工藝的特殊流程和狀況,在安全、環(huán)保等方面均有較高要求,且必須嚴(yán)格遵照國家相關(guān)規(guī)定。因此,對(duì)于分離廠生產(chǎn),亟需通過數(shù)字化手段對(duì)作業(yè)過程進(jìn)行統(tǒng)一管控,從而優(yōu)化其生產(chǎn)管控能力,提高其生產(chǎn)效率。

當(dāng)前,新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革突飛猛進(jìn),信息技術(shù)日新月異,工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)已成為了新一代信息技術(shù)與工業(yè)經(jīng)濟(jì)深度融合的新型基礎(chǔ)設(shè)施、應(yīng)用模式和工業(yè)生態(tài)[7]。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是數(shù)字化轉(zhuǎn)型和實(shí)施的重要抓手,工業(yè)和信息化部正式印發(fā)的《“十四五”信息化和工業(yè)化深度融合發(fā)展規(guī)劃》指出,要建設(shè)和推廣行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái),完善工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)體系、加快工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)融合應(yīng)用、組織開展平臺(tái)監(jiān)測分析等,到2025 年,工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)普及率達(dá)45%[8-9]。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是工業(yè)全要素鏈接的樞紐,是工業(yè)資源配置的核心,是面向工業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化需求,構(gòu)建基于海量數(shù)據(jù)采集、匯聚、分析的服務(wù)體系,支撐制造資源泛在連接、彈性供給、高效配置的工業(yè)云平臺(tái)[10]?；诠I(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)具備的能力和特點(diǎn),通過打通生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)壁壘,結(jié)合稀土冶煉分離的實(shí)際流程場景,充分借鑒其在有色冶金行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中起到的關(guān)鍵作用,為探索稀土冶煉分離智能生產(chǎn)管控提供較強(qiáng)可行性。

1 工藝流程

稀土冶煉分離的主要生產(chǎn)工藝過程按照原料—酸溶—萃取—沉淀—灼燒—產(chǎn)品的順序進(jìn)行。其中,酸溶工序采用鹽酸作為主要浸出溶劑,得到的浸出液通過凈化除雜和過濾洗滌后得到稀土料液。萃取工序主要采用皂化工藝技術(shù)。針對(duì)特定元素產(chǎn)品提純,如Eu,采用全萃取分離工藝,降低酸堿單耗,避免產(chǎn)生含Zn 廢水和含Zn 廢渣,減少環(huán)境污染。

沉淀工序根據(jù)產(chǎn)品要求不同采用無氨氮的草酸沉淀和碳酸氫鈉沉淀。灼燒工序根據(jù)產(chǎn)量和純度不同,采用不同種類的爐窯進(jìn)行處理。最終,實(shí)現(xiàn)稀土元素全分離,產(chǎn)品為單一氧化稀土,主要包括氧化鑭、氧化鈰和氧化鐠等。

為了配合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)智能生產(chǎn)管控,需要提升生產(chǎn)過程中主要設(shè)備的自動(dòng)化和智能化水平。例如,物料流量可以采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制,提高流量控制的實(shí)時(shí)度和精確度。沉淀產(chǎn)品采用自動(dòng)下卸料離心機(jī)過濾,自動(dòng)化程度高,生產(chǎn)效率高,另外濾餅含水率低,有利于后續(xù)灼燒工序降低能耗。冶煉分離主要工序中,產(chǎn)品卸料、混料、過篩、包裝均可以采用自動(dòng)化裝備,提高生產(chǎn)效率、提高產(chǎn)品回收率。

另外,為了提升自動(dòng)化水平,可以通過補(bǔ)充相應(yīng)的儀表、傳感設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控和收集,為智能生產(chǎn)管控提供數(shù)據(jù)支撐。例如,針對(duì)儲(chǔ)罐區(qū)、不同工序車間儲(chǔ)料倉,安裝液位和流量監(jiān)測裝置;針對(duì)酸溶車間,安裝液位監(jiān)測裝置;針對(duì)萃取車間,安裝液位、流量、轉(zhuǎn)速監(jiān)測裝置;針對(duì)沉淀車間,安裝液位、蒸汽溫度監(jiān)測裝置;針對(duì)鍋爐房,安裝煙氣溫度、蒸汽壓力、給水溫度壓力監(jiān)測裝置;針對(duì)污水處理站,安裝液位、pH、濃度監(jiān)測裝置等。

2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)基于私有云,可以采用云、網(wǎng)、邊、端架構(gòu)設(shè)計(jì),面向稀土冶金分離全流程構(gòu)建智能生產(chǎn)管控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)與生產(chǎn)車間基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)、傳感設(shè)備等感知終端的對(duì)接,支持區(qū)域工序及全廠級(jí)生產(chǎn)管控業(yè)務(wù)的應(yīng)用和部署,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)要素、生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)全生命周期管理。主要功能包括基礎(chǔ)平臺(tái)、物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、數(shù)據(jù)中臺(tái),具體的技術(shù)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)

2.1 基礎(chǔ)平臺(tái)

基礎(chǔ)平臺(tái)基于容器的云原生技術(shù),結(jié)合自動(dòng)化手段幫助企業(yè)構(gòu)建從代碼構(gòu)建、持續(xù)集成、持續(xù)部署到運(yùn)維監(jiān)控的完整DevOps 鏈路,實(shí)現(xiàn)各應(yīng)用低成本集成,提高應(yīng)用開發(fā)、部署、運(yùn)維的效率。平臺(tái)提供集群管理、集群伸縮、存儲(chǔ)管理、微服務(wù)、應(yīng)用編排、鏡像倉庫管理、日志監(jiān)控等功能,作為整個(gè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心,為平臺(tái)可擴(kuò)展、數(shù)據(jù)統(tǒng)一服務(wù)提供支持。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)主要面向全廠數(shù)據(jù)互聯(lián)行為,為異構(gòu)設(shè)備與應(yīng)用的交互提供安全可靠的雙向連接通信能力,實(shí)現(xiàn)海量設(shè)備管理,利用軟件定義平臺(tái),對(duì)邊緣業(yè)務(wù)編排,實(shí)現(xiàn)邊緣系節(jié)點(diǎn)的統(tǒng)一管控,軟硬解耦。對(duì)從儲(chǔ)罐區(qū)設(shè)備、皂化車間設(shè)備、酸溶車間設(shè)備、萃取車間設(shè)備、沉淀車間設(shè)備、灼燒車間設(shè)備、鍋爐房設(shè)備、空壓機(jī)房設(shè)備、天然氣調(diào)壓站設(shè)備、污水處理站設(shè)備、控制系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、處理、分析、操作和存儲(chǔ),構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。

2.3 數(shù)據(jù)中臺(tái)

數(shù)據(jù)中臺(tái)是一套可持續(xù)“讓企業(yè)的數(shù)據(jù)用起來”的機(jī)制,是依據(jù)企業(yè)特有的業(yè)務(wù)模式和組織架構(gòu),通過有形的產(chǎn)品和實(shí)施方法論支撐,構(gòu)建一套持續(xù)不斷把數(shù)據(jù)變成資產(chǎn)并服務(wù)于業(yè)務(wù)的機(jī)制;把業(yè)務(wù)生產(chǎn)資料轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)生產(chǎn)力,同時(shí)數(shù)據(jù)生產(chǎn)力反哺業(yè)務(wù),不斷迭代循環(huán)的閉環(huán)過程。核心功能包括接入交換、數(shù)據(jù)融合、挖掘分析、數(shù)據(jù)資產(chǎn)管控及數(shù)據(jù)服務(wù)。

3 智能生產(chǎn)管控

基于基礎(chǔ)自動(dòng)化對(duì)整個(gè)稀土冶煉分離過程進(jìn)行有效整合,通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)讀取DCS 系統(tǒng)的信息和數(shù)據(jù),形成智能管控系統(tǒng),自動(dòng)生成對(duì)各工序、各崗位的數(shù)據(jù)臺(tái)賬、分析圖表、趨勢(shì)圖等,具體網(wǎng)絡(luò)配置圖如圖2 所示。

圖2 智能生產(chǎn)管理網(wǎng)絡(luò)配置圖

系統(tǒng)通過物料需求分析、能力需求分析、物料清單匹配和核算,對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行智能分解,通過系統(tǒng)直接將具體的任務(wù)信息傳遞到分配的工序、車間、班組。在此過程中,工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的搭建和應(yīng)用能夠確保數(shù)據(jù)及時(shí)傳遞,消除數(shù)據(jù)孤島。通過對(duì)產(chǎn)品作業(yè)完成數(shù)據(jù)、生產(chǎn)過程關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)、物料消耗等數(shù)據(jù)的收集分析,逐步建立生產(chǎn)管理大數(shù)據(jù)系統(tǒng),為企業(yè)在生產(chǎn)工藝優(yōu)化、成本控制等后期發(fā)展需求中提供判斷依據(jù)和建議。

3.1 生產(chǎn)監(jiān)控

通過采集生產(chǎn)過程中的重要工藝參數(shù)、物料參數(shù)、質(zhì)量參數(shù)和DCS 系統(tǒng)報(bào)警事件等實(shí)時(shí)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù),涉及DCS 系統(tǒng)、MES 系統(tǒng)、ERP 系統(tǒng)和其他重要儀表系統(tǒng),經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)換,結(jié)合先進(jìn)的數(shù)學(xué)模型,實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)線和產(chǎn)品質(zhì)量的在線監(jiān)控,保證生產(chǎn)率和避免批量偏差。另外,通過對(duì)關(guān)鍵生產(chǎn)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析和預(yù)測性分析,作為產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)判和工藝參數(shù)優(yōu)化的理論依據(jù),如:儲(chǔ)罐內(nèi)化學(xué)藥劑的濃度和使用量、生產(chǎn)過程中的液固比、洗滌水量、稀土元素總量及雜質(zhì)元素含量、有機(jī)溶劑的回收率以及溫度、壓力等化學(xué)反應(yīng)過程參數(shù)。

其中,最為關(guān)鍵的是冶煉分離過程中各個(gè)工序產(chǎn)物的檢化驗(yàn)系統(tǒng)。通過對(duì)中間產(chǎn)物進(jìn)行準(zhǔn)確高效在線化學(xué)檢測分析,可以了解工序進(jìn)度。通過對(duì)得到的檢化驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,基于特定的先進(jìn)工藝控制模型,對(duì)某些關(guān)鍵參數(shù)做出實(shí)時(shí)調(diào)整,保證分離過程穩(wěn)定進(jìn)行以及合理的稀土元素回收率。具體的檢化驗(yàn)系統(tǒng)可基于LIMS 系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建以及數(shù)字化升級(jí),架構(gòu)示意圖如圖3 所示,覆蓋了人員、設(shè)備、數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)、方法、檢測過程、報(bào)告、查詢、報(bào)表等檢測中心管理的各個(gè)方面。通過工業(yè)化聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)調(diào)度實(shí)現(xiàn)同步數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示與數(shù)據(jù)刷新。同時(shí),系統(tǒng)提供簡便快捷的歷史數(shù)據(jù)查詢、趨勢(shì)曲線查詢和報(bào)警查詢;通過工程師站、操作員站進(jìn)行多權(quán)限組態(tài)編輯與數(shù)據(jù)管理。

圖3 LIMS 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

3.2 生產(chǎn)管理

生產(chǎn)管理提供產(chǎn)量、設(shè)備、質(zhì)量等基礎(chǔ)查詢和統(tǒng)計(jì)?？砂磿r(shí)間段或班次對(duì)過程數(shù)據(jù)進(jìn)行累計(jì)核算。實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)量、流量、溫度等各類數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和統(tǒng)計(jì)分析。用戶可根據(jù)生產(chǎn)線、工序、班次、時(shí)段查詢不同批次或牌號(hào)的產(chǎn)品產(chǎn)量信息并作對(duì)比,具體功能界面如圖4、圖5 所示。

圖4 生產(chǎn)管理界面顯示

圖5 物料周轉(zhuǎn)日?qǐng)?bào)界面

3.2.1 生產(chǎn)調(diào)度管理子系統(tǒng)

生產(chǎn)調(diào)度信息是生產(chǎn)管理的基本信息,加強(qiáng)對(duì)生產(chǎn)調(diào)度的管理將直接影響到生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié),生產(chǎn)調(diào)度信息管理主要內(nèi)容如下:

1)可查詢統(tǒng)計(jì)各生產(chǎn)車間生產(chǎn)調(diào)度信息,如產(chǎn)品產(chǎn)量、調(diào)度臺(tái)賬、調(diào)度記錄等;

2)編制生產(chǎn)計(jì)劃,包括年度、月度、周度生產(chǎn)計(jì)劃,根據(jù)供應(yīng)鏈系統(tǒng)中的入庫產(chǎn)品量生成各個(gè)計(jì)劃完成情況報(bào)表等;

3)生產(chǎn)管理部分各類統(tǒng)計(jì)信息,主要提供生產(chǎn)成本核算,可根據(jù)車間、班組進(jìn)行能耗統(tǒng)計(jì)、單位產(chǎn)品能耗比、產(chǎn)品生產(chǎn)率等統(tǒng)計(jì);

4)生產(chǎn)計(jì)劃的制定與完成進(jìn)度追蹤,并依據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃完成情況調(diào)整生產(chǎn)與庫存比例,降低庫存成本;

5)過程報(bào)警臺(tái)賬,統(tǒng)一匯總各工段生產(chǎn)過程報(bào)警信息,形成臺(tái)賬記錄;

6)總調(diào)中心的各種匯集信息;

7)清晰、快捷的生成各類生產(chǎn)班報(bào)、日?qǐng)?bào)、月報(bào)和年報(bào);

8)可供用戶自定義格式的報(bào)表打印插件,輕松實(shí)現(xiàn)各類報(bào)表打印;

9)用于極為復(fù)雜的報(bào)表的輕量級(jí)類Excel 報(bào)表設(shè)計(jì)插件;

10)靈活多樣的報(bào)表數(shù)據(jù)查詢。

3.2.2 檢斤計(jì)量系統(tǒng)

通過智能生產(chǎn)管控系統(tǒng)直接管理從原材料、中間產(chǎn)物到成品的整個(gè)生產(chǎn)流程,以保證在最合理的存貨條件下,物料暢通的買進(jìn)、運(yùn)入、加工、運(yùn)出并交付到客戶手中。通過分析物料從運(yùn)到冶煉分離廠開始,流經(jīng)生產(chǎn)流程上每個(gè)工序車間產(chǎn)出成品,消除看似高效率,實(shí)際上卻降低了整體效率的局部優(yōu)化行為,取得整體最優(yōu)化的協(xié)同作用。其中,檢斤計(jì)量系統(tǒng)主要通過汽車運(yùn)輸物料的汽車衡計(jì)量、產(chǎn)品包裝時(shí)采用的電子稱計(jì)量等計(jì)量方式,通過建設(shè)系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)開發(fā)檢斤系統(tǒng)通信接口,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集檢斤數(shù)據(jù)、標(biāo)記物資信息,實(shí)現(xiàn)檢斤計(jì)量數(shù)據(jù)的過程監(jiān)控及數(shù)據(jù)發(fā)布,數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計(jì)、匯總、并自動(dòng)編制計(jì)量報(bào)表,具體的檢斤計(jì)量系統(tǒng)部署方式如圖6 所示。

圖6 檢斤計(jì)量系統(tǒng)部署

4 結(jié)論

通過應(yīng)用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)構(gòu)建稀土冶煉分離智能管控系統(tǒng),基于統(tǒng)一的硬件平臺(tái),耦合基礎(chǔ)自動(dòng)化,實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)冶煉分離工序進(jìn)行統(tǒng)一集中管理,提高管控能力,降低人力組織成本。通過建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中臺(tái),打通數(shù)據(jù)孤島,推動(dòng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)資產(chǎn)化,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng),促進(jìn)生產(chǎn)更加精細(xì)。智能管控系統(tǒng)搭建在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)之上,可以進(jìn)一步保證生產(chǎn)過程中各個(gè)崗位的高效協(xié)同對(duì)接,信息高效傳遞,減少時(shí)間和人力成本,實(shí)現(xiàn)操控集中化、管控一體化的廠區(qū)運(yùn)行理念,打破傳統(tǒng)生產(chǎn)單元和車間工序間存在的管理界限,推動(dòng)稀土冶煉分離廠在更深程度、更高水平上的數(shù)字化轉(zhuǎn)型,為企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)效益。