三化改造背景下磷酸鐵工廠智能化建設(shè)研究

摘 要：【目的】對(duì)甘肅東方鈦業(yè)有限公司年產(chǎn)500 000 t磷酸鐵項(xiàng)目進(jìn)行智能化建設(shè)研究，以提高生產(chǎn)線(xiàn)的自動(dòng)化水平，節(jié)約能源和成本。【方法】以“硫—磷—鐵—鈦—鋰—釩”綠色循環(huán)低碳產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目為研究對(duì)象，先建立智能工廠的整體框架，再分步實(shí)施各功能單元?！窘Y(jié)果】建立基于PROFINET通信技術(shù)的工業(yè)以太網(wǎng)磷酸鐵生產(chǎn)線(xiàn)，自動(dòng)化程度提高，人力成本降低40%，節(jié)能減排效果顯著。【結(jié)論】對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)進(jìn)行“高端化、智能化、綠色化”改造，走高質(zhì)量發(fā)展的道路才是未來(lái)工業(yè)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：智能工廠；智能化；PROFINET；工業(yè)以太網(wǎng)；磷酸鐵

中圖分類(lèi)號(hào)：TP27 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2024）16-0028-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.16.006

Research on Intelligent Construction of Iron Phosphate Factory Based on the Transformation of "High-end， Intelligent and Green"

LIU Mingming1，2

（1.Gansu Oriental Titanium Industry Co.， Ltd.， Baiyin 730900，China;

2.Gansu Zetong New Energy Materials Co.， Ltd.， Baiyin 730900，China）

Abstract：[Purposes] Research on the intelligent construction of the project of Gansu Oriental Titanium Industry Co.， Ltd. with an annual output of 500，000 tons of iron phosphate was conducted to improve the automation level of the production line and save energy and cost.[Methods] Based on the "sulfur—phosphorus—iron— titanium—lithium—vanadium" green cycle low-carbon industry project，this paper first establishes the overall framework of the smart factory and then implements each functional unit separately.[Findings] Industrial ethernet iron phosphate production line based on PROFINET communication technology has been established， which has a high degree of automation， reduces labor cost by about 40%， and achieves remarkable effect of energy saving and emission reduction.[Conclusions] To transform traditional invBizWsUy4yhY3Ic33aTDoQ==dustries into "high-end， intelligent and green" and embark on the road of high-quality development is the development direction of future industries.

Keywords：smart factory; intelligent; PROFINET; industrial ethernet; iron phosphate

0 引言

隨著工業(yè)4.0的概念在2013年漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上首次出現(xiàn)，2015年國(guó)務(wù)院正式印發(fā)《中國(guó)制造2025》，我國(guó)的工業(yè)從傳統(tǒng)工業(yè)自動(dòng)化開(kāi)始走向智能制造升級(jí)轉(zhuǎn)變的兩化融合（信息化和工業(yè)化）道路［1］。甘肅省政府也通過(guò)《甘肅省綠色化信息化智能化改造推進(jìn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)實(shí)施方案》開(kāi)始了對(duì)智能制造的不斷探索和實(shí)踐。自黨的十九屆五中全會(huì)以來(lái)，根據(jù)甘肅省傳統(tǒng)重工業(yè)占比大、轉(zhuǎn)型需求高的現(xiàn)狀，甘肅省政府將傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)“三化”改造進(jìn)一步明確為“高端化、智能化、綠色化”改造，旨在引領(lǐng)甘肅省工業(yè)向中高端邁進(jìn)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展。

近年來(lái)，受益于磷酸鐵鋰電池的崛起，市場(chǎng)對(duì)磷酸鐵的需求激增，國(guó)內(nèi)各磷化工廠、鈦白粉廠紛紛憑借自身優(yōu)勢(shì)，對(duì)磷酸鐵產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行了新建和擴(kuò)建。甘肅東方鈦業(yè)有限公司以“硫—磷—鐵—鈦—鋰—釩”綠色循環(huán)低碳產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目為集聚點(diǎn)，利用鈦白粉副產(chǎn)品硫酸亞鐵的原材料優(yōu)勢(shì)，新建年產(chǎn)500 000 t磷酸鐵產(chǎn)線(xiàn)，在實(shí)現(xiàn)從無(wú)到有的同時(shí)，對(duì)磷酸鐵產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行從精細(xì)化轉(zhuǎn)向規(guī)?；奶剿鳌，F(xiàn)以一條50 000 t磷酸鐵生產(chǎn)線(xiàn)為對(duì)象，對(duì)“三化”改造背景下的“智能化”建設(shè)進(jìn)行研究。

1 智能工廠的目標(biāo)和實(shí)施策略

1.1 以?xún)苫诤系母咦詣?dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)為基礎(chǔ)

與傳統(tǒng)化工工業(yè)不同的是，磷酸鐵生產(chǎn)線(xiàn)具有很強(qiáng)的批次性。雖然這會(huì)對(duì)自動(dòng)化控制的設(shè)計(jì)帶來(lái)一定難度，但依然可以采用離散式控制系統(tǒng)的架構(gòu)，結(jié)合工業(yè)以太網(wǎng)強(qiáng)大的通信能力，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線(xiàn)的全自動(dòng)化生產(chǎn)。兩化融合的關(guān)鍵點(diǎn)之一便是大量生產(chǎn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的收集和數(shù)字化處理，因此，做好智能工廠的前提便是建立一條可以便捷、準(zhǔn)確、穩(wěn)定地對(duì)基礎(chǔ)生產(chǎn)數(shù)據(jù)完成采集的自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)［2］。

1.2 以“高端化、智能化、綠色化”中的“智能化”為建設(shè)目標(biāo)

智能化旨在完成以融合信息技術(shù)（IT）和運(yùn)營(yíng)管理技術(shù)（OT）的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)［3］為枝干，并同步集成資源管理系統(tǒng)（ERP）、生產(chǎn)過(guò)程執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)（WMS）的工業(yè)數(shù)據(jù)中心平臺(tái)后，通過(guò)數(shù)據(jù)中心收集存儲(chǔ)的大量數(shù)據(jù)，利用先進(jìn)算法構(gòu)建各類(lèi)生產(chǎn)、設(shè)備、質(zhì)量模型［4］，并通過(guò)不斷地訓(xùn)練和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)制造運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)（MOM）對(duì)生產(chǎn)狀態(tài)、設(shè)備全生命周期、質(zhì)量全過(guò)程管控的自動(dòng)分析、決策建議、自動(dòng)糾偏或糾錯(cuò)等功能［5］。

1.3 以模塊化的手段逐步實(shí)現(xiàn)

將整個(gè)智能化工廠的建設(shè)規(guī)劃為三個(gè)階段，在確認(rèn)整體框架的前提下，根據(jù)不同模塊的特性逐層、逐級(jí)進(jìn)行建設(shè)。

第一階段為基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)期。一個(gè)高程度的自動(dòng)化產(chǎn)線(xiàn)是實(shí)現(xiàn)智能化建設(shè)的基礎(chǔ)；一個(gè)安全、穩(wěn)定、標(biāo)準(zhǔn)、開(kāi)放的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)是智能化建設(shè)中打破信息孤島的關(guān)鍵。DCS系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)、設(shè)備管理系統(tǒng)、質(zhì)量管理系統(tǒng)、HSE管理系統(tǒng)均在這個(gè)階段完成。

第二階段是數(shù)字化轉(zhuǎn)換階段。以數(shù)據(jù)處理能力超群的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)為核心，建立一個(gè)搭載各類(lèi)數(shù)據(jù)處理服務(wù)器的數(shù)據(jù)平臺(tái)，對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)、統(tǒng)計(jì)、存儲(chǔ)、傳遞，并進(jìn)行初步分析，生成相應(yīng)的報(bào)表。該平臺(tái)需要利用通用接口和標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議與ERP、WMS等企業(yè)管理系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)縫對(duì)接。

第三階段是智能化建設(shè)階段，也是智能工廠建設(shè)的終極目標(biāo)。該階段需要采用先進(jìn)算法對(duì)數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)的各類(lèi)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，完成現(xiàn)有工廠的各類(lèi)生產(chǎn)管理流程的建模。隨著數(shù)字模型的不斷完善，才能真正發(fā)揮MOM系統(tǒng)的能力，打通生產(chǎn)數(shù)據(jù)流、產(chǎn)品數(shù)據(jù)流和供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)流，構(gòu)建覆蓋產(chǎn)品全生命周期和全業(yè)務(wù)活動(dòng)的管理平臺(tái)。

2 智能工廠的框架

智能工廠的框架如圖1所示。從硬件設(shè)施結(jié)構(gòu)角度來(lái)看，其實(shí)質(zhì)是一個(gè)正金字塔模型，最底層是現(xiàn)場(chǎng)控制層，該層的自動(dòng)化傳感器和工業(yè)以太網(wǎng)形成一個(gè)物物互聯(lián)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，是整個(gè)工廠的數(shù)字化框架的基礎(chǔ)。第二層是生產(chǎn)管理層，是一個(gè)以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)為背景，具有對(duì)象感知、數(shù)據(jù)分析、業(yè)務(wù)應(yīng)用三大功能的數(shù)據(jù)管理平臺(tái)。其依靠龐大的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)做支撐，配合先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理和分析技術(shù)［6］，建立多種多樣的數(shù)學(xué)模型，從而生成相應(yīng)的生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)、設(shè)備管理系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)等。金字塔頂層便是企業(yè)資源管理、供應(yīng)鏈管理這一類(lèi)決策支持管理系統(tǒng)，同時(shí)也可在該層采用上云的方式，實(shí)現(xiàn)多地方、多工廠的協(xié)同生產(chǎn)。

智能工廠的核心是構(gòu)建一個(gè)安全、穩(wěn)定、可靠、算力強(qiáng)大的數(shù)據(jù)中心，可實(shí)時(shí)處理現(xiàn)場(chǎng)收集到的數(shù)據(jù)，并根據(jù)需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)中心以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器為核心，其他數(shù)字化系統(tǒng)服務(wù)器為節(jié)點(diǎn)，遍布全廠的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)和辦公網(wǎng)絡(luò)為枝干，連接起全廠底層的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

對(duì)數(shù)據(jù)中心最重要的是標(biāo)準(zhǔn)的、開(kāi)放的數(shù)據(jù)接口和通信協(xié)議，這涉及各單元之間、層與層之間的數(shù)據(jù)流通方式。對(duì)于基礎(chǔ)的自動(dòng)化系統(tǒng)，數(shù)據(jù)的傳輸應(yīng)該優(yōu)先保證生產(chǎn)穩(wěn)定安全地進(jìn)行，同時(shí)帶有HART通信協(xié)議的智能儀表也應(yīng)兼顧基礎(chǔ)數(shù)據(jù)量的收集。因此，采用HART和PROFINET為主，MODBUS RTU、PROFIBUS DP等為輔的通信方式。而上升到自動(dòng)化控制系統(tǒng)層和MES、AMS等層之間的數(shù)據(jù)傳輸，可采用OPCUA的C/S主從通信方式，加上TCP/IP的以太網(wǎng)通信方式來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸［7］。通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)保證全廠數(shù)據(jù)來(lái)源真實(shí)、可靠、唯一。

整個(gè)架構(gòu)還應(yīng)充分考慮未來(lái)智能化進(jìn)一步的發(fā)展，保證可升級(jí)性、兼容性、開(kāi)放性、標(biāo)準(zhǔn)性等。在建設(shè)智能工廠的同時(shí)，緊隨最新技術(shù)的發(fā)展，保證系統(tǒng)的可持續(xù)更新。隨著智能化的建設(shè)，數(shù)據(jù)安全問(wèn)題也變得愈發(fā)重要。全廠應(yīng)該規(guī)劃工業(yè)網(wǎng)絡(luò)和辦公網(wǎng)絡(luò)相互獨(dú)立。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)肩負(fù)著底層自動(dòng)化控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸至實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的職責(zé)［8］，應(yīng)用主要是現(xiàn)場(chǎng)控制層；辦公網(wǎng)絡(luò)則負(fù)責(zé)ERP、WMS、SCM等管理系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸，應(yīng)用主要是決策層。因?yàn)樯婕皵?shù)據(jù)的交換傳輸，所以防止網(wǎng)絡(luò)入侵造成自控系統(tǒng)癱瘓影響生產(chǎn)顯得尤為重要，必須在關(guān)鍵部分做好相應(yīng)的安全措施。包括數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)、防火墻等硬件，以及采集過(guò)程中數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)權(quán)限控制、上位機(jī)等禁止數(shù)據(jù)外接傳輸管理軟件的使用，來(lái)保障數(shù)據(jù)安全。

3 磷酸鐵智能產(chǎn)線(xiàn)的創(chuàng)新及應(yīng)用

傳統(tǒng)磷酸鐵行業(yè)存在規(guī)模較小，自動(dòng)化程度較低的特點(diǎn)。本次新建產(chǎn)線(xiàn)除了進(jìn)行單線(xiàn)產(chǎn)能放大的同時(shí)，還大大提高了自動(dòng)化程度?；贏BB 800XA平臺(tái)實(shí)現(xiàn)亞鐵凈化和磷鐵合成工序的全自動(dòng)化控制，對(duì)過(guò)濾、干燥、粉碎、混批、包裝等工序的成套設(shè)備進(jìn)行通信數(shù)據(jù)集成，并在此基礎(chǔ)上，完成了能源管理、設(shè)備管理系統(tǒng)的底層數(shù)據(jù)采集。

3.1 高程度的自動(dòng)化設(shè)計(jì)

對(duì)液相反應(yīng)部分進(jìn)行全自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)，與國(guó)內(nèi)現(xiàn)有產(chǎn)線(xiàn)對(duì)比，大幅減少產(chǎn)線(xiàn)工人數(shù)量和現(xiàn)場(chǎng)勞動(dòng)強(qiáng)度，可通過(guò)DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)原始生產(chǎn)數(shù)據(jù)的可追溯、可對(duì)比。整條磷酸鐵產(chǎn)線(xiàn)已全面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程上位機(jī)或觸摸屏控制，各工序獨(dú)立反應(yīng)模塊具備一鍵順控運(yùn)行功能。

3.2 基于PROFINET通信技術(shù)的工業(yè)以太網(wǎng)構(gòu)建

考慮到后期智能化建設(shè)的拓展，在產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)階段就規(guī)劃統(tǒng)一了工業(yè)以太網(wǎng)的通信標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)響應(yīng)時(shí)間的不同，PROFINET支持下列兩種通信方式：實(shí)時(shí)RT（Real—Time）通信、同步實(shí)時(shí)IRT（Isochronous Real—Time）通信［9］。正是基于這種開(kāi)放性、靈活性、高效率和高性能的優(yōu)勢(shì)，可以在同一硬件網(wǎng)絡(luò)下同時(shí)進(jìn)行TCP／IP的非實(shí)時(shí)通信和RT的實(shí)時(shí)通信［10］，完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)層設(shè)備的控制和訪問(wèn)。

磷酸鐵產(chǎn)線(xiàn)具有數(shù)量龐大的基于PLC控制的成套設(shè)備，在各設(shè)備的招標(biāo)采購(gòu)初期，將可編程邏輯控制器統(tǒng)一成西門(mén)子S7-1214C。關(guān)鍵的智能儀表和所有變頻器也統(tǒng)一要求選配支持PROFINET的通信卡件。

3.3 基于ABB 800XA平臺(tái)的數(shù)據(jù)收集和預(yù)處理

IndustrialIT 800XA系統(tǒng)是ABB開(kāi)放的新一代DCS平臺(tái)，與傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)不同的是，該平臺(tái)除了基本的集散控制功能外，還集成了信息管理（IM）、生產(chǎn)管理（PM）、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備管理（DM）等模塊工具，為數(shù)字化提供了新的思路和捷徑。

在建設(shè)產(chǎn)線(xiàn)時(shí)，將變頻器、馬達(dá)保護(hù)器、各類(lèi)儀表通信至該平臺(tái)，采集了設(shè)備的基本運(yùn)行參數(shù)、關(guān)鍵設(shè)定參數(shù)、報(bào)警等信息作為DM模塊的數(shù)據(jù)來(lái)源；將配電室所有電能表通過(guò)RS485統(tǒng)一采集，作為能源管理的數(shù)據(jù)來(lái)源。

在數(shù)據(jù)整理和存儲(chǔ)上，一方面800XA提供了開(kāi)放的結(jié)構(gòu)變量編輯工具，可以采用結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)歸檔的方式，大大減少相同或類(lèi)似設(shè)備的數(shù)據(jù)處理量。另一方面針對(duì)各管理模塊需求，提前對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的相關(guān)性描述和相關(guān)性分析，并將輸出結(jié)果保存進(jìn)DCS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中。采用這種邊緣計(jì)算的方式，可以有效減少數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)處理壓力，減少資源占用率。

3.4 基于OPC UA標(biāo)準(zhǔn)的通信接口

OPC UA是一種不依賴(lài)平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)［11］，主要為C/S架構(gòu)，具有更高的安全性和可靠性［12］。 IndustrialIT 800XA系統(tǒng)提供了基于OPC客戶(hù)端連接（OPC Client Connection），允許ERP、WMS、SCM等管理系統(tǒng)配置的OPC客戶(hù)端通過(guò)OPC UA、OPC DA、OPC AE及OPC HAD服務(wù)器與之進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

4 取得的成果

首先，實(shí)現(xiàn)了磷酸鐵行業(yè)全自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)建設(shè)，大大減輕了亞鐵凈化工序的人力投入，整條50 000 t產(chǎn)線(xiàn)每班只需崗位工人約30人，其中核心操作人員為4人。整體的人工成本約為傳統(tǒng)生產(chǎn)線(xiàn)的60%。利用DCS平臺(tái)實(shí)現(xiàn)單元模塊一鍵啟動(dòng)，自動(dòng)投料，并設(shè)置諸多防呆、防錯(cuò)連鎖，減少人為誤操作。

其次，建立了基于PROFINET的工業(yè)以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)全部成套設(shè)備的互聯(lián)互通，打破傳統(tǒng)的信息孤島局面，實(shí)現(xiàn)一個(gè)平臺(tái)便可以監(jiān)控到所有成套單元的運(yùn)行信息。并收集分類(lèi)了所有關(guān)鍵設(shè)備的能源原始數(shù)據(jù)，通過(guò)橫向和縱向比較找到能耗缺口，通過(guò)變頻控制使電機(jī)工作在最經(jīng)濟(jì)的工作特性曲線(xiàn)上，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、降耗增效的目的。

最后，完成了智能工廠的框架搭建，預(yù)留了其他功能模塊的標(biāo)準(zhǔn)接口，方便后期的拓展和其他系統(tǒng)的接入。

5 結(jié)語(yǔ)

建設(shè)基于工業(yè)以太網(wǎng)的智能工廠，是響應(yīng)《中國(guó)制造2025》戰(zhàn)略，貫徹“高端化、智能化、綠色化”的高質(zhì)量發(fā)展理念，提高生產(chǎn)設(shè)備自動(dòng)化，降低生產(chǎn)成本，保障產(chǎn)品質(zhì)量的重要舉措。甘肅東方鈦業(yè)有限公司積極貫徹落實(shí)甘肅省政府“三化”改造的決策，在磷酸鐵智能產(chǎn)線(xiàn)的基礎(chǔ)上加快推進(jìn)工廠智能化建設(shè)，打破信息孤島，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)協(xié)同工作，努力建成國(guó)內(nèi)一流的磷酸鐵智能工廠。

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