電解鋁企業(yè)智能制造建設(shè)實踐

黃克勤，吳海洋，賈德庚

（四川廣元中孚公司，四川廣元 628000）

四川廣元中孚公司為實現(xiàn)業(yè)務(wù)流程的高度集成化運行和生產(chǎn)過程的可視化管理，以提質(zhì)增效為核心，通過生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)控一體化、生產(chǎn)過程管理一體化，兩個建設(shè)思路進行數(shù)字化工廠系統(tǒng)搭建，提高企業(yè)生產(chǎn)的柔性，管理的科學性，從而達到企業(yè)經(jīng)濟效益不斷提高和企業(yè)競爭能力不斷增強的目的，廣元中孚高精鋁材有限公司在工程期間，通過前期智能制造的頂層設(shè)計、研究開發(fā)、具體實施等環(huán)節(jié)，形成了一套可具參考價值的建設(shè)思路。

1 建設(shè)目標

依據(jù)工信部《有色金屬行業(yè)智能冶煉工廠建設(shè)指南》，堅持以智能創(chuàng)新為抓手，結(jié)合本部設(shè)備搬遷前的生產(chǎn)運行經(jīng)驗，通過實施機械化換人、自動化減人、智能化無人，對廣元中孚項目生產(chǎn)運行系統(tǒng)進行優(yōu)化，在保證安全的前提下，實現(xiàn)綠色環(huán)保、高效低耗的目標。

2 設(shè)原則及框架

2.1 堅持企業(yè)主體，戰(zhàn)略主導

依據(jù)企業(yè)整體戰(zhàn)略，結(jié)合區(qū)域特征、工藝裝備、兼顧廣元中孚項目投產(chǎn)后管理思路，明確企智能制造重點。

2.2 堅持整體規(guī)劃，分步實施

把握智能制造發(fā)展方向，做好頂層設(shè)計，結(jié)合企業(yè)能力和業(yè)務(wù)需求，分步實施。

2.3 堅持問題導向，因企制宜

以解決企業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營管理的實際問題為出發(fā)點，實現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備和控制技術(shù)的升級、突破，因企制宜地進行智能工廠建設(shè)。

2.4 堅持創(chuàng)新引領(lǐng)，數(shù)據(jù)驅(qū)動

利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、5G等技術(shù)夯實智能制造信息基礎(chǔ)設(shè)施，建立廣元中孚數(shù)據(jù)中心，基于數(shù)據(jù)結(jié)果優(yōu)化過程控制，形成迭代學習機制。

圖1 集中控制建設(shè)框架

3 實現(xiàn)形式：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

根據(jù)車間設(shè)備、物流建設(shè)搭建一套完整的底層工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實現(xiàn)設(shè)備的數(shù)據(jù)物料數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)的采集、清洗、傳輸及存儲，為智能工廠系統(tǒng)提供可靠的實時生產(chǎn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)，驅(qū)動智能工廠系統(tǒng)運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)智能工廠建設(shè)。

依據(jù)生產(chǎn)工藝流程的特點，首先各個生產(chǎn)模塊應(yīng)分別在各自區(qū)域內(nèi)進行組網(wǎng)，實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)的信息互聯(lián)。由于各部分生產(chǎn)區(qū)域的環(huán)境布局不同，考慮到所需采集和感知數(shù)據(jù)的特殊性，各模塊之間網(wǎng)絡(luò)拓撲架構(gòu)和組網(wǎng)方式需根據(jù)各自的實際生產(chǎn)情況進行設(shè)計和部署；然后將區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)接入主干網(wǎng)絡(luò)，因此整個數(shù)字化工廠互聯(lián)平臺的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)呈分布式混合型結(jié)構(gòu)，整體架構(gòu)如圖2。

圖2 智能工廠工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架

4 據(jù)采集的實施及遠期規(guī)劃

生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集框架如圖3所示，從人、機、料、環(huán)方面分析。

圖3 電解鋁生產(chǎn)控制網(wǎng)

4.1 管控維度

4.1.1 人員數(shù)據(jù)

工作人員上班、下班打卡（遠期：利用WiFi、5G、智能穿戴設(shè)備等實現(xiàn)對人員的全程管理）。

4.1.2 設(shè)備數(shù)據(jù)

（1）能源儀表數(shù)據(jù)：主要包括電解鋁設(shè)備上的電表、水表、壓縮空氣，用于計算設(shè)備能耗。

（2）設(shè)備數(shù)據(jù)：設(shè)備自帶的PLC數(shù)據(jù)、控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)等。

（3）第三方系統(tǒng)接口數(shù)據(jù)：存在于工控機內(nèi)在線檢測系統(tǒng)中的單機檢測數(shù)據(jù)。

（4）遠期：利用虛擬現(xiàn)實、數(shù)字孿生技術(shù)對電解槽、大型電機、空壓機等關(guān)鍵設(shè)備建立模型，實現(xiàn)設(shè)備故障預警、預診斷，最終達到巡檢無人化的目的。

4.1.3 物料數(shù)據(jù)，庫存最優(yōu)

（1）各種原材料批次抽檢的結(jié)果數(shù)據(jù)、等級、入庫數(shù)量、編號及名稱等信息。

（2）生產(chǎn)車間材料消耗數(shù)據(jù)。

（3）物流數(shù)據(jù)：原鋁運輸。

（4）遠期：依據(jù)大數(shù)據(jù)分析，形成物資需求計劃，實現(xiàn)原材料庫存最優(yōu)。

4.1.4 環(huán)境數(shù)據(jù)

主要是廢氣排放、過程監(jiān)控情況。

4.2 電解系統(tǒng)

（1）電解槽槽控系統(tǒng)

通過對現(xiàn)有槽控機通訊線路及主控軟件改造，實現(xiàn)主控室與電解車間值班室之間數(shù)據(jù)通訊；最終實現(xiàn)槽控系統(tǒng)遠程集中管理，生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時曲線映射。

（2）三溫、電流分布檢測系統(tǒng)

對電解槽的測溫方法和陽極導桿電流檢測方法進行研究，結(jié)合光纖測溫技術(shù)和在線電流檢測技術(shù)，實現(xiàn)電解槽的實時無人測溫、測電流分布設(shè)計，解決工人每天每槽逐個散熱窗人工測溫工作，和及時發(fā)現(xiàn)電流分布不均衡及時預警。

（3）天車出鋁系統(tǒng)

在出鋁天車上安裝精準出鋁控制系統(tǒng)，通過現(xiàn)場終端輸入槽號，出鋁量。出鋁完成后相關(guān)數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，方便生成出鋁報表，解決工區(qū)出鋁報表人工統(tǒng)計問題，為車輛運輸系統(tǒng)中車輛實時狀態(tài)提供數(shù)據(jù)支持。

（4）設(shè)備二維碼

在每臺電解槽出鋁端口處張貼二維碼，通過手持終端或者手機掃碼使用，最終實現(xiàn)每臺電解槽歷史數(shù)據(jù)如：硅、鐵含量、出鋁量、平均電壓等；隨后逐步擴展到全廠設(shè)備二維碼管理系統(tǒng)，目前已在陽極組裝系統(tǒng)實施樣板車間的打造，將精益管理的思維融入設(shè)備二維碼管理，實施前后效果如表1所示。

表1 電解系統(tǒng)實施前后效果對比表

4.3 陽極組裝系統(tǒng)

（1）成品陽極發(fā)送量統(tǒng)計系統(tǒng)

根據(jù)電解生產(chǎn)需求及陽極車間的執(zhí)行情況等信息，生成每班次成品陽極發(fā)送日報表，并映射到報表管理系統(tǒng)中。

（2）電解質(zhì)粉碎料料位檢測系統(tǒng)

以現(xiàn)有的電解質(zhì)破碎系統(tǒng)PLC為基礎(chǔ)，將電解質(zhì)粉碎料料位顯示信號映射到集控室，便于電解車間調(diào)劑使用。

（3）中頻爐報警系統(tǒng)

通過對設(shè)備進行升級改造，報警系統(tǒng)具備上傳、保存至集控室功能，便于分析設(shè)備運行狀況。

（4）設(shè)備運行參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)

以車間現(xiàn)有的PLC控制網(wǎng)為基礎(chǔ)，將車間主要設(shè)備的運行參數(shù)及報警信息映射至集控室，如除塵器、壓脫機、澆注機等。最終實現(xiàn)設(shè)備油溫、油壓、電流、顆粒物排放數(shù)值等數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控。

（5）激光在線導桿清理機

擬增加一臺激光在線導桿清理機，提高導桿清理工作效率及清理質(zhì)量。

4.4 凈化、脫硫系統(tǒng)

（1）供料系統(tǒng)

以供料系統(tǒng)控制方式為基礎(chǔ)，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸映射到集控室，便于監(jiān)控供料系統(tǒng)運行的實時數(shù)據(jù)，如料倉料位、斗式提升機運行參數(shù)、空氣提升機運行參數(shù)、粉碎料料倉料位等。

（2）送料系統(tǒng)

以送料系統(tǒng)控制方式為基礎(chǔ)，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸映射到集控室，便于監(jiān)控送料系統(tǒng)運行的實時數(shù)據(jù)，如風機震動、軸間溫度、電流及料倉料位等。

（3）脫氟、除塵系統(tǒng)運行監(jiān)控

以脫氟系統(tǒng)PLC控制網(wǎng)為基礎(chǔ)，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸映射到集控室，便于監(jiān)控脫氟系統(tǒng)運行信息的實時數(shù)據(jù)，如風量、風壓、負壓、煙溫、壓差、進料等。

（4）脫硫系統(tǒng)運行監(jiān)控

以脫硫系統(tǒng)PLC控制網(wǎng)為基礎(chǔ)，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸映射到集控室，便于監(jiān)控脫硫系統(tǒng)運行信息的實時數(shù)據(jù)，如pH值、液位高度、料倉料位、進出口信息等效果對比如表2所示。

表2 凈化、脫硫無人值守系統(tǒng)對比表

4.5 供電系統(tǒng)

（1）綜保系統(tǒng)

依據(jù)設(shè)計院的設(shè)計，最終在集控室能夠?qū)崿F(xiàn)對整流機組、整流柜、高壓柜、干式變等供電設(shè)備的遙控、遙信、遙調(diào)等。

藤尾不喜歡在父親指定婚姻對象。她認為宗近是游手好閑粗俗之人。在文中的幾處表現(xiàn)了藤尾的厭惡情緒。比如，夏目漱石在文中說“真討厭…那樣乏去的人”，厭惡之情溢于言表?？傊诮鼰o法滿足藤尾的愿望。要說為什么，兩個人的性格和處理事情的方法完全不一致。即使兩人結(jié)婚，也只會加快藤尾的死亡。

（2）循環(huán)水系統(tǒng)

通過對整流循環(huán)水系統(tǒng)的閥門、控制系統(tǒng)等升級改造，最終在集控室實現(xiàn)循壞水系統(tǒng)的無人值守、遠程啟?？刂?，并且可以監(jiān)控水溫、水壓、流量的實時數(shù)據(jù)。

（3）低壓信息數(shù)據(jù)測量

通過對車間級低壓供電計量設(shè)備進行升級改造，能耗數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，便于分析能耗情況，完善管理標準、細化管理單元。

4.6 公共設(shè)備

（1）空壓機、余熱利用、冷干機系統(tǒng)

因空壓機等設(shè)備陳舊，其中3臺螺桿式空壓機生產(chǎn)于2002年左右，控制技術(shù)落后，不具備自動化控制的最低要求，需要改造并新增一套統(tǒng)一的自動化控制平臺，最終集控室實現(xiàn)對空壓機無人值守、遠程啟停功能，可實現(xiàn)空壓機、冷干機、配套余熱回收機組、空壓機冷卻用水泵的數(shù)據(jù)監(jiān)控如：壓力、流量、溫度、震動等數(shù)據(jù)的實時信息。

（2）綜合循環(huán)水

通過對綜合循環(huán)水的儀表、控制部分進行改造，與加壓泵站系統(tǒng)建立一個統(tǒng)一控制的自動化平臺，最終集控室實現(xiàn)無人值守及遠程啟停功能。并可實現(xiàn)綜合循環(huán)水數(shù)據(jù)監(jiān)控如：壓力、流量、溫度、震動等數(shù)據(jù)的實時信息。

（3）加壓泵站

通過對加壓泵站的儀表、控制部分進行改造，與綜合循環(huán)水系統(tǒng)建立一個統(tǒng)一控制的自動化平臺，最終集控室實現(xiàn)無人值守及遠程啟停功能。并可實現(xiàn)加壓泵站數(shù)據(jù)監(jiān)控如：壓力、流量、溫度、震動等數(shù)據(jù)的實時信息。

以上三套系統(tǒng)的運行信息經(jīng)過集中后共同送至集控室進行集中運行監(jiān)控，優(yōu)勢如表3所示：

表3 公輔系統(tǒng)集中控制優(yōu)勢對比

4.7 質(zhì)檢、計量系統(tǒng)

（1）在線化驗—數(shù)據(jù)不落地

通過設(shè)備數(shù)據(jù)采集，可自動獲取檢驗設(shè)備的檢驗數(shù)據(jù)并向系統(tǒng)提交。最終實現(xiàn)化驗數(shù)據(jù)實時上傳至服務(wù)器，送檢單位可以在電腦端、移動終端及報表管理系統(tǒng)中查看化驗結(jié)果。

（2）計量系統(tǒng)

對廠區(qū)內(nèi)的地磅、吊鉤磅等稱重計量系統(tǒng)進行升級，打造統(tǒng)一計量平臺，共享數(shù)據(jù)，最終實現(xiàn)車輛計量無人值守、自主計量，遠程實時數(shù)據(jù)查詢、計量票據(jù)自動打印、稱重數(shù)據(jù)可接入數(shù)據(jù)中心，參與上下游的各項工藝管控如表4所示：

表4 計量系統(tǒng)無人值守對比

4.8 安防系統(tǒng)

（1）門禁、安全提示系統(tǒng)

第一類為員工進出入廠區(qū)、車間，實行生物識別技術(shù)，掃描面部、指紋等方式開門進入廠區(qū)、車間，并上傳至服務(wù)器與考勤制度合并，調(diào)取方便。大門處配備對講裝置，另在危險區(qū)域、大門、對非本單位以外人員施行管控。

第二類為車輛進入廠區(qū)，實行車牌識別技術(shù)，對車輛進出入進行管控，門崗實現(xiàn)對講、重點區(qū)域?qū)崿F(xiàn)語音、激光鐳射提醒等。

（2）監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)整體遵循安防、計量兩大原則，在廠區(qū)內(nèi)主要設(shè)備區(qū)域、生產(chǎn)區(qū)域、道路、大門等部位安裝，達到全廠區(qū)域內(nèi)監(jiān)控無死角，因數(shù)量較多，依據(jù)建設(shè)原則分兩個階段實施如圖4所示。

圖4 安防監(jiān)控系統(tǒng)分布

第一階段為廠區(qū)安防、無人值守區(qū)域優(yōu)先安裝。

第二階段廠區(qū)道路、車間設(shè)備區(qū)域。

4.9 倉儲管理系統(tǒng)

構(gòu)建數(shù)字化倉庫，需要對倉庫內(nèi)所有的人員、物料及貨架進行編碼，并根據(jù)編碼完成其出入庫的記錄。

（1）入庫數(shù)據(jù)采集

根據(jù)貨物信息，系統(tǒng)提供輸入界面，在輸入信息完成后自動生成二維碼，并將二維碼粘貼到入庫的貨物包裝上。

（2）出庫數(shù)據(jù)采集

原材料出庫時，采用手持機掃描貨物二維碼跳轉(zhuǎn)到出庫登記界面，填寫對應(yīng)出庫信息，如出庫備件名稱、編號、功能、使用設(shè)備、出庫人員等數(shù)據(jù)。

（3）盤點數(shù)據(jù)采集

采用手持機的方式通過逐一掃描倉庫貨物的二維碼編號完成貨物的清點。

（4）出入庫單數(shù)據(jù)采集

和其他系統(tǒng)對接，導入數(shù)據(jù)；或者提供錄入界面填寫數(shù)據(jù)。

4.10 生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)（原鋁）

車輛調(diào)度數(shù)據(jù)采集主要是對車輛的狀態(tài)、位置等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)車輛的監(jiān)測和跟蹤。

（1）車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)采集

在車輛上添加數(shù)據(jù)采集模塊采集車輛的狀態(tài)，并進行回傳。

（2）位置數(shù)據(jù)采集

在廠區(qū)內(nèi)設(shè)置多個打卡簽到的方式，進行車輛監(jiān)測，到車輛到達打卡點時自動完成打卡；廠區(qū)外采用GPS的方式完成位置信息采集。

（3）打卡數(shù)據(jù)采集

在廠區(qū)內(nèi)設(shè)置讀卡設(shè)備，并在車輛上安裝識別卡，完成到點的打卡簽到。

（4）可視化

調(diào)度室內(nèi)安裝電子看板，實時的顯示所有車輛的位置、狀態(tài)、運輸車輛以及生產(chǎn)車間需求情況等數(shù)據(jù)。

5 遠景規(guī)劃

數(shù)字孿生技術(shù)得到推廣應(yīng)用，集中控制系統(tǒng)具備迭代學習的能力，可以利用大數(shù)據(jù)形成決策，不斷改進算法，從中頻爐、空壓機、排煙風機、變壓器等中型設(shè)備入手，建立孿生模型，提前預判電解槽、等大型設(shè)備的運行趨勢，及早采取措施，防止故障發(fā)生，遠期在電解槽上實現(xiàn)孿生技術(shù)的應(yīng)用，徹底改觀電解鋁企業(yè)的生產(chǎn)現(xiàn)在，從降低電耗、減少原材料消耗、減少人員參與、提供能效利用率等方面為碳中和、碳達峰做出貢獻。