銅冶煉智能工廠應用系統建設思路與方案

劉海泉

（江西銅業集團公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

物聯網、云計算、大數據、移動通信等新一代信息技術的發展，正深刻改變著傳統制造業的發展模式。2015年5月國務院印發了《中國制造2025》，把智能制造作為兩化深度融合的主攻方向。2016年12月，工信部發布了《智能制造發展規劃（2016-2020年）》，明確了到2020年，將要建成300個以上智能制造試點示范項目，數字化車間、智能工廠試點示范項目，遴選確定150個以上智能制造標桿企業”［1-3］。

江西銅業股份有限公司貴溪冶煉廠（簡稱貴冶）是中國第一家采用世界先進閃速熔煉技術、高濃度二氧化硫轉化制酸技術、傾動爐、卡爾多爐雜銅冶煉技術和ISA（艾薩法）電解精煉技術的現代化煉銅工廠。年產陰極銅百萬噸以上，是中國最大的銅、硫化工、稀貴金屬產品生產基地，也是世界首個單廠陰極銅產量超百萬噸的煉銅工廠。

貴冶將依托物聯網、大數據、云計算等信息化技術，建設以智能化、網絡化、自動化為核心特征的智能工廠，實現工廠轉型升級、提質增效和綠色發展。

2 智能工廠建設目標及內容

2.1 建設目標

通過實現銅冶煉工廠的自動化、數字化、模型化、集成化、智能化，構建企業的智能決策、智能生產管理、智能執行與感知體系，打造從管理決策到執行反饋的閉環管控結構，實現制造效率、成本、質量等資源優化配置的智能化工廠。

2.2 建設內容

智能工廠是兩化深度融合的結果，是兩化融合的具體實踐和落地。通過建設作用與生產制造全過程、全產業鏈、產品全生命周期的兩化融合應用系統，實現貴冶的生產范式的重構，實現有感知（反饋）、有控制（執行）的智能化的工業軟件的綜合集成體系，形成基于大數據的科學決策平臺，完成智能化工廠建設。

通過智能感知與執行體系、生產運營管理體系、智能決策體系三個層次體系的建設，實現的智能工廠整體智能體系的構建，每個層次本身是自治閉環，又構成單層的智能體系，這樣分層化的建設和整體智能體系的集成，全面生動地反應了整個工廠的智能［7-9］。

圖1 智能工廠三層建設體系

3 應用系統建設方案

貴冶智能工廠應用系統總體設計為智能感知與執行層、運營管理層和智能決策層三個層次體系，包含三個技術支撐平臺、六大業務系統［10-12］。

3.1 總體架構設計

貴冶智能工廠的建設是根據貴冶對應用系統功能的需求，結合貴冶生產管理現狀、信息化建設現狀、兩化融合現狀為基本出發點，從總體架構和具體實現上進行整體設計，搭建出可實施落地的、符合貴冶的智能工廠框架。

圖2 智能工廠總體設計框架

通過三層智能體系和三個技術平臺，結合感知、計算、通信、控制等信息技術與設計、工藝、生產、裝備等工業技術融合，打造屬于貴溪冶煉廠的生產制造全過程、全產業鏈、產品全生命周期智能化工廠。

3.2 三層智能體系

智能工廠的三個智能層次體系圍繞智能感知、實時計算、科學決策、精準執行的閉環賦能體系進行構建，每個層次是智能實體，在整體上組合形成智能工廠的賦能架構體系。智能工廠不是單體設備的智能、不是單個應用的智能，是單體智能和整體智能的融合系統［13-15］。

3.2.1 智能感知與執行層建設

感知與執行層是實現生產現場全面物聯網的核心。通過工業物聯網，實現工廠的人、機、料、法、環數據的全面感知，提供生產實時監控和計算決策分析，并最終將工業軟件的決策命令發送給控制系統進行精準執行。

通過全面感知提供智能工廠完整的數據支撐，精準執行實現生產計劃、生產操作指令、智能決策的落地實現，最終落實在對生產設備的操作控制、工藝流程的優化控制，實現通過感知和執行體現業務系統的價值。

3.2.1.1 智能感知

通過PI實時數據庫構建智能感知平臺，實時感知生產過程中的數據，并將感知數據進行集中存儲，提供給工業軟件、大數據分析應用實時和歷史數據?；谝延械腜I實時數據庫系統進行擴容和升級數據系統后，進行數據采集，將以前沒有覆蓋的實時過程數據，包括設備運行、狀態、故障、溫度、壓力、流量、電、體積、重量等等實時數據進行采集。對新增加的使用RFID技術的感知數據，感知數據存儲在各個單元級應用系統里。

通過PI實時數據庫和業務系統的感知完成對整個智能工廠的感知系統的建設。

3.2.1.2 精準執行

智能控制比較常見的為模糊控制（包括模糊PID）、神經網絡控制（常見BP,RBF）、專家系統、分級遞階控制、學習理論控制（常見PSO,GA以及學習理論-PID模型）。另外，統計學習理論也有用于控制的，典型的是支持向量機回歸（SVMR）。

結合銅冶煉生產工藝，選擇機理模型和統計分析方法，實現對生產工藝流程的優化控制，達到對生產過程的精準執行。實現自動化系統的改造升級、智能協同調度優化管理、各工序優化控制方案的落地。

圖3 熔煉車間協同調度優化

3.2.2 運營管理層建設

3.2.2.1 生產管理系統

生產管理系統的功能模塊包括計劃、調度、生產實績、預算執行、檢化驗、質量、計量、三維展示等。通過企業服務總線（ESB）與外部業務系統進行集成，需要集成的系統包括ERP、全面預算系統、人力資源系統、OA系統、設備管理系統、能源管理系統、供應鏈管理系統、安環管理系統和其它應用系統，通過消息中間件與智能工廠應用系統的供應鏈管理、設備管理、能源管理和安環管理進行集成，實現生產情況的全方位管控，指導企業生產管理。

3.2.2.2 供應鏈管理系統

基于供應鏈一體化協同管理，打造采購、生產、銷售協同的閉環管理體系?；谖锪?、信息流、資金流三流合一的數據融合，打造模型化、數字化的智能供應鏈一體化管理體系。將集團ERP采購銷售、貴冶進出廠物流、廠內生產物流、倉儲管理連接為一個信息化整體，打通集團與貴冶的協同路徑，同時通過與無人值守磅房、鐵路微機聯鎖系統、車號自動識別系統、機車無線作業系統、質量計量、檢化驗系統、GPS、GIS、RFID等進行業務協同集成，實現貴冶的供應鏈一體化協同管理的感知、計算、決策、執行的閉環智能附能體系。

圖4 供應鏈流程圖

3.2.2.3 設備全生命周期管理系統

通過對設備資產實現綜合管理，根據點檢、在線監控或第三方配合等手段，實現“發現問題”到采用趨勢分析及綜合評價一體化管理，實現“分析問題”再到維修及缺陷處理的解決方案，最終實現全廠的設備安全運行、減員增效、提升效能等目標。

圖5 設備管理業務層級流圖

3.2.2.4 能源管理系統

能源管控系統主要實現貴冶能源管理的數字化、信息化、可視化、預測化和智能化。實現全廠能源數據采集全覆蓋，經過數據清洗及相關規則約束實現各類角色的信息推送，輔助能源管網實現能源數據及信息的可視化。根據貴冶用能特點，針對不同的優化對象，結合現場業務規則模型及大數據算法最終實現能源數據指標的預測及智能決策。將全廠數據轉化為可用信息，同時實現將信息轉化為輔助企業的洞察力，提升企業的核心競爭力。

3.2.2.5 安環管理系統

構建平戰結合的安全環保應急一體化管控系統，達到安全管控一體化、日常監控預警推送、一鍵式應急等功能。

圖6 安環管理設計思想

安全管控一體化：建立安防、安全環保監控、生產監控和圖像監控于一體的智能化安全監管中心，現場安全管控狀態一目了然；整合各類信息，先兆識別預警，應急處置全面支撐，決策有據可依。

日常監控預警推送：基于真實的三維場景和位置信息，實現對生產全過程（原料入場-備料-配料-生產）安全環保風險的可視化管控與智能預警推送。

一鍵式應急：異常工況下，系統支持在三維場景中就事故態勢進行還原、分析、預判，并基于可視化場景制定、推演應急策略（應急資源調配、現場部署等），突發狀態下及時有效地指揮各層級進行應急處置與決策。

3.2.3 智能決策層建設

3.2.3.1 大數據平臺

工業大數據平臺打通從供應鏈、生產制造、營銷和銷售，到售后服務等產品全生命周期的數據流?；谶@些整合的數據，通過大數據技術，對海量的數據進行深層次的分析，根據不同的業務需要進行業務數據建模，從而實現工業大數據的業務價值。

圖7 數據整合與分析建模思路

3.2.3.2 決策應用

決策應用作為智慧工廠解決方案的重要組成部份，其對企業實現智能管理、智慧決策、全局優化、降本增效至關重要。其核心價值體現在：優化供應鏈網絡（特別是庫存），提升管理效率；優化設備管理、減少成本；自主學習各類主題深層次挖掘分析；增加收入、降低成本，提升企業競爭；構建預知系統，輔助企業決策等方面。

圖8 決策應用場景

4 結語

基于工業4.0、中國制造2025、工業物聯網等發展背景，江銅貴冶正在開展智能工廠一期建設，計劃用兩年時間初步建成一套具有自動化、數字化、模型化、集成化、智能化等特征的銅冶煉智能工廠。基于大數據、云平臺、統計分析模型等先進技術，構建企業的智能決策、智能生產管理、智能執行與感知體系，打造從管理決策到執行反饋的閉環管控結構，從而實現制造效率、成本、質量、過程管控等資源的優化配置。在未來，江西銅業將會進一步加大對企業智能化的建設，開發出更多具有江銅特色的數據深度分析模型，為中國銅冶煉行業發展作出更多的貢獻。