貴冶智能工廠建設實踐

汪飛虎

（江西銅業集團有限公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

在公司“鞏固冶煉”戰略要求下，貴冶基本不會進一步擴大產能，進一步發展面臨著資源短缺、人力成本上升、環境約束進一步增強、自主創新能力亟待提高等一系列問題，低能耗高資源利用率等挑戰倒逼企業要轉型升級。

貴冶未來的進步發展，不僅需要深挖內潛，在生產管理的精益化、自動化、標準化上下功夫，站在全流程的角度進行更多工序的集成優化和協同運作，更需要以智能化、網絡化、自動化為核心特征的智能工廠建設和改造，實現工廠轉型升級、提質增效、綠色發展。

2 智能工廠建設實踐

2.1 項目的立項批復

2016年3月31日，工業和信息化部印發了《關于開展智能制造試點示范2016專項行動的通知》，并下發了《智能制造試點示范2016專項行動實施方案》，在全國范圍內選擇了 63 家單位做為試點示范企業，江西銅業股份有限公司申報的“銅冶煉智能工廠試點示范”項目位列其中，貴溪冶煉廠成為銅冶煉行業唯一一家智能制造試點示范工廠。

2.2 確定項目建設目標、總體架構及建設思路

（1）項目建設目標：依據工信部實施指南、考核指標及能力成熟度等級標準，結合工廠實際，我們擬定了貴冶智能工廠建設的總體目標：通過信息技術、工業技術和管理技術的“三元”融合，實現工廠全要素的數字化感知、網絡化傳輸、大數據處理和智能化應用，構筑起 “現場識別自動化、信息處理即時化、問題研判協同化、管理決策智能化”的智慧冶煉新模式，實現有貴冶特色的技術模式和管控模式的高度集成和全面優化升級，提升工廠數字化、精準化、高效化和現代化生產水平，具體是：

①工廠總體工藝流程及布局建立較完善的系統模型。

②配置符合設計要求的數據采集系統和先進控制系統，關鍵生產環節實現基于模型的先進控制和在線優化。

③建立實時數據庫平臺，并與過程控制、生產管理系統實現互通集成。

④與集團公司ERP進行集成對接，滿足公司管控要求。

⑤建立制造執行系統（MES），并與企業資源計劃管理系統（ERP）集成，生產計劃、調度均建立模型，實現生產模型化分析決策，過程的量化管理，成本和質量的動態跟蹤。

（2） 項目建設原則和策略: 滿足業務需求優先；綠色環保節能優先；提升效益效率優先。

先易后難、風險受控：不盲目追求高大上，根據輕重緩急、先易后難統籌推進，找出關鍵管控點，把控風險，實施中對生產影響最小、實施后調試爬坡期最短的項目優先建設。

以點帶面、抓好示范：不要貪大求全，選擇優勢項目試行，試點成功移植推廣。抓好示范線，設計時不僅要確?？煽啃?，采用成熟的技術方案，同時要考慮到技術的先進性，突出項目的示范性。

嚴控投資、效益優先：對現有的IT資源、軟件資源、數據資源，要實現資源復用，保護已有投資、嚴控項目投入，追求效益、效率、效果，將投資收效明顯的項目優先立項。

（3）項目應用總體架構：《國家智能制造標準體系建設指南（2015年版）》指出，智能制造系統架構通過生命周期、系統層級和智能功能三個維度構建完成。產品全生命周期是由設計、生產、物流、銷售、服務等一系列相互聯系的價值創造活動組成的鏈式集合。系統層級自下而上共五層，分別為設備層、控制層、車間層、企業層和協同層。智能制造的系統層級體現了裝備的智能化和互聯網協議（IP）化，以及網絡的扁平化趨勢。智能功能包括資源要素、系統集成、互聯互通、信息融合和新興業態等五層。

依據標準架構體系，結合工廠實際，構建了貴冶智能工廠系統層級圖（圖1）。

圖1 貴冶智能工廠系統層級圖

工廠級管控層，將建設一個為全廠領導、管理人員、操作人員共同使用的統一、全面的管理信息系統，即“智能工廠管控系統”。該系統上與公司總部ERP、預算管理等系統互聯，下與DCS、監控以及其他過程控制自動化信息系統對接，實現全廠生產、物流、經營、安環等環節數據的集中管理，也是整個智能工廠的“總綱”。

在過程控制層，將構建車間產線、鐵運、汽運、GIS等特定領域的專業應用系統。其中，DCS分布式控制系統需要根據需求進一步擴容，指揮中心、鐵運調度、計量無人值守、視頻監控系統分別構建，并集成進智能工廠管控大系統中。

在單元控制層，將圍繞著需求中需要自動化支撐的關鍵管控點，裝備數據采集、便捷操作等方面的自動化支撐設備與設施，在充分考慮現有網絡及服務器等硬件資源基礎上，建設IT系統支撐平臺。

（4）項目建設范圍和步驟：按照總體規劃、務實推進的原則，貴冶智能工廠項目分兩期建設。一期重點是構建智能工廠系統框架，完成信息化及自動化的提升及智能裝備試點實施。項目二期重點是深化應用和優化提升。與生產作業銜接緊密的自動化改造項目，無法集中建設，按輕重緩急單獨申報立項，分別推進。

2017年至2018年底為一期建設階段，建設范圍包括：構建集成的智能工廠全面業務應用系統平臺，含生產管理系統、供應鏈管理系統、設備管理系統、能源管理系統、安環管理系統、輔助決策系統，以及集成平臺、開發平臺和運維平臺；構建應用系統支撐平臺，包括數據中心、網絡、標準機房、PI擴容、組態大屏（調度指揮中心及閃速爐監控大廳）、視頻監控等子項目的建設；技術成熟的自動化改造項目，尾礦無人行車、極板轉運自動化與質檢智能化、鐵運智能化調度、硫酸銅自動打包碼垛、廢水站無人值守等子項目。

2019年至2022年底為二期建設階段，建設范圍包括：全面建成大數據中心，建立全廠各生產工序的材料、質量、能源、設備、操作和模型等數據采集系統，構建大數據平臺。建成1～2個具備行業代表性的數字化車間，覆蓋全廠的智能裝備、機器人得到廣泛使用。

2.3 如何選擇最適合的供應商（行業案例、大項目設計和管控能力）

供應商行業經驗很重要。有色行業生產現場工藝的復雜性，重點工藝控制裝備的控制系統的升級優化，行業專業知識的沉淀應用都需要供應商具備很強的行業背景和實施經驗，能夠在企業目前的生產裝備、管控現狀的基礎上，提出符合工廠實際情況的建設意見，引導和幫助企業加深對項目的理解和執行。

貴冶項目此次經過大半年的考察和實地調研，自動化網絡化項目最終的選擇都是具備豐富行業經驗的供應商，以保證項目成功，如寶信、太極等公司。在信息化項目上，我們更看重實施方對大項目的掌控能力、系統開發和集成能力，最終選擇了國內最大的管理軟件和領先的企業云服務提供商用友公司。

2.4 企業脫產關鍵用戶選擇的條件

企業有各自特色的生產組織管理模式，智能工廠的建設離不開企業關鍵用戶的全力配合，是項目成功實施的保證。關鍵用戶作為企業業務及技術精英人員，在與最終用戶溝通時，能夠用最終用戶容易理解的語言來講解系統功能，溝通障礙少，更便于最終用戶的接受。同時也可以驗證關鍵用戶對系統的掌握情況，以保證將來他們對系統日常運行的支持。

（1）關鍵用戶的選拔和配置：關鍵用戶是智能工廠涉及到的各主要業務領域的業務或技術骨干，熟悉部門的業務處理流程及專業技術、問題所在；較強的溝通和協調、表達能力；很強的責任心和積極向上的工作態度；良好的新知識接受力；根據供應商關鍵用戶需求表，配置必要數量的全脫產和半脫產關鍵用戶。貴冶項目全脫產關鍵用戶36人，半脫產關鍵用戶60人，全部為各專業技術管理人員。其中車間主任級別占40%以上，工段長級別45%。

（2）關鍵用戶的管理：貴冶項目專門針對關鍵用戶配套了管理制度，明確業務需求、設計、實施、培訓和上線階段的具體要求和激勵措施。可以預見，隨著項目的建設和供應商知識的轉移，未來關鍵用戶必將成為企業發展不可或缺的中間力量，相應的關鍵用戶激勵績效機制和良好的職業規劃，能更好地激發關鍵用戶的能動性和創新性。

2.5 探索自動化智能化裝備的應用

智能化工廠的建設需要同時具備諸多條件，設備的自動化程度在很大程度上決定了后面的數字化和智能化程度。銅冶煉行業相比離散制造企業，自動化實施更加困難。原輔料、中間品及產品的檢測技術尚不成熟，普遍重量大且外形不標準，自動化裝備行業應用明顯較少。目前主要工作一是加快本行業自動化、智能化裝備的研發，二是充分借鑒其他行業應用，解決一些現有問題。貴冶主要的配套項目是：

（1）實時數據庫10萬點升級改造項目：實現企業數據集中統一管理基礎數據平臺。

（2）集中調度指揮中心：實現現場生產調度指揮的協同和可視化統一指揮，提高應急指揮響應能力。

（3）極板自動轉運倉儲系統：實現陽極板和陰極板的自動轉運、質檢、噴碼、批次跟蹤和庫位管理，極大提高效率的同時，為下工序的批次管理和工藝參數優化控制提供便捷條件。

（4）尾礦無人行車系統：實現尾礦散料的無人自動裝車，提高裝車效率，減少超重帶來的返車卸貨和欠重導致的運費損失。

（5） 硫酸銅智能倉儲系統：替代目前人工裝袋、碼垛、叉車轉儲、裝車流程，實現硫酸銅全自動全流程智能控制，提高效率，降低損耗。

（6）材料備件智能倉儲系統：實現材料備件來料預告、入庫、盤存、領料和出庫全流程的智能倉儲管理，通過條碼實現了材料備件的批次管理和生命周期管理。

2.6 智能工廠建設中的“智能”應用

智能化工廠的建設離不開“智能”應用，結合貴冶目前的現狀和類似行業的智能化項目實施經驗，本項目智能化建設內容如下：

（1）智能協同調度優化管理。根據熔煉車間三大爐的生產實績和生產組織協同調度流程，建立熔煉車間的三大爐的智能協同調度優化系統，構建三大爐作業時序的優化控制模型，實現前后工序的生產操作預測和預報，減少待料等料時間，提高銅酸協同的及時性、準確性。

（2）配料優化計算系統。主要根據混合礦各元素的最優比例，貴冶實際的精礦庫存使用策略，配料穩定運行周期構建約束模型。導入每種精礦的成分和數量，使用線性回歸算法計算出最接近約束模型的極限結果，確定最終的配料單。同時系統具備自學習和優化調整能力。

（3）轉爐捅風眼機器人應用。為降低風眼清理人員的勞動強度，提高轉爐的生產效率，研發轉爐風眼清掃自動控制系統，根據現場爐況參數的監測和采集與風眼部件的檢測數據，構成轉爐風眼狀態的分析模型，指令控制捅風眼機器人進行周期的風眼清理工作。

（4）轉爐造渣、造銅期終點預報應用。建立轉爐煙氣成分分析和溫度預測模型，結合貴冶轉爐的生產特點和操作經驗，進行該預測模型的修正和調整，希望能通過此模型的計算和仿真，為現場操作人員造渣、造銅期的準確判斷，提供參考。

（5）設備在線診斷、故障預測專家系統。主要針對貴冶30余臺高轉速的關鍵設備，以專業化檢測診斷手段替代人工檢查，以科學的數據分析替代經驗判斷，采用先進在線狀態監測技術，及時可靠地發現設備運行參數異常，并通過故障預測專家系統及時報警和提出指導性的處理信息，避免非計劃停機。

（6）重點設備能效優化。通過對設備能效進行建模，獲取設備運行實時參數和設備能效歷史相關數據，給出重點設備能效優化方案，實現對重點設備的監控和能效評價分析。

2.7 智能工廠建設的投入產出效益

貴冶項目此次投入約2.5億元，可以預期的直接經濟效益在2500萬到3500萬之間，基本上都來源于自動化項目和供應鏈系統。同時項目肯定會帶來效率提升、管控能力提高、分析判斷水平提高（創新能力），這部分效益的產生，取決于各系統的成功應用和持續優化，需要一定時間和數據積累才能夠顯現出來。

3 結論

貴冶的智能工廠建設邁出了第一步，一期建設按照《國家智能制造標準體系建設指南（2015年版）》的相關要求，結合銅冶煉行業的特點，在信息集成、互聯互通、大數據應用、自動化裝備等方面進行了探索，多項技術和裝備都是首次在貴冶應用，基本架構起了貴冶的智能工廠框架。從已投入項目的情況看，大部分達到了預期的目標，減員增效的同時對生產的穩定、生產效率的提高以及過程數據的獲取起到了重要的作用。成功的項目也起到了內部示范的作用，很多以前敢想但不敢干的工作，通過示范找到了解決辦法，二級單位提出了非常多的改造提升需求，積極性很高，為智能工廠下一步建設提供了支撐。不過，一期項目也存在信息系統涵蓋范圍過寬、頂層設計不完善、行業特性體現不充分等問題，需要在二期項目建設中進行改進。

接下來的工作是用好系統、維護好裝備，堅持先固化再優化的原則，把一期建設的效果充分發揮出來。二期建設也明確了基本方向，主要是大數據的深化應用、打造1～2個具有行業代表性的數字化車間、自動化裝備的推廣應用。不把智能工廠作為一個項目來建設，而是充分同工廠的重點難點問題結合起來，緊盯降本增效的目標分解任務，集合各專業的力量，才能取得更大的成效。