智慧水泥工廠生產管控平臺建設思路

谷建可（蘇州中材建設有限公司，江蘇 昆山 215300）

0 前言

目前，隨著國家智能制造的提出，現代物聯網信息技術、先進智能控制技術、大數據分析技術等新興技術的快速發展，兩化融合建設的不斷深入，智能制造已經成為中國制造業升級轉型的主攻方向。各工業企業也都積極投身于智能制造的探索與實踐中。本著智能制造，標準先行的原則，工信部制定了《智能制造標準體系指南》，為工廠智能制造體系的建設做了大量的標準化工作。

隨著水泥企業產量的不斷提高，新技術的研發與應用也在快速進步，人員素質普遍提高，很多水泥企業已經進入了現代工廠智能化發展的新階段。在新技術和新市場的環境要求下，如何利用現代信息技術和智能控制技術，節能減排，提質增效，加強管理整個生產過程信息數據，隨時隨地掌握生產線生產狀態，實時監控設備運行狀態，及時正確地采集生產線能耗數據，提高生產過程的可控性，減少生產過程人工的干預，清楚掌握和控制物流運輸過程，以及提高企業產品質量，是當前多數水泥企業急需解決的問題。

1 智慧水泥工廠生產管控平臺建設思路

智慧水泥工廠的建設區別于傳統的信息系統建設，不能單純考慮某一方面的業務需求，必須結合企業整體實際情況，從管理制度到技術實現，從管理平臺到專項技術，從原料采購到水泥生產、銷售，打通各個環節，形成企業的物聯網平臺，大數據平臺，工業互聯網平臺，從而對生產線智能管控進行優化完善，以達到企業節能降耗、設備穩定運行、提質增效和管理精細化的目的。

（1）建設企業物聯網，實現智能制造。建成智能化水泥工廠相關的物聯網系統，推進智能傳感技術和完整連貫的數據構建與應用，實現工廠的自主監控與預警、總體掌控從產品訂單到物料消耗、生產制造、生產管理全過程，實現智能、高效生產管理。

（2）建設企業級工業互聯網，實現網絡化、智能化管理。除了做好常規信息系統（ERP,SCM,CRM等）應用外，更要注重各子系統的集成和數據挖掘、降低企業運營成本。構建標準化和規范化的集團管控模式，應用共同的技術接口和標準，實現集團內部工業互聯網的應用，提高集團管理效率。

（3）充分挖掘數據資源，實現由IT向DT轉變。在DT時代，數據將成為企業的核心資源，它將與傳統生產技術、業務流程、組織架構相互影響、相互作用。通過對數據的深入應用，實現信息化的“價值”，幫助企業業務創新、管理創新、戰略優化。

智慧工廠是現代工廠信息化發展的新階段，為上述急需解決的難題提供一個新思路和新契機。智慧工廠的建立也是一個長期的、逐步完善的過程，需要本著“整體規劃，分步實施，注重實效”的原則進行。針對每個企業當前整體運行情況、信息化系統構成及現有人員素質，綜合評估企業當前的市場、資金、設備、人員等各方面資源狀況，在具有一定前瞻性的前提下，制定每個企業智慧工廠的實施模式和實施計劃，通過考察、篩選合適的子功能、子系統，成熟一塊，實施一塊，最終將企業建設成為一個數字化、網絡化、智能化的智慧工廠。

2 智慧水泥工廠生產管控平臺建設整體規劃

智慧水泥工廠的建設要不斷挖掘企業現有信息系統的功能，結合企業自身實際管理需求，與企業一起提出新需求、新思路，讓企業的管理再上一個臺階，真正實現智慧工廠的核心目標：對整體運行狀況實時感知、智能控制、決策優化。

智慧水泥工廠平臺信息化建設基于物聯網的框架進行構建，充分利用工業互聯網、大數據分析等技術，通過底層數據的信息化獲取，整合分析，解決生產運行過程中的實時數據采集、傳輸、存儲、分析、展現等問題，建立一個可擴展、持續升級、移動化、智能化的整體平臺。整個建設過程可分為三步走：

（1）智能采集，結合企業自身發展情況，對原有設備采用智能裝備升級改造，完成底層信息的自動獲取、傳遞，如智能傳感、視頻感知、機器識別、智能檢測等，實現工廠的自感知，同時利用物聯網技術實現數據的互通互聯；

（2）平臺整合，建立基于生產、設備、能源、質量、財務、人事、供銷等的企業全流程的智能化平臺建設，通過標準接口實現不同子系統的信息整合，打通水泥企業的業務流程，消除信息孤島，保證數據的準確性、唯一性、時效要求，為人工智能及大數據分析創造條件；

（3）智能決策，在平臺整合分析的基礎上，形成對企業上到發展戰略、下到工藝設置的BI決策，用數據說話，以結論引導，完成企業的整體智慧化建設。

3 智慧水泥工廠生產管控平臺建設標準依據

智慧水泥工廠生產管控平臺建設標準依據有《國家智能制造標準體系建設指南（2018年版）》、《全智能化水泥工廠設計達標標準》。分為基礎共性標準和關鍵技術標準。基礎共性標準用于統一智能制造相關概念，解決智能制造基礎共性關鍵問題，包括通用、安全、可靠性、檢測、評價等五個部分。關鍵技術標準主要包括智能裝備、智能工廠、智能服務、智能賦能技術和工業網絡等五個部分，如下：

（1）智能裝備標準。主要包括識別與傳感、人機交互系統、控制系統、增材制造、工業機器人、數控機床及設備、智能工藝裝備等七個部分，其中重點是識別與傳感、控制系統和工業機器人標準。主要規定智能傳感器、自動識別系統、工業機器人等智能裝備的信息模型、數據字典、通信協議、接口、集成和互聯互通、優化等技術要求，解決智能生產過程中智能裝備之間，以及智能裝備與智能化產品、物流系統、檢測系統、工業軟件、工業云平臺之間數據共享和互聯互通的問題。

（2）智能工廠標準。主要包括智能工廠設計、建造與交付，智能設計、生產、管理、物流和集成優化等部分，其中重點是智能工廠設計、智能工廠交付、智能生產和集成優化等標準。主要用于規定智能工廠設計、建造和交付等建設過程和工廠內設計、生產、管理、物流及其系統集成等業務活動。針對流程、工具、系統、接口等應滿足的要求，確保智能工廠建設過程規范化、系統集成規范化、產品制造過程智能化。

（3）智能服務標準。主要包括大規模個性化定制、運維服務和網絡協同制造等三個部分，其中重點是大規模個性化定制標準和運維服務標準。主要用于實現產品與服務的融合、分散化制造資源的有機整合和各自核心競爭力的高度協同，解決了綜合利用企業內部和外部的各類資源，提供各類規范、可靠的新型服務的問題。

（4）智能賦能技術標準。主要包括人工智能應用、工業大數據、工業軟件、工業云、邊緣計算等部分，其中重點是人工智能應用標準和邊緣計算標準。主要用于構建智能制造信息技術生態體系，提升制造領域的信息化和智能化水平。

（5）工業網絡標準。主要包括體系架構、組網與并聯技術和資源管理，其中體系架構包括總體框架、工廠內網絡、工廠外網絡和網絡演進增強技術等；組網與并聯技術包括工廠內部不同層級的組網技術，工廠與設計、制造、供應鏈、用戶等產業鏈各環節之間的互聯技術；資源管理包括地址、頻譜等，但智能制造中工業網絡僅包括工業無線通信和工業有線通信。

依據基礎共性標準和關鍵技術標準，發揮基礎共性標準和關鍵技術標準在行業應用標準制定中的指導和支撐作用，優先制定各行業均有需求的設備互聯互通、智能工廠建設指南、數字化車間、數據字典、運維服務等重點標準。在此基礎上，發揮各行業特點，制定行業亟需的智能制造相關標準。

4 智慧水泥工廠生產管控平臺建設

4.1 業務架構

根據《智能制造標準體系指南》中對智慧工廠在智能裝備，智能服務，智能工廠中的具體要求，平臺建設以數據采集為基礎，以數據平臺建設為重點，以智能分析應用為核心，深入結合各級、各專業的業務應用，進行數據治理、匯總、分析、挖掘，建立企業數據平臺。平臺涉及的主要業務包括生產管理、質量管理、設備管理、能源管理、安全管理、環保管理、生產遠程監控等，業務架構見圖1。

圖1 平臺業務架構

智能化水泥工廠平臺向上可為ERP等系統提供數據支撐，向下可以集成各個子系統。平臺既可以獨立存在，也可以與其他的業務子系統進行系統集成。

平臺以控制層的數據為基礎，通過實時數據庫采集智能儀表、DCS、PLC，數據采集單元的原始數據，通過關系數據庫整合系統業務邏輯，構建實時數據平臺、關系數據平臺、非結構化數據平臺，并結合不同的業務需求，對數據進行匯總分析。

平臺將生產線各個環節的動態和靜態數據，利用不同的接口技術進行統一收集，建立廠級中心數據庫，包括實時數據平臺、關系數據平臺、非結構化數據平臺，并結合不同的業務需求，對數據進行匯總分析，對功能進行整合，形成一套全面、適用、靈活、可擴展的綜合管理平臺，為企業智能決策提供真實的數據支撐和可靠依據。

4.2 技術平臺

智能化水泥工廠生產管控平臺應采用模塊化設計，將特定業務目標的小型、可擴展的軟件，通過明確定義的標準協議和接口相互通信，提供給相關用戶，滿足用戶不同層次的使用需求。

平臺根據業務需求，可將整體軟件業務劃分為生產管理服務、質量管理服務、設備管理服務、能源管理服務、安全管理服務、環保管理服務、生產遠程監控、數據采集服務、配置中心服務、數據中心服務、系統基礎服務等11個微服務組件。

系統網關層可采用API網關，實現反向路由、認證安全、限流熔斷、日志監控等功能。

數據層采用多種不同類型的數據庫：MySQL，NoSql，MongoDB等。

平臺應具有消息隊列，通過消息解耦，實現數據異步交互、數據壓縮、離線和實時數據處理等，技術平臺架構見圖2。

圖2 平臺技術架構

4.3 流程支持

平臺支持工作流引擎，實現各種工作流程的定義。工作流就是工作流程的計算模型，它將工作流程中的工作前后組織在一起進行邏輯和規則運算，主要解決的是“使在多個參與者之間按照某種預定義的規則傳遞文檔、信息或任務的過程自動進行，從而實現某個預期的業務目標，或者促使此目標的實現”。

工作流引擎作為平臺的流程組件，根據角色、分工和條件的不同決定信息傳遞路由、內容等。

平臺提供的工作流配置應簡單、易學、好用，支持可視化描述業務流程，可驗證模型結構正確性，計算/仿真分析模型性能，支持計算機運行模型的方法。

平臺提供的工作流可以圖形畫面顯示流程的處理進度,以取代人工操作中傳統且無效率的人力追蹤管制。

圖3 工作流引擎支持

4.4 平臺接口

平臺作為整合全部資源的中轉站，應支持常見的工業通訊協議：如Modbus通訊協議、RS-232通訊協議、RS-485通訊協議、HART通訊協議、MPI通信、串口通信、PROFIBUS通信、工業以太網等。

軟件接口采用服務端與客戶端兩種模式，可方便實現與ERP系統、DCS、一卡通等第三方系統對接，以當前水泥企業信息化建設情況，主要涉及以下接口：

（1）人力資源服務接口；（2）設備信息查詢接口；（3）生產數據查詢接口；（4）采購信息查詢接口；（5）銷售數據查詢接口；（6）視頻監控服務接口；（7）實時數據服務接口。

4.5 工廠建模

根據工廠真實的建筑尺寸，建立基于2D和3D的虛擬模型，使得平臺可幫助員工快速熟悉現場環境、設備位置、工藝流程等，還可以對設備的基本參數進行顯示，使運行人員全面、快速、直觀的掌握廠內狀態。在此基礎上，可對設備進行三維建模，形成高精度、等比例的三維模型，實現設備仿真拆卸和仿真檢修。

4.6 網絡架構

在網絡建設方面，根據水泥企業的典型網絡結構組成：管理網，生產網，工業總線網，平臺部署在企業管理網，考慮到部分企業對集團化辦公的需求，平臺還應支持基于云的部署方式。為方便用戶使用，系統能夠為應用服務器提供一個可供外網訪問的地址，以便移動APP使用；設備管理模塊移動端通過4G網與平臺進行任務交互；能源管理模塊自行組網，進行電能數據的采集；平臺需要與DCS系統以OPC方式進行數據的同步，為保證DCS系統的穩定，通訊過程需安裝單向隔離網閘，確保DCS的獨立性和安全性。

5 智慧水泥工廠生產管控平臺特色

（1）大數據應用。平臺利用水泥生產工藝數據、質量數據的歷史值，結合數據統計分析方法，確定影響水泥質量的主要工藝參數，參考該影響因素建立水泥質量預測模型，對成品強度進行預測。

（2）統一平臺。在一個平臺實現了生產、質量、設備、能源、安全、環保、遠程監控等相關業務數據的融合，建立集中數據服務，實現信息共享，服務于上層決策。

（3）智能采集。在原有自動化、信息化的基礎上，結合智能裝備的升級更新，形成全廠信息的智能采集，實現物物相連，確保系統穩定性，準確性，完整性。

（4）移動互聯。改變用戶快速獲取信息的習慣，授權人員隨時隨地通過移動終端（手機、PAD等）掌握現場設備狀態和生產情況，發現異常，快速響應。

（5）智能推送，信息及時共享。平臺采用完善的消息/報警推送機制，針對設備報警、能耗報警、業務流程提醒等，通過終端APP、短信等方式推送給相關人員。根據不同級別、不同崗位、不同報警來源、不同報警類型、不同時間段進行分級，分類，分時推送，保證信息及時送達，達到工作找人的新型工作模式。

6 結語

在工業互聯網蓬勃發展的背景下，智慧水泥工廠生產管控平臺利用先進的物聯網、云計算、大數據、移動互聯等新一代信息技術，實現信息的全面感知、數據的有效整合、工作的智能推送，助力水泥行業在兩化融合的道路上踏出關鍵的一步。