銅冶煉行業電解車間智能信息化綜合管理平臺設計

文/胡子豪 王萬軍 徐 勇 申 遠(.銅陵有色金屬集團股份有限公司金冠銅業分公司；2.合肥金星機電科技發展有限公司；3.安徽省工業燃燒監測技術與裝備工程實驗室）

一、國內外有色行業智能化信息系統研究概況

隨著工業4.0 和《中國制造2025》計劃的實施，國內外有色行業不斷加大智能車間、智能工廠的建設，著力在企業信息化智能化方面進行研究。國外許多電氣自動化控制公司開發了過程智能和過程優化軟件包，如SIEMENS和ABB公司都集成了相應的優化控制軟件；國外一些科研機構也紛紛研發針對現代工業的遠程監控系統，比較成熟的產品有IBM公司的Maximo、COPICS系統，瑞典的以C/S結構為主的IFS 系統，美國的以B/S 結構為主的INFOREAM系統和法國的COSWINEAM系統等。以上這些研究和產品有些適用于部分流程工業，對于有色行業適用度不高，有些是模塊化的產品，不利于企業的集成和管理，對國內的有色行業存在“水土不服”的情況，對全生產過程的智能化綜合管理也沒有進行很好的融合與集成。

工信部發布《有色金屬工業“十三五”發展規劃》后，大量有色行業智能化項目啟動。目前國內外新一輪的工藝、設備及管理項目的重心集中于新技術、新管理方法、高效率和低成本的應用。如上海應用技術大學團隊項目，通過人工智能方法，對現有人工生產裝備進行智能化改造，從根本上解決炭素與焦化生產過程的質量控制、污染問題及智能化產業升級；長沙有色冶金設計研究院有限公司為有色行業的智能制造發展提供了大量的技術參考；美國的辛辛那提大學機械工程系團隊對工業領域的人工智能應用研究進展進行了調研和總結。但這些與真正的有色行業信息化與智能化方面還有一定的差距，在信息化方面，存在數據滯后、時效性差、數據來源單一等問題，不能為企業管理與調度人員及時、準確地提供生產決策依據；在智能化方面，大多仍采用“半自動化”操作模式，很難實現生產過程的優化操作運行和精細化管理，必然帶來生產運行不穩定、能耗高、熱效率低、產品質量和產量波動大等諸多問題。本文針對銅冶煉企業電解車間智能化建設展開全方位的研究探索工作，重點從智能綜合信息化管理平臺入手，結合無線工業互聯網、3D數字化車間、大數據管理駕駛艙，全面推進智能電解車間的建設工作。

二、平臺構建形式及總體模塊設計

電解車間智能信息化管理平臺以生產過程智能監測與預警、信息化智能管理為核心與載體，深度融合生產管理信息與生產實時過程信息，通過生產過程的可視化管理與生產實時數據的自動采集、挖掘與分析，有效提升生產運行水平和決策水平。同時通過建立體系化的運營策略，提高生產可靠性、安全性和經濟性，建立高效可靠的智能制造模式，平臺的構建形式如圖1 所示。

圖1 電解車間智能信息化管理平臺構建形式

為全面提高車間信息化管理水平和管理效率，實現生產過程、質量、成本、能效、環保、績效等的監測、分析和可視化管理，設計如圖2 所示的電解車間智能化綜合管理平臺。在整合電解車間原有的DCS控制系統、PI 數據庫、自動剝片等系統的基礎上，集成已研發的短路檢測、自動灑水等系統，融合能耗管理數據、設備數據、績效數據，構建包含車間全景3D 數字可視化、生產管理駕駛艙、全車間智能檢測及巡檢、設備管理、工藝過程可視化監測、績效管理、成本質量管理、安全環保管理的綜合智能化管理平臺。

圖2 電解車間智能信息化管理平臺總體模塊設計

三、平臺技術架構

電解車間智能信息化綜合管理平臺總體設計為智能感知層、數據服務層和智能應用層三層構架，如圖3 所示。智能感知層負責為平臺獲取基礎支撐數據；數據服務層負責進行數據歸集、融合和存儲實時數據、歷史數據以及用戶管理數據，為上層網絡服務層提供基礎數據和通信接口；智能應用層可以廣泛拓展功能模塊，設計包括車間智能信息化綜合管理系統、車間管理駕駛艙、3D 虛擬仿真系統和移動應用。

圖3 電解車間智能信息化綜合管理平臺技術構架

1.智能感知層

智能感知層能夠接入電解槽短路檢測系統的視頻、檢測、巡檢記錄等數據，實現與車間極板短路檢測系統數據無縫對接，支持接入能耗傳感數據或能管系統數據。支持接入車間的生產控制數據，包括機組和桁車數據、電解車間DCS（集散控制系統）數據和凈液系統數據。逐步實現車間無紙化辦公，支持人工錄入、批量導入外部數據，對接車間現有的ERP 系統。同時提供其他信息化系統接入的標準化接口，實現車間數據全貫通。

2.數據服務層

數據服務層獲取數據源層的全部數據，負責進行數據歸集、融合和存儲，主要分為實時數據和歷史數據，實時數據和歷史數據共同作為前端網站的數據后臺，由搭建的數據庫進行保存與備份，并在內存中實時保存最新上傳數據，歷史數據庫還要負責進行數據的統計計算，為應用層的展示以及數據統計分析提供數據支撐。

3.智能應用層

智能應用層主要是Web 端軟件和移動應用軟件（APP），同時配備一個數據統計分析引擎進行報表生成、數據分析等工作。通過數據的匯總、統計，形成有效的展示和管理平臺，最終為車間管理者進行決策指導，實現車間智能化管理。智能應用層中的統計功能強大，支持多維度方式統計，統計表格可穿透，有利于數據溯源，可作為車間信息化管理的強力數據抓手。

四、系統功能模塊設計

1.多源異構數據中心

面向實時數據庫、關系數據庫的多源異構數據平臺，解決不同數據源的互聯互通問題，實現企業數據化智慧運營，如圖4 所示。

圖4 多源異構數據中心

2.全車間3D 數字可視化模塊

基于虛擬現實技術，實現車間全景3D 數字可視化，同時關聯實時的系統感知數據，對主要設備和工藝段實現精細化3D實時狀態展示和智能監測。

3.分級多角色綜合展示及智能信息化管理系統

開發具有較強柔性化的綜合展示及交互系統，面向不同的應用角色提供最佳的人機交互功能，實現全局和分模塊業務分析及交互，主要包括車間生產管理、設備管理、成本管理、能源管理、質量管理、安全管理、環保5S、績效管理、組織管理和資產管理等模塊；同時包含三維車間和管理駕駛艙。

4.組態化生產管理駕駛艙系統

開發具有組態化的生產管理駕駛艙（大屏系統），滿足單屏或多屏拼接式超高分辨率的數據展示，幫助企業構建全局的數據可視化大屏，如圖5 所示。

圖5 電解車間管理駕駛艙

五、結語

本文研究的銅冶煉行業電解車間智能信息化綜合管理平臺，是基于先進的系統構架理念設計的符合當前銅冶煉行業電解車間需求的綜合管理平臺。其在充分研究車間生產管理的流程和機制的基礎上，面向實時數據庫、關系數據庫構建多源異構數據平臺，解決不同數據源的互聯互通問題；基于VR 技術，實現車間全景3D 數字可視化及虛擬仿真；設計具有較強柔性化的綜合展示及交互系統，實現車間各業務模塊；研究具有組態化的生產管理駕駛艙，構建全局的數據可視化大屏；該平臺在智能電解車間的建設中進行了驗證，取得了較好的實用效果。