水泥工廠智能化改造整體架構研究

張德來

摘要：智能化改造是水泥工廠實現節能降耗、提質增效的重要手段。本文闡述了智能工廠的概念;搭建了水泥工廠智能化改造的整體架構，即從智能設備層、智能控制層、智能制造層、智能經營層、智能決策層等五個層面進行;指出了智能化改造中應注意的基本問題。

關鍵詞：水泥工廠;智能化;智能工廠

中央財經委員會第九次會議強調，我國力爭2030年前實現碳達峰，2060年前實現碳中和，這是黨中央經過深思熟慮作出的重大戰略決策，事關中華民族永續發展和構建人類命運共同體，需要各行各業積極貫徹落實。水泥行業屬于能源、資源消耗和污染物排放行業，水泥行業CO2排放量占我國所有工業生產CO2總排放量的20%左右，水泥行業利用規模擴張的粗放式發展已經難以為繼，節能減排刻不容緩。

《中國制造2025》提出實行“智能制造工程”，強調依托優勢企業，進口關鍵工序智能化、關鍵崗位機器人替代、生產過程智能優化控制、供應鏈優化，建設重點領域智能工廠/數字化車間。水泥工業是國民經濟重要的支柱產業和基礎產業，為國民經濟及相關領域的發展提供基礎原材料。作為傳統制造業的水泥工業，其轉型升級的需求尤為迫切。而智能工廠作為當前國內制造業轉型升級的重要目標，備受認可。

1 智能工廠的概念

智能工廠是一個龐大的生產系統，包羅了諸多先進技術，如通信技術、大數據技術、虛擬仿真技術、網絡技術、人工智能等[1]。當前，學術界對智能工廠的定義還沒有統一的說法，對智能工廠的研究點也各有不同，對智能工廠的整體論述缺乏。筆者認為智能工廠是在數字化工廠的基礎上，增加了智能設備的應用，實現對生產信息的實時智能分析，其本質是利用計算機技術、大數據技術、虛擬仿真技術等先進前沿技術，形成高度協同的生產系統，以期達到生產最優、效率最大、響應最快、質量最高的目的。

2 水泥工廠智能化改造的整體架構

水泥工廠智能化改造從下至上可從五個層面進行：智能設備層、智能控制層、智能制造層、智能經營層、智能決策層。整體架構如圖1所示。

2.1智能設備層

智能設備層為水泥工廠生產、監測設備，包括生產裝置、傳感器和在線監測，以及RFID和在線計量，是智能化改造的前提和基礎。水泥企業智能工廠是在數字化工廠的礎上，將智能設備層、智能控制層、智能制造層、智能經營層、智能決策層完美融合連通，實現數據貫通，并利用大數據分析，提煉準確的需求數據，使企業能夠清楚掌握產銷流程、提高生產過程的可控性、減少生產線上人工的干預、及時正確地采集生產線數據、合理編排生產計劃與生產進度。同時，加上綠色智能的手段和智能系統等新興技術于一體，構建一個高效節能的、綠色環保的、環境舒適的人性化工廠。

2.2智能控制層

智能控制層包括DCS生產過程控制系統、專家優化系統。在DCS的基礎上實現專家優化控制系統，通過系統自動化卡邊操作尋找最佳效益運行點，保證質量的同時提高產量、優化配比和降低能耗，減少人工干預和波動，幫助穩定生產及安全運行。水泥生產的原燃料波動很大，燒結多為固相反應，導致水泥質量的波動比鋼材及玻璃都要大，這正是水泥生產對原燃料均化要有更高要求的原因，也是挖掘出提高水泥性能及降低生產能耗的重大潛力之處[2]。

2.3智能制造層

智能制造層是智能化改造的核心，包括能源管理系統EMS、生產管理系統MES、設備資產管理系統EAM、移動巡點檢管理系統和其它專業系統。一是實施能源管理系統EMS，使得企業可以更好的掌握和評估企業能源使用狀況及能源利用效率，并幫助識別可節能降耗的空間和機會，完善企業能源管理體系及規范制度，有利于將節能降耗工作真正落到實處，從而最終降低噸水泥能源成本。二是實施生產管理系統MES，打通企業級管理經營應用系統（ERP）與現場級控制系統（DCS）間的信息斷層，實現生產現場自動化系統中生產、設備、能源、質量、物料等實時數據與管理應用系統業務數據的整合，同時，幫助業務部門更好的開展和規范日常業務工作流程，提高對生產過程以及異常事件的及時響應能力。三是實施設備資產管理系統EAM及移動巡點檢系統，促進規范與設備相關的業務流程，例如設備臺賬、維護維修、備品備件管理、巡點檢管理等，實現生產設備的全過程管理，從而最終全面提升企業設備資產管理水平。

2.4智能經營層

智能經營層主要依托ERP企業資源管理系統實現，包括經營計劃、采購管理、銷售管理、成本管理、財務管理、預算管理、人事管理、協同辦公等8個功能模塊。

2.5智能決策層

智能決策層包括管理駕駛艙、綜合績效、運營效率、預算分析、現金流分析、專題分析、移動終端、消息推送等8個模塊。

3 水泥工廠智能化改造應注意的基本問題

3.1應以節能效果作為衡量標準

水泥工廠智能化改造最終要落實在經濟效益上，不能為了智能化而智能化，節能可以為水泥工廠產生顯著的經濟效益，一定程度上，水泥工廠經濟效益的核心就是節能，所以水泥工廠智能化改造應以取得的節能效果衡量智能化的水平。

3.2應根據自身條件循序推進

要充分根據自身的效益和市場狀況，制定相應的策略，合理規劃藍圖。機器替代人是大勢，智能設備的應用是必由之路，但每個企業應當根據自身的產品特點和生產模式制定符合自身特色的路線圖，才能在智能工廠的推進過程中，真正獲得實際效益。

4 ?結束語

智能化是水泥工廠挖掘節能潛力、提質增效的重要手段，但就我國大多數水泥企業現狀而言，還遠未具備這種條件，故在智能制造的熱潮下，水泥工廠不宜盲目跟風。應圍繞工廠的中長期發展戰略，根據自身產品、工藝、設備和個性化的特點，合理制定智能化改造整體規劃，從最迫切需要解決的問題入手，務實推進智能工廠改造。

參考文獻

[1]焦洪碩， 魯建廈. 智能工廠及其關鍵技術研究現狀綜述[J]. 機電工程， 2018， 35（12）：7-16.

[2]謝克平. 論水泥工廠智能化發展的方向[J]. 中國水泥（7）：4.

基金項目：本文為武漢城市圈制造業發展研究中心課題（項目編號：WZ2020Y0）的階段性研究成果