智能制造在水泥工廠數字化轉型過程中的應用價值分析

李珊珊

華潤水泥控股有限公司，廣東深圳，518001

0 引言

基于工信部所頒布文件《建材工業智能制造數字轉型行動計劃（2021-2023年）》可知，智能化、數字化的生產流程已經成為水泥建造領域現階段最為主要的創新與改革方向。并且在未來，水泥工廠還需要將物聯網、大數據、云計算等各項技術滲透進其生產流程之中，逐步落實現代化、智能化的水泥生產標準。并以清潔材料、高效生產為最終目標，助力我國社會早日達成“碳達峰”“碳中和”戰略發展目標。在降低水泥生產資源損耗的同時，為全社會的可持續發展源源不斷地提供更清潔、安全、優質的水泥材料。

1 智能制造在水泥工廠數字化轉型中的價值

1.1 智能制造簡述

智能制造是集數字化技術、智能技術以及現代化信息技術等多種技術優勢于一體的新型制造概念。智能制造主要面向產品設計、生產以及售賣等全生命周期環節，具有信息感知、全程監控、高執行力等優勢，能夠為相關制造廠商提供更高效、穩定、安全、靈活、清潔、個性化以及低風險的產品制造服務[1-2]。

1.2 智能制造價值分析

多元化的信息技術與數字技術是智能制造運行的基礎，將相應的技術硬軟件應用于生產企業之中，能夠有效摒棄傳統生產、制造過程中的信息傳遞成本以及運行負荷。首先，智能制造有助于升級水泥工廠生產安全性，落實EHS管理體系[3]。借助物聯網技術、5G通信技術等構建水泥工廠權限監督與預警系統，實現對生產車間、運輸車輛、生產工人等各方面的跟蹤監督，精準檢測并預警生產中的各類風險隱患因素，避免危險事故的發生。依托虛擬現實技術構建“線上+線下”“虛擬與現實”于一體的培訓體系，助力安全生產目標的實現；其次，智能制造有助于優化水泥工廠生產效率與質量[4]。結合現代化技術優化既有配料系統，落實對水泥生料、熟料以及水泥生產工序的自動檢測、配料與優化調整，有效提升生產效率、降低勞動強度；再次，依托于智能化生產技術，輔以能源管理系統，有助于深化水泥工廠的“綠色化”轉型，同步降低水泥生產與加工的能源損耗；最后，基于數字化營銷平臺以及智能物流系統，落實高效、穩定的水泥產品運輸與銷售工作，帶動供應鏈上下游企業協同發展，促進產業結構完善與轉型[5]。

2 基于實例的智能制造數字化水泥工廠架構分析

對某水泥工廠的數字化系統展開分析，依照分層結構進行設計，以水泥工廠智能制造規劃為起點，結合智能化水泥工業互聯網平臺，構建包含智能設備管理、數字化生產、智能監控與管理、智能物流等數字化智慧服務功能模塊的數字化水泥工廠。

并進一步實現不同層級模塊的功能優勢，應用智能制造的數字化水泥工廠功能架構如圖1所示。各模塊的實際功能可參考表1。

圖1 數字化水泥工廠功能架構

表1 數字化水泥工廠系統各模塊的實際功能

3 智能制造在水泥工廠數字化轉型中的實際應用效果分析

某水泥工廠結合智能制造以及數字化技術，構建新型干法水泥熟料生產線路，計劃日產水泥熟料4000t。該項目中，智能制造以及數字化技術貫穿于水泥工廠的設計、生產加工、云文管理、交通運輸以及銷售、售后服務等各個環節。重點利用智能化系統“NC-CPIS”，對生產線路中的煤磨、水泥磨、原料磨等機械設備進行智能化管控與監督，同步對設備參數、工藝技術以及系統故障檢測程序進行優化調整，落實全流程智能控制。

基于生產過程進行分析，本項目中數字化生產設備主要包含石灰石等原料的自動堆料/取料設備；水泥輔料自動堆料/取料設備；綜合倉庫自動堆料/取料設備；自動插袋機、遠程控制包裝設備以及智能化裝車機等。依托于物聯網技術、大數據技術、4G/5G通信技術、GIS等智慧技術，借助智能傳感裝置、在線監測與分析技術、車間內智能巡航機器人等先進設備，實現對數字化水泥生產與運輸流程的遠程監控與智慧化控制。

基于智能化質量控制層面進行分析。本項目主要利用在線分析儀以及線上數據檢測、處理系統等對水泥生產過程的質量進行監督控制。借助窯專家優化系統、能源控制系統、配電線路檢測系統以及各類型水泥生產質量控制系統等，重點參考行業內專業學者生產加工經驗，利用大數據技術以及人工智能算法模型等自動生成多種適用于水泥生產的設備、線路控制策略，對不同情境、不同需求下的水泥生產線路進行個性化、動態化監督與控制。

在整體系統運行穩定的情況下，數字化水泥生產過程中系統會基于生產質量、能源損耗等各項需求自動生成各項數據報表。以此為相關工作人員提供更及時、精準的數據參考，進一步優化數字化水泥生產與管理效率。項目進行中，數字化生產系統所自動生成的生產效應報表可見表2。

表2 項目生產指標效果

4 結論

應用智能制造構建的水泥工廠在完成數字化轉型后主要達成效果有：①降低1.5%～3.0%的煤炭燃料消耗；②降低2%左右的電力損耗；③在相關系統的作用下，生產設備的運行效率獲得近99%的提升；④數字化設計、生產與運輸系統進一步升級了各環節的工作效率與質量，同時降低了基層操作員以及實驗人員的勞動強度，下降程度根據作業情況的不同分別下降90%以及25%。

應用智能制造構建的水泥工廠在完成數字化轉型后達成的節能減排效果有：①熟料生產年均可節省150萬t熟料×23=3450萬kWh電量、水泥生產可節省180萬t×8=1440萬kWh電量；②燃煤年均可降低約7.38萬t的碳排放、耗電年均可降低約4.2054萬t的碳排放。煤電年均降低碳排放量為11.5854萬t；③水泥工廠生產效率有效提升24%左右、能源利用率提升15%左右、降低生產與運營成本13%左右。

可知，智能制造有助于實現水泥工廠的數字化轉型，助力相關設計、管理、生產、物流等環節的智能化、高效化、節能化、自動化升級，在經驗積累中共同助力綠色低碳制造，推動水泥行業向高端化智能化綠色化發展。