水泥工业智慧工厂建设研究

修 瑞（中国建材集团有限公司，北京 100036）

水泥工业智慧工厂建设研究

修 瑞（中国建材集团有限公司，北京 100036）

智能制造将是我国水泥工业发展的必由之路。本文通过对水泥智慧工厂信息系统总体架构设计，生产基础自动化系统建设，信息网络云平台建设三部分内容的阐述，设计建设集生产运营、智能巡检、远程运维及大数据分析的信息网络云平台，实现水泥生产装备智能化，控制自动化，管理信息化，构建一个高效节能、绿色环保、环境舒适的水泥智慧工厂。

水泥工业；信息化；智慧工厂

1 智慧工厂目标

水泥生产全线配备在线智能仪表和设备，实现自动控制及监测，生产工艺数据自动采集率达100%。建成集生产运营、智能巡检、远程运维及大数据分析的信息网络云平台，水泥生产实现装备智能化，控制自动化，管理信息化。构建一个高效节能、绿色环保、环境舒适的两化深度融合的水泥智能工厂。

2 水泥工业生产信息化现状分析

2.1 水泥工业生产信息化现状

中国水泥工业的工厂基础信息化管理和智能化水平还远落后国际先进水平。在信息化方面，存在数据滞后、时效性差、数据来源单一等问题，不能为企业管理与调度人员及时、准确地提供生产决策依据。在智能化方面，大多仍采用“半自动化”操作模式，很难实现水泥生产过程的优化操作运行和精细化管理，必然带来生产运行不稳定、能耗高、热效率低、产品质量和产量波动大等诸多问题[1]。

2.2 与国外的差距

国外的著名水泥装备公司均已开发了自身品牌的控制和优化系统。如F.L.Smidth公司的ECS和ProcessExpert系统，Polysius公司的POLCIDNT和POLEXPERT系统。这些系统除了完成水泥生产的过程控制，都集成了烧成和粉磨工段的过程优化软件。另外，国外许多电气自动化控制公司也开发了适用于水泥工厂的过程智能和过程优化软件包。如SIEMENS公司在专为水泥工业开发的CEMAT系统中集成了水泥窑和粉磨的优化控制软件，ABB公司在IndustryIT中集成了OptimizeIT优化控制软件。虽然我国在软件开发方面有很高的水平，但在这方面与国外比还有很大差距。另外，我国新型干法水泥企业除继续改进生产过程控制技术外，要进一步探索和实施管理和生产的信息化和智能化途径，加强管理、生产信息化和智能化的开发，不断提高水泥工业的信息化、智能化水平，尽快实现我国水泥工业智能制造的目标[2]。

3 水泥工业实施智能制造的必要性和重要意义

3.1 对水泥工业持续发展具有重要的意义

智能制造技术可以提高水泥质量，延长水泥使用寿命，从而降低水泥消费，达到降低资源、能源消耗，降低污染物的排放。水泥工业节能减排工作随着执行新国标GB16780-2012《水泥单位产品能源消耗限额》，明确了淘汰达不到国家水泥单位产品能耗限额定额要求，环保部发布的GB4915-2013《水泥工业大气污染排放标准》，明确了达不到国家水泥企业大气污染排放值的生产线要淘汰[3]。这是水泥工业可持续发展战略的一部分，智能制造将是水泥工业发展的必由之路。

3.2 广大水泥企业提高市场竞争力的需要

预计我国水泥需求的高峰期有可能在2020年前后出现，水泥需求高峰期过后，我国对水泥的需求量将逐年减少，目前我国尚处在水泥需求的上升期，水泥产能的发挥率尚且只有70%左右，预计将有越来越多的水泥产能逐步退出市场，水泥市场竞争程度将日益加剧，只有那些具有更高生产效率、效能和很强市场运作能力的企业，才有可能成为市场竞争中最终的赢者，因此，打造升级版水泥工业，是我国企业提高市场竞争力的现实需要[4]。

3.3 中国水泥装备及技术走向世界的需要

大型机电成套装备的出口，对于一个国家来说,是综合经济实力的体现。对于一个行业来说,是技术装备水平提高的标志。但是，近年来，水泥装备及技术出口大部分仅仅停留在水泥窑的回转窑、预热器等个别设备和技术，大量的水泥装备及技术还是靠国外进口，尤其是高附加值的智能装备及智能制造技术目前国内外还是处于起步阶段，我国在智能装备和智能制造技术的突破，必将为中国水泥打上技术含量高、市场竞争力强的“中国制造”标志，实现中国水泥装备及技术走向世界的发展战略。

4 水泥智慧工厂建设方案

4.1 信息系统总体架构建设

纵观我国水泥企业信息化系统的应用现状，建设的重点普遍在ERP系统和DCS系统两个方面。由于水泥产品行销在近些年间从生产导向快速演变成市场导向、竞争导向，因而对企业生产现场管理和组织提出挑战，仅仅依靠ERP和DCS系统往往无法应付这新的局面。工厂制造执行系统(MES)恰好能填补这一空白。MES可以为用户提供一个快速反应、有弹性、精细化的制造业环境，帮助企业减低成本、按期交货、提高产品的质量和提高服务质量。

图1 总体架构

如图1所示，信息化架构分为三层：

1）计划层(ERP)

ERP系统“位”于企业上层计划层，用于整合企业现有的生产资源，编制生产计划。ERP系统的服务对象是企业管理的上层，一般对车间层的管理流程不提供直接和详细的支持。

2）生产控制层(DCS)

通过自动化生产设备、自动化检测仪器、集散控制系统等关键设备及控制系统，实现生产现场的自动化控制。生产管理层的主要作用在于对现场设备和工艺参数的监控，它可以向管理人员提供现场检测和统计数据，但是本身并非真正意义上的管理系统。

3）执行层（MES）

MES处于计划层和生产控制层之间的执行层，负责车间生产管理和调度执行。它可以在统一平台上集成诸如生产调度、产品跟踪、质量控制、设备故障分析、网络报表等管理功能，使用统一的数据库和通过网络联接可以同时为生产部门、质检部门、工艺部门、物流部门等提供车间管理信息服务。

系统通过强调制造过程的整体优化来帮助水泥企业实施完整的闭环生产，协助企业建立一体化和实时化的ERP/MES/DCS信息及生产管理体系[5]。

4.2 生产基础自动化系统建设

新型干法水泥生产技术是一种系统工程，它包括若干子流程和单元操作。通过优化设计和设计创新工作，可以更加准确掌握相关关系，并利用系统工程理论来解决成套技术装备开发中的工程设计、装备设计、自动控制与检测、主辅机各项平衡等极为复杂的技术难题，确保整个系统在高效、稳定条件下运转。

4.2.1 水泥生产装备智能化

为满足水泥生产过程智能化控制的应用需求以及提升工厂智能化建设的水平，全厂关键电气设备需选用智能型设备，实现全厂设备、仪表和控制系统的智能通讯连接。操作人员不仅可以在控制室在线监测设备及仪表的状态、参数，还能对它们进行标定、参数设置、功能组态及故障分析，操作维护等操作。电气设备的智能化主要体现在低压电机的智能化、高压电机的智能化、仪表的智能化、核心装备的智能化几个方面。

4.2.2 水泥生产过程控制的智能化

DCS系统实现生产在线实时监控，保证系统稳定运行。水泥行业BMI库可对辅助原料取料机、原料配料站、原料粉磨、废气处理、生料均化及计量入窑、熟料烧成与冷却系统、原煤取料机、煤粉制备与计量输送、水泥粉磨输送和水泥存储及包装等范围内的主要生产系统进行分布控制，并在中央控制室进行集中操作和监控，设备的数字化监控率可超过95%。通过故障专家诊断系统提高故障排查效率；自动控制回路系统提高设备运转；专家智能控制系统打造最优控制模；立体监控系统使无人值守成为可能。

4.3 信息网络云平台建设

4.3.1 企业制造执行系统（MES）建设情况

企业制造执行系统（MES）处于计划层和生产控制层之间的执行层，通过MES可以实现车间生产管理和调度执行。

MES系统将企业ERP系统与FCS控制系统集成，是实施企业智能制造的基本技术手段。MES系统主要由远程生产信息管理系统、能源管理系统、设备管理系统、物流管理系统、质量管理系统、智能巡检系统、设备远程维护保障系统等组成。

智慧工厂全厂信息化融合技术实现一岗多责。窑、磨专家智能控制系统实施后，生产过程的调节都由专家智能控制系统自动进行，中控室操作员不需随时关注生产画面；远程生产信息管理系统的实施使得操作员不在中控室也可以监视生产画面；智能巡检系统使巡检过程更为程序化和数字化。将三者合而为一，可以使中控操作员在生产正常稳定的情况下，参与巡检工作，在对设备进行巡检、记录的同时，通过智能移动终端查看生产画面，了解生产状况，实现水泥企业中控室操作员与巡检人员的融合，做到一岗多责，从而达到减员的目的。

图2 全厂信息化融合技术框图

4.3.2 资源计划管理系统（ERP）建设

作为智慧工厂的核心和有机组成部分，ERP企业资源管理系统选择集成了面向制造行业进行物质资源、资金资源和信息资源一体化集成的智能化企业信息管理系统，实现物流、信息流和资金流的动态管理，依托工厂数据库大量的生产运行数据，通过系统提供的数据分析功能和在线专家数据库的支持，预测企业经营发展的趋势，及时为企业管理决策提供依据和建议。

ERP系统针对水泥行业进行二次开发，符合水泥行业发展特点，集成应用集团管控、设计与制造集成、管控衔接、产供销一体、业务和财务衔接等功能，为智慧工厂的全业务链综合集成提供了路径和方法。

5 结 语

电气自控、信息化、智能化方面的技术进步和产品研发更新日新月异，升级很快，所以本案采用众多的信息化和智能化的系统技术手段和措施，也将面临时限性，届时不可避免地需进行不断软件更新、产品换代等。

按照本案策划、实施上述建设内容后，最终将真正实现水泥智慧工厂的建设目标。代表目前水泥生产的最高水平，预期在今后5~10年的期限内，其它新建设水泥项目将恐难达到或突破这样的指标，建设标准也在相当一段时间内将起到标杆与示范作用。

[1]壮炳良,张书法.水泥生产过程智能控制技术及应用[S].水泥节能环保创新技术参考手册, 2015.

[2]韩仲琦.我国水泥工业的发展新阶段(下)[J].中国水泥，2013,01.

[3]魏晋渝,梁喜琴.严峻的形势与我们的任务—专访中国水泥协会会长乔龙德[J].中国建材，2015,04.

[4]刘长发,江源.促进两化深度融合打造升级版水泥工业[N]. 中国建材报，2013,11.

[5]杜继东.工厂制造执行系统的探讨[J]. 电子质量，2008,09.

Research on the construction of intelligent plant in cement industry

Intelligent manufacturing will be the essential way for the development of cement industry in China. This paper illustrates the elaboration of overall framework design, automatic system construction and information network cloud platform construction of cement intelligent factory. The research aims to design the information network cloud platform which integrates production operation, intelligent inspection, long-distance maintenance and large data analysis, which will promote equipment intelligence, control automation and management information for cement production, and build a highly efficient energy-saving,green, environmental comfortable and integrated cement intelligent plant.

cement industry; information technology; intelligent factory

TP301

B

1003-8965（2017）05-0038-03