铜冶炼智能工厂应用系统建设思路与方案

刘海泉

（江西铜业集团公司 贵溪冶炼厂，江西 贵溪 335424）

1 引言

物联网、云计算、大数据、移动通信等新一代信息技术的发展，正深刻改变着传统制造业的发展模式。2015年5月国务院印发了《中国制造2025》，把智能制造作为两化深度融合的主攻方向。2016年12月，工信部发布了《智能制造发展规划（2016-2020年）》，明确了到2020年，将要建成300个以上智能制造试点示范项目，数字化车间、智能工厂试点示范项目，遴选确定150个以上智能制造标杆企业”［1-3］。

江西铜业股份有限公司贵溪冶炼厂（简称贵冶）是中国第一家采用世界先进闪速熔炼技术、高浓度二氧化硫转化制酸技术、倾动炉、卡尔多炉杂铜冶炼技术和ISA（艾萨法）电解精炼技术的现代化炼铜工厂。年产阴极铜百万吨以上，是中国最大的铜、硫化工、稀贵金属产品生产基地，也是世界首个单厂阴极铜产量超百万吨的炼铜工厂。

贵冶将依托物联网、大数据、云计算等信息化技术，建设以智能化、网络化、自动化为核心特征的智能工厂，实现工厂转型升级、提质增效和绿色发展。

2 智能工厂建设目标及内容

2.1 建设目标

通过实现铜冶炼工厂的自动化、数字化、模型化、集成化、智能化，构建企业的智能决策、智能生产管理、智能执行与感知体系，打造从管理决策到执行反馈的闭环管控结构，实现制造效率、成本、质量等资源优化配置的智能化工厂。

2.2 建设内容

智能工厂是两化深度融合的结果，是两化融合的具体实践和落地。通过建设作用与生产制造全过程、全产业链、产品全生命周期的两化融合应用系统，实现贵冶的生产范式的重构，实现有感知（反馈）、有控制（执行）的智能化的工业软件的综合集成体系，形成基于大数据的科学决策平台，完成智能化工厂建设。

通过智能感知与执行体系、生产运营管理体系、智能决策体系三个层次体系的建设，实现的智能工厂整体智能体系的构建，每个层次本身是自治闭环，又构成单层的智能体系，这样分层化的建设和整体智能体系的集成，全面生动地反应了整个工厂的智能［7-9］。

图1 智能工厂三层建设体系

3 应用系统建设方案

贵冶智能工厂应用系统总体设计为智能感知与执行层、运营管理层和智能决策层三个层次体系，包含三个技术支撑平台、六大业务系统［10-12］。

3.1 总体架构设计

贵冶智能工厂的建设是根据贵冶对应用系统功能的需求，结合贵冶生产管理现状、信息化建设现状、两化融合现状为基本出发点，从总体架构和具体实现上进行整体设计，搭建出可实施落地的、符合贵冶的智能工厂框架。

图2 智能工厂总体设计框架

通过三层智能体系和三个技术平台，结合感知、计算、通信、控制等信息技术与设计、工艺、生产、装备等工业技术融合，打造属于贵溪冶炼厂的生产制造全过程、全产业链、产品全生命周期智能化工厂。

3.2 三层智能体系

智能工厂的三个智能层次体系围绕智能感知、实时计算、科学决策、精准执行的闭环赋能体系进行构建，每个层次是智能实体，在整体上组合形成智能工厂的赋能架构体系。智能工厂不是单体设备的智能、不是单个应用的智能，是单体智能和整体智能的融合系统［13-15］。

3.2.1 智能感知与执行层建设

感知与执行层是实现生产现场全面物联网的核心。通过工业物联网，实现工厂的人、机、料、法、环数据的全面感知，提供生产实时监控和计算决策分析，并最终将工业软件的决策命令发送给控制系统进行精准执行。

通过全面感知提供智能工厂完整的数据支撑，精准执行实现生产计划、生产操作指令、智能决策的落地实现，最终落实在对生产设备的操作控制、工艺流程的优化控制，实现通过感知和执行体现业务系统的价值。

3.2.1.1 智能感知

通过PI实时数据库构建智能感知平台，实时感知生产过程中的数据，并将感知数据进行集中存储，提供给工业软件、大数据分析应用实时和历史数据。基于已有的PI实时数据库系统进行扩容和升级数据系统后，进行数据采集，将以前没有覆盖的实时过程数据，包括设备运行、状态、故障、温度、压力、流量、电、体积、重量等等实时数据进行采集。对新增加的使用RFID技术的感知数据，感知数据存储在各个单元级应用系统里。

通过PI实时数据库和业务系统的感知完成对整个智能工厂的感知系统的建设。

3.2.1.2 精准执行

智能控制比较常见的为模糊控制（包括模糊PID）、神经网络控制（常见BP,RBF）、专家系统、分级递阶控制、学习理论控制（常见PSO,GA以及学习理论-PID模型）。另外，统计学习理论也有用于控制的，典型的是支持向量机回归（SVMR）。

结合铜冶炼生产工艺，选择机理模型和统计分析方法，实现对生产工艺流程的优化控制，达到对生产过程的精准执行。实现自动化系统的改造升级、智能协同调度优化管理、各工序优化控制方案的落地。

图3 熔炼车间协同调度优化

3.2.2 运营管理层建设

3.2.2.1 生产管理系统

生产管理系统的功能模块包括计划、调度、生产实绩、预算执行、检化验、质量、计量、三维展示等。通过企业服务总线（ESB）与外部业务系统进行集成，需要集成的系统包括ERP、全面预算系统、人力资源系统、OA系统、设备管理系统、能源管理系统、供应链管理系统、安环管理系统和其它应用系统，通过消息中间件与智能工厂应用系统的供应链管理、设备管理、能源管理和安环管理进行集成，实现生产情况的全方位管控，指导企业生产管理。

3.2.2.2 供应链管理系统

基于供应链一体化协同管理，打造采购、生产、销售协同的闭环管理体系。基于物流、信息流、资金流三流合一的数据融合，打造模型化、数字化的智能供应链一体化管理体系。将集团ERP采购销售、贵冶进出厂物流、厂内生产物流、仓储管理连接为一个信息化整体，打通集团与贵冶的协同路径，同时通过与无人值守磅房、铁路微机联锁系统、车号自动识别系统、机车无线作业系统、质量计量、检化验系统、GPS、GIS、RFID等进行业务协同集成，实现贵冶的供应链一体化协同管理的感知、计算、决策、执行的闭环智能附能体系。

图4 供应链流程图

3.2.2.3 设备全生命周期管理系统

通过对设备资产实现综合管理，根据点检、在线监控或第三方配合等手段，实现“发现问题”到采用趋势分析及综合评价一体化管理，实现“分析问题”再到维修及缺陷处理的解决方案，最终实现全厂的设备安全运行、减员增效、提升效能等目标。

图5 设备管理业务层级流图

3.2.2.4 能源管理系统

能源管控系统主要实现贵冶能源管理的数字化、信息化、可视化、预测化和智能化。实现全厂能源数据采集全覆盖，经过数据清洗及相关规则约束实现各类角色的信息推送，辅助能源管网实现能源数据及信息的可视化。根据贵冶用能特点，针对不同的优化对象，结合现场业务规则模型及大数据算法最终实现能源数据指标的预测及智能决策。将全厂数据转化为可用信息，同时实现将信息转化为辅助企业的洞察力，提升企业的核心竞争力。

3.2.2.5 安环管理系统

构建平战结合的安全环保应急一体化管控系统，达到安全管控一体化、日常监控预警推送、一键式应急等功能。

图6 安环管理设计思想

安全管控一体化：建立安防、安全环保监控、生产监控和图像监控于一体的智能化安全监管中心，现场安全管控状态一目了然；整合各类信息，先兆识别预警，应急处置全面支撑，决策有据可依。

日常监控预警推送：基于真实的三维场景和位置信息，实现对生产全过程（原料入场-备料-配料-生产）安全环保风险的可视化管控与智能预警推送。

一键式应急：异常工况下，系统支持在三维场景中就事故态势进行还原、分析、预判，并基于可视化场景制定、推演应急策略（应急资源调配、现场部署等），突发状态下及时有效地指挥各层级进行应急处置与决策。

3.2.3 智能决策层建设

3.2.3.1 大数据平台

工业大数据平台打通从供应链、生产制造、营销和销售，到售后服务等产品全生命周期的数据流。基于这些整合的数据，通过大数据技术，对海量的数据进行深层次的分析，根据不同的业务需要进行业务数据建模，从而实现工业大数据的业务价值。

图7 数据整合与分析建模思路

3.2.3.2 决策应用

决策应用作为智慧工厂解决方案的重要组成部份，其对企业实现智能管理、智慧决策、全局优化、降本增效至关重要。其核心价值体现在：优化供应链网络（特别是库存），提升管理效率；优化设备管理、减少成本；自主学习各类主题深层次挖掘分析；增加收入、降低成本，提升企业竞争；构建预知系统，辅助企业决策等方面。

图8 决策应用场景

4 结语

基于工业4.0、中国制造2025、工业物联网等发展背景，江铜贵冶正在开展智能工厂一期建设，计划用两年时间初步建成一套具有自动化、数字化、模型化、集成化、智能化等特征的铜冶炼智能工厂。基于大数据、云平台、统计分析模型等先进技术，构建企业的智能决策、智能生产管理、智能执行与感知体系，打造从管理决策到执行反馈的闭环管控结构，从而实现制造效率、成本、质量、过程管控等资源的优化配置。在未来，江西铜业将会进一步加大对企业智能化的建设，开发出更多具有江铜特色的数据深度分析模型，为中国铜冶炼行业发展作出更多的贡献。