基于工业4.0的制盐企业过程控制

董建华

(中盐镇江盐化有限公司，江苏镇江 212000)

1 前言

随着工业4.0的兴起，传统的制造企业将借助于全新数据信息、互联网络技术的发展，发生由“自动化”生产方式向“智能化”个性定制的转变，最终成为完全互联和柔性加工的智慧工厂。具体到盐业生产企业，传统生产模式将发生翻天覆地的变化，现有的定型定量生产方式将转变成服务型方式。即市场需要什么产品企业就生产什么产品，其过程能够自行优化整个网络的数据，自行适应并实时获取新的环境条件，并自动运行整个生产流程。利用互联网的技术和设备监控技术加强信息管理和服务，实时清楚掌握产销流程、提高生产过程的可控率、装置设备的使用率及减少生产线上人工的干预等。

2 当前制盐企业生产控制和经营方式弊端分析及其建设工业4.0的条件

现在很多大型制盐企业在生产上基本已采用了诸如DCS(Distributed Control System分布式控制系统)、PLC(Programmable Logic Controller可编程控制器件)等自动控制系统(以上简称车间层)，使制盐生产过程中的卤水开采、原卤净化、真空制盐、浓缩提硝、精制盐水、包装运输等各个生产过程稳定可控。有的先进企业更是通过MES(制造执行系统，简称工厂层)将各个生产装置、设备单元之间的自动控制系统进行联通。同时在企业运营上诸如物料审批、原料采购、产品销售等相关业务则广泛依托ERP(管理信息系统)来管理相关数据信息。采用MES和ERP对工厂进行有效管理较以前传统的生产和管理方式有了一定进步。但是MES更倾向于生产过程的控制，ERP更倾向于财务、物料、行政审批等信息的管理，两者之间是相互独立的，数据基本没有交流共享。在现有的生产模式下，工厂MES根据管理层下达的计划来批量完成合格产品数量，然后由销售卖给客户，其中的计划下达、车间生产、产品出库及销售等环节都是在人工干预的状态下完成。所以，当ERP给MES下达生产计划指令后，MES在生产过程中发生了与计划偏差的事项(比如设备坏了，原料不合格等等)，MES会根据车间的实际情况进行调整。但ERP是不会得到及时反馈的，所以，它会继续按照原来的计划执行订单，ERP系统和工厂的实际生产情况就会出现非常大的偏差。当然，如果生产订单发生临时变化，生产车间也不可能在第一时间获悉，仍然按照原有订单计划生产。这就是生产和业务部门信息不对等，同时人为干预也会产生时效的滞后性和误差。这些弊端在以前的工业生产中因产品的生命周期长、客户稳定、人为误差及时纠正等原因还没有明显凸现。但是随着互联网时代的到来，供求信息发生了巨大变化，市场需求信息变化瞬息万变、产品朝着个性化小批量发展、供货周期短等，这就要求生产企业实时做出反应，及时调整生产计划以满足客户需求。

3 工业4.0制盐工厂的具体特征及其要求

工业4.0的技术依托为信息物理系统(Cyber-Physical System，简称CPS)，将生产中的制造、供应、销售等信息数据化、智慧化，最后达到快速、有效、个人化的产品供需。

3.1 工业4.0的首要条件就是信息共享

即在现有条件下，把MES和ERP建立有效联接，实行相关数据交换。现在的MES的诸如DCS、PLC等控制系统中，生产过程相关信息基本具备存储和上传功能，可以把原料消耗、设备状况、过程数值、产品产量等信息通过数据、报表或曲线等形式进行开放式发布，利用服务器和ERP的相关模块进行传输；同时ERP在获取市场供求信息之后通过筛选、分析、汇总、审核等相关流程也可以通过服务器对MES进行数量、时间、要求等发布生产计划。其中数据交互过程实时准确，过程无需人工干预。而且在产品生产过程中任何变化和改动都可以进行相互反馈，以便及时处置。真正实现市场、经营和生产机销售的无缝连接。

3.2 工厂层MES信息网络的建立是基础

当前的制盐企业，散湿盐装置生产现场的过程信号一般采用多线制或总线制已能完成上传DCS和PLC系统，DCS、PLC等控制系统大多也具有存储和上传功能，但是真正把生产各装置的控制系统连接成网的并不多。生产企业大体上还是以生产车间为单元做控制室，按照现有工艺要求，通过DCS、PLC等控制系统把本装置生产现场的如压力、流量、温度、产量等现场信号集中到车间控制室显示和控制。对于其他车间的生产情况如基本没有集中显示，如有需求一般人工沟通。形成这样的原因是多种多样的，有位置较远物理连接困难、控制系统相互不兼容、暂时没有连接需求等。为了适应MES信息的采集要求，就需要把现场的生产信息进行集中处理，必须把现场各单元的DCS、PLC等控制系统进行连接起来，实现数据交互。同时，利用现代智能传感器技术和总线技术，把生产中关键设备如循环泵、离心机等和装置中关键位置过程信息上传到MES中，使MES能显示当前各生产装置的运行情况，如原卤开采量、盐硝产量、设备状态、当前盐品、发运情况等，起到对生产的各个方面全面监管作用。

3.3 针对性的智能化工艺和设备改造以适应数据处理

在获取原有基本数据的基础上对生产装置进行优化改造，以达到智能化过程生产目的。增加冗余设备，开发模块化嵌入式控制程序，采用智能化传感器、执行器对现场生产流程实行有效控制。例如当离心机出现故障时，离心机控制系统能根据程序设定，对离心机本身的电流、震动、温度、进料流量、推料频率等进行自我判断和自我修复，如果自我修复完成不了时，则会自动开启备用机组并切换与此相关的管道和阀门等附属设备，整个生产过程并未因此中断。同时故障机组退出运行，实现报修流程。该离心机本身的电流、震动、温度、进料流量、推料频率等采集到的数据也为该设备的维修提供了的依据，维护人员根据相关信息能快速定位故障点，采用对应的措施，使该设备能被迅速修复。又如当装置的某管道因颗粒结晶而堵塞，根据装置安设的智能传感器测量到的流量、压力、在线监测仪表及机泵电机电流等变化值，在程序中与正常值进行对比，在达到一定值时，自动运行重读程序，开启相关冲堵管道，对堵塞部位进行冲堵，直到流量正常为止。免除了人为干预，保证了装置的连续生产。

3.4 建立相对应的WMS(智能化产品输送存储系统)是智能化工厂的核心

借助智能信息管理系统把产品的输送、入库、存量、库位、出库等紧密联合。采用的自动控制技术、智能机器人堆码垛技术、无人搬运车(Automated Guided Vehicle，简称AGV)等，做到优先发运、减少库存、精确定位、智能输送等。

3.5 WMS数据库建设

首先需要建立上层数据库，该数据库根据产品本身的特点为企业每个产品每个批次自动生成唯一的易于识别的产品条码(能在包装表面被打印标签粘贴和标签扫描识别)，该产品条码能被WMS跟踪和调用；其次建立一个完整的仓储产品数据库。根据不同的产品特征如包装、重量、尺寸、时间顺序等信息，结合仓储具体空间设置三维立体存放位置坐标，分配相应库位，设置储存量和优先权，使WMS能对库存产品的规格型号、数量、位置(坐标)等信息完全掌握；第三WMS和MES和ERP进行实时通讯，数据共享。WMS、MES、ERP对于ERP的生产计划、发运计划、发运对象和MES的生产情况、生产数量、设备状况等信息以及WMS的库存产品的规格型号、数量、位置(坐标)等信息实时共享，相互调用；第四WMS必须配置一定的自动化设备，如输送皮带、智能机器人堆码垛机、无人搬运车等配套的自动化设备。该类设备使用编码器、激光或红外等测距方式进行准确定位，并配备PLC等控制系统，能与系统实现数据通讯，该类设备能根据存储系统所发的指令运行相关的程序，实现对产品的输送、入库、出库等作业。

3.6 散湿盐的配套数据系统录入

针对制盐企业的生产和产品特点，对散湿盐和包装盐(硝)进行分流，分别设定不同的输送路径到达相应的位置。散湿盐一般经过离心机脱水后经皮带运送至界区外计量销售。液态盐水经过管道输送到装载点经流量计计量出库销售量。以上称为不落地生产销售模式，其生产和输送路径固化，该类产品的生产信息在生产审批和生产执行时就已经被MES和ERP录入，在计量点则与MES和ERP进行比对反馈，并把计量数据录入MES和ERP。

3.7 包装盐(硝)的配套数据系统录入

包装盐(硝)因产品多样化，不同的产品具体路径不同。加工完成的各种盐品在离开生产线时外包装上被自动喷涂上对应条码，条码信息包含生产日期、品种、生产班组、质检人员、生产批次、流向路径等属性。WMS经与ERP和WMS数据比对，如果ERP产生包括该盐品的订单，则该盐品遵循预先设定的输送程序经相应的输送线到达发运位置，进入到产品发运环节，启动计量发运装置进行发运作业。发运数据实时扫描传入系统WMS中。如果加工完成的各种盐品在与系统ERP对比，还没生成采购订单，那么该盐品执行暂时入库程序，经相应的输送线到达仓库内预先规约的坐标位置，进行库存，同时该产品的信息也被记录到系统中，并与MES和ERP共享。如果ERP在产生某一盐品采购订单时，系统显示该盐品有一定的库存量，则系统会自动比对数据，并采用库存优先、先入先出原则进行出库发运作业。同时把比对结果在MES和ERP中处理，ERP能根据库存量下达MES生产计划。实现生产计划下达、产品生产过程、存运和发送过程无缝连接，根据各种产品属性如生产日期、品种、生产班组、质检人员、批次等对相关产品的流向进行每个信息点的跟踪；同时也可以根据相关产品属性、操作点信息对产品进行向上追溯。

3.8 MES、ERP和WMS的协同运作管理

MES、ERP和WMS实现数据共享后可根据需要设置多个客户端，为不同的部门设定不同的权限，无论是生产、销售、仓储等部门及领导决策层都可以根据所赋权限在第一时间内查询到相关的生产、库存、销售等各种可靠信息，并可进行数据分析。同时可生成并打印所规定格式的报表。

4 工业4.0工厂的建设步骤及要求

对于制造企业来讲，工业4.0不是简单地把自动化设备进行简单地连接起来，工业4.0给制造业指引的方向是设备自动化、工艺智能化、工厂智慧化。要求产品和设备的沟通交流，由产品来指导机器该怎么做。将工厂、产品和设备通联起来。同时也不能认为工业4.0就是“无人工厂”。自动化设备替代的是繁重的、重复的、危险的人力劳作。相反自动化的设备维护、智能化的工艺改造对人提出了更高的要求，在关键岗位上，更需要人的判断能力和决策能力。工业4.0也没有固定模式，不能一蹴而就。每个企业都有自己的生产经营模式，在建设工业4.0目标时应该根据自身的特点制定切实可行的方式和步骤，不能盲目跟风搞一刀切。

4.1 逐步改造分步实施

就目前制盐企业来讲，因生产过程中的盐卤开采、真空制盐、精制卤水、包装存储等方面已基本实现自动化连续生产，只要在工艺上进行适当改造就可使之具有初步智慧化。因卤水净化环节目前还是阶段性生产，所以就需要工艺和控制人员通力配合，摸索出可以连续生产的新工艺或在现有工艺状况下、现有监测和控制设备条件下的控制方式，实现具有完全自动化生产模式。所以制盐企业可以根据自身的实际情况进行逐步改造分步实施。推进智能工厂建设要充分结合企业产品和工艺特点。在实施阶段需要大力推进标准化、模块化和系列化，奠定推进智能生产持续改进的基础。先建立一个统一的框架，把生产过程单元化，通过对工艺设备改造、人员培训等方式，成熟一个吸纳一个。

4.2 系统数据安全运行与权限设置

在推进智能化生产过程中，必须确保工厂的数据安全和设备及自动化系统安全。在各数据平台、相关单元软件及控制系统的联通时通过服务器或防火墙进行相关隔离。MES和ERP、WMS及DCS、PLC如盐硝生产车间、一次盐水车间、净化车间、包装车间等各数据平台、各生产车间之间设置不同的调阅和写入、传送处理，用技术手段保证数据的安全性、准确性和保密性。对于不同用户如决策者、办公人员、操作员等授予不同权限，如车间的操作员只能处理该车间的设备(可以看到其他单元经授权的相关数据)；一般办公人员可根据其具体授权浏览其权限内数据，其他数据未经授权不能进入；领导根据授权进行批示决策等。所有系统操作均做痕迹留存处理，便于建档追溯防止因人员误操作等原因造成系统数据受损破坏。

4.3 做好其它数据接入工作

在建设智能化生产过程以大数据为依托，把安全环保、能源消耗等纳入整个体系中。以技术创新为动力，采用先进的工艺技术和专业设备对环境和能源进行跟踪监测，实时获取数据，通过专业软件进行综合分析，为制定环境保护措施和能源综合利用提供依据。

4.4 做好智能工厂相关技术的培训工作

智能工厂的建设、生产、维护需要工厂的仪控专业、信息化部门、生产技术部门和业务部门的通力合作。建设牵头方应根据自身具体情况对相关人员进行总体介绍及专业培训，明确建设目标和建设阶段、细化参与人员职责、统一相关数据格式和通讯协议等。同时需要编制培训教材，指导相关使用者操作。

工业4.0充分利用自动化生产设备和开放性网络系统，使信息化技术具体落实在工业生产线上。在盐业混改的新形势下，制盐企业为适应社会多样化需求，从用户信息筛选入手，借助自动化生产模式，实现生产计划下达到仓储运输等数据的收集、反馈、处理的闭环运作，使制盐行业由自动化生产转向智慧化生产。通过建立用户信息和工厂数据库如MES和ERP、WMS等，实现经营业务部门、生产指挥系统、仓库储运及销售联动，系统实时显示市场需求、计划排产，生产过程、产品质量、能源能耗、库存数量和设备状态信息。采取定制生产的模式，满足用户的特殊要求等。制造企业也因此避免了非计划性停机，从而解决了供需关系。制盐企业由此完成了由粗狂型生产向精细化制造的转型。制造工业4.0统一了标准体系，减少生产过程中人工干预现象，不但保证了盐产品的生产质量，而且节约了人工成本。同时对生产过程提出了新要求，促使制盐企业不断进行技术创新和设备更新换代，不断追求精益生产，最终实现社会用户在线下单，制造单位因单定制的生产模式，彻底解决供给侧的矛盾。