贵冶智能工厂建设实践

汪飞虎

（江西铜业集团有限公司 贵溪冶炼厂，江西 贵溪 335424）

1 引言

在公司“巩固冶炼”战略要求下，贵冶基本不会进一步扩大产能，进一步发展面临着资源短缺、人力成本上升、环境约束进一步增强、自主创新能力亟待提高等一系列问题，低能耗高资源利用率等挑战倒逼企业要转型升级。

贵冶未来的进步发展，不仅需要深挖内潜，在生产管理的精益化、自动化、标准化上下功夫，站在全流程的角度进行更多工序的集成优化和协同运作，更需要以智能化、网络化、自动化为核心特征的智能工厂建设和改造，实现工厂转型升级、提质增效、绿色发展。

2 智能工厂建设实践

2.1 项目的立项批复

2016年3月31日，工业和信息化部印发了《关于开展智能制造试点示范2016专项行动的通知》，并下发了《智能制造试点示范2016专项行动实施方案》，在全国范围内选择了 63 家单位做为试点示范企业，江西铜业股份有限公司申报的“铜冶炼智能工厂试点示范”项目位列其中，贵溪冶炼厂成为铜冶炼行业唯一一家智能制造试点示范工厂。

2.2 确定项目建设目标、总体架构及建设思路

（1）项目建设目标：依据工信部实施指南、考核指标及能力成熟度等级标准，结合工厂实际，我们拟定了贵冶智能工厂建设的总体目标：通过信息技术、工业技术和管理技术的“三元”融合，实现工厂全要素的数字化感知、网络化传输、大数据处理和智能化应用，构筑起 “现场识别自动化、信息处理即时化、问题研判协同化、管理决策智能化”的智慧冶炼新模式，实现有贵冶特色的技术模式和管控模式的高度集成和全面优化升级，提升工厂数字化、精准化、高效化和现代化生产水平，具体是：

①工厂总体工艺流程及布局建立较完善的系统模型。

②配置符合设计要求的数据采集系统和先进控制系统，关键生产环节实现基于模型的先进控制和在线优化。

③建立实时数据库平台，并与过程控制、生产管理系统实现互通集成。

④与集团公司ERP进行集成对接，满足公司管控要求。

⑤建立制造执行系统（MES），并与企业资源计划管理系统（ERP）集成，生产计划、调度均建立模型，实现生产模型化分析决策，过程的量化管理，成本和质量的动态跟踪。

（2） 项目建设原则和策略: 满足业务需求优先；绿色环保节能优先；提升效益效率优先。

先易后难、风险受控：不盲目追求高大上，根据轻重缓急、先易后难统筹推进，找出关键管控点，把控风险，实施中对生产影响最小、实施后调试爬坡期最短的项目优先建设。

以点带面、抓好示范：不要贪大求全，选择优势项目试行，试点成功移植推广。抓好示范线，设计时不仅要确保可靠性，采用成熟的技术方案，同时要考虑到技术的先进性，突出项目的示范性。

严控投资、效益优先：对现有的IT资源、软件资源、数据资源，要实现资源复用，保护已有投资、严控项目投入，追求效益、效率、效果，将投资收效明显的项目优先立项。

（3）项目应用总体架构：《国家智能制造标准体系建设指南（2015年版）》指出，智能制造系统架构通过生命周期、系统层级和智能功能三个维度构建完成。产品全生命周期是由设计、生产、物流、销售、服务等一系列相互联系的价值创造活动组成的链式集合。系统层级自下而上共五层，分别为设备层、控制层、车间层、企业层和协同层。智能制造的系统层级体现了装备的智能化和互联网协议（IP）化，以及网络的扁平化趋势。智能功能包括资源要素、系统集成、互联互通、信息融合和新兴业态等五层。

依据标准架构体系，结合工厂实际，构建了贵冶智能工厂系统层级图（图1）。

图1 贵冶智能工厂系统层级图

工厂级管控层，将建设一个为全厂领导、管理人员、操作人员共同使用的统一、全面的管理信息系统，即“智能工厂管控系统”。该系统上与公司总部ERP、预算管理等系统互联，下与DCS、监控以及其他过程控制自动化信息系统对接，实现全厂生产、物流、经营、安环等环节数据的集中管理，也是整个智能工厂的“总纲”。

在过程控制层，将构建车间产线、铁运、汽运、GIS等特定领域的专业应用系统。其中，DCS分布式控制系统需要根据需求进一步扩容，指挥中心、铁运调度、计量无人值守、视频监控系统分别构建，并集成进智能工厂管控大系统中。

在单元控制层，将围绕着需求中需要自动化支撑的关键管控点，装备数据采集、便捷操作等方面的自动化支撑设备与设施，在充分考虑现有网络及服务器等硬件资源基础上，建设IT系统支撑平台。

（4）项目建设范围和步骤：按照总体规划、务实推进的原则，贵冶智能工厂项目分两期建设。一期重点是构建智能工厂系统框架，完成信息化及自动化的提升及智能装备试点实施。项目二期重点是深化应用和优化提升。与生产作业衔接紧密的自动化改造项目，无法集中建设，按轻重缓急单独申报立项，分别推进。

2017年至2018年底为一期建设阶段，建设范围包括：构建集成的智能工厂全面业务应用系统平台，含生产管理系统、供应链管理系统、设备管理系统、能源管理系统、安环管理系统、辅助决策系统，以及集成平台、开发平台和运维平台；构建应用系统支撑平台，包括数据中心、网络、标准机房、PI扩容、组态大屏（调度指挥中心及闪速炉监控大厅）、视频监控等子项目的建设；技术成熟的自动化改造项目，尾矿无人行车、极板转运自动化与质检智能化、铁运智能化调度、硫酸铜自动打包码垛、废水站无人值守等子项目。

2019年至2022年底为二期建设阶段，建设范围包括：全面建成大数据中心，建立全厂各生产工序的材料、质量、能源、设备、操作和模型等数据采集系统，构建大数据平台。建成1～2个具备行业代表性的数字化车间，覆盖全厂的智能装备、机器人得到广泛使用。

2.3 如何选择最适合的供应商（行业案例、大项目设计和管控能力）

供应商行业经验很重要。有色行业生产现场工艺的复杂性，重点工艺控制装备的控制系统的升级优化，行业专业知识的沉淀应用都需要供应商具备很强的行业背景和实施经验，能够在企业目前的生产装备、管控现状的基础上，提出符合工厂实际情况的建设意见，引导和帮助企业加深对项目的理解和执行。

贵冶项目此次经过大半年的考察和实地调研，自动化网络化项目最终的选择都是具备丰富行业经验的供应商，以保证项目成功，如宝信、太极等公司。在信息化项目上，我们更看重实施方对大项目的掌控能力、系统开发和集成能力，最终选择了国内最大的管理软件和领先的企业云服务提供商用友公司。

2.4 企业脱产关键用户选择的条件

企业有各自特色的生产组织管理模式，智能工厂的建设离不开企业关键用户的全力配合，是项目成功实施的保证。关键用户作为企业业务及技术精英人员，在与最终用户沟通时，能够用最终用户容易理解的语言来讲解系统功能，沟通障碍少，更便于最终用户的接受。同时也可以验证关键用户对系统的掌握情况，以保证将来他们对系统日常运行的支持。

（1）关键用户的选拔和配置：关键用户是智能工厂涉及到的各主要业务领域的业务或技术骨干，熟悉部门的业务处理流程及专业技术、问题所在；较强的沟通和协调、表达能力；很强的责任心和积极向上的工作态度；良好的新知识接受力；根据供应商关键用户需求表，配置必要数量的全脱产和半脱产关键用户。贵冶项目全脱产关键用户36人，半脱产关键用户60人，全部为各专业技术管理人员。其中车间主任级别占40%以上，工段长级别45%。

（2）关键用户的管理：贵冶项目专门针对关键用户配套了管理制度，明确业务需求、设计、实施、培训和上线阶段的具体要求和激励措施。可以预见，随着项目的建设和供应商知识的转移，未来关键用户必将成为企业发展不可或缺的中间力量，相应的关键用户激励绩效机制和良好的职业规划，能更好地激发关键用户的能动性和创新性。

2.5 探索自动化智能化装备的应用

智能化工厂的建设需要同时具备诸多条件，设备的自动化程度在很大程度上决定了后面的数字化和智能化程度。铜冶炼行业相比离散制造企业，自动化实施更加困难。原辅料、中间品及产品的检测技术尚不成熟，普遍重量大且外形不标准，自动化装备行业应用明显较少。目前主要工作一是加快本行业自动化、智能化装备的研发，二是充分借鉴其他行业应用，解决一些现有问题。贵冶主要的配套项目是：

（1）实时数据库10万点升级改造项目：实现企业数据集中统一管理基础数据平台。

（2）集中调度指挥中心：实现现场生产调度指挥的协同和可视化统一指挥，提高应急指挥响应能力。

（3）极板自动转运仓储系统：实现阳极板和阴极板的自动转运、质检、喷码、批次跟踪和库位管理，极大提高效率的同时，为下工序的批次管理和工艺参数优化控制提供便捷条件。

（4）尾矿无人行车系统：实现尾矿散料的无人自动装车，提高装车效率，减少超重带来的返车卸货和欠重导致的运费损失。

（5） 硫酸铜智能仓储系统：替代目前人工装袋、码垛、叉车转储、装车流程，实现硫酸铜全自动全流程智能控制，提高效率，降低损耗。

（6）材料备件智能仓储系统：实现材料备件来料预告、入库、盘存、领料和出库全流程的智能仓储管理，通过条码实现了材料备件的批次管理和生命周期管理。

2.6 智能工厂建设中的“智能”应用

智能化工厂的建设离不开“智能”应用，结合贵冶目前的现状和类似行业的智能化项目实施经验，本项目智能化建设内容如下：

（1）智能协同调度优化管理。根据熔炼车间三大炉的生产实绩和生产组织协同调度流程，建立熔炼车间的三大炉的智能协同调度优化系统，构建三大炉作业时序的优化控制模型，实现前后工序的生产操作预测和预报，减少待料等料时间，提高铜酸协同的及时性、准确性。

（2）配料优化计算系统。主要根据混合矿各元素的最优比例，贵冶实际的精矿库存使用策略，配料稳定运行周期构建约束模型。导入每种精矿的成分和数量，使用线性回归算法计算出最接近约束模型的极限结果，确定最终的配料单。同时系统具备自学习和优化调整能力。

（3）转炉捅风眼机器人应用。为降低风眼清理人员的劳动强度，提高转炉的生产效率，研发转炉风眼清扫自动控制系统，根据现场炉况参数的监测和采集与风眼部件的检测数据，构成转炉风眼状态的分析模型，指令控制捅风眼机器人进行周期的风眼清理工作。

（4）转炉造渣、造铜期终点预报应用。建立转炉烟气成分分析和温度预测模型，结合贵冶转炉的生产特点和操作经验，进行该预测模型的修正和调整，希望能通过此模型的计算和仿真，为现场操作人员造渣、造铜期的准确判断，提供参考。

（5）设备在线诊断、故障预测专家系统。主要针对贵冶30余台高转速的关键设备，以专业化检测诊断手段替代人工检查，以科学的数据分析替代经验判断，采用先进在线状态监测技术，及时可靠地发现设备运行参数异常，并通过故障预测专家系统及时报警和提出指导性的处理信息，避免非计划停机。

（6）重点设备能效优化。通过对设备能效进行建模，获取设备运行实时参数和设备能效历史相关数据，给出重点设备能效优化方案，实现对重点设备的监控和能效评价分析。

2.7 智能工厂建设的投入产出效益

贵冶项目此次投入约2.5亿元，可以预期的直接经济效益在2500万到3500万之间，基本上都来源于自动化项目和供应链系统。同时项目肯定会带来效率提升、管控能力提高、分析判断水平提高（创新能力），这部分效益的产生，取决于各系统的成功应用和持续优化，需要一定时间和数据积累才能够显现出来。

3 结论

贵冶的智能工厂建设迈出了第一步，一期建设按照《国家智能制造标准体系建设指南（2015年版）》的相关要求，结合铜冶炼行业的特点，在信息集成、互联互通、大数据应用、自动化装备等方面进行了探索，多项技术和装备都是首次在贵冶应用，基本架构起了贵冶的智能工厂框架。从已投入项目的情况看，大部分达到了预期的目标，减员增效的同时对生产的稳定、生产效率的提高以及过程数据的获取起到了重要的作用。成功的项目也起到了内部示范的作用，很多以前敢想但不敢干的工作，通过示范找到了解决办法，二级单位提出了非常多的改造提升需求，积极性很高，为智能工厂下一步建设提供了支撑。不过，一期项目也存在信息系统涵盖范围过宽、顶层设计不完善、行业特性体现不充分等问题，需要在二期项目建设中进行改进。

接下来的工作是用好系统、维护好装备，坚持先固化再优化的原则，把一期建设的效果充分发挥出来。二期建设也明确了基本方向，主要是大数据的深化应用、打造1～2个具有行业代表性的数字化车间、自动化装备的推广应用。不把智能工厂作为一个项目来建设，而是充分同工厂的重点难点问题结合起来，紧盯降本增效的目标分解任务，集合各专业的力量，才能取得更大的成效。