智慧水泥工厂生产管控平台建设思路

2020-05-11谷建可苏州中材建设有限公司江苏昆山215300

水泥工程 2020年6期

谷建可（苏州中材建设有限公司，江苏昆山 215300）

0 前言

目前，随着国家智能制造的提出，现代物联网信息技术、先进智能控制技术、大数据分析技术等新兴技术的快速发展，两化融合建设的不断深入，智能制造已经成为中国制造业升级转型的主攻方向。各工业企业也都积极投身于智能制造的探索与实践中。本着智能制造，标准先行的原则，工信部制定了《智能制造标准体系指南》，为工厂智能制造体系的建设做了大量的标准化工作。

随着水泥企业产量的不断提高，新技术的研发与应用也在快速进步，人员素质普遍提高，很多水泥企业已经进入了现代工厂智能化发展的新阶段。在新技术和新市场的环境要求下，如何利用现代信息技术和智能控制技术，节能减排，提质增效，加强管理整个生产过程信息数据，随时随地掌握生产线生产状态，实时监控设备运行状态，及时正确地采集生产线能耗数据，提高生产过程的可控性，减少生产过程人工的干预，清楚掌握和控制物流运输过程，以及提高企业产品质量，是当前多数水泥企业急需解决的问题。

1 智慧水泥工厂生产管控平台建设思路

智慧水泥工厂的建设区别于传统的信息系统建设，不能单纯考虑某一方面的业务需求，必须结合企业整体实际情况，从管理制度到技术实现，从管理平台到专项技术，从原料采购到水泥生产、销售，打通各个环节，形成企业的物联网平台，大数据平台，工业互联网平台，从而对生产线智能管控进行优化完善，以达到企业节能降耗、设备稳定运行、提质增效和管理精细化的目的。

（1）建设企业物联网，实现智能制造。建成智能化水泥工厂相关的物联网系统，推进智能传感技术和完整连贯的数据构建与应用，实现工厂的自主监控与预警、总体掌控从产品订单到物料消耗、生产制造、生产管理全过程，实现智能、高效生产管理。

（2）建设企业级工业互联网，实现网络化、智能化管理。除了做好常规信息系统（ERP,SCM,CRM等）应用外，更要注重各子系统的集成和数据挖掘、降低企业运营成本。构建标准化和规范化的集团管控模式，应用共同的技术接口和标准，实现集团内部工业互联网的应用，提高集团管理效率。

（3）充分挖掘数据资源，实现由IT向DT转变。在DT时代，数据将成为企业的核心资源，它将与传统生产技术、业务流程、组织架构相互影响、相互作用。通过对数据的深入应用，实现信息化的“价值”，帮助企业业务创新、管理创新、战略优化。

智慧工厂是现代工厂信息化发展的新阶段，为上述急需解决的难题提供一个新思路和新契机。智慧工厂的建立也是一个长期的、逐步完善的过程，需要本着“整体规划，分步实施，注重实效”的原则进行。针对每个企业当前整体运行情况、信息化系统构成及现有人员素质，综合评估企业当前的市场、资金、设备、人员等各方面资源状况，在具有一定前瞻性的前提下，制定每个企业智慧工厂的实施模式和实施计划，通过考察、筛选合适的子功能、子系统，成熟一块，实施一块，最终将企业建设成为一个数字化、网络化、智能化的智慧工厂。

2 智慧水泥工厂生产管控平台建设整体规划

智慧水泥工厂的建设要不断挖掘企业现有信息系统的功能，结合企业自身实际管理需求，与企业一起提出新需求、新思路，让企业的管理再上一个台阶，真正实现智慧工厂的核心目标：对整体运行状况实时感知、智能控制、决策优化。

智慧水泥工厂平台信息化建设基于物联网的框架进行构建，充分利用工业互联网、大数据分析等技术，通过底层数据的信息化获取，整合分析，解决生产运行过程中的实时数据采集、传输、存储、分析、展现等问题，建立一个可扩展、持续升级、移动化、智能化的整体平台。整个建设过程可分为三步走：

（1）智能采集，结合企业自身发展情况，对原有设备采用智能装备升级改造，完成底层信息的自动获取、传递，如智能传感、视频感知、机器识别、智能检测等，实现工厂的自感知，同时利用物联网技术实现数据的互通互联；

（2）平台整合，建立基于生产、设备、能源、质量、财务、人事、供销等的企业全流程的智能化平台建设，通过标准接口实现不同子系统的信息整合，打通水泥企业的业务流程，消除信息孤岛，保证数据的准确性、唯一性、时效要求，为人工智能及大数据分析创造条件；

（3）智能决策，在平台整合分析的基础上，形成对企业上到发展战略、下到工艺设置的BI决策，用数据说话，以结论引导，完成企业的整体智慧化建设。

3 智慧水泥工厂生产管控平台建设标准依据

智慧水泥工厂生产管控平台建设标准依据有《国家智能制造标准体系建设指南（2018年版）》、《全智能化水泥工厂设计达标标准》。分为基础共性标准和关键技术标准。基础共性标准用于统一智能制造相关概念，解决智能制造基础共性关键问题，包括通用、安全、可靠性、检测、评价等五个部分。关键技术标准主要包括智能装备、智能工厂、智能服务、智能赋能技术和工业网络等五个部分，如下：

（1）智能装备标准。主要包括识别与传感、人机交互系统、控制系统、增材制造、工业机器人、数控机床及设备、智能工艺装备等七个部分，其中重点是识别与传感、控制系统和工业机器人标准。主要规定智能传感器、自动识别系统、工业机器人等智能装备的信息模型、数据字典、通信协议、接口、集成和互联互通、优化等技术要求，解决智能生产过程中智能装备之间，以及智能装备与智能化产品、物流系统、检测系统、工业软件、工业云平台之间数据共享和互联互通的问题。

（2）智能工厂标准。主要包括智能工厂设计、建造与交付，智能设计、生产、管理、物流和集成优化等部分，其中重点是智能工厂设计、智能工厂交付、智能生产和集成优化等标准。主要用于规定智能工厂设计、建造和交付等建设过程和工厂内设计、生产、管理、物流及其系统集成等业务活动。针对流程、工具、系统、接口等应满足的要求，确保智能工厂建设过程规范化、系统集成规范化、产品制造过程智能化。

（3）智能服务标准。主要包括大规模个性化定制、运维服务和网络协同制造等三个部分，其中重点是大规模个性化定制标准和运维服务标准。主要用于实现产品与服务的融合、分散化制造资源的有机整合和各自核心竞争力的高度协同，解决了综合利用企业内部和外部的各类资源，提供各类规范、可靠的新型服务的问题。

（4）智能赋能技术标准。主要包括人工智能应用、工业大数据、工业软件、工业云、边缘计算等部分，其中重点是人工智能应用标准和边缘计算标准。主要用于构建智能制造信息技术生态体系，提升制造领域的信息化和智能化水平。

（5）工业网络标准。主要包括体系架构、组网与并联技术和资源管理，其中体系架构包括总体框架、工厂内网络、工厂外网络和网络演进增强技术等；组网与并联技术包括工厂内部不同层级的组网技术，工厂与设计、制造、供应链、用户等产业链各环节之间的互联技术；资源管理包括地址、频谱等，但智能制造中工业网络仅包括工业无线通信和工业有线通信。

依据基础共性标准和关键技术标准，发挥基础共性标准和关键技术标准在行业应用标准制定中的指导和支撑作用，优先制定各行业均有需求的设备互联互通、智能工厂建设指南、数字化车间、数据字典、运维服务等重点标准。在此基础上，发挥各行业特点，制定行业亟需的智能制造相关标准。

4 智慧水泥工厂生产管控平台建设

4.1 业务架构

根据《智能制造标准体系指南》中对智慧工厂在智能装备，智能服务，智能工厂中的具体要求，平台建设以数据采集为基础，以数据平台建设为重点，以智能分析应用为核心，深入结合各级、各专业的业务应用，进行数据治理、汇总、分析、挖掘，建立企业数据平台。平台涉及的主要业务包括生产管理、质量管理、设备管理、能源管理、安全管理、环保管理、生产远程监控等，业务架构见图1。

图1 平台业务架构

智能化水泥工厂平台向上可为ERP等系统提供数据支撑，向下可以集成各个子系统。平台既可以独立存在，也可以与其他的业务子系统进行系统集成。

平台以控制层的数据为基础，通过实时数据库采集智能仪表、DCS、PLC，数据采集单元的原始数据，通过关系数据库整合系统业务逻辑，构建实时数据平台、关系数据平台、非结构化数据平台，并结合不同的业务需求，对数据进行汇总分析。

平台将生产线各个环节的动态和静态数据，利用不同的接口技术进行统一收集，建立厂级中心数据库，包括实时数据平台、关系数据平台、非结构化数据平台，并结合不同的业务需求，对数据进行汇总分析，对功能进行整合，形成一套全面、适用、灵活、可扩展的综合管理平台，为企业智能决策提供真实的数据支撑和可靠依据。

4.2 技术平台

智能化水泥工厂生产管控平台应采用模块化设计，将特定业务目标的小型、可扩展的软件，通过明确定义的标准协议和接口相互通信，提供给相关用户，满足用户不同层次的使用需求。

平台根据业务需求，可将整体软件业务划分为生产管理服务、质量管理服务、设备管理服务、能源管理服务、安全管理服务、环保管理服务、生产远程监控、数据采集服务、配置中心服务、数据中心服务、系统基础服务等11个微服务组件。

系统网关层可采用API网关，实现反向路由、认证安全、限流熔断、日志监控等功能。

数据层采用多种不同类型的数据库：MySQL，NoSql，MongoDB等。

平台应具有消息队列，通过消息解耦，实现数据异步交互、数据压缩、离线和实时数据处理等，技术平台架构见图2。

图2 平台技术架构

4.3 流程支持

平台支持工作流引擎，实现各种工作流程的定义。工作流就是工作流程的计算模型，它将工作流程中的工作前后组织在一起进行逻辑和规则运算，主要解决的是“使在多个参与者之间按照某种预定义的规则传递文档、信息或任务的过程自动进行，从而实现某个预期的业务目标，或者促使此目标的实现”。

工作流引擎作为平台的流程组件，根据角色、分工和条件的不同决定信息传递路由、内容等。

平台提供的工作流配置应简单、易学、好用，支持可视化描述业务流程，可验证模型结构正确性，计算/仿真分析模型性能，支持计算机运行模型的方法。

平台提供的工作流可以图形画面显示流程的处理进度,以取代人工操作中传统且无效率的人力追踪管制。

图3 工作流引擎支持

4.4 平台接口

平台作为整合全部资源的中转站，应支持常见的工业通讯协议：如Modbus通讯协议、RS-232通讯协议、RS-485通讯协议、HART通讯协议、MPI通信、串口通信、PROFIBUS通信、工业以太网等。

软件接口采用服务端与客户端两种模式，可方便实现与ERP系统、DCS、一卡通等第三方系统对接，以当前水泥企业信息化建设情况，主要涉及以下接口：

（1）人力资源服务接口；（2）设备信息查询接口；（3）生产数据查询接口；（4）采购信息查询接口；（5）销售数据查询接口；（6）视频监控服务接口；（7）实时数据服务接口。

4.5 工厂建模

根据工厂真实的建筑尺寸，建立基于2D和3D的虚拟模型，使得平台可帮助员工快速熟悉现场环境、设备位置、工艺流程等，还可以对设备的基本参数进行显示，使运行人员全面、快速、直观的掌握厂内状态。在此基础上，可对设备进行三维建模，形成高精度、等比例的三维模型，实现设备仿真拆卸和仿真检修。

4.6 网络架构

在网络建设方面，根据水泥企业的典型网络结构组成：管理网，生产网，工业总线网，平台部署在企业管理网，考虑到部分企业对集团化办公的需求，平台还应支持基于云的部署方式。为方便用户使用，系统能够为应用服务器提供一个可供外网访问的地址，以便移动APP使用；设备管理模块移动端通过4G网与平台进行任务交互；能源管理模块自行组网，进行电能数据的采集；平台需要与DCS系统以OPC方式进行数据的同步，为保证DCS系统的稳定，通讯过程需安装单向隔离网闸，确保DCS的独立性和安全性。