铝电解制造执行系统现状及发展趋势

宫会彬，白 锐，马恩杰

铝电解制造执行系统现状及发展趋势

宫会彬1，白 锐1，马恩杰2

（1.辽宁工业大学 电气工程学院，辽宁 锦州 121001; 2.沈阳铝镁设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110001）

制造执行系统在铝电解企业的综合自动化三层体系结构中扮演着不可或缺的角色，起着承上启下的作用。本文首先简单介绍了目前的铝电解企业生产流程与底层控制系统情况，然后论述了国内外铝电解制造执行系统研究和应用现状，最后结合铝电解企业现状和需求对铝电解制造执行系统的发展趋势进行展望。

制造执行系统；铝电解；综合自动化；智能制造

铝作为仅次于钢铁的第二大金属，广泛应用在运输、包装、建筑、电器、医药等领域[1]。由于科学技术的迅猛发展，新理论、新工艺、新技术的不断涌现，因此极大促进了铝电解企业的生产技术和工艺的现代化[2]。现阶段铝电解厂主要包括阳极组装、铝电解和铝锭铸造等生产流程，利用底层控制系统基本实现了关键步骤的自动化生产[3]。

制造执行系统（manufacturing execution system，MES）的概念最早由美国AMR公司在90年代初提出的[4]。经过多年的研究与发展，在许多行业得到了广泛应用，产生了巨大的应用效果与经济效益。制造执行系统（MES）作为工业综合自动化三层体系结构中的执行层，处于企业资源计划层（ERP）与控制层（PCS）之间，是企业资源计划系统和设备控制系统之间的桥梁和纽带[5]，图1所示为工业综合自动化三层体系结构图。

因此在铝电解厂底层控制系统的基础上，建立制造执行系统，能够对底层控制系统数据和车间生产数据的集成与利用，对上层企业资源计划管理信息的接收与反馈，有利于解决铝电解厂的信息孤岛，信息断层，信息增值等问题，实现将生产中的关键指标优化设定以及转化为底层控制系统命令和参数，最终为实现铝电解企业的优化生产以及智能生产奠定基础。

图1 工业综合自动化三层体系结构图

本文先对铝电解企业的车间生产及控制情况进行简单介绍，然后对铝电解制造执行系统的国内外研究和应用现状进行论述，最后对铝电解制造执行系统发展趋势进行展望。

1 铝电解生产及控制

在铝电解工艺和生产技术不断提升的趋势下，铝电解厂各个车间生产的自动化和信息化程度也不断提高，利用底层控制系统，基本能够实现各个车间生产的自动化与实时监控，下面将从铝电解厂生产流程情况与底层控制系统情况进行简单介绍。

1.1 铝电解厂车间生产流程

铝电解厂主要包括整流所、电解车间、阳极制造车间、阳极组装车间、氧化铝仓库、烟气净化车间、空压站、铸造车间等。电解车间由多个工区组成，电解槽分布在每个工区中。如图2所示为铝电解厂生产流程图。

图2 铝电解厂生产流程图

变电整流所将电厂的高压电分别经过动力变压器和整流机组后提供给铝电解厂各个车间。其中电解车间是整个铝电解厂的核心，负责生产出铝液；铸造车间是将铝液经过若干工序铸造成铝锭；空压站负责为铝电解厂提供气源，用于浓相输送系统以及添加氧化铝的打壳等过程；烟气净化系统主要负责将电解产生的有害气体进行净化；阳极制造车间和阳极组装车间负责提供用于铝电解所需的阳极；氧化铝仓库负责为烟气净化系统和电解车间提供氧化铝。

1.2 铝电解厂车间底层控制系统

铝电解厂的各个车间的底层控制系统一般采用由直接控制级和过程监控级构成的两级网络结构[1]，直接控制级由控制器、执行器、传感器等构成，对现场生产起直接控制作用，过程监控级一般通过计算机利用组态软件对现场设备参数及生产线上的生产状态进行实时监控。

在电解车间的控制系统当中主要由槽控系统组成，每台电解槽由一台槽控机控制，在槽控机的控制下进行电化学反应，采用了先进的控制方法，可以实现阳极的升降、氧化铝浓度控制、槽电阻控制、氟化铝添加控制等功能。整流所、烟气净化车间、空压站、阳极制造车间、阳极组装车间、铸造车间中的控制系统大都采用PLC为控制器对车间中的各个设备进行控制，在这些车间中由于某些工艺步骤要求控制电流、温度、压力等变量为恒定值，大都采用了PID闭环的控制方法或其他先进控制策略，例如整流所输出的电流要求为电流值恒定的直流电，因此对电流值进行了PID闭环控制；烟气净化车间和空压站对气压有要求，为此采用了PID控制方法；阳极制造车间和铸造车间由于对温度值控制要求较高，因此采用了模糊控制等方法对温度进行控制[6-10]。

综上所述，铝电解厂在底层控制系统的控制下基本实现了车间级生产的自动化，下一步应该在此基础上建立制造执行系统，进一步提升铝电解企业的自动化与信息化水平。

2 铝电解制造执行系统现状

2.1 国内铝电解制造执行系统现状

近年来，国内铝电解企业在自动化和信息化方面取得了很大的进步，一些铝电解企业也应用了信息管理系统，大多数只针对铝电解企业个别业务，例如设备管理系统，质量管理系统等。对于铝电解制造执行系统的研究还处于初期阶段。

数据的采集与集成作为制造执行系统的支撑部分，针对铝电解企业的数据采集与集成也是主要的研究方向。李松严等人针对铝冶炼企业中的电子计量检斤、化验分析、生产调度及生产工艺等数据的采集方法和系统集成方法进行了研究，并提出了与制造执行系统（MES）的集成方法，并成功应用于生产，实现了铝电解生产降本增效的目的[11]。陈万宏对铝电解企业制造执行系统的数据进行了分类，并分析了每一类数据的元数据和配置数据，介绍了数据流向，并提出了铝电解制造执行系统数据集成模型，实现了数据的全面管理和有效集成[12]。

电解生产管理、设备管理、能源管理等功能模块是组成铝电解制造执行系统的必要系统模块。王敏等人主要针对冶炼企业车间中制造执行系统的生产管理模块进行设计，采用了B/S与C/S结合的三层系统架构（表现层、应用逻辑层、数据服务层），最终在企业中成功实施[13]。卫相如为解决在电解铝企业中传统设备管理中存在设备维护不标准、不及时、以经验进行判断等问题，主要从自主维护、预防性维修、故障管理方面入手，建立了设备管理信息系统，具有客户端和移动端两种模式，实现了设备的科学管理和数据共享[14]。武惠杰首先对某电解铝厂能耗进行分析，然后介绍了电能的计量现状，最后以数据采集、设计能源输配及平衡控制方法、建立能源成本管理平台、与制造执行系统进行集成的基本技术路线开发了电解铝厂能源管理系统[15]。

国内的某些大型铝电解企业已经采用了功能模块较为全面的制造执行系统，但功能主要是数据录入和报表打印。梁蓓等人针对青海某铝电解企业的现状进行了需求分析，设计并开发了具有数据采集层、数据管理层，生产管理层功能的铝电解制造执行系统，覆盖了电解铝厂主要生产工艺流程以及其他相关辅助工艺流程，实现了控制系统和管理信息系统的一体化集成，为该企业提高了生产效率[16]。穆衍清等人首先分析了铝电解行业特点，然后在此基础上针对西南某电解铝企业需求，设计了制造执行系统架构，在数据传输方面集成了多种数据传输协议，实现了铝电解企业的计划管理、订单管理、生产管理、仓库管理、设备管理等12个功能[17]。

生产调度算法和策略作为铝电解制造执行系统的关键，也是未来的主要研究方向。彭频等人首先对铝企业的生产调度系统特征进行了分析，然后论述了生产调度优化目标和约束条件，最后提出了铝企业制造执行系统的功能结构并对生产调度的建模、求解和工程应用进行了探讨，但并没有进行具体的研究[18]。

2.2 国外铝电解制造执行系统现状

在国外研发铝电解制造执行系统有法国的KEOPS和加拿大的Rio Tinto Alcan等公司，其技术也相对成熟，已经在国外铝电解企业被广泛推广和应用。

KEOPS公司研发的铝电解制造执行系统，在对铝液从电解车间到铸造车间的调度和运输问题上时，采用了高级的调度算法，有效的解决了铝液从电解车间到铸造车间由于铝液氧化和冷却造成损失的问题[19]。Rio Tinto Alcan公司研发的MESALTM铝生产制造执行系统采用了面向服务的架构，集成多种数据分析工具，能够根据生产数据信息快速响应，有效的推动工厂运营，并且采用灵活的模块化设计能够快速及时的在工厂进行部署[20]。

生产调度与决策作为制造执行系统中的核心，也是国外的研究热点。Nishi T等人提出了一种生产调度与配送计划集成优化的分布式决策系统，该系统由若干子系统组成，通过使用增广拉格朗日分解和协调技术分解问题而获得目标函数，所提出的方法适用于铝生产计划和调度。通过在物料资源计划中重复局部优化，并为每个生产过程的调度子系统，同时优化决策变量，如原材料到货日期，批量，生产计划和仓库产品分配等[21]。Ugarte B S D等人提出了通用的制造执行架构以及实时离散事件模拟模型集成的遗传算法，能够解决在铝铸造等过程的调度优化问题，为生产目标提供实时决策支持，同时给出了在铝电解制造执行系统的应用案例[22]。

3 铝电解制造执行系统发展趋势

相对于国外，国内对于铝电解制造执行系统的应用和研究还主要集中在车间生产等数据的集成与展示，基本解决了信息孤岛与信息断层问题，但对于信息增值问题还处于初级研究阶段，如何进一步有效的利用现有数据信息，实现对铝电解生产的智能优化决策与控制是亟待解决的问题。

现结合铝电解企业的现状和需求，对未来铝电解制造执行系统的发展趋势进行展望。

（1）全面信息集成。目前铝电解企业的制造执行系统只集成了本企业的质量，物流，能耗，过程控制等信息，但缺乏对铝电解生产更加全面的信息集成，例如包括对工艺设计，施工质量以及相关设备等信息的集成，因为一个铝电解企业即使处于正常运行阶段，但这些信息仍然对铝电解厂的生产运行具有重要意义。

（2）云端化。随着原铝产能的不断释放，竞争加剧，铝工业组织结构呈现出集团化的发展趋势，一家集团公司在全国各地分布多个铝电解分厂。按传统的制造执行系统搭建方法，不仅存在着软硬件重复投资的弊端，而且后期的维护管理也需要持续的资金投入。为此应充分利用云技术，以集团或地域为单位，建立铝电解制造执行系统云平台，在此云平台上集成多个铝电解分厂的制造执行系统[23]。

（3）智能化。目前在铝电解企业中应用的制造执行系统，其功能大都是数据集成与报表显示，例如对车间生产、化验分析、计量检斤以及底层控制系统等数据的集成与展示。在生产过程中的车辆调度、生产计划、铝液配比、槽况分析等关键信息一般由铝厂专业人员根据经验或人工计算确定。为了避免人为制定的不确定性，减少人为干预，增加铝电解企业的智能化程度，可采用智能优化算法或专家系统等方法来确定[24-26]。

4 结束语

随着《中国制造2025》战略的提出，我国大力推进工业化和信息化的深度融合，推进智能工厂的建设，制造执行系统是工业综合自动化三层体系架构下的重要组成部分，同时也是实现智能制造的重要手段，铝电解行业正面临着转型升级，在此趋势下充分利用前沿的智能化、信息化技术和优化手段，对铝电解制造执行系统进行研究，对于实现铝电解企业的优化生产以及智能生产具有重要意义。

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Present Situation and Development Trend of Aluminum Electrolytic Manufacturing Execution System

GONG Hui-bin1, BAI Rui1, MA En-jie2

（1. School of Electrical Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China；2. Shenyang Aluminum and Magnesium Engineering and Research Institute Co., Ltd., Shenyang, 110001, China）

The manufacturing execution system plays an indispensable role in the comprehensive automation three-tier architecture of aluminum electrolysis enterprises, and plays an important role in connecting the above and the following parts. In this paper, the production process and bottom control system of aluminum electrolysis enterprises are briefly introduced, and then the research and application status of aluminum electrolysis manufacturing execution system at home and abroad are discussed. finally, the development trend of aluminum electrolysis manufacturing execution system is prospected according to the present situation and demand of aluminum electrolysis enterprises.

manufacturing execution system; aluminum electrolysis; integrated automation; intelligent manufacturing

TP29

A

1674-3261(2020)02-0104-04

10.15916/j.issn1674-3261.2020.02.009

2019-07-22

宫会彬(1993-)，男，辽宁铁岭人，硕士生。

白 锐(1976-)，男，辽宁锦州人，教授，博士。

责任编校：刘亚兵