电解铝企业智能制造建设实践

黄克勤，吴海洋，贾德庚

（四川广元中孚公司，四川广元 628000）

四川广元中孚公司为实现业务流程的高度集成化运行和生产过程的可视化管理，以提质增效为核心，通过生产状态监控一体化、生产过程管理一体化，两个建设思路进行数字化工厂系统搭建，提高企业生产的柔性，管理的科学性，从而达到企业经济效益不断提高和企业竞争能力不断增强的目的，广元中孚高精铝材有限公司在工程期间，通过前期智能制造的顶层设计、研究开发、具体实施等环节，形成了一套可具参考价值的建设思路。

1 建设目标

依据工信部《有色金属行业智能冶炼工厂建设指南》，坚持以智能创新为抓手，结合本部设备搬迁前的生产运行经验，通过实施机械化换人、自动化减人、智能化无人，对广元中孚项目生产运行系统进行优化，在保证安全的前提下，实现绿色环保、高效低耗的目标。

2 设原则及框架

2.1 坚持企业主体，战略主导

依据企业整体战略，结合区域特征、工艺装备、兼顾广元中孚项目投产后管理思路，明确企智能制造重点。

2.2 坚持整体规划，分步实施

把握智能制造发展方向，做好顶层设计，结合企业能力和业务需求，分步实施。

2.3 坚持问题导向，因企制宜

以解决企业生产、经营管理的实际问题为出发点，实现关键设备和控制技术的升级、突破，因企制宜地进行智能工厂建设。

2.4 坚持创新引领，数据驱动

利用工业互联网、5G等技术夯实智能制造信息基础设施，建立广元中孚数据中心，基于数据结果优化过程控制，形成迭代学习机制。

图1 集中控制建设框架

3 实现形式：工业物联网

根据车间设备、物流建设搭建一套完整的底层工业物联网系统，实现设备的数据物料数据和其他数据的采集、清洗、传输及存储，为智能工厂系统提供可靠的实时生产关键数据，驱动智能工厂系统运转，实现智能工厂建设。

依据生产工艺流程的特点，首先各个生产模块应分别在各自区域内进行组网，实现区域内的信息互联。由于各部分生产区域的环境布局不同，考虑到所需采集和感知数据的特殊性，各模块之间网络拓扑架构和组网方式需根据各自的实际生产情况进行设计和部署；然后将区域内的网络接入主干网络，因此整个数字化工厂互联平台的网络拓扑结构呈分布式混合型结构，整体架构如图2。

图2 智能工厂工业物联网构架

4 据采集的实施及远期规划

生产数据的采集框架如图3所示，从人、机、料、环方面分析。

图3 电解铝生产控制网

4.1 管控维度

4.1.1 人员数据

工作人员上班、下班打卡（远期：利用WiFi、5G、智能穿戴设备等实现对人员的全程管理）。

4.1.2 设备数据

（1）能源仪表数据：主要包括电解铝设备上的电表、水表、压缩空气，用于计算设备能耗。

（2）设备数据：设备自带的PLC数据、控制系统数据和状态数据等。

（3）第三方系统接口数据：存在于工控机内在线检测系统中的单机检测数据。

（4）远期：利用虚拟现实、数字孪生技术对电解槽、大型电机、空压机等关键设备建立模型，实现设备故障预警、预诊断，最终达到巡检无人化的目的。

4.1.3 物料数据，库存最优

（1）各种原材料批次抽检的结果数据、等级、入库数量、编号及名称等信息。

（2）生产车间材料消耗数据。

（3）物流数据：原铝运输。

（4）远期：依据大数据分析，形成物资需求计划，实现原材料库存最优。

4.1.4 环境数据

主要是废气排放、过程监控情况。

4.2 电解系统

（1）电解槽槽控系统

通过对现有槽控机通讯线路及主控软件改造，实现主控室与电解车间值班室之间数据通讯；最终实现槽控系统远程集中管理，生产数据实时曲线映射。

（2）三温、电流分布检测系统

对电解槽的测温方法和阳极导杆电流检测方法进行研究，结合光纤测温技术和在线电流检测技术，实现电解槽的实时无人测温、测电流分布设计，解决工人每天每槽逐个散热窗人工测温工作，和及时发现电流分布不均衡及时预警。

（3）天车出铝系统

在出铝天车上安装精准出铝控制系统，通过现场终端输入槽号，出铝量。出铝完成后相关数据存储在数据库服务器中，方便生成出铝报表，解决工区出铝报表人工统计问题，为车辆运输系统中车辆实时状态提供数据支持。

（4）设备二维码

在每台电解槽出铝端口处张贴二维码，通过手持终端或者手机扫码使用，最终实现每台电解槽历史数据如：硅、铁含量、出铝量、平均电压等；随后逐步扩展到全厂设备二维码管理系统，目前已在阳极组装系统实施样板车间的打造，将精益管理的思维融入设备二维码管理，实施前后效果如表1所示。

表1 电解系统实施前后效果对比表

4.3 阳极组装系统

（1）成品阳极发送量统计系统

根据电解生产需求及阳极车间的执行情况等信息，生成每班次成品阳极发送日报表，并映射到报表管理系统中。

（2）电解质粉碎料料位检测系统

以现有的电解质破碎系统PLC为基础，将电解质粉碎料料位显示信号映射到集控室，便于电解车间调剂使用。

（3）中频炉报警系统

通过对设备进行升级改造，报警系统具备上传、保存至集控室功能，便于分析设备运行状况。

（4）设备运行参数监控系统

以车间现有的PLC控制网为基础，将车间主要设备的运行参数及报警信息映射至集控室，如除尘器、压脱机、浇注机等。最终实现设备油温、油压、电流、颗粒物排放数值等数据的实时监控。

（5）激光在线导杆清理机

拟增加一台激光在线导杆清理机，提高导杆清理工作效率及清理质量。

4.4 净化、脱硫系统

（1）供料系统

以供料系统控制方式为基础，通过网络传输映射到集控室，便于监控供料系统运行的实时数据，如料仓料位、斗式提升机运行参数、空气提升机运行参数、粉碎料料仓料位等。

（2）送料系统

以送料系统控制方式为基础，通过网络传输映射到集控室，便于监控送料系统运行的实时数据，如风机震动、轴间温度、电流及料仓料位等。

（3）脱氟、除尘系统运行监控

以脱氟系统PLC控制网为基础，通过网络传输映射到集控室，便于监控脱氟系统运行信息的实时数据，如风量、风压、负压、烟温、压差、进料等。

（4）脱硫系统运行监控

以脱硫系统PLC控制网为基础，通过网络传输映射到集控室，便于监控脱硫系统运行信息的实时数据，如pH值、液位高度、料仓料位、进出口信息等效果对比如表2所示。

表2 净化、脱硫无人值守系统对比表

4.5 供电系统

（1）综保系统

依据设计院的设计，最终在集控室能够实现对整流机组、整流柜、高压柜、干式变等供电设备的遥控、遥信、遥调等。

藤尾不喜欢在父亲指定婚姻对象。她认为宗近是游手好闲粗俗之人。在文中的几处表现了藤尾的厌恶情绪。比如，夏目漱石在文中说“真讨厌…那样乏去的人”，厌恶之情溢于言表。总之，宗近无法满足藤尾的愿望。要说为什么，两个人的性格和处理事情的方法完全不一致。即使两人结婚，也只会加快藤尾的死亡。

（2）循环水系统

通过对整流循环水系统的阀门、控制系统等升级改造，最终在集控室实现循坏水系统的无人值守、远程启停控制，并且可以监控水温、水压、流量的实时数据。

（3）低压信息数据测量

通过对车间级低压供电计量设备进行升级改造，能耗数据上传至服务器，便于分析能耗情况，完善管理标准、细化管理单元。

4.6 公共设备

（1）空压机、余热利用、冷干机系统

因空压机等设备陈旧，其中3台螺杆式空压机生产于2002年左右，控制技术落后，不具备自动化控制的最低要求，需要改造并新增一套统一的自动化控制平台，最终集控室实现对空压机无人值守、远程启停功能，可实现空压机、冷干机、配套余热回收机组、空压机冷却用水泵的数据监控如：压力、流量、温度、震动等数据的实时信息。

（2）综合循环水

通过对综合循环水的仪表、控制部分进行改造，与加压泵站系统建立一个统一控制的自动化平台，最终集控室实现无人值守及远程启停功能。并可实现综合循环水数据监控如：压力、流量、温度、震动等数据的实时信息。

（3）加压泵站

通过对加压泵站的仪表、控制部分进行改造，与综合循环水系统建立一个统一控制的自动化平台，最终集控室实现无人值守及远程启停功能。并可实现加压泵站数据监控如：压力、流量、温度、震动等数据的实时信息。

以上三套系统的运行信息经过集中后共同送至集控室进行集中运行监控，优势如表3所示：

表3 公辅系统集中控制优势对比

4.7 质检、计量系统

（1）在线化验—数据不落地

通过设备数据采集，可自动获取检验设备的检验数据并向系统提交。最终实现化验数据实时上传至服务器，送检单位可以在电脑端、移动终端及报表管理系统中查看化验结果。

（2）计量系统

对厂区内的地磅、吊钩磅等称重计量系统进行升级，打造统一计量平台，共享数据，最终实现车辆计量无人值守、自主计量，远程实时数据查询、计量票据自动打印、称重数据可接入数据中心，参与上下游的各项工艺管控如表4所示：

表4 计量系统无人值守对比

4.8 安防系统

（1）门禁、安全提示系统

第一类为员工进出入厂区、车间，实行生物识别技术，扫描面部、指纹等方式开门进入厂区、车间，并上传至服务器与考勤制度合并，调取方便。大门处配备对讲装置，另在危险区域、大门、对非本单位以外人员施行管控。

第二类为车辆进入厂区，实行车牌识别技术，对车辆进出入进行管控，门岗实现对讲、重点区域实现语音、激光镭射提醒等。

（2）监控系统

监控系统的建设整体遵循安防、计量两大原则，在厂区内主要设备区域、生产区域、道路、大门等部位安装，达到全厂区域内监控无死角，因数量较多，依据建设原则分两个阶段实施如图4所示。

图4 安防监控系统分布

第一阶段为厂区安防、无人值守区域优先安装。

第二阶段厂区道路、车间设备区域。

4.9 仓储管理系统

构建数字化仓库，需要对仓库内所有的人员、物料及货架进行编码，并根据编码完成其出入库的记录。

（1）入库数据采集

根据货物信息，系统提供输入界面，在输入信息完成后自动生成二维码，并将二维码粘贴到入库的货物包装上。

（2）出库数据采集

原材料出库时，采用手持机扫描货物二维码跳转到出库登记界面，填写对应出库信息，如出库备件名称、编号、功能、使用设备、出库人员等数据。

（3）盘点数据采集

采用手持机的方式通过逐一扫描仓库货物的二维码编号完成货物的清点。

（4）出入库单数据采集

和其他系统对接，导入数据；或者提供录入界面填写数据。

4.10 生产调度系统（原铝）

车辆调度数据采集主要是对车辆的状态、位置等基础数据进行数据采集，实现车辆的监测和跟踪。

（1）车辆状态数据采集

在车辆上添加数据采集模块采集车辆的状态，并进行回传。

（2）位置数据采集

在厂区内设置多个打卡签到的方式，进行车辆监测，到车辆到达打卡点时自动完成打卡；厂区外采用GPS的方式完成位置信息采集。

（3）打卡数据采集

在厂区内设置读卡设备，并在车辆上安装识别卡，完成到点的打卡签到。

（4）可视化

调度室内安装电子看板，实时的显示所有车辆的位置、状态、运输车辆以及生产车间需求情况等数据。

5 远景规划

数字孪生技术得到推广应用，集中控制系统具备迭代学习的能力，可以利用大数据形成决策，不断改进算法，从中频炉、空压机、排烟风机、变压器等中型设备入手，建立孪生模型，提前预判电解槽、等大型设备的运行趋势，及早采取措施，防止故障发生，远期在电解槽上实现孪生技术的应用，彻底改观电解铝企业的生产现在，从降低电耗、减少原材料消耗、减少人员参与、提供能效利用率等方面为碳中和、碳达峰做出贡献。