【典型案例】氧化铝智能优化制造总体构架
2023-07-17 来源：轻金属
氧化铝工业是传统流程工业，我国氧化铝产能在2004年后迅速增长。随着产量的迅速增加，氧化铝价格疲软振荡，人工成本增长，矿石及能源价格的上升，氧化铝行业利润率锐减，单体技术进步不足以支撑氧化铝工业健康可持续发展。今后氧化铝行业基本上将长期处于产能过剩状态，氧化铝企业间生产成本的竞争将进一步加剧，成本处于过剩区域的生产企业将面临退出市场的惨不忍睹局面。开发和应用氧化铝智能优化制造系统对氧化铝生产成本的降低、控制水平的提升和操作环境的改善具有重要意义。
１氧化铝自控现状和存在的问题
与钢铁、石油和化工等行业相比，信息化和自动化在氧化铝行业应用层次不深、范围有限。我国氧化铝厂的过程控制应用起步较晚，直至八十年代中后期生产参数的自动检测和自动控制才开始在我国氧化铝生产中逐渐采用。在过程控制方面，重点开展了新型检测仪表的应用和氧化铝生产主要工序的ＤＣＳ控制。氧化铝过程控制系统普遍采用分布式控制系统ＤＣＳ，ＤＣＳ能够实现所有基础回路的单回路控制。氧化铝生产控制具有多变量强耦合，物流关联性强、约束条件多等特点，各工序间相互影响，相互关联，某一工序发生故障，往往会波及到整个生产过程的正常运行。目前氧化铝控制存在的主要问题如下：
（１）生产指标控制依靠取样分析，造成反馈严重滞后，信息反馈和控制严重滞后，设备不能高效运行，生产技术指标波动大。
（２）目前氧化铝生产系统中除设备、系统保护设置了联锁控制外，生产过程控制基本为操作人员根据经验或操作数据进行就地或远程手动控制，生产效率和自动化水平较低。
（３）尽管近年来国内也相继投入了一些生产过程ＤＣＳ系统，但是尚处于起步阶段，对于生产过程特别是工艺指标未能实现过程优化。国内氧化铝厂ＤＣＳ目前基本上处于对局部工序、个别生产设备进行过程连锁控制的水平，没有实现生产过程多变量控制。加上氧化铝生产过程工艺比较复杂、没有建立起完善的数学模型、一次检测手段比较落后等原因，ＤＣＳ各回路的设定值多依靠经验由人工设定，没有实现工艺指标与经济指标的优化控制。
（４）面对原燃料和氧化铝市场价格的变化，氧化铝企业不能根据这些变化对生产的组织和技术指标进行智能决策和自动调整。
（５）自控硬件投入和自控仪表检测水平处于较低水平。
（６）数据信息孤岛，管理、采购、生产和销售数据存在偏差，不能发挥优化管理的作用。
２氧化铝智能优化制造目标
氧化铝智能制造系统的总体目标是实现氧化铝厂效益最大化和提高劳动生产率，保证氧化铝生产工艺过程稳产、优质、低耗。对氧化铝生产过程实现基础控制、稳定控制和优化控制，使整个氧化铝生产线长期处于优化运行状态，优化控制产量、质量、成本等生产指标，实现氧化铝厂总体利润最大化。通过应用多媒体计算机监视、运行设备的计算机监测，最终达到改善操作人员作业环境、降低生产操作人员劳动强度，从而实现文明生产。充分利用大数据、云计算、互联网、虚拟制造、智能技术和知识工作自动化等新思想与新技术，通过工业化与信息化深度融合，推进氧化铝工业智能制造，实现中国氧化铝工业生产工艺优化和生产全流程的整体优化、实现高效化与绿色化。
３氧化铝智能优化制造系统构架
基于氧化铝智能优化制造的目标，结合氧化铝生产和自动控制现状，笔者提出氧化铝智能优化制造系统构架，如图１所示。
图 １ 氧化铝智能优化制造系统构架图
（１）采用“３＋２”构架，将传统的ＥＲＰ层、ＭＥＳ层和ＰＣＳ层通过企业大数据中心联通，打破数据和信息孤岛。
（２）集团和企业ＥＲＰ系统与ＭＥＳ和现场ＰＣＳ控制层高度集成。建立工厂内部互联互通网络架构，实现工艺、生产、检验、物流等各环节之间，以及数据采集系统和监控系统、制造执行系统（ＭＥＳ）与企业资源计划系统（ＥＲＰ）的高效协同与集成，建立全生命周期数据统一平台。
（３）开发基于智能决策的氧化铝智能管控系统，将传统的ＭＥＳ升级为智能ＭＥＳ，生产计划、调度均建立模型，实现生产模型化分析决策、过程量化管理、成本和质量动态跟踪以及从原材料到产成品的一体化协同优化。建立企业资源计划系统（ＥＲＰ），实现企业经营、管理和决策的智能优化。
（４）在线检测仪器准确稳定的前提下，以企业效益最大化为目标，依靠云计算平台和大数据等先进手段，开发氧化铝生产先进控制模型，生产环节实现基于模型的先进控制和在线优化。
（５）采用和开发适合氧化铝生产环境的在线检测仪器和智能装备，降低操作人员劳动强度和改善工作环境，提高劳动生产率。
４主要功能
氧化铝智能优化制造系统既包括传统氧化铝ＭＥＳ的全部内容，又需要根据智能优化制造目标开发新的模块，氧化铝智能优化制造系统主要模块功能如下：
（１）氧化铝工序级智能优化控制系统根据氧化铝不同生产工序的生产和控制现状，在生产数据策略精准的前提下，采用不同的策略，实现氧化铝各生产工序的智能优化控制，各区域间实现协同控制。针对氧化铝生产条件波动大、关键工艺参数难以在线检测、能耗物耗巨大的特点，需要研究以生产过程高效、企业利润最大为目标的氧化铝生产过程智能优化控制技术，达到综合生产指标的优化控制，实现氧化铝生产流程的优化控制。
（２）智能决策系统利用氧化铝企业内及互联网大数据平台、模型和知识，通过反馈、预报、补偿等控制思想与优化相结合，在全流程整体优化决策系统及关键技术开展工作，为实现氧化铝企业全流程集成优化决策提供系统支持。本系统能够实现辅助企业决策者动态感知、处理、分析内外部大数据，利用不同领域不同层次的关联知识，快速制定企业的优化决策，动态响应原料、市场、库存及工况的变化，提高企业管理水平和竞争能力。
（３）生产设备全生命周期管理系统设备管理包括设备档案管理、设备异常管理等信息管理模块，通过这些模块实现设备数据共享，增强设备台帐信息的全面性、时效性，让管理者能够随时掌握设备分布、状态和使用情况。同时，通过数据级的系统信息集成，采集设备状态自动监控的运行和异常数据，动态掌握设备状况，及时安排故障处理，有效避免设备故障对生产的影响。对设备运行状态、点检、状态检测、检验、保养维修、事故故障、技术改造等进行全过程控制与管理，能够有计划、有针对性的提示用户开展设备点检、状态检测、检验、检定、保养、维修、润滑工作，并实现设备的更新改造及大修项目的工作计划、备品备件安排的动态管理。除了完成上述设备管理工作，还需要从日益增长的海量氧化铝过程数据中挖掘有价值的信息，实现设备全生命周期的健康检测诊断是提高企业综合竞争力的重要物质保障。因此，构建一个能够存储、管理和分析氧化铝生产过程中相关的海量数据，并提供基于大数据的设备健康检测和生产故障检测平台，最大化挖掘工业生产中累积的数据中所隐含的设备健康状况信息、生产过程故障信息等，是实现氧化铝全流程的智能化生产的关键环节。
（４）能源计量与管理系统能源计量与管理系统能够对多种能源介质实施统一管理和优化调度，通过对水、电、压缩空气、蒸汽、燃气等有关能源介质的用量实时监控，进而完成能源的优化调度和管理，深度挖掘系统节能潜能。能源计量是节约用能、合理用能、控制能源消耗、降低生产成本的基础。在能源使用全过程的各个环节上安装能源计量仪表，对每个生产流程的各种能源消耗进行统计。为能源管理提供科学、准确、有力的数据基础。能源管理的主要目的是向企业能源管理人员提供信息和工具，使管理人员能够通过能源流动管理以最为有效的方式降低成本。能源管理对生产过程能源生产、能源供应、能源消耗进行实时监控与管理，通过自动采集或人工录入的能源数据，对生产过程的能源消耗量和单耗量进行统计和分析，编制各种能源报表分析曲线等直观图形。能源管理系统的重点在于能源管理软件的开发，根据企业的要求和企业运行情况为企业开发能源计划管理、能源经济调度管理、能源过程管理、能源质量管理、能源计量管理、能耗数据统计分析、能源指标绩效管理考核、能源成本结算管理等管理软件。
（５）智能生产数据应用系统由于氧化铝生产过程为动态过程，数据来源众多，采样频率高，数据采集设备种类多，接口复杂，特别是随着物联网技术在氧化铝行业的广泛应用，使得氧化铝工业大数据的规模增长迅速。此外，其数据还具有典型的时序性、流程关联性、模态多样性和质量低劣性等特点，给现场实时数据采集与存储带来了巨大挑战。智能生产数据应用系统主要对生产运行全流程信息进行统计，编制生产报告和各种统计报表，供企业领导、管理部门、生产岗位查询和分析生产运营情况，为优化组织生产和生产调度指挥提供依据。可进行日、周、旬、月、年生产统计，统计结果数据可根据需要显示为直方图、折线图、饼形图、历史曲线图等。利用企业内部大数据和互联网行业相关大数据，辅助企业决策者动态感知、处理、分析内外部大数据，利用不同领域不同层次的关联知识，快速制定企业的优化决策，动态响应原料、市场、库存及工况的变化，提高企业竞争能力。
（６）智能视频监控及智能巡检系统针对氧化铝生产企业仍然采用人工巡检生产线，且无法实现与自动化系统协同的问题，开发应用关键环节的视频监控影像信息系统，对工艺生产进行辅助监控、生产状态分析、主动预警，实现氧化铝生产线的全自动、全天候、实时视频监控智能监控。智能视频监控及智能巡检系统可采用定点安装区域扫描摄像头、智能地面巡检机器人以及应用智能空中巡检无人机技术。利用影像技术、计算机技术、机器人和无人机、网络通信技术、视频传输技术、数据分析系统、图像识别、模式识别、机器学习技术、云存储和云计算技术实现智能视频监控和智能巡检。本系统可以实现海量视频数据的动态、实时、主动监控。对来自监控摄像头、智能巡检机器人或巡检无人机的视频数据，进行解码预处理然后通过智能化图像识别处理技术，将摄像头场景中的背景和目标进行分离，进而分析并追踪目标，对各种生产数据进行分析，并将分析结果传送至监控平台及客户端。此外，视频监控系统可以实时监控危险区域、对现场生产情况进行分析、主动发现现场潜在的危险，做到主动实时的监控状态反馈，能极大提高工厂运行的安全性。
（７）可视化监控和预警系统鉴于当前监控系统的单一性和局限性，我们迫切需要构建具有高效、高可靠、高可扩展性的氧化铝生产过程分布式采集与可视化平台，实现对氧化铝生产过程中的设备数据、化验数据、质量数据、环境数据、视频数据等实时数据的采集与可视化。通过对可视化平台上的氧化铝生产综合数据进行整理、分析、推演，能够实现生产过程问题的早期诊断、提前预警，能有效提高系统的可视性、可控性、可优化性和安全性。从而实现氧化铝生产过程的透明化与智能化监控。
５结语
智能工厂建设将是一个渐进、持续和长期的过程，充分运用和开发适合原材料制造特点的新一代信息技术和智能技术，逐步开发并实现过程精确感知、精准控制和作业机器化、自动化，形成以标准化、信息化为基础的供应链管理、生产管理、设备全生命周期管理、ＨＳＥ管理、大数据应用等的智能制造和决策体系应用。智能工厂系统建设不可能一蹴而就，只有开始没有结束。
原文刊载于《轻金属》2023年第6期 作者：沈阳工业大学 材料科学与工程学院 李来时 张晓玲 & 沈阳铝镁设计研究院有限公司 马恩杰 梁绵鑫 杨琦 张佰永
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