水泥工厂智能化改造整体架构研究

张德来

摘要：智能化改造是水泥工厂实现节能降耗、提质增效的重要手段。本文阐述了智能工厂的概念;搭建了水泥工厂智能化改造的整体架构，即从智能设备层、智能控制层、智能制造层、智能经营层、智能决策层等五个层面进行;指出了智能化改造中应注意的基本问题。

关键词：水泥工厂;智能化;智能工厂

中央财经委员会第九次会议强调，我国力争2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和，这是党中央经过深思熟虑作出的重大战略决策，事关中华民族永续发展和构建人类命运共同体，需要各行各业积极贯彻落实。水泥行业属于能源、资源消耗和污染物排放行业，水泥行业CO2排放量占我国所有工业生产CO2总排放量的20%左右，水泥行业利用规模扩张的粗放式发展已经难以为继，节能减排刻不容缓。

《中国制造2025》提出实行“智能制造工程”，强调依托优势企业，进口关键工序智能化、关键岗位机器人替代、生产过程智能优化控制、供应链优化，建设重点领域智能工厂/数字化车间。水泥工业是国民经济重要的支柱产业和基础产业，为国民经济及相关领域的发展提供基础原材料。作为传统制造业的水泥工业，其转型升级的需求尤为迫切。而智能工厂作为当前国内制造业转型升级的重要目标，备受认可。

1 智能工厂的概念

智能工厂是一个庞大的生产系统，包罗了诸多先进技术，如通信技术、大数据技术、虚拟仿真技术、网络技术、人工智能等[1]。当前，学术界对智能工厂的定义还没有统一的说法，对智能工厂的研究点也各有不同，对智能工厂的整体论述缺乏。笔者认为智能工厂是在数字化工厂的基础上，增加了智能设备的应用，实现对生产信息的实时智能分析，其本质是利用计算机技术、大数据技术、虚拟仿真技术等先进前沿技术，形成高度协同的生产系统，以期达到生产最优、效率最大、响应最快、质量最高的目的。

2 水泥工厂智能化改造的整体架构

水泥工厂智能化改造从下至上可从五个层面进行：智能设备层、智能控制层、智能制造层、智能经营层、智能决策层。整体架构如图1所示。

2.1智能设备层

智能设备层为水泥工厂生产、监测设备，包括生产装置、传感器和在线监测，以及RFID和在线计量，是智能化改造的前提和基础。水泥企业智能工厂是在数字化工厂的础上，将智能设备层、智能控制层、智能制造层、智能经营层、智能决策层完美融合连通，实现数据贯通，并利用大数据分析，提炼准确的需求数据，使企业能够清楚掌握产销流程、提高生产过程的可控性、减少生产线上人工的干预、及时正确地采集生产线数据、合理编排生产计划与生产进度。同时，加上绿色智能的手段和智能系统等新兴技术于一体，构建一个高效节能的、绿色环保的、环境舒适的人性化工厂。

2.2智能控制层

智能控制层包括DCS生产过程控制系统、专家优化系统。在DCS的基础上实现专家优化控制系统，通过系统自动化卡边操作寻找最佳效益运行点，保证质量的同时提高产量、优化配比和降低能耗，减少人工干预和波动，帮助稳定生产及安全运行。水泥生产的原燃料波动很大，烧结多为固相反应，导致水泥质量的波动比钢材及玻璃都要大，这正是水泥生产对原燃料均化要有更高要求的原因，也是挖掘出提高水泥性能及降低生产能耗的重大潜力之处[2]。

2.3智能制造层

智能制造层是智能化改造的核心，包括能源管理系统EMS、生产管理系统MES、设备资产管理系统EAM、移动巡点检管理系统和其它专业系统。一是实施能源管理系统EMS，使得企业可以更好的掌握和评估企业能源使用状况及能源利用效率，并帮助识别可节能降耗的空间和机会，完善企业能源管理体系及规范制度，有利于将节能降耗工作真正落到实处，从而最终降低吨水泥能源成本。二是实施生产管理系统MES，打通企业级管理经营应用系统（ERP）与现场级控制系统（DCS）间的信息断层，实现生产现场自动化系统中生产、设备、能源、质量、物料等实时数据与管理应用系统业务数据的整合，同时，帮助业务部门更好的开展和规范日常业务工作流程，提高对生产過程以及异常事件的及时响应能力。三是实施设备资产管理系统EAM及移动巡点检系统，促进规范与设备相关的业务流程，例如设备台账、维护维修、备品备件管理、巡点检管理等，实现生产设备的全过程管理，从而最终全面提升企业设备资产管理水平。

2.4智能经营层

智能经营层主要依托ERP企业资源管理系统实现，包括经营计划、采购管理、销售管理、成本管理、财务管理、预算管理、人事管理、协同办公等8个功能模块。

2.5智能决策层

智能决策层包括管理驾驶舱、综合绩效、运营效率、预算分析、现金流分析、专题分析、移动终端、消息推送等8个模块。

3 水泥工厂智能化改造应注意的基本问题

3.1应以节能效果作为衡量标准

水泥工厂智能化改造最终要落实在经济效益上，不能为了智能化而智能化，节能可以为水泥工厂产生显著的经济效益，一定程度上，水泥工厂经济效益的核心就是节能，所以水泥工厂智能化改造应以取得的节能效果衡量智能化的水平。

3.2应根据自身条件循序推进

要充分根据自身的效益和市场状况，制定相应的策略，合理规划蓝图。机器替代人是大势，智能设备的应用是必由之路，但每个企业应当根据自身的产品特点和生产模式制定符合自身特色的路线图，才能在智能工厂的推进过程中，真正获得实际效益。

4  结束语

智能化是水泥工厂挖掘节能潜力、提质增效的重要手段，但就我国大多数水泥企业现状而言，还远未具备这种条件，故在智能制造的热潮下，水泥工厂不宜盲目跟风。应围绕工厂的中长期发展战略，根据自身产品、工艺、设备和个性化的特点，合理制定智能化改造整体规划，从最迫切需要解决的问题入手，务实推进智能工厂改造。

参考文献

[1]焦洪硕， 鲁建厦. 智能工厂及其关键技术研究现状综述[J]. 机电工程， 2018， 35（12）：7-16.

[2]谢克平. 论水泥工厂智能化发展的方向[J]. 中国水泥（7）：4.

基金项目：本文为武汉城市圈制造业发展研究中心课题（项目编号：WZ2020Y0）的阶段性研究成果