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贵冶:打造铜冶炼智能工厂

2021/1/30    来源:e-works    作者:e-works整理      
关键字:智能工厂案例  e-works年度盘点  智能制造  贵冶  
本文为“2020年度中国智能制造最佳实践奖”参评案例。本次活动将评选出2020年度,为中国智能制造领域带来突出效益的最佳实践工程,全面介绍企业推进智能制造的步骤、重点与难点、获得效益等,分享建设过程中的经验,供广大制造业行业企业学习供鉴。

一、企业简介

    江铜贵溪冶炼厂(简称“贵冶”)是国家"六五"期间22个成套引进项目之一,始建于1979年,经过一期、二期、三期和新三十万吨铜冶炼工程建设到2018年已形成了100万吨以上的铜产能规模,成为全球单厂产能最大的铜冶炼厂。贵冶长期坚持低成本、优质量、高价值的精品方针,拥有阴极铜、硫化工、稀贵金属三大系列十大产品。主产品有阴极铜、工业硫酸、金锭、银锭和三氧化二砷。贵冶的产品质量均达到国际同类产品先进水平。“GUIYE”牌阴极铜是中国首家在LME(伦敦金属交易所)注册的产品,“JCC”牌金锭、“JCC”牌银锭、“JCC”牌阴极铜先后在伦敦注册成功,贵冶所有主牌号产品都为国际知名品牌,硫酸产品始终保持国家金奖品质。同时贵冶已发展成为全国最大的硫酸铜、铼、硒、碲、铋生产基地。

    2016年江铜贵溪冶炼厂申报的“铜冶炼智能工厂试点示范”项目顺利通过国家工信部审核,贵冶成为铜冶炼行业首家试点示范项目。目前贵冶正在大力推进“智能工厂”建设,打造铜冶炼行业“智慧冶炼”新样板。

江铜贵溪冶炼厂

图1 江铜贵溪冶炼厂

二、企业在智能制造方面的现状

    贵冶是国内最早采用闪速炼铜技术的工厂,工厂拥有I、II两套以闪速炉为核心的生产系统,生产工艺主要由熔炼系统、电解系统、制酸系统、稀贵金属回收系统、选矿系统、动力系统和环保系统七大部分组成。生产各工序紧密关联,是典型的流程制造企业,采用按库存、批量、连续生产方式,品种固定、批量大,体现的是以配方为核心的生产模型,具有设备大型化、自动化程度高、生产周期长、过程连续或批处理等特征。

    经过40余年的发展,贵冶多项技术经济指标位居世界前列,管理技术水平处于行业领先地位。但我们也看到,在信息化、自动化、智能化等方面,工厂存在着一系列的问题,这些问题已成为企业长足发展的严重制约。

    信息化方面,贵冶经过十多年的信息化建设,存在满足不同业务需求的应用系统,包括ERP、协同OA、全面预算、人力资源管理生产管理设备管理、物料管理、安环管理等,基本覆盖了工厂主要的业务功能,但各应用系统不同时期建设,没有总体规划,缺少工厂层面的提炼,业务部门仅从自身业务考虑,缺少对上下游业务的贯通,各应用系统代码体系不统一,标准各异,对积累的数据缺乏整合分析手段,无法为管理层提供智能决策。

    自动化方面,贵冶采用大中型DCS或PLC系统实现生产的监视与控制,安装了带现代化传感器的3千余台机电设备和近万台仪表设备,自动化控制系统涉及国内外7个厂家10余种型号40余套控制系统,通过OPC接口软件采集DCS/PLC/FCS控制系统的实时数据,将各种设备、仪器仪表等采集的实时数据存储到工业大数据平台的PI实时数据库,实现对生产过程的实时监控。尽管贵冶主工艺流程的自动化程度很高,但仍存在不少自动化程度低、人工作业劳动强度大、作业环境差的岗位,如过磅、码垛、打磨、打包、极板剥离清洗等工作仍为人工操作。同时存在部分机电或仪表设备已落后,故障后无备件可更换,及DCS/PLC/FCS系统各公司产品不能互换、不能互操作等问题。

    智能化方面,工业机器人尚未在工厂普及应用,关键工序的智能化程度偏低,不能实现全工序流程的智能化控制。

    在市场方面,铜价波动影响企业的经营与收益,工厂部分产品时有滞销,同时客户个性化需求增加、交货期要求越来越短,低能耗高资源利用率等挑战倒逼企业要转型升级。

    云计算、物联网、大数据、移动互联等信息技术的出现,为制造业向新一代智能制造的转型升级提供了技术支撑。

    智能制造是用智能的技术和制造的技术相融合,用智能的技术来解决制造的问题。新一代信息技术、人工智能等的迅猛发展及其在制造领域的融合不断促使各先进制造国家积极探索智能制造的发展战略,以实现全制造流程与全生命周期数据的互联互通、业务的协同联动及决策的动态优化,最终达到制造系统的智能化、协同化、透明化、绿色化。

三、参评智能制造项目详细情况介绍

    1.项目背景介绍

    依据工信部实施指南、考核指标及能力成熟度等级标准,结合工厂实际,我们拟定了贵冶智能工厂建设的总体目标:通过信息技术、工业技术和管理技术的“三元”融合,实现工厂全要素的数字化感知、网络化传输、大数据处理和智能化应用,构筑起“现场识别自动化、信息处理即时化、问题研判协同化、管理决策智能化”的智慧冶炼新模式,实现具有贵冶特色的技术模式和管控模式的高度集成及全面优化升级,提升工厂数字化、精准化、高效化和现代化生产水平。

贵冶车间现场

图2 贵冶车间现场

    主线流程工艺实现智能化控制:备料、熔炼、硫酸、电解、一车间、新材料、选矿等主要生产车间关键装备数字化率、生产数据自动采集率达到90%以上,操作指令参数由系统完成,基本无人工干预,全面实现集中管理、远程控制。

    生产过程实现高度自动化:物料流转和检验自动化,原辅料、中间品、产品等全面消灭重复性、高强度、恶劣环境下的人工作业,研发一批具有行业特点的自动化智能装备。

    管理决策实现数字化和网络化:构建一体化应用系统平台,集成工控DCS、视频监控、SCADA、MES、PLM、ERP等系统,构建起铜冶炼大数据平台。

    通过智能工厂一期、二期持续建设,打造集中集成一体化的信息系统平台,消除信息孤岛;建设IT支撑平台及配套设施,实现工厂网络全覆盖,达到“数据不落地”传输,实现资源大共享;充分利用大数据、人工智能技术,实现关键工序智能化、关键岗位机器人替代,完成自动化提升及智能装备试点实施,提高劳动生产率,节能降耗、绿色发展,最终达到工信部试点示范项目要求:实现运营成本降低20%、产品研制周期缩短20%、生产效率提高20%、产品不良率降低10%、能源利用率提高10%。

    2.项目实施与应用情况详细介绍

    信息技术、智能技术、工艺技术与传统制造技术的融合,催生出了一系列的先进制造技术,使得原材料转化为产品的过程效率更高、成本更低,推动了制造业生产方式和发展模式的深刻变革。

    经过二年多的建设,贵冶生产运营管理的数字化、自动化、可视化水平大幅提升,促进转型升级、提质增效作用显著,取得了一系列成果,为铜行业的智能工厂建设提供了良好的借鉴和示范作用。

    1)基础设施成果

    (1)构建了国家B级标准机房,采用云化技术,建成高性能、智能、节能的贵冶私有云数据中心。新建了布局合理、温控/安全/消防/监控设施齐全、功能完备、设施先进、运行稳定、绿色环保的现代化机房,保障服务器、通信设备运行可靠安全。机房由28个标准机柜组成一个冷通道,能效指标(PUE)达到1.3,远低于基准值2;50台PC服务器采用青云云平台技术组建私有云数据中心,整合计算、网络、存储、虚拟化和云操作系统、运维安全等软硬件平台,实现虚拟数据中心、桌面云、关键业务、大数据、高性能计算、云灾备、云安全、云运维等,提高计算资源利用率。私有云已有680台服务器,其中500台为云桌面终端,剩余180台为智能工厂正式环境、测试环境应用服务器;Oracle数据库一体机90TB容量存放智能工厂应用数据。

    (2)通过视频网络扩充、升级改造监控设备及指挥中心的建设,实现智能安防“一张网”。保留、调整、新增1000余个监控点位,遵从网格化管理,对监控点合理布局,依据责任区域、区域面积、区域结构、监控密度和单位分布等要素,按照“圈、块、格、点”的基本框架,以厂区围墙外圈形成相对闭合的圈,圈内按各单位区域划分形成相对独立的块,块内依据目标功能分成网格,格内布点,构建智能监控多重防线,实现实时监控、超限报警。搭建了环保、消防、交通、安防、管理、指挥六大智能应用平台,构成集存储、应用、管理和相关业务流程为一体的智能视频监控体系。

    (3)通过管理网、控制网、视频网、无线网四网合一,实现工厂网络全覆盖。在现有有线网络的基础上,根据智能工厂网络支撑平台需求,使用4台万兆核心交换机、10台网络安全设备组建成智能工厂骨干网络,为智能工厂提供稳定的高带宽数据传输通道,形成骨干网万兆、汇聚千兆、桌面百兆,自下而上,星型分布,全面覆盖工厂的有线网络系统。在无线网络建设方面,增加了3个基站(二期将建设5G专网),提高无线信号强度,实现条码、射频识别、传感器、手持PDA、点巡检仪等物联网设备的应用。在窄带物联网(NB-IoT)方面,利用其覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗低、架构优等特点,新增了53台NB-IoT类设备,用于废水、废气、固废等安环监测及用于水、电等能源管理,实现了现场数据的采集、上传及使用。

    (4)通过物联网技术建立数据自动和智能采集系统,夯实工业互联基础。一期建设充分利用物联网技术,通过配置射频识别、二维码、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器等智能传感器装置实时采集物体的声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各类信息,通过有线网、无线网的接入,将物体的信息实时、准确地传送,解决以往数据自动采集能力不强,手工数据较多,数据不准确、不及时等问题,实现物与物、物与人的泛在连接,实现对物品和过程的智能化感知、识别和管理。一期共配置手持PDA 188台、工业平板140台、条码打印机77台、条码枪20个、RFID卡4225个、RFID读写器25个、自助打印终端机5台、串口服务器41个、红外线热成像仪10台、手持点检仪58台,测温测振测速传感器217个,新增、替换电能计量装置400余套,极大提高了数据在线采集能力。

    2)信息管理成果

    (1)通过顶层设计,形成了智能工厂1.0整体解决方案并初步构建起智能工厂主体框架。对工厂业务进行详细调研、全盘梳理,找出关键管控点,优化业务流程,提炼功能需求,以总揽全局的站位,从上至下设计出“智能工厂”的全貌,包括总体架构、技术架构、数据架构、安全架构、集成架构及功能架构的方案设计,初步形成整体解决方案,并按照统筹规划、分步实施的原则,逐步开展各个子项目的建设,具有铜冶炼特色的智能工厂框架日渐清晰、明了。

    (2)通过统一的信息系统集中集成平台,实现系统对接、平台级联,打破信息孤岛、拔掉数据烟囱,贯通数据共享开放的“主动脉”。项目建设前,贵冶存在大大小小17个信息系统,不同时期建设,各自为政、条块分割,管理过程、管理系统规范、数据代码标准不一致,造成部门间的信息共享障碍,且开发语言、编程技术、运行平台也不统一,各系统的兼容性、集成性和扩展性较差,无法快速响应业务需求的变更及技术的迭代,犹如一个个分散、独立的“信息烟囱”,已然成为工厂信息化发展的瓶颈,成为工厂智能化推进的一大阻碍。本期信息系统建设重点在此方面下功夫,采用以虚拟化、并行计算、分布式存储和自动化为中心特征的云计算和互联网架构,建立标准、统一、数出一源的集中集成信息平台,通过统一的IT技术体系(云架构)、统一的开发运维平台(iuap平台)、统一的代码体系(主数据标准),建立以标准化、企业数据仓库和企业服务总线为核心的服务体系,支撑智能工厂研发及运营(DevOps)一体化,具有良好的扩展性,并大幅降低IT部门的运维成本。通过整合碎片化应用,实现工厂层面的数据共享,拔掉“信息烟囱”,构建统一高效、互联互通、安全可靠的数据资源体系,推动信息跨部门跨层级共享共用。

    (3)通过数据自动和智能采集系统,打通数据通道,实现数据归集、融合,奠定了大数据分析和决策的支持基础。一期建设充分利用物联网技术采集和传递数据流,打通了工厂内部、软件之间、硬件之间以及软硬件之间的数据通道,实现从工厂实时数据到企业经营层面数据的整合与贯通;通过数据库集成、点对点集成、数据总线的集成、面向服务的集成等多种模式,将各类异构业务系统纵向、横向有效集成,达到信息流、数据流无缝传递,实现了信息资源的归集及人机智能交互;利用大数据、云计算等技术,整合企业生产、物流、设备、能源、产品、经营以及企业内外部价值链上各类数据,服务于大数据建模及智能决策分析。

    (4)通过统一生产管理业务操作平台,汇聚、融合生产实时数据、生产作业数据、生产管理数据等各类信息,为生产管理人员提供方便、高效的业务功能处理工具,逐步实现一体化协同生产管控的建设目标。智能工厂一期建设前,贵冶没有一个统一的生产管理业务操作平台,生产控制上采用大中型DCS或PLC系统实现生产的监视与控制,数据传入实时数据库;生产作业大多为手工填写、人工交接,数据多为纸质单据或电子文档,指令流转多采用传统的电话沟通等线下传递模式,未实现痕迹化的线上闭环管理。生产管理的数据不能及时反馈到工厂管理层,工段、车间、工厂层面数据不一致,车间、调度、计划统计报表数据不一致,涉及到物料和水电汽的分摊不规范,人为反平衡处理,不利于反映生产实际情况,难以推进精细化生产管理。一期建设实施后,通过统一的生产业务管理操作平台,将业务岗位中手工作业电子化,多方数据汇聚融合,实现整个工厂过程的可视化管理,通过跟踪数据流,发现问题、解决问题,提升企业生产的精细化管理水平。

    (5)初步形成包括架构、应用、数据、技术、管理规范、信息安全、信息服务等铜冶炼智能工厂1.0标准体系,入选《有色金属行业智能冶炼建设指南》编制单位,树立标杆,实现应用牵引。贵冶在铜冶炼智能工厂建设上属先行者,通过实践摸索,初步形成智能工厂1.0标准模板,包括总体架构、关键要素、建设路径、应用规范、业务流程、组织规划、基础设施、信息资源、信息安全、集成服务、评价指标等,建立了数据编码及指标的标准化体系,参与了《有色金属行业智能冶炼建设指南》调研及编制工作,对于指导有色金属行业智能冶炼系统设计建设、改造提升,具有行业示范意义。

    3.效益分析

    生产效率和管控能力有效提升。工厂建立了数据中心、生产指挥中心、视频监控中心、计量控制中心四大汇聚中心,实时汇集传递生产、安全、环保、工艺、质量等信息,实现工厂的扁平化管理,将以往分散在不同工序、不同职能部门和业务单位的生产操作、能源调度、检修管理进行综合的管理与控制,形成一个柔性的智能生产网络,每个服务来自不同的系统,生产计划服务来自ERP、生产作业指令服务来自生产管控中心、能源调度指令服务来自能源管控中心,设备维修计划服务来自检修管控中心,计划执行与反馈服务通过DCS/PLC控制系统完成,生产制造服务由设备完成。

    而未来建立突破工序界限、能源介质界限、业务单位界限,形成以功能进行区分的管理控制中心是企业智能控制、智能管理、智能经营的有效方式。通过在贵冶建设核心管控中心,能够利用江铜集团在行业中的领先地位,起到行业示范的效果。通过管控中心的领先建设和探索,再造经营管理流程,定义行业领先的智能工厂经营管理模式标准和规范,引领国内外有色行业智能工厂建设话语权。

    物质流、信息流、资金流有机统一,满足了各级工序处置的需求。各环节紧密衔接和协同配合,通过规范化通讯接口实现数据交互,达到“数据不落地”的传输,实现资源大共享,实现了管理网、控制网、视频网、无线网四网合一,变“信息孤岛”为“信息通衢”。工厂广泛使用了条码、射频识别、传感器等先进设备技术,并借助物联网、移动通讯等技术,实现物物互联,满足工艺装置数据连续性精准传输的需求。

    提升了经济效益、降低了生产成本,节能降耗、绿色生产。智能工厂项目实施后,最大限度地帮助企业更好地对生产过程进行监控并调整,通过对过程变量实现在线采集后,建立其高精度工艺模型,利用先进控制优化算法对生产过程进行优化控制,使系统运行更加合理,最终达到提高产品质量和生产效率、降低成本、提高运行安全性、减少环境污染和资源消耗的目的。同时规范企业的生产、经营管理,提高企业的综合管理水平,对推动铜冶炼企业控制水平整体上升、带动相关产业的发展有重大意义,将中国有色冶炼企业的冶炼水平提高到一个新的台阶,并可大大降低冶炼企业的能源消耗,降低事故发生率,减少环境污染。

    1)经济效益分析

    智能工厂一期建设实施后,极大提升了企业智能制造水平。通过集中集成的应用系统平台建设,缩短原辅料及产品的运输、计量、出入库等时间消耗,提升数据流转效率,解决原有作业模式下管理方式粗放、检验方式落后、环保效果不佳、数据统计不及时等问题,有利于实现数据的规范化、标准化、电子化和集成化,提高产品质量和生产效率,降低延时、检修等费用支出;通过装备的自动化智能化升级改造,大大改善生产操作人员的工作环境,消除粉尘、噪音、危废等对操作人员的身体危害,大幅提高劳动生产率,降低人工及运营成本,具有可观的经济效益。

    2)社会效益体现

    贵冶智能工厂建设涉及大量的关键技术,包括自动控制技术、数据传输技术、数据存储技术、工艺模型算法、模型优化技术、多元环境感知技术等,通过关键技术的推广和综合应用平台的构建,为工厂培养了一批从事智能工厂设计、管控、运维、服务的高素质技术队伍,可以为铜冶炼行业提供切实有效的智能制造解决方案及人才资源。同时作为铜行业领军企业,贵冶智能工厂建设一定程序上推动了国内工业软件产业快速发展,同时还有利于推动江西乃至全国工业软件的自主研发和产业化。

    项目的成功研发及实施将在产业升级中助力“中国制造”和“工业强省”发展,保障我国智能工厂关键技术的自主安全可控,促进制造业进一步降本、提质、增效,对铜冶炼行业形成辐射和示范作用,进而推动整个产业链的智能制造进程。

责任编辑:程玥
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