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华新水泥:打造无人化联合储库,助力工厂实现降本增效

2022/1/12    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  华新水泥  
本文为“2021年度中国智能制造最佳应用实践奖”参评案例。本次活动将评选出2021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

       华新水泥股份有限公司(以下简称华新水泥)始创于1907年,被誉为“中国水泥工业的摇篮”。在100多年的发展历程中,一直是国内领先的建筑材料供应商。华新水泥净资产收益率位列《财富中国》500强第10位,连续多年公司位列“亚洲品牌500强”;2020年,在“中国500最具价值品牌”榜单,位列第82名。主要的业务涵盖了水泥、骨料、混凝土、环保、以及工程及装备业务等,生产线全流程工厂设备均自己制造,在生产制造、环保及新材料等方面取得大量专利。

       华新水泥将“传统工业+数字化创新”作为公司四大战略,从战略高度重视和推进水泥制造与互联网融合发展,借鉴和吸收国内外先进同行业管理经验的基础上不断创新,采用现代化管理方法和手段,形成具有企业自身特色的管理体系,建成具有国际先进水平的智能化工厂和工业互联网应用平台。2020年,公司上榜工信部“工业互联网试点示范项目名单”(唯一上榜的水泥企业),并获得中国建材联合会“智能制造示范企业”及中国水泥协会“智能化制造先锋奖”、中国企业联合会“全国智慧企业建设最佳实践案例”等奖项。

华新水泥信阳公司

图1 华新水泥信阳公司

二、企业在智能制造方面的现状

       华新水泥智能制造针对水泥行业生产、运营特点,构建了以商业智能、管理智能、工业智能为核心的智能制造建设构架,依托自主数字化研发能力,持续建设和完善工业智能与商业智能平台,以营销计划为驱动,通过智能的管理运营(IT)推动生产层面的执行(OT),利用已形成的数据资产,打通业务和管理边界,实现水泥生产的自动化、智能化,运营管理的数字化,同时,通过数字化管控中心,实现数据驱动业务的监控预警、指挥调度,形成横向价值网络的协同能力,实现产销平衡、快速决策、降本增效。

       在商业智能方面,华新水泥开发和应用了营销数字化、智慧采购、智慧物流、业务一体化集成系统,实现从采购、订单、生产、物流、销售、结算各环节在管控一体化平台中规范高效完成。

       在工业智能方面,已建成针对水泥制造业务的智能平台,建设内容包括:智能矿山、智能生产、包装发运、智能质控、智能巡检等,并覆盖环保制造、装包制造、骨料制造、混凝土制造等公司其他主营业务。

       在管理智能方面,建成数字化管控中心,覆盖营销、物流、采购、水泥、混凝土、骨料、环保七大业务板块,实现数管中心集中监控与生产运营管理的无缝衔接,通过各层业务数据的钻取与数据展现,实现业务监控预警及推送的职能,推动公司管理创新、运营创新和模式创新。

三、参评智能制造项目详细情况介绍

       传统的水泥原燃料存储均化方案是采用大型均化堆场,将物料一层层叠加混合的方式均化。该方案占地面积大,资本投入高,半开放场景存在粉尘污染。虽然均化效果好,但调整灵活性差,均化完成后一旦发现成分出现问题很难再次进行调整。目前国内水泥企业已在广泛采用全封闭、占地小、投资低、配料灵活的散料联合储库来作为补充手段,进一步稳定成分并降低成本。

       华新通过智能化技术来对联合储库进行无人化、智能化改造,并打通上下游生产经营环节,以充分扬长避短,助力工厂实现降本增效。

       1、项目背景介绍

       在水泥生产制造的过程中,会使用到石灰石、硅质粘土、其他混合材和煤炭等原燃材料,而这些原燃材料的化学成分稳定与否会对水泥生产过程产生重要影响,如果原燃材料质量波动大或化学成分不达标,会增大能耗、加速设备老化并影响最终产品的质量。

       受到国家节能减排、保护绿水青山政策的影响,目前优质的矿产、煤炭资源越来越稀缺昂贵,现实当中可供水泥工厂选择的矿石资源并不多,也造成了大部分水泥工厂获取的原燃料质量波动较大的现状,一般水泥厂会购买多个档次成分的原燃料进行混合搭配,以对质量和成本进行一个平衡。而将多种材料进行存储和混合就涉及到原燃料存储均化的需求了。

       传统的水泥原燃料存储均化方案是采用大型均化堆场,将物料一层层叠加混合的方式均化。该方案占地面积大,资本投入高,半开放场景存在粉尘污染。虽然均化效果好,但调整灵活性差,均化完成后一旦发现成分出现问题很难再次进行调整。

       2、项目实施与应用情况详细介绍

       2.1 架构设计

       华新的水泥制造联合储库智能化解决方案需要实现“行车自动、流程自动、安全可控”三个目标,为此,华新从2018年开始研发了华新智能行车系统,并在后面的推广中结合工厂实践需求不断完善更新,将其与华新自研的CAP-DIN平台对接,以方便地获取来自其他工业系统和业务系统的数据,从而实现了联合储库全流程全自动化运行,与该方案相关的具体架构图如下图所示:

系统架构图

图2 系统架构图

       其中,华新智能行车系统(以下简称“行车系统”)负责对联合储库行车的任务进行调度,再结合安全保护、库区扫描模块来生成具体的任务操作指令,最后通过通讯模块发送给自动控制模块来对设备进行直接控制,该系统的架构稍后会进行进一步介绍。

       行车系统任务调度模块会与工厂本地的华新数据接口交换平台(以下简称DIN平台)对接,获取其他系统发送过来的数据,主要数据包括:

       1)用料需求,由华新智能生产控制系统HIAC发出,包括生产系统的启停、传送带运转速度等信息,行车系统会根据这些信息判断出料的用量。

       2)设备状态信息,由华新智能巡检系统发出,根据设备上安装的各类传感器判断设备健康状态,包括电机的振动、温度、钢丝绳的跳槽、缠绕等异常现象。

       3)质检信息,由华新智能质检系统发出。质检系统会根据皮带(来自矿山、火车、船舶)、货车输送过来的各类物料质检结果,设定物料存放计划,并根据水泥产品质量检测结果,计算出新的原燃料配料目标要求。行车系统会根据物料存放计划,以及配料目标要求,计算并更新进料、混料等任务参数。

       4)物流信息,由华新先进物流发运系统ADL发出,主要包括厂内物流信息,包括车辆进厂状态、所载物料的存放计划编号、以及车辆认证ID,这些信息会与现场行车系统的自动控制模块联动,实现卸货自动激活任务,并根据刷卡/扫码识别结果自动匹配物料存放计划,分配存放区域。

       工厂本地各系统也通过DIN平台进行相互间的数据交换,并与云端的集团数据平台对接,从而获取采购订单信息(用于生成进厂物流计划和质检计划)、运营指标要求(会影响质量和生产目标设定)等信息,同时将本地的运营指标信息上传,供集团业务使用。

       在整套方案中,行车系统是主要的任务执行模块,行车的任务指派和维护也是联合储库管理流程中最重要的业务组成部分,自然行车系统也是方案的核心,下面来介绍行车系统的技术架构。

传统均化堆场

图3 传统均化堆场

       目前国内水泥企业已在广泛采用全封闭、占地小、投资低、配料灵活的散料联合储库来作为补充手段,进一步稳定成分并降低成本。

散料联合储库

图4 散料联合储库

技术架构图

图5 技术架构图

       行车系统由任务调度模块、安全保护模块、库区扫描模块、通讯模块和自动控制模块组成,分别包含不同的软硬件设施。

       任务调度模块包括服务器和上位机软件,部署在中控机房,是整个系统的“大脑”,负责根据收集来的数据进行任务的自动生成、激活和更新,并将任务指令下发给执行模块,或将执行反馈结果上报给业务系统。

       安全保护模块包括现场摄像头、接近开关、光电开关、限位开关、额外的x轴向格雷姆线定位装置和y轴向的激光测距仪,此外还有安装于联合储库进出口、卸料口的光栅道闸、ID卡/二维码读取仪器等设备。安全保护模块有单独的服务器,用于数据和视频分析、告警发送,并与自动控制模块进行联动。

       库区扫描模块包括2D激光扫描仪和相应的软件,软件部署在任务调度模块的服务器上,用于对库区的地形和库存情况进行扫描和建模。

       通讯模块包括机房到现场的光纤、有线和无线网络收发设备。

       自动控制模块包括地面站和天车两个部分,地面站会直接与上位机进行通讯收取指令,并将指令通过主PLC以实时控制协议向各天车的主PLC发送,天车主PLC将指令进一步分解、计算为电流控制指令发给各控制部件的PLC进行操作。此外,地面站也会根据调度模块和安全模块的锁定或放行指令来控制现场的道闸等设备。

       整个系统研发的技术实现路径如下图,先进行内外部调研,然后分业务和现场操作两个方面前去做需求分析,再分别设计相应的数据、流程处理逻辑和控制指令,结合这些需求进行软件、硬件的开发和改装设计,并分别进行开发,由于涉及到特种设备改造还需要重新进行特检验收,全部完成后进行联合调试、调优后最终验收整个项目。

技术实现路径图

图6 技术实现路径图

       最后需要强调的是,虽然行车系统是本方案的核心模块,在设计上也可以独立运行,但如果仅仅只靠行车系统,还是需要人为干预,负责任务的设定、激活、指派、以及现场车辆的调度和设备的启停,并不能实现真正意义上的联合储库智能化。

       鉴于此,华新的智能行车系统也预留了相应的接口和手工填入相关数据的地方,以便于和异构系统或无相关系统工厂进行对接。

       2.2 方案功能

       整个方案的业务流程图如下(基于华新系统):

业务流程图

图7 业务流程图

       1)生产部下发月度生产计划,采购部会根据生产计划制定采购计划并下发订单。

       2)采购部根据库存情况和订单安排日供货计划,通过ADL系统生成物料进厂计划并通过短信通知司机、发送进厂凭据码。

       3)ADL会根据进厂计划发送进厂信息给智能质检系统,自动生成质检计划、样品编号并通过微信发送给取样人员。

       4)原燃料通过ADL或者皮带进厂,智能行车系统将其抓取至联合储库指定区域,质检人员取样化验后标记该区域物料的成分指标。

       5)质检系统根据生成出的产品质量结果,更新所需的进料配料目标,并更新到智能行车系统中,智能行车系统会根据配料目标调整相应的取料任务参数。

       6)HIAC生产系统根据当前的生产情况,通过DCS系统连接智能行车系统,激活或停止已设定好的任务。

       7)智能行车系统会定期生成物料进出,以及库存报告发送给生产系统,进行运行指标的监管工作,至此流程结束。

       从物料流、信息流、控制流的角度可以看得更加具体,如下图所示:

控制流程图

图8 控制流程图

       图中标蓝色的即为本方案涉及的功能,这些功能在华新应用的时候通过图纸标绿的华新系统获取了更多的数据和流程驱动,从而实现了完全自动化,但智能行车系统依旧开发了一些功能界面,以方便用户可以在缺少相应系统的情况下,通过手动录入数据来实现自动化功能。

       下面根据主线流程来说明一下实现的具体功能。

       2.2.1 采购管理流程

行车系统与采购业务集成图

图9 行车系统与采购业务集成图

       业务需求目标:

       采购需要更新维护物料类别,将物料类别编号与行车生产中编号进行映射。采购需下达日购进计划,为后续生产环节下达生产目标,如今日购进量为500吨煤,后续生产环节可以看到此生产目标,合理安排生产计划。

       采购下达日购进计划后,需要获取到后续生产环节的预估完成时间及当前生产状态是否正常,为采购物流安排后续车辆进厂做准备,防止出现车辆拥堵情况发生。

       2.2.2 物流管理流程

       华新自己的ADL系统可以管理采购或销售物流,本方案主要涉及采购物流,主要功能有:

       智能排队:系统会根据设置,分配场内排队模式和厂外排队模式,厂内模式可以设定卸料口的排队数量,进厂的车辆可以在排队大屏幕上找到自己的卸料口编号和排队位置。厂外模式可以建立一个厂外队列,根据用户制卡的时间进行排队,司机可以在自助一体机上查询自己的排队信息。并且轮到进厂时,大厅会有语音提升,用户手机微信也会收到对应提醒消息。

       刷卡进厂:每个送货司机在进厂前,需要根据自己的提货凭证到窗口领取一张绑定自己车号的卡。当厂内有队列空余或者轮到自己进厂时,即可用自己的卡刷卡进厂。

       无人职守磅房:无人职守磅房基于远程刷卡器,红外检测光栅,红外对射,车辆道闸,红绿灯等控制器,引导司机完成刷卡上磅,停车称重,称重完成,成功下磅等过程。

       刷卡卸料:通过刷提货卡来识别车辆的车牌号码,物料品种,并开启道闸允许车辆卸料。现在也有工厂升级到了最新的无卡版本,可通过车牌识别+二维码来替代原先的刷卡识别功能。

       收卡打印收货单出厂:司机出厂时,只需将卡片塞入收卡机内,如果卸料环节没有问题,系统会自动收卡并打印出厂小票,司机拿走小票后抬杆出厂。后续化验结果出来了也会对应到该小票编号上,可在线查询。

       2.2.3 质量管理

       业务需求目标:

       质量部根据质检情况向生产部下达存、用通知单,告知生产部物料存用,物料存用发生变化需提交至生产部进行审核,告知生产部变动情况后,生产部方可生产。

       生产部每提交一条修改信息会同样产生一条生产待审核任务。

       2.2.4 智能配料

       业务需求目标:

       通过DCS界面与质控平台、自动行车系统、ADL物流系统、采购流程联通,便于工厂管理好进厂原燃料质量,提高入窑原燃料的均一性,降低烧成窑操作、配料难度,支持工厂生产运营。

       2.2.5 智能行车系统

       智能行车系统是一个功能齐全的远程控制系统:包含各种自定义的参数设置,即使工作环境发生改变,可以通过修改系统的参数,使得设备正常工作,不影响正常作业;系统配备了设备监控功能,可以随时了解设备的状态和库区物料的堆放情况,使得作业过程更加直观、高效,系统界面整体设计简洁、功能完善、操作便捷。

       2.2.6 安全保护系统

       行车安全管控目标都是基于行车现场无人看护的情况下,如何保障人身与财产安全做的安全管控系统。

       3、效益分析

       华新水泥从2018年开始在华新阳新工厂试点,2020年禄劝、黄石工厂优化,2020年至今16家工厂推广,自主走出了一条从摸索总结至联合创新的华新联合储库之路。

       2018年华新水泥从联合储库的基本需求-储料、供料自动化需求出发,联合武汉港迪于阳新工厂试点研发行车自动生产系统,系统尝试使用激光雷达扫描库区建模,以“高取低储”的基本原则实施调度,经过1年的试点,先后解决3D扫描建模、库区定位、钢丝绳抓斗控制、效率优化等问题,逐步实现了联合储库行车生产自动化。行车自动化生产不仅实现了无人操作,节省了人力,而且在效率与人工基本接近的情况下,大幅降低了钢丝绳的磨损和行车设备机械故障率,项目实施后实现岗位转移8人与钢丝绳维修成本降低63%,实现了可观的经济效益。

       2019年行车自动系统在,华新武穴、宜昌、襄阳、昭通四家工厂推广,实现岗位转移30人,钢丝绳维修成本平均降低59%。

       2020年华新水泥在昆明崇德工厂、黄石工厂、东川工厂实施行车改造项目,在自动行车的基础上进行功能优化与业务联动拓展,全力打造联合储库智能化解决方案,将行车自动生产系统进行了优化升级,先后实现了与生产控制系统、ADL物流发运系统进行数据互联、业务互通,实现了原料进厂至原料出库全流程自动化。同时智能行车系统与智能质检系统互联,实现原、燃料精细化管理创新,通过程序、算法实现联合储库的物料搭配均化功能。项目实施后实现岗位转移10人与钢丝绳维修成本平均降低67%,煤炭质量标准偏差降低10%。

       2021年华新水泥在华新景洪、华新信阳等11家工厂进行项目推广,预计2021年底可完成相关改造工作。届时预计将实现岗位转移27人,钢丝绳维修成本降低60%,提升关键原材料质量。

       公司行车实现智能自动化后,装载效率通过自动深挖等技术平均相对人工提升了10%,行车工进行岗位分流48人,节约人工60.7%。同时日常钢丝绳的消耗更换由原来的平均12天一次,增加到目前的平均30天一次,维修成本总体降低了60%左右。行车自动运行后,提高使用效率,可以不间断卸货,降低卸货车辆等待时间,调度时间节约20%。作业安全上,相对人工出现的抓斗撞墙等风险作业,实现智能程序规避,降低了风险作业的发生。部分工厂通过物料精细化管理,原料出料(入磨)标准偏降低30%。
责任编辑:程玥
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