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建设数字孪生工厂,实现多氟多产品全生命周期数字化管理

2022/1/19    来源:e-works    作者:e-works整理      
关键字:数字孪生案例  e-works年度盘点  智能制造  多氟多化工  
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

       多氟多新材料股份有限公司(以下简称“多氟多”)成立于1999年12月,是一家致力于氟、锂、硅三个元素细分领域进行材料和能源研究,并实施产业化的国家高新技术企业。公司布局氟硅及功能材料、新能源材料、电子信息材料、锂离子电池。氟硅及功能材料包括:氢氟酸、无水氟化铝、白炭黑、氟化石墨烯等;新能源材料包括:六氟磷酸锂、新型电解质锂盐、锰酸锂正极材料、电解液等;电子信息材料包括:电子级氢氟酸、高纯硅烷、高纯四氟化硅、纳米硅粉等。氢氟酸产能20万吨/年,无水氟化铝产能34万吨/年,无水氟化铝全球市场占有率为15%。六氟磷酸锂产能1.5万吨/年,全球市场占有率为20%,产销量全球第一,是秀博瑞殷(soulbrain)、LG、比亚迪等国内外知名企业主要供应商。多氟多现有员工人数4000余人,2019、2020分别营收16亿元和15亿元。先后承担国家863计划1项,国家火炬计划2项,国家科技兴贸项目1项,国家重点新产品3项。拥有国家高技术产业化示范工程、战略性新兴产业专项等项目10项。多氟多依托自身强大的研发能力,完善的自动化、信息化基础,完备的安全管理体系,先后完成覆盖氟化工生产、运营全维度管控的工业互联网平台建设,以及针对安全生产中各类特性、共性困点、难点的各类信息化、智能化解决方案建设。

多氟多新材料股份有限公司

图1 多氟多新材料股份有限公司


二、企业在智能制造方面的现状

       多氟多公司信息化建设从2017年开始步入快速路,从2017年开始,先后完成OA、HR、SAP ERP、CRM、SRM、BI、目录化采购商城、发票综合管理系统、MBS的信息化管理系统,实现多氟多人、财、物、产、供、销六维度信息化管理。

       在智能制造方向,多氟多依托28套DCS系统实现全系产品生产过程自动化控制,利用RMIS工控数据集采系统和Datastation企业级数据站完成对全公司工业控制、生产运营数据的集中采集和集中存储。多氟多智能制造围绕生产、安全、能源、设备四个维度建立起一个平台、两个中心、N个应用场景的生产管理体系。其中一个平台为六氟磷酸锂数字孪生平台,两个中心为工控数据中心(RMIS)和应用数据中心(Datastation,Datastation作为全公司数据交互核心,其发展目标为企业数据中台),N个应用场景涵盖大数据分析、人员定位、能源计量、点巡检(包含但不限于设备点巡检、流程点巡检、设施点巡检、物资点巡检)、车辆定位、无人磅房、人员识别、智能安全双预控、包装追溯、智能监控等。

       通过一个平台、两个中心、N个应用场景的建设,多氟多已初步实现六氟磷酸锂生产全过程、全维度、全范围数字化。从底层数据采集,到中层数据分析,再到高层数据呈现、数据应用,六氟磷酸锂数字孪生工厂以数据为本,用数据驱动模型,以模型赋能设备、人员,提升六氟磷酸锂产能、提高六氟磷酸锂质量。利用六氟磷酸锂数字孪生平台建设,完成六氟磷酸锂产线设计、工程、设备等数字化交付,提升六氟磷酸锂产线高速建设,缩短试车时间,减少扩产费用,加速市场占有。现阶段多氟多六氟磷酸锂万吨级产线建设周期为8个月,从试车到满负荷高质运行为2到3个月,与国内其他万吨级产线建设相比,建设周期减少30%,从试车到达产周期减少45%,按2021年市场均价30万每吨算,多氟多每新建一条万吨级六氟磷酸锂产线与国内同比增收12亿。

三、参评智能制造项目详细情况介绍

       多氟多六氟磷酸锂数字孪生工厂(以下简称“六氟工厂”)是为实现六氟磷酸锂产品智能化生产和数字化复用而建设的。六氟工厂建设依旧围绕多氟多“五个一”(一眼看全、一眼看穿、一眼看透、一目了然、一竿子到底)的数字化转型方针进行,六氟工厂项目是通过建立统一的企业数据总线,消除数据孤岛,对现有系统进行整合集成,通过数据的组合分析,产生更多有价值的应用,在生产指挥、安全环保、资产管理、能源优化、协同管理等方面进行功能开发。

       六氟工厂建设目标:通过本系统辅助设计单位、生产部门及业务管理部门进行流程优化,实现过程数据可视化和业务流程可视化,虚拟车间与现实生产车间设备与生产过程实现同步联动,为现场管理、客户参观、员工培训、工作汇报提供3D可视化数据展示。实现生产部门在指挥排产、过程管控、安全预警、环保态势、设备状态、能源分配、人员动态、物料信息、质量信息等各生产环节提供全面数据呈现,为企业搭建一个可扩展的生产管理信息化平台,使得生产过程透明化、高效化、柔性化、可追溯化,达到事中控制、提高客户满意度、低成本运行的目的,从而充分提高企业的核心竞争力。

       六氟工厂的本质是一个集成的计算机环境,是一个在计算机网络和虚拟现实环境中建立起来的对生产各个环节进行模拟的,体现不同层次(小到操作步骤,大到生产单元、生产线乃至整个工厂)的计算机环境。在这个环境中六氟工厂可以实现设计、仿真、分析和优化,具有集成、开放、并行和人机交互等特点。六氟工厂也是基于数字孪生的逻辑构建复合的应用集成管理平台,可以通过一致的数据访问模型,对不同应用系统数据进行集成,使企业各功能系统协同工作。在高度仿真的数字模型与工业物联网加持下,实现与工厂设备及管理人员之间的有效互动。

       六氟工厂三维模型主要围绕一万吨六氟磷酸锂项目三期合成装置与结晶装置楼房建筑、工艺设备、管线、成套装备、消防系统、电气系统、仪表及控制系统、建筑外景、辅助设施的模型构建及轻量化进行。在模型驱动数据和展示数据方面集成有HR、OA、EAM、DCS、RMIS、LIMS、EMS、安全双预控系统、包装桶追溯系统、点巡检系统、安防监控平台(含门禁)等系统。

       六氟工厂的建设实现了六氟磷酸锂产品的全寿命周期管理,对六氟磷酸锂生产过程中的人员管理流程、能源使用流程、安全监管流程、设备运维流程等流程进行了优化和重塑,利用实时数据实现物理产线与虚拟产线的一一映射,提升人员管理效率,降低人员安全事故发生率。在六氟工厂运行过程中,大量实时数据将原本隐藏的生产过程直观的呈现出来,让隐性知识显性化。在六氟工厂中嵌入数据分析功能,寻找六氟磷酸锂生产中的最优参数并加以复刻,摆脱个人主观能力对生产的影响,提升产品一致性。数据相关性分析帮助六氟磷酸锂生产实现产品单位能耗降低、设备平稳率提升、分正常停车减少,继而实现六氟磷酸锂生产成本的综合降低。

       六氟工厂最大的意义在于对六氟产线的快速复现,以数据为依据在生产中不断优化产线,以数据为载体将产线建设中的优缺点全部呈现,以数据为支撑对产线不断迭代。六氟工厂的价值短期内可实现增产、提质、降本,长远来看可快速复现,占领市场。

       1. 项目背景介绍

       新材料特别是高端氟材料,广泛应用于新能源、半导体等高新技术领域,对我国发展高新制造业有着举足轻重的影响。相较于粗放型氟材料,高端氟材料对生产工艺、生产设备、生产综合管控系统有着极为严格的要求,特别是六氟磷酸锂、电子级氢氟酸等产品,不仅对生产工艺、设备、综合管控系统要求严格,对生产安全要求更为严苛。相较于传统新材料产品,高端氟材料产品的生产过程、产品品质对自动化、信息化、数字化、智能化依赖严重。高端氟材料产品生产线自动化程度高,生产辅助信息化系统多,智能化设备关联性强,生产环境更为复杂,生产过程中出现特、重大安全事故/事件概率高,安全成本不断攀升。

       建设数字化工厂,特别是数字孪生工厂无疑是当下数字化经济高速发展背景下解决高端氟材料生产中的各型困点、难点最有效的方法。利用仿真、数据分析、人工智能决策辅助、模型赋能、数据赋能等数字化手段实现化工新材料生产的再一次突破。

       2. 项目实施与应用情况详细介绍

       多氟多六氟磷酸锂数字孪生工厂建设架构如图2所示。

多氟多六氟磷酸锂数字孪生工厂建设架构图

图2 多氟多六氟磷酸锂数字孪生工厂建设架构图


       六氟磷酸锂数字孪生工厂系统的基本要求是:功能一致性、结构相似性、组织柔性、集成化、智能化、可视化。不管是和传统业务驱动型信息系统,还是和新型应用信息系统的集成,都有广阔的应用前景和巨大的潜在价值。六氟工厂是在新材料行业的数字化工厂应用,形成从设计、到施工、到生产一系列环节下的数据闭环,为设计不规范、工程施工不标准、产品质量不精准、生产效率不稳定、产品生产不安全等问题提供了一种切实可行的解决方案。

       1)标准

       六氟工厂作为一个综合管理平台,在进行虚拟与现实一一映射的同时,通过接入大量生产辅助系统实现人员、安全环保、能源、设备的信息化、智能化管理。六氟工厂根据工艺流程或空间布置,依据相应分类原则和编码体系,通过树状结构反映工厂的各级分解对象,并将分解对象全寿命周期信息进行集成化关联管理。为确保工厂不同阶段所产生的信息能够进行更加智能化的关联管理,需要对工厂全生命周期中产生的信息命名进行标准化定义,在标准化信息的管理中,工程信息的命名规则对工程材料编码、管线名称设备位号、其他工程设施和工程文档等工程对象进行规范化。信息名称的标准化定义,实现了数据的规范化,在数据规范化的基础上,用标准数据去驱动标准模型。

       2)模型

       六氟工厂拥有大量模型,其中不乏机理模型、数据模型、算法模型、信息模型、报警模型等,模型的标准化是模型应用的基础。根据模型使用需求、使用场景等实际应用情况,从建模目的、建模范围和模型属性的需求出发制定建模标准,为模型标准化奠定基础。六氟工厂建模包括产品建模、工艺过程建模和生产系统建模。六氟工厂承载的模型信息,主要是由智能工艺管道仪表流程图、三维工厂模型、各专业和各阶段交付文件融合而成的。这些信息以相关位号为纽带,形成关联关系聚合在一起。流程工业在建设数字化工程信息模型期间,首先绘制有数据支撑的、带有关联关系的、有规则驱动的工艺管道仪表流程图,然后构建成熟和详细的模块化信息,其中既有产品的信息,也有生产系统和生产流程的信息,这些信息为构建数字孪生模型提供了基础。面向物理工厂和物理设备模型,提取所有产品结构和属性信息,使用递归的方式来获得需要的信息,直至信息提取完毕后退出递归;将几何数据进行三角化,得到快速支持显示的三边形网格;提取模型中关键的边和点的信息,以支持某些特殊的显示需求;从多个视点对整个模型进行遮挡查询,通过修改三维模型的三边形序列,以增加顶点缓存命中率,减轻内存带宽需求,然后经过量化顶点位置、预测和熵编码三个步骤对模型的几何信息进行几何编码。通过采用三角形扇法(FanSort)和通用绘制序列构造算法(Bog)相结合的方式,最终获得相对初始值仅3%~5%面数的轻量化模型。

       3)信息编码

       六氟工厂是对工厂全生命周期信息的集成化关联管理。为保证六氟孪生工厂不同阶段所产生的信息能够进行更加智能化的关联管理,必须对六氟孪生工厂全生命周期中产生的信息命名进行标准化定义。信息编码规则是根据流程制造行业特点和实际项目需求,制定完整的命名规则。在标准化信息的管理中,命名规范的定义是最基础的工作。从新材料行业数字工厂的角度,工程信息的命名规则最主要的就是工程材料编码、管线名称、设备位号、其他工程设施和工程文档等工程对象的命名规则。工程材料编码的命名规则一般分为管道专业和非管道专业两大类,管道专业又主要分为管道材料代码和管道部件材料代码等,非管道专业的材料编码主要指电气、结构、暖通等专业的材料代码。按照数字工厂项目类型的不同,一般遵循的工程信息标准,包括工程设备、设施和工程文件,命名规则和标准各有区别,但六氟孪生工厂信息对象的命名基本都要符合唯一性、可识别性、可检索性、行业性的原则。

       4)仿真技术

       仿真技术的应用为整个六氟工厂注入了生命力,六氟磷酸锂生产全过程仿真不仅最大程度地真实映射出工厂生产经营的价值流,同时也将各个生产经营阶段实现有效的解耦合与分段仿真。仿真用具象化的表现形式,将设备的特性和生产工艺特性尽可能真实地模拟和再现。结合先进的传感器和工业物联网技术,使得现有仿真技术可以将客观物理工厂真实数据和数字化模型进行融合,将资源、信息、物体以及人紧密联系在一起。

       5)建设过程

       六氟工厂建设从立项开始先后经历项目组织架构建立、需求调研、功能确认、模型建设、场景搭建、功能开发、数据对接、上线部署测试、优化、验收、运维。六氟工厂建设成立起以董事长为核心的项目建设小组,通过顶层管控,实现整个项目稳步推进。在需求调研阶段,从生产指挥、安全环保、能源、设备四个维度收集需求,为保证项目按计划实施设立需求收集时间节点,避免因需求陆续提出拖延项目进度。在需求调研阶段确定生产指挥模、安全环保、资产管理、能源优化、协同管理五大模块,项目功能确认完成后编制项目蓝图并进行会签,开始进入功能开发阶段。在设计阶段初期完成各类标准确认,为后续建模、场景搭建、数据对接等奠定基础。根据各类标准和项目时间节点有序进行模型建设、场景搭建、功能开发、数据对接、上线部署测试。数据对接分为设计、工程静态数据对接和辅助系统动态数据对接,动态数据来源于公司各类信息化系统如:EAM、LIMS、点巡检系统、追溯系统、能源计量系统等。在系统上线测试前使用静态数据和动态数据进行六氟工厂第一次测试,产线建设完成后接入动态生产数据进行第二次测试。六氟工厂作为一个软件系统,其优化伴随系统的全寿命周期,系统上线验收完成后,优化工作由项目组转为运维组,所以系统运维人员应在项目初期进入进行学习。

       3. 效益分析

       1)安全效益

       六氟工厂AI视频监控+智能头盔+RFID功能,实现人员行为状态实时监控,人员位置实时精准定位和人员区域权限监管。减少人员安全事故发生率和降低人员误入非权限区域发生率。对比传统六氟磷酸锂产线,非授权人员误闯发生率降低70%。

       六氟工厂通过接入安全双预控系统,实现对整个工厂从环境安全到人员安全再到设备安全、能源安全等全方位安全动态实时管控。通过建立安环责任制,实现安全隐患定人、定时解决,确保安全隐患的及时发现、及时整改、及时核查。对比传统六氟磷酸锂产线,安全隐患的发现、整改、核查时间减少20%。

       2)装备效益

       装置平稳率实现对整个六氟工厂所有重要设备平稳运行的实时监控和历史状态统计,通过大数据相关性分析,能清楚判定该装置对整个六氟磷酸锂生产的影响,从而对该装置进行针对性改进、维护、监控,从而避免因装置工作不稳定原因造成的产线效率、产品质量的波动。对比传统六氟磷酸锂产线,装置平稳率提升10%。

       3)直接效益

       通过建立六氟磷酸锂成本班组报表、日产报表、周度报表、月度报表等实现对整个六氟磷酸锂工厂成本的动态监管,并通过大数据分析寻找产线最优成效比,实现整个工厂的降本增效。对比传统六氟磷酸锂产线,六氟磷酸锂单位产量成本减低8%。

多氟多分厂级成本日报表

图3 多氟多分厂级成本日报表

    4)能源效益

       能源消耗报表通过对水、电、气、汽分层动态展示,实现能源从底层班组管理到顶层决策管理。通过大数据分析,寻找最优能耗比,实现六氟磷酸锂能源的高效率用。对比传统六氟磷酸锂产线,能源利用效率提升6%。

多氟多企业级产线用电消耗

图4 多氟多企业级产线用电消耗

    5)质量效益

       通过嵌入LIMS系统,实现六氟磷酸锂产品从原料到成品的生产全寿命周期品质监管。对比传统检验模式流程,六氟工厂下的六氟磷酸锂生产品质实现了实时查询。通过大数据分析中的质量软测量功能模块,实现部分节点的非采样实时在线监测,极大提升对产品实时动态过程品质监测及时性。对比传统六氟磷酸锂产线,品控及时性提升22%,准确性提升5%。

       6)综合效益

       通过六氟数字孪生工厂系统,实现管理过程的数字化、信息化,不仅节省大量一线巡检人员配置,同时节省主控人员配置。六氟数字孪生工厂中集成大量的传感器、智能监控设备、数字化点巡检系统,大量数字化、信息化设备、系统的运用促进巡检流程、操作流程等生产、管理流程的重塑。对比传统六氟磷酸锂产线,提升六氟磷酸锂综合管理效率10%。

六氟磷酸锂数字孪生工厂功能图
图5 六氟磷酸锂数字孪生工厂功能图
责任编辑:梁曦
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