穆加会：水泥产业智能制造相关技术探讨

　　3月15日，由中国水泥网主办的“2019中国水泥产业峰会暨TOP100颁奖典礼”在杭州召开！此次会议以“与改革开放同行 共创大时代”为主题。峰会为智能制造提供专场，供业内人士交流。中国中材国际工程股份有限公司（南京）穆加会从以下四个方面对水泥产业智能制造相关技术展开探讨。

　　一、水泥产业智能制造及智能化水泥工厂

　　水泥产业智能制造是当下水泥产业转型升级的大革命。它是新一代信息通信技术与先进制造技术的深度融合，贯穿于设计、生产、管理、服务等制造活动的各个环节，具有自感知、自学习、自控制、自决策、自执行等功能的新型生产方式。

　　智能化水泥工厂是水泥产业智能制造的主要载体。智能化水泥工厂建设主要包括从智能规划开始，涵盖了智能控制、智能管理、智能物流、智能分析和智能服务等方面内容，通过智能化水泥工厂的建设，以此来实现水泥产业的智能制造。

　　1、智能规划

　　智能规划即通过完成生产过程数据及相关管理数据的采集，实现网络联通、数据互通及业务打通，从而消除信息孤岛，实现智能化水泥工厂数字化设计，为大数据分析奠定基础条件。

　　2、智能控制

　　智能控制即结合工艺设计、电气自动化设计、水、暖通等专业设计要求，实现了质量控制要求、DCS系统控制要求、智能设备选择、智能传感及智能检测应用、专家优化等多种技术的综合设计，是实现提质、增效、降耗的重要措施。

　　3、智能管理

　　智能管理涵盖采购、销售、生产管理、能源管理、质量管理、设备管理、库存管理、备品备件、矿山、移动发布等。可提升劳动生产率、降低管理成本。

　　4、智能物流

　　智能物流系统即通过采购、销售、质量、控制及财务的智能化无缝集成，实现地磅房无人值守，减少水泥厂由于人员或流程的因素出现的作弊现象和操作问题。既提高了称重效率又提高了企业的经济效益。

　　5、智能分析

　　多维度智能分析包括生产主题、库存主题、质量主题、设备主题、供应主题、销售主题、能源主题等。

　　1）、生产主题：生产完成率及排名、生产主要经营指标对标、生产质量日、月报表、熟料生产能耗分析、水泥生产能耗分析、维修费用分析、绩效考核。

　　2）、库存主题：原料库存、生产库存、熟料库存、水泥库情况。

　　3）、质量主题：生产过程化验、燃料化验、物检、出厂水泥化验、自动生成各类分析报表，包括质量日报表、SPC趋势图等，为生产、质量部门的决策提供依据。

　　4）、设备主题：设备台账、设备维修、设备保养、备品备件管理、大小修、设备监控关停机、OEE分析等综合分析。

　　5）、供应主题：原燃材料采购完成率及经济指标分析、备品配件完成率及经济指标分析。

　　6）、销售主题：销售完成率排名表、计划与实际销售对比表、销售开票平均价分析、销售同期对比、销售主要经济指标分析。

　　7）、能源主题：主要经济指标分析、成本量化分析、能耗分析、环境指标分析 。智能分析助力水泥企业经营管理决策包含且不局限于以上分析。

　　8）、智能服务：包含了生产远程服务平台及工业数字化智能视频监控系统。生产远程服务平台改变生产运维方式及服务模式。工业数字化智能视频监控系统对部分生产、安全等场景利用智能识别技术，自动实现预警功能，进一步减少了人工干预，提高了实时性。

　　二、智能化水泥工厂与数字化智能型控制

　　数字化智能型控制技术要求及第二代新型干法水泥示范生产线技术要求包含了数据采集、智能控制、质量控制、能源管理、信息化管理等部分智能化水泥工厂的技术要求。

　　关于岗位定员，影响岗位定员的可能因素为工厂管理模式  、智能装备水平 、智能控制水平、信息化管理水平、人员素质。

　　三、数字化水泥工厂-元数据

　　（一）、数字工厂

　　IEC给出的数字工厂的定义是：数字工厂是数字模型、方法和工具的综合网络（包括仿真和3D虚拟现实可视化），通过连续的没有中断的数据管理集成在一起。

　　它是以产品全生命周期的相关数据为基础，在计算机虚拟环境中，对整个生产过程进行仿真、评估和优化，并进一步扩展到整个产品生命周期的新型生产组织方式，是现代数字制造技术与计算机仿真技术相结合的产物。

　　简单来说，数字工厂是以产品全生命周期的相关数据为基础的数字模型、方法和工具的综合网络。

　　（二）、元数据

　　《国家智能制造标准体系建设指南》（2018年版）指出“元数据和数据字典标准用于规定智能制造产品设计、生产、流通等环节涉及的元数据命名规则、数据格式、数据模型、数据元素和注册要求、数据字典建立方法，为智能制造各环节产生的数据集成、交互共享奠定基础。”

　　根据《国家智能制造标准体系建设指南》（2018年版）文件精神，元数据指的是在智能制造产品设计、生产、流通等环节所产生的数据。

　　水泥工厂的元数据是指能够准确反应水泥工厂的设计、工艺过程、设备、质量、生产、采购、销售、管理等整个生产活动过程的数据要求。具体的数据表现：直接数据、视觉感知数据及文本数据等等

　　因此，如何打造智能化水泥工厂的元数据和数据字典是水泥行业面临的一项很重要的基础工作。

　　（三）、方法和要求

　　用于获得测量、分析、控制等水泥工业生产过程数据的手段采用智能传感器、自动识别系统等以及非接触式感知设备自动识别目标对象及数据采集，处理好数据采集与交换过程中的数据格式、程序接口的统一问题，确保编码的一致性。处理好数据交互时，所使用的智能传感器、自动识别系统、工业机器人等智能装备的信息模型、数据字典、通信协议、接口、集成和互联互通、优化等的技术要求，处理好智能生产过程中智能装备之间，以及智能装备与智能化产品、物流系统、检测系统、工业软件、工业云平台之间数据共享和互联互通的问题。

　　（四）、智能化水泥工厂元数据

　　智能化水泥工厂元数据的实现需结合工艺、设备、电气自动化、水、暖动、土建（建筑、结构）余热发电等专业设计要求，采购、销售、财务、人员等管理数据要求，结合智能传感、智能识别、在线检测、软件集成等多种采集设备与产品，保证数据的实用性、有效性、代表性、数据质量及数据的关联性。实现基础数据的定义与规划，是实现数字化工厂、智能化及水泥产业智能制造大数据分析的一个非常重要的基础条件，专业设计数据和管理数据的规范化要求，对于老的水泥工厂智能化改造以及新工厂的智能化设计及相关设备的选型、采购具有非常重要的意义。另外，信息数据的数量并非是无限制的数据累积，必须保证信息数据（数据、智能识别等）的价值性、有效性和完整性。

　　建立智能化水泥工厂元数据和数据字典标准，规定水泥产业智能制造产品在设计、生产、流通等环节涉及的元数据命名规则、数据格式、数据模型、数据元素和注册要求、数据字典，为水泥产业智能制造各环节产生的数据集成、交互共享奠定基础。

　　中材国际（南京）已经结合工艺专业、设备专业、电气自动化专业、水专业、暖动专业根据智能化水泥工厂的设计要求，做了初步研究，并将初步研究成果应用到了具体的设计项目中。

　　四、智能化水泥工厂的工业互联网架构探讨及案例分享

　　智能化水泥工厂网络架构包括四个部分，分别为：Digital Twin、工业互联网、IOT和CPS。

　　（一）、Digital Twin：数字化双胞胎

　　数字化双胞胎，是指以数字化方式拷贝一个物理对象，模拟对象在现实环境中的行为，对产品、制造过程乃至整个工厂进行虚拟仿真，从而提高制造企业产品研发、制造的生产效率。基于云技术的平台解决方案的出现，建立起了所有边缘都与云建立联系，开启了“全物联网”时代，感知无所不在、连接无所不在，数据就一定无所不在，使得“数字化双胞胎”概念进入了工业生产云平台解决方案。

　　西门子提出的“数字化双胞胎”模型概念的是，基于数字模型的虚拟企业和基于自动化技术的现实企业镜像，即“现实”与“虚拟”结合，“数字化双胞胎”包括“产品数字化双胞胎”、“生产工艺流程数字化双胞胎”和“设备数字化双胞胎”。

　　目前中国制造业正处于转型升级的关键时期，通过物联网、大数据、人工智能和实体经济深度融合，使得中国制造竞争力得到大幅提升。未来，数字双胞胎也可结合物联网的数据采集、大数据处理和人工智能建模分析，实现对过去发生问题的诊断、当前状态的评估以及未来趋势的预测，并给予分析结果，模拟各种可能性，提供更全面的决策支持。

　　Digital Twin是水泥行业智能制造下一步的发展方向，但是当前还是需要做好最基础的工作。

　　（二）、工业互联网

　　建立目前合适的智能化水泥工厂的工业互联网网络规划及安全设计，真正为数据体现价值奠定基础，避免产生信息孤岛。

　　《国家智能制造标准体系建设指南》（2018年版）关于工业网络标准要求，主要包括体系架构、组网与并联技术和资源管理，其中体系架构包括总体框架、工厂内网络、工厂外网络和网络演进增强技术等；组网与并联技术包括工厂内部不同层级的组网技术，工厂与设计、制造、供应链、用户等产业链各环节之间的互联技术；资源管理包括地址、频谱等，但智能制造中工业网络仅包括工业无线通信和工业有线通信。

　　1.智能化水泥工厂工业互联网架构：

　　1）、智能化水泥工厂网络体系结构要求：实现网络联通、数据互通、业务打通。

　　2）、智能化水泥工厂工业互联网规划设计：设备层网络、控制层网络、管理层网络的规划与设计、支持TCP/IP、4G、WIFI等技术的工业网络设备与系统。

　　3）、网络系统的安全性措施：硬件防火墙、软件系统授权机制、网闸

　　2.智能化水泥工厂工业互联网案例分享：

　　1）、核心网

　　核心网位于中心机房，主要设备是互为备用的万兆核心交换机、防火墙，核心网通过防火墙连接至业务楼的三层交换机。系统的主要服务器与核心交换机连接，包括平台应用服务器，设备管理服务器，远程监控服务器，能源管理服务器等。

　　核心网的另一个主要功能是对外连接办公网络，集团网络以及外网。为各类客户端对服务器的访问提供支持。

　　2）、数据采集交换机

　　数据采集交换机位于中心机房，主要设备是千兆网交换机。主要接入生产现场区域（电气室）的水电气表的采集器、生产现场区域（电气室）的设备诊断采集器、物流数据采集设备等。与核心网相连，为主要的服务器传输现场数据。

　　（三）、IoT：物联网

　　IoT（Internet of things）：物联网，是指通过各种信息传感设备，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程等各种需要的信息，与互联网结合形成的一个巨大网络。其目的是实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制。是新一代信息技术的重要组成部分，也是“信息化”时代的重要发展阶段。物联网是互联网的应用拓展，物联网的概念已经是一个“中国制造”的概念，中国物联网校企联盟将物联网的定义为当下几乎所有技术与计算机、互联网技术的结合，实现物体与物体之间：环境以及状态信息实时的实时共享以及智能化的收集、传递、处理、执行。广义上说，当下涉及到信息技术的应用，都可以纳入物联网的范畴。物联网具有：智能、先进、互联的三个重要特征。

　　（四）、CPS：物理信息融合系统

　　CPS（Cyber-PhysicalSystem）：物理信息融合系统，是德国工业4.0（Industry4.0）中的一个非常重要的组成部分。CPS是指利用物理信息融合系统将生产中的供应，制造，销售信息数据化、智慧化，最后达到快速，有效，个人化的产品供应。

　　工业4.0的一个关键点，就是“原材料（物质）”=“信息”。准确来说，是智能工厂中使用了含有信息的“原材料”，实现了“原材料（物质）”=“信息”。

　　水泥产业智能制造与智能化水泥工厂的建设要以可靠的设备、稳定的原燃材料、精确的检测仪器、仪表和可靠稳定的自动化为基础条件，利用元数据、物联网、CPS等现代技术，完成传统水泥产业的转型升级，进而达到改善劳动条件、减少人工干预、提高产品质量、降低产品能耗、提升管理效能的目标。