丁 波

(江西銅業(yè)加工事業(yè)部，江西 鷹潭 335424)

1 概述

隨著我國現(xiàn)代工業(yè)化的推進(jìn)，智能化技術(shù)在社會(huì)中應(yīng)用越來越廣泛，已經(jīng)融入到社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)中，對生產(chǎn)技術(shù)變革起著不可代替的作用[1]?！爸袊圃?2025”戰(zhàn)略、“國家03專項(xiàng)”試點(diǎn)實(shí)施以來，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)成為各傳統(tǒng)制造企業(yè)改造的目標(biāo)。近年來，國內(nèi)外許多學(xué)者對工業(yè)制造智能化開展大量研究，并在金屬材料加工制備、汽車等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。湯曉水[2]研究了銅漆包線制造廠的生產(chǎn)、包裝、運(yùn)輸?shù)热鞒痰闹悄芑S的設(shè)計(jì)；黃海鵬等[3]開展了金屬尾礦智能化綜合利用生產(chǎn)研究；張享[4]研究了汽車人機(jī)交互類附件智能化；鄧月紅[5]探討了智能化技術(shù)在電氣工程自動(dòng)化控制中的應(yīng)用；岳靚麗[6]闡述了人工智能技術(shù)在信息技術(shù)教學(xué)中的使用；杜鵬[7]研究了智能化技術(shù)在機(jī)械工程自動(dòng)化中的應(yīng)用。

美國南線SCR連鑄連軋作為國內(nèi)銅桿應(yīng)用最多、最普遍的生產(chǎn)線，智能化發(fā)展是必然趨勢，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。利用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)、5G、云計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)控制SCR生產(chǎn)線，其核心是將具有感知、監(jiān)控能力的各類采集傳感控制器、5G移動(dòng)通信、智能分析等技術(shù)融入到 SCR連鑄連軋生產(chǎn)線各個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率提升，改善產(chǎn)品質(zhì)量，降低人工成本、能源消耗。

本文針對SCR連鑄連軋生產(chǎn)線“上料、銅桿生產(chǎn)控制、卷曲收線”三部分進(jìn)行工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)、生產(chǎn)控制過程系統(tǒng)(MES)構(gòu)建、產(chǎn)品質(zhì)量預(yù)測模型構(gòu)建等方面應(yīng)用研究。立足于現(xiàn)有傳統(tǒng)SCR生產(chǎn)線，新增智能“上料、銅桿生產(chǎn)控制、收線”控制，采用大量傳感器、采集器、PLC等數(shù)據(jù)采集設(shè)備，對現(xiàn)有生產(chǎn)線上設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，構(gòu)建超融合云計(jì)算平臺(tái)，利用大數(shù)據(jù)分析，智能控制生產(chǎn)工藝流程，達(dá)到提高生產(chǎn)效率，降本增效目標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工業(yè)提升發(fā)展到智能化新階段。

2 SCR連鑄連軋生產(chǎn)線工況

SCR連鑄連軋生產(chǎn)線工藝流程如圖1所示，由上料、豎爐、流槽、保溫爐、鑄機(jī)、中間包、鑄坯制備機(jī)、軋機(jī)、桿材清洗通道、卷曲收線、成品稱重輸送組成。其中，上料區(qū)域由人工操作叉車、投料小車將銅板原料投入豎爐融化。銅桿生產(chǎn)控制包括3個(gè)獨(dú)立控制室(爐鑄區(qū)、軋區(qū)、卷曲收線區(qū))，自動(dòng)化程度較高。爐鑄區(qū)控制豎爐、流槽、保溫爐、鑄機(jī)、中間包、鑄坯制備機(jī)等工序；軋區(qū)控制軋機(jī)、桿材清洗通道等工序；卷曲收線區(qū)控制卷曲收線、成品輸送等工序，成品稱重輸送由5位(1#～5#分別獨(dú)立控制)輸送站組成。

圖1 SCR生產(chǎn)線工藝流程圖

3 智能化系統(tǒng)組成

目前國內(nèi)銅加工行業(yè)正面臨企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、高質(zhì)量發(fā)展問題，智能化大數(shù)據(jù)因技術(shù)水平完善、實(shí)用功能強(qiáng)大，可大幅提高SCR連鑄連軋生產(chǎn)線作業(yè)效率。智能化系統(tǒng)的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)美國南線SCR連鑄連軋生產(chǎn)線上料自動(dòng)化、生產(chǎn)過程工藝優(yōu)化和生產(chǎn)設(shè)備監(jiān)控管理、成品稱重輸送自動(dòng)化，最終實(shí)現(xiàn)美國南線SCR連鑄連軋生產(chǎn)線智能化。

3.1 上料系統(tǒng)智能化

SCR連鑄連軋生產(chǎn)線上料的工藝流程：原料銅板通過人工叉車操作至堆銅區(qū)，叉車操作至上料小車，人工操作上料小車投料進(jìn)入豎爐。

設(shè)計(jì)上料智能化系統(tǒng)(見圖2)，通過增加自動(dòng)倉儲(chǔ)貨架、AGV叉車(由車體、車載控制器、行走和轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)單元、激光定位掃描器、激光安全保護(hù)裝置、傳感器等構(gòu)成)、上料小車自動(dòng)控制系統(tǒng)，替換原人工工藝流程，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場無人操作。工序流程：原料銅板由AGV叉車操作至自動(dòng)倉儲(chǔ)貨架，通過AGV叉車將銅板放入鈀斗，鈀斗運(yùn)送至上料小車，通過上車實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制投入豎爐。自動(dòng)倉儲(chǔ)貨架共320個(gè)位置，每個(gè)貨位可存放2.5噸銅板原料，保證一天銅原料800噸供應(yīng)?，F(xiàn)場增加傳感器、采集器、PLC等數(shù)據(jù)采集設(shè)備，與中控室實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。緩存貨架區(qū)2是存放備用銅板原料區(qū)域，如自動(dòng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，可以臨時(shí)人工加料，保證連續(xù)生產(chǎn)，同步及時(shí)處理問題，恢復(fù)系統(tǒng)。

圖2 上料智能化示意圖

3.2 中央控制系統(tǒng)

新建中控室(MES系統(tǒng))物理示意圖見圖3，將原鑄區(qū)、軋區(qū)、卷曲收線區(qū)控制室并入中控室。增加現(xiàn)場傳感器、采集器等，利用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的泛在感知特性，提高了生產(chǎn)線過程檢測、實(shí)時(shí)參數(shù)采集、能源消耗監(jiān)測的能力，通過大數(shù)據(jù)處理可以實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控、診斷、控制，實(shí)現(xiàn)提高生產(chǎn)力，降低能源消耗。增加的各種傳感器和通信網(wǎng)絡(luò)，對銅加工產(chǎn)品的質(zhì)量、溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)及時(shí)跟蹤生產(chǎn)過程中主要設(shè)備(如溫度、震動(dòng)、轉(zhuǎn)速等)的運(yùn)行情況，通過網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)分析中心進(jìn)行處理，能有效地進(jìn)行設(shè)備故障診斷、預(yù)測，快速、精確定位故障原因，提高效率，降低維護(hù)成本。同時(shí)與企業(yè)辦公系統(tǒng)開放通訊協(xié)議，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，建立大數(shù)據(jù)中心，做到數(shù)出一門，提高所有系統(tǒng)的數(shù)據(jù)覆蓋面及準(zhǔn)確性。利用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)新技術(shù)，使用原數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)服務(wù)器作為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的采集與存儲(chǔ)，并配置雙網(wǎng)卡(管理網(wǎng)與控制網(wǎng))。采用跨網(wǎng)段交換機(jī)，為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫設(shè)置專門端口，作為管理網(wǎng)段服務(wù)器獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的入口，繼續(xù)使用PLC 控制系統(tǒng)接收傳感器數(shù)據(jù)。對SCR連鑄連軋銅桿生產(chǎn)過程進(jìn)行可視化動(dòng)態(tài)跟蹤，提供各種在線(如產(chǎn)量、振動(dòng)、溫度等)或離線(成分、品質(zhì)分析)過程數(shù)據(jù)的資源共享，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)生產(chǎn)運(yùn)行、設(shè)備故障診斷、質(zhì)量管理等。解決生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測與自動(dòng)調(diào)節(jié)適應(yīng)、生產(chǎn)設(shè)備故障自動(dòng)發(fā)現(xiàn)與告警、設(shè)備智能維護(hù)、優(yōu)質(zhì)銅桿產(chǎn)品生產(chǎn)工藝過程數(shù)據(jù)挖掘分析等相關(guān)問題。

圖3 中央控制系統(tǒng)物理示意圖

3.3 稱重輸送系統(tǒng)智能化

成品稱重輸送自動(dòng)化，原生產(chǎn)工藝流程是鐵托盤和木架通過人工叉車叉運(yùn)到1#、3#輸送站進(jìn)行二次稱重(二次稱重?cái)?shù)據(jù)相減為產(chǎn)品重量)，之后4#站打包，5#站人工叉車運(yùn)走。設(shè)計(jì)稱重輸送智能化系統(tǒng)(見圖4)，動(dòng)作流程(見圖5)。通過輥筒緩存區(qū)、頂升移栽、自動(dòng)拆板機(jī)、RGV軌道式小車、升降機(jī)、輥筒回流線實(shí)現(xiàn)運(yùn)送、存儲(chǔ)功能。立柱架高2m，輥筒兩側(cè)有護(hù)板，防跌落，下方可過人(升降機(jī)1至升降機(jī)2之間流程根據(jù)現(xiàn)場情況，也可采用地面方式)。實(shí)行現(xiàn)場無人操作，自動(dòng)運(yùn)行?，F(xiàn)場增加傳感器、采集器、PLC等數(shù)據(jù)采集設(shè)備，與中控室實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

圖4 稱重輸送智能化系統(tǒng)示意圖

圖5 動(dòng)作流程示意圖

3.4 討論

完成以上三個(gè)方面，建立智能化SCR生產(chǎn)線，做到與辦公系統(tǒng)數(shù)據(jù)對接等，工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)承擔(dān)企業(yè)數(shù)據(jù)的采集轉(zhuǎn)換工作，同時(shí)與其他獨(dú)立的業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行各類數(shù)據(jù)交互，如能源、產(chǎn)量、質(zhì)量判定、發(fā)貨、備件消耗、標(biāo)簽打印等等，將生產(chǎn)、經(jīng)營及管理等多類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，以便形成完整的大數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)鏈。自動(dòng)形成生產(chǎn)、質(zhì)量、設(shè)備、生產(chǎn)各類報(bào)表和績效考核KPI指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)透明化的生產(chǎn)工廠管理。對SCR生產(chǎn)線智能部分改造實(shí)例進(jìn)行調(diào)研，完成改造后可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場無人作業(yè)，減少15名現(xiàn)場操作工。集智能設(shè)備、生產(chǎn)設(shè)施、存儲(chǔ)系統(tǒng)為一體實(shí)現(xiàn)自主交換信息，各個(gè)子系統(tǒng)即可獨(dú)立運(yùn)行、同時(shí)進(jìn)行協(xié)同控制，通過設(shè)備運(yùn)行中大數(shù)據(jù)分析，及時(shí)消除設(shè)備故障隱患，提高生產(chǎn)臺(tái)效5%～6%，提升銅桿成品質(zhì)量3%～5%。數(shù)據(jù)表明，智能化工廠建設(shè)是科學(xué)、合理、可行的。

數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，首先最重要的是數(shù)字化，建立數(shù)據(jù)采集模型和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，對所有需要采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)自主化，打破傳統(tǒng)軟件和數(shù)據(jù)之間的緊密聯(lián)系，不論是用OA、ERP、MES、HR等軟件，或是其他工具，都將他們視為生產(chǎn)工具，數(shù)據(jù)才是產(chǎn)品。可以使用不同的軟件，但產(chǎn)出的數(shù)據(jù)必須按照智能工廠的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，存放到系統(tǒng)指定的數(shù)據(jù)倉庫中。數(shù)據(jù)資產(chǎn)化，針對采集的數(shù)據(jù)，建立查詢和分析平臺(tái)，并能用結(jié)果來幫助生產(chǎn)和經(jīng)營，讓采集數(shù)據(jù)能夠真正像資產(chǎn)一樣產(chǎn)生價(jià)值。對于管理信息化，數(shù)據(jù)能夠?yàn)樯a(chǎn)經(jīng)營提供預(yù)測、預(yù)警，能夠按流程自動(dòng)在日常管理中流轉(zhuǎn)。對于工廠智能化，數(shù)據(jù)能夠?qū)ιa(chǎn)進(jìn)行預(yù)測，對異常進(jìn)行報(bào)警，進(jìn)一步提高穩(wěn)定、可靠性，可以通過平臺(tái)自動(dòng)控制設(shè)備運(yùn)行，在數(shù)據(jù)異常的情況下，自動(dòng)調(diào)整生產(chǎn)工藝參數(shù)。借助于圖形化手段，清晰有效地傳達(dá)與溝通信息。這并不就意味著為實(shí)現(xiàn)其功能用途而令人感到枯燥乏味，或者為了絢麗多彩的視覺效果而變的極端復(fù)雜。為了有效傳達(dá)思想概念，形式與功能需要齊頭并進(jìn)，通過直觀傳達(dá)關(guān)鍵的方面與特征，實(shí)現(xiàn)對稀疏、復(fù)雜數(shù)據(jù)集的深入洞察。工廠智能化建設(shè)要厘清智能化和自動(dòng)化的區(qū)別，自動(dòng)化應(yīng)該作為智能化的一個(gè)分支，做智能化項(xiàng)目的拓展內(nèi)容，而不能喧賓奪主。管理信息化在軟件選型的時(shí)候，要求軟件方開放數(shù)據(jù)源或者使用智能工廠提供的數(shù)據(jù)源，并且支持智能工廠的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。

同時(shí)要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性，系統(tǒng)應(yīng)采用穩(wěn)定性好的主流信息平臺(tái)及開發(fā)語言，確保系統(tǒng)可全年24小時(shí)不間斷穩(wěn)定運(yùn)行，編寫應(yīng)急預(yù)案，提供完善的數(shù)據(jù)備份、壓縮、安全防護(hù)解決方案。軟硬件系統(tǒng)應(yīng)用國際認(rèn)證的主流 CA 證書及 HTTPS 進(jìn)行安全加密傳輸，提供操作審計(jì)及溯源支持。系統(tǒng)重要操作及安全定義的變更需自動(dòng)記錄在審計(jì)跟蹤日志中，審計(jì)追蹤被設(shè)計(jì)為不能被用戶關(guān)閉或刪除。PC及移動(dòng)App均應(yīng)有完善的安全防護(hù)機(jī)制，符合國標(biāo)要求。

4 結(jié)論

①創(chuàng)新設(shè)計(jì)了SCR連鑄連軋生產(chǎn)線智能化的方案，立足于現(xiàn)有傳統(tǒng) SCR生產(chǎn)線，新增智能上料、銅桿生產(chǎn)控制、卷曲收線控制，采用大量傳感器、采集器、PLC等數(shù)據(jù)采集設(shè)備，對現(xiàn)有生產(chǎn)線上設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，構(gòu)建超融合云計(jì)算平臺(tái)，利用大數(shù)據(jù)分析，智能控制生產(chǎn)工藝流程。

②智能化改造完成后，可增強(qiáng)SCR生產(chǎn)線設(shè)備、生產(chǎn)的穩(wěn)定性，提高生產(chǎn)臺(tái)效、減少故障率、提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低能源消耗、人工成本，提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)收益。為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)、5G、云計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)在傳統(tǒng)工業(yè)內(nèi)應(yīng)用、推廣，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工業(yè)提升發(fā)展到智能化新階段提供可借鑒、可參考的思路及方案。