摘 要：【目的】對甘肅東方鈦業(yè)有限公司年產(chǎn)500 000 t磷酸鐵項目進(jìn)行智能化建設(shè)研究，以提高生產(chǎn)線的自動化水平，節(jié)約能源和成本?！痉椒ā恳浴傲颉住F—鈦—鋰—釩”綠色循環(huán)低碳產(chǎn)業(yè)項目為研究對象，先建立智能工廠的整體框架，再分步實施各功能單元?！窘Y(jié)果】建立基于PROFINET通信技術(shù)的工業(yè)以太網(wǎng)磷酸鐵生產(chǎn)線，自動化程度提高，人力成本降低40%，節(jié)能減排效果顯著。【結(jié)論】對傳統(tǒng)工業(yè)進(jìn)行“高端化、智能化、綠色化”改造，走高質(zhì)量發(fā)展的道路才是未來工業(yè)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：智能工廠；智能化；PROFINET；工業(yè)以太網(wǎng)；磷酸鐵

中圖分類號：TP27 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1003-5168（2024）16-0028-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.16.006

Research on Intelligent Construction of Iron Phosphate Factory Based on the Transformation of "High-end， Intelligent and Green"

LIU Mingming1，2

（1.Gansu Oriental Titanium Industry Co.， Ltd.， Baiyin 730900，China;

2.Gansu Zetong New Energy Materials Co.， Ltd.， Baiyin 730900，China）

Abstract：[Purposes] Research on the intelligent construction of the project of Gansu Oriental Titanium Industry Co.， Ltd. with an annual output of 500，000 tons of iron phosphate was conducted to improve the automation level of the production line and save energy and cost.[Methods] Based on the "sulfur—phosphorus—iron— titanium—lithium—vanadium" green cycle low-carbon industry project，this paper first establishes the overall framework of the smart factory and then implements each functional unit separately.[Findings] Industrial ethernet iron phosphate production line based on PROFINET communication technology has been established， which has a high degree of automation， reduces labor cost by about 40%， and achieves remarkable effect of energy saving and emission reduction.[Conclusions] To transform traditional invBizWsUy4yhY3Ic33aTDoQ==dustries into "high-end， intelligent and green" and embark on the road of high-quality development is the development direction of future industries.

Keywords：smart factory; intelligent; PROFINET; industrial ethernet; iron phosphate

0 引言

隨著工業(yè)4.0的概念在2013年漢諾威工業(yè)博覽會上首次出現(xiàn)，2015年國務(wù)院正式印發(fā)《中國制造2025》，我國的工業(yè)從傳統(tǒng)工業(yè)自動化開始走向智能制造升級轉(zhuǎn)變的兩化融合（信息化和工業(yè)化）道路［1］。甘肅省政府也通過《甘肅省綠色化信息化智能化改造推進(jìn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級實施方案》開始了對智能制造的不斷探索和實踐。自黨的十九屆五中全會以來，根據(jù)甘肅省傳統(tǒng)重工業(yè)占比大、轉(zhuǎn)型需求高的現(xiàn)狀，甘肅省政府將傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)“三化”改造進(jìn)一步明確為“高端化、智能化、綠色化”改造，旨在引領(lǐng)甘肅省工業(yè)向中高端邁進(jìn)，實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展。

近年來，受益于磷酸鐵鋰電池的崛起，市場對磷酸鐵的需求激增，國內(nèi)各磷化工廠、鈦白粉廠紛紛憑借自身優(yōu)勢，對磷酸鐵產(chǎn)線進(jìn)行了新建和擴(kuò)建。甘肅東方鈦業(yè)有限公司以“硫—磷—鐵—鈦—鋰—釩”綠色循環(huán)低碳產(chǎn)業(yè)項目為集聚點，利用鈦白粉副產(chǎn)品硫酸亞鐵的原材料優(yōu)勢，新建年產(chǎn)500 000 t磷酸鐵產(chǎn)線，在實現(xiàn)從無到有的同時，對磷酸鐵產(chǎn)線進(jìn)行從精細(xì)化轉(zhuǎn)向規(guī)?；奶剿鳌，F(xiàn)以一條50 000 t磷酸鐵生產(chǎn)線為對象，對“三化”改造背景下的“智能化”建設(shè)進(jìn)行研究。

1 智能工廠的目標(biāo)和實施策略

1.1 以兩化融合的高自動化生產(chǎn)線為基礎(chǔ)

與傳統(tǒng)化工工業(yè)不同的是，磷酸鐵生產(chǎn)線具有很強(qiáng)的批次性。雖然這會對自動化控制的設(shè)計帶來一定難度，但依然可以采用離散式控制系統(tǒng)的架構(gòu)，結(jié)合工業(yè)以太網(wǎng)強(qiáng)大的通信能力，實現(xiàn)產(chǎn)線的全自動化生產(chǎn)。兩化融合的關(guān)鍵點之一便是大量生產(chǎn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的收集和數(shù)字化處理，因此，做好智能工廠的前提便是建立一條可以便捷、準(zhǔn)確、穩(wěn)定地對基礎(chǔ)生產(chǎn)數(shù)據(jù)完成采集的自動化生產(chǎn)線［2］。

1.2 以“高端化、智能化、綠色化”中的“智能化”為建設(shè)目標(biāo)

智能化旨在完成以融合信息技術(shù)（IT）和運(yùn)營管理技術(shù)（OT）的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)［3］為枝干，并同步集成資源管理系統(tǒng)（ERP）、生產(chǎn)過程執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、倉儲管理系統(tǒng)（WMS）的工業(yè)數(shù)據(jù)中心平臺后，通過數(shù)據(jù)中心收集存儲的大量數(shù)據(jù)，利用先進(jìn)算法構(gòu)建各類生產(chǎn)、設(shè)備、質(zhì)量模型［4］，并通過不斷地訓(xùn)練和優(yōu)化，實現(xiàn)制造運(yùn)營管理系統(tǒng)（MOM）對生產(chǎn)狀態(tài)、設(shè)備全生命周期、質(zhì)量全過程管控的自動分析、決策建議、自動糾偏或糾錯等功能［5］。

1.3 以模塊化的手段逐步實現(xiàn)

將整個智能化工廠的建設(shè)規(guī)劃為三個階段，在確認(rèn)整體框架的前提下，根據(jù)不同模塊的特性逐層、逐級進(jìn)行建設(shè)。

第一階段為基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)期。一個高程度的自動化產(chǎn)線是實現(xiàn)智能化建設(shè)的基礎(chǔ)；一個安全、穩(wěn)定、標(biāo)準(zhǔn)、開放的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)是智能化建設(shè)中打破信息孤島的關(guān)鍵。DCS系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)、設(shè)備管理系統(tǒng)、質(zhì)量管理系統(tǒng)、HSE管理系統(tǒng)均在這個階段完成。

第二階段是數(shù)字化轉(zhuǎn)換階段。以數(shù)據(jù)處理能力超群的實時數(shù)據(jù)庫為核心，建立一個搭載各類數(shù)據(jù)處理服務(wù)器的數(shù)據(jù)平臺，對收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、統(tǒng)計、存儲、傳遞，并進(jìn)行初步分析，生成相應(yīng)的報表。該平臺需要利用通用接口和標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議與ERP、WMS等企業(yè)管理系統(tǒng)進(jìn)行無縫對接。

第三階段是智能化建設(shè)階段，也是智能工廠建設(shè)的終極目標(biāo)。該階段需要采用先進(jìn)算法對數(shù)據(jù)中心存儲的各類生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，完成現(xiàn)有工廠的各類生產(chǎn)管理流程的建模。隨著數(shù)字模型的不斷完善，才能真正發(fā)揮MOM系統(tǒng)的能力，打通生產(chǎn)數(shù)據(jù)流、產(chǎn)品數(shù)據(jù)流和供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)流，構(gòu)建覆蓋產(chǎn)品全生命周期和全業(yè)務(wù)活動的管理平臺。

2 智能工廠的框架

智能工廠的框架如圖1所示。從硬件設(shè)施結(jié)構(gòu)角度來看，其實質(zhì)是一個正金字塔模型，最底層是現(xiàn)場控制層，該層的自動化傳感器和工業(yè)以太網(wǎng)形成一個物物互聯(lián)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，是整個工廠的數(shù)字化框架的基礎(chǔ)。第二層是生產(chǎn)管理層，是一個以實時數(shù)據(jù)庫為背景，具有對象感知、數(shù)據(jù)分析、業(yè)務(wù)應(yīng)用三大功能的數(shù)據(jù)管理平臺。其依靠龐大的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)做支撐，配合先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理和分析技術(shù)［6］，建立多種多樣的數(shù)學(xué)模型，從而生成相應(yīng)的生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)、設(shè)備管理系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)等。金字塔頂層便是企業(yè)資源管理、供應(yīng)鏈管理這一類決策支持管理系統(tǒng)，同時也可在該層采用上云的方式，實現(xiàn)多地方、多工廠的協(xié)同生產(chǎn)。

智能工廠的核心是構(gòu)建一個安全、穩(wěn)定、可靠、算力強(qiáng)大的數(shù)據(jù)中心，可實時處理現(xiàn)場收集到的數(shù)據(jù)，并根據(jù)需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)中心以實時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器為核心，其他數(shù)字化系統(tǒng)服務(wù)器為節(jié)點，遍布全廠的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)和辦公網(wǎng)絡(luò)為枝干，連接起全廠底層的自動化控制系統(tǒng)。

對數(shù)據(jù)中心最重要的是標(biāo)準(zhǔn)的、開放的數(shù)據(jù)接口和通信協(xié)議，這涉及各單元之間、層與層之間的數(shù)據(jù)流通方式。對于基礎(chǔ)的自動化系統(tǒng)，數(shù)據(jù)的傳輸應(yīng)該優(yōu)先保證生產(chǎn)穩(wěn)定安全地進(jìn)行，同時帶有HART通信協(xié)議的智能儀表也應(yīng)兼顧基礎(chǔ)數(shù)據(jù)量的收集。因此，采用HART和PROFINET為主，MODBUS RTU、PROFIBUS DP等為輔的通信方式。而上升到自動化控制系統(tǒng)層和MES、AMS等層之間的數(shù)據(jù)傳輸，可采用OPCUA的C/S主從通信方式，加上TCP/IP的以太網(wǎng)通信方式來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸［7］。通過實時數(shù)據(jù)庫保證全廠數(shù)據(jù)來源真實、可靠、唯一。

整個架構(gòu)還應(yīng)充分考慮未來智能化進(jìn)一步的發(fā)展，保證可升級性、兼容性、開放性、標(biāo)準(zhǔn)性等。在建設(shè)智能工廠的同時，緊隨最新技術(shù)的發(fā)展，保證系統(tǒng)的可持續(xù)更新。隨著智能化的建設(shè)，數(shù)據(jù)安全問題也變得愈發(fā)重要。全廠應(yīng)該規(guī)劃工業(yè)網(wǎng)絡(luò)和辦公網(wǎng)絡(luò)相互獨立。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)肩負(fù)著底層自動化控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸至實時數(shù)據(jù)庫的職責(zé)［8］，應(yīng)用主要是現(xiàn)場控制層；辦公網(wǎng)絡(luò)則負(fù)責(zé)ERP、WMS、SCM等管理系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸，應(yīng)用主要是決策層。因為涉及數(shù)據(jù)的交換傳輸，所以防止網(wǎng)絡(luò)入侵造成自控系統(tǒng)癱瘓影響生產(chǎn)顯得尤為重要，必須在關(guān)鍵部分做好相應(yīng)的安全措施。包括數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)、防火墻等硬件，以及采集過程中數(shù)據(jù)的讀寫權(quán)限控制、上位機(jī)等禁止數(shù)據(jù)外接傳輸管理軟件的使用，來保障數(shù)據(jù)安全。

3 磷酸鐵智能產(chǎn)線的創(chuàng)新及應(yīng)用

傳統(tǒng)磷酸鐵行業(yè)存在規(guī)模較小，自動化程度較低的特點。本次新建產(chǎn)線除了進(jìn)行單線產(chǎn)能放大的同時，還大大提高了自動化程度?；贏BB 800XA平臺實現(xiàn)亞鐵凈化和磷鐵合成工序的全自動化控制，對過濾、干燥、粉碎、混批、包裝等工序的成套設(shè)備進(jìn)行通信數(shù)據(jù)集成，并在此基礎(chǔ)上，完成了能源管理、設(shè)備管理系統(tǒng)的底層數(shù)據(jù)采集。

3.1 高程度的自動化設(shè)計

對液相反應(yīng)部分進(jìn)行全自動化控制設(shè)計，與國內(nèi)現(xiàn)有產(chǎn)線對比，大幅減少產(chǎn)線工人數(shù)量和現(xiàn)場勞動強(qiáng)度，可通過DCS系統(tǒng)實現(xiàn)對原始生產(chǎn)數(shù)據(jù)的可追溯、可對比。整條磷酸鐵產(chǎn)線已全面實現(xiàn)自動化監(jiān)測和遠(yuǎn)程上位機(jī)或觸摸屏控制，各工序獨立反應(yīng)模塊具備一鍵順控運(yùn)行功能。

3.2 基于PROFINET通信技術(shù)的工業(yè)以太網(wǎng)構(gòu)建

考慮到后期智能化建設(shè)的拓展，在產(chǎn)線設(shè)計階段就規(guī)劃統(tǒng)一了工業(yè)以太網(wǎng)的通信標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)響應(yīng)時間的不同，PROFINET支持下列兩種通信方式：實時RT（Real—Time）通信、同步實時IRT（Isochronous Real—Time）通信［9］。正是基于這種開放性、靈活性、高效率和高性能的優(yōu)勢，可以在同一硬件網(wǎng)絡(luò)下同時進(jìn)行TCP／IP的非實時通信和RT的實時通信［10］，完成對現(xiàn)場層設(shè)備的控制和訪問。

磷酸鐵產(chǎn)線具有數(shù)量龐大的基于PLC控制的成套設(shè)備，在各設(shè)備的招標(biāo)采購初期，將可編程邏輯控制器統(tǒng)一成西門子S7-1214C。關(guān)鍵的智能儀表和所有變頻器也統(tǒng)一要求選配支持PROFINET的通信卡件。

3.3 基于ABB 800XA平臺的數(shù)據(jù)收集和預(yù)處理

IndustrialIT 800XA系統(tǒng)是ABB開放的新一代DCS平臺，與傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)不同的是，該平臺除了基本的集散控制功能外，還集成了信息管理（IM）、生產(chǎn)管理（PM）、現(xiàn)場設(shè)備管理（DM）等模塊工具，為數(shù)字化提供了新的思路和捷徑。

在建設(shè)產(chǎn)線時，將變頻器、馬達(dá)保護(hù)器、各類儀表通信至該平臺，采集了設(shè)備的基本運(yùn)行參數(shù)、關(guān)鍵設(shè)定參數(shù)、報警等信息作為DM模塊的數(shù)據(jù)來源；將配電室所有電能表通過RS485統(tǒng)一采集，作為能源管理的數(shù)據(jù)來源。

在數(shù)據(jù)整理和存儲上，一方面800XA提供了開放的結(jié)構(gòu)變量編輯工具，可以采用結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲歸檔的方式，大大減少相同或類似設(shè)備的數(shù)據(jù)處理量。另一方面針對各管理模塊需求，提前對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的相關(guān)性描述和相關(guān)性分析，并將輸出結(jié)果保存進(jìn)DCS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中。采用這種邊緣計算的方式，可以有效減少數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)處理壓力，減少資源占用率。

3.4 基于OPC UA標(biāo)準(zhǔn)的通信接口

OPC UA是一種不依賴平臺的標(biāo)準(zhǔn)［11］，主要為C/S架構(gòu)，具有更高的安全性和可靠性［12］。 IndustrialIT 800XA系統(tǒng)提供了基于OPC客戶端連接（OPC Client Connection），允許ERP、WMS、SCM等管理系統(tǒng)配置的OPC客戶端通過OPC UA、OPC DA、OPC AE及OPC HAD服務(wù)器與之進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

4 取得的成果

首先，實現(xiàn)了磷酸鐵行業(yè)全自動化生產(chǎn)線建設(shè)，大大減輕了亞鐵凈化工序的人力投入，整條50 000 t產(chǎn)線每班只需崗位工人約30人，其中核心操作人員為4人。整體的人工成本約為傳統(tǒng)生產(chǎn)線的60%。利用DCS平臺實現(xiàn)單元模塊一鍵啟動，自動投料，并設(shè)置諸多防呆、防錯連鎖，減少人為誤操作。

其次，建立了基于PROFINET的工業(yè)以太網(wǎng)，實現(xiàn)全部成套設(shè)備的互聯(lián)互通，打破傳統(tǒng)的信息孤島局面，實現(xiàn)一個平臺便可以監(jiān)控到所有成套單元的運(yùn)行信息。并收集分類了所有關(guān)鍵設(shè)備的能源原始數(shù)據(jù)，通過橫向和縱向比較找到能耗缺口，通過變頻控制使電機(jī)工作在最經(jīng)濟(jì)的工作特性曲線上，以實現(xiàn)節(jié)能減排、降耗增效的目的。

最后，完成了智能工廠的框架搭建，預(yù)留了其他功能模塊的標(biāo)準(zhǔn)接口，方便后期的拓展和其他系統(tǒng)的接入。

5 結(jié)語

建設(shè)基于工業(yè)以太網(wǎng)的智能工廠，是響應(yīng)《中國制造2025》戰(zhàn)略，貫徹“高端化、智能化、綠色化”的高質(zhì)量發(fā)展理念，提高生產(chǎn)設(shè)備自動化，降低生產(chǎn)成本，保障產(chǎn)品質(zhì)量的重要舉措。甘肅東方鈦業(yè)有限公司積極貫徹落實甘肅省政府“三化”改造的決策，在磷酸鐵智能產(chǎn)線的基礎(chǔ)上加快推進(jìn)工廠智能化建設(shè)，打破信息孤島，實現(xiàn)生產(chǎn)協(xié)同工作，努力建成國內(nèi)一流的磷酸鐵智能工廠。

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