海螺集团：工信部智能工厂案例水泥生产全流程智能工厂

  基于数据传感监测、信息交互集成及自适应控制等关键技术， 创新应用了数字化矿山管理系统、专家自动操作系统、智能质量控制管理系统等， 实现了水泥工厂运行自动化、管理可视化、故障预控化、全要素协同化和决策智慧化， 形成了“ 以智能生产为核心”“ 以运行维护做保障” “ 以智慧管理促经营” 的水泥生产智能制造模式， 为传统产业的转型升级和高水平发展起到了良好的示范引领作用。

  基于数据传感监测、信息交互集成及自适应控制等关键技术， 创新应用了数字化矿山管理系统、专家自动操作系统、智能质量控制管理系统等， 实现了水泥工厂运行自动化、管理可视化、故障预控化、全要素协同化和决策智慧化， 形成了“ 以智能生产为核心”“ 以运行维护做保障” “ 以智慧管理促经营” 的水泥生产智能制造模式， 为传统产业的转型升级和高水平发展起到了良好的示范引领作用。

  安徽海螺集团有限责任公司（ 以下简称海螺集团） 组建于1996 年， 是国务院确定的120 家大型试点公司集团之一， 总部设在安徽省芜湖市。集团拥有国家级企业技术中心， 控股经营海螺水泥和海螺型材两家上市公司， 下属390 多家子公司， 分布在24 个省市自治区和20 个境外国家和地区， 经营产业涉及水泥制造、化学建材、节能环保新材料、国际贸易、工程建设、现代服务业等领域， 营业收入和总资产双双跨过2000 亿元大关，已连续16 年位列中国企业500 强。2020 年， 集团荣列中国企业500 强第92位、中国制造业企业500 强第30 位、中国跨国公司100 大第96 位， 并以339.16亿美元的营业收入荣列世界500 强榜单第367 位， 排名较2019 年提升74位。

  水泥制造是集团的主导产业， 下属安徽海螺水泥股份有限公司， 是水泥行业首家A + H 股上市公司 ， 主要是做水泥、商品熟料、商砼及骨料的生产和销售， 目前已拥有熟料产能2.62 亿吨、水泥产能3.69 亿吨、骨料产能5800万吨， 产业规模、销量和盈利能力均已进入世界前列， 产品长期大范围的应用于全球标志性工程， 是世界先进的单一品牌供应商。2017 年被国际水泥评论杂志社(ICR) 评为世界水泥六强第二位， 2020 年名列《福布斯》“ 全球上市公司2000 强” 第312 位， 并获得了业界最高的国际信用评级一一标普A 、穆迪A2 、惠誉A ， 在业内享有“ 世界水泥看中国， 中国水泥看海螺” 的美誉。

  按照我们国家的国民经济行业分类(GB/T 4754 一2017 ） 标准， 安徽海螺集团有限责任公司属于非金属矿物制品业大类 ， 水泥、石灰和石膏制造中类 ，水泥制造小类 。

  经过几十年的发展， 我国水泥工业在全球水泥行业发展进程中经历了“ 跟跑一并跑一领跑” 的过程， 目前无论是生产的基本工艺， 还是装备水平， 总体上己处于世界领头羊，但水泥工业属于传统制造业， 当前的发展模式还比较粗放， 再加上我国水泥产能基数大，能耗高、资源利用率低、生产效率低、环境负荷重等问题仍未得到一定效果解决。随着我们国家经济高质量发展和生态文明建设的加速推进， 加快传统产业转型升级， 向信息化、智能化和绿色低碳方向发展是大势所趋。

  水泥制造属于典型的流程行业， 具有流程行业所共有的特性， 主要体现为“ 生产的全部过程的流程性、运行维护的保障性和运营管理的关联性”：

  （1）水泥生产的全部过程的流程性， 表现为从石灰石开采、原燃材料进场到产品发运出厂， 整个生产的全部过程全部采取流程化、自动化封闭作业， 基本实现生产的全部过程的无人化。因此提高生产的全部过程中资源利用、质量控制和生产控制的智能化是快速提高生产效率的有力手段。

  （2）运行维护系统保障了工厂设备的稳定运行和物流通道的畅通， 同时能源监控、安全管理和环保清洁生产都是水泥生产安全稳定运行的重要保障。

  （3）水泥工厂的日常管理包含了生产调度、物资、能源、设备、质量、安全、环保、统计等环节和要素的生产全过程管理及水泥产品的营销物流管理。各系统数据的真实有效和相互连通， 是智能化应用后有效提高管理效率的重要条件。

  安徽海螺集团有限责任公司围绕水泥生产核心业务， 利用自身长期生产经营过程中积累的生产制造、设备运维和经营管理知识， 基于移动通信网络、数据传感监测、信息交互集成及自适应控制等关键技术， 创新应用了数字化矿山管理系统、专家自动操作系统和智能质量控制管理系统等涵盖水泥生产全过程的智能化控制及管理系统， 实现了工厂运行自动化、管理可视化、故障预控化、全要素协同化和决策智慧化， 形成了“ 以智能生产为核心” “ 以运行维护做保障” “ 以智慧管理促经营” 的水泥生产智能化模式。

  建立水泥制造全过程知识库， 构建包含数字化矿山管理、专家自动操作和智能质量控制三大系统的智能生产平台， 将工艺机理特性、装置运行数据和专家操作经验等深层次地融合， 让积累的生产知识、管理经验软件化， 实现知识传承， 最终达到降低人员劳动强度、提升产品质量和降低资源能源消耗的目标。

  突出“ 稳产助优产、优产促节能、节能优环保” 的生产理念， 建设包含设备管理及辅助巡检、能源管理和安全环保三大系统的智能运维平台， 实现原料磨、预热器、回转窑、篦冷机、水泥磨等核心装备及辅机设备的在线监管、重大故障提前预判， 实现全厂能源消耗和安全环保的集中与区域管控， 为智能生产平台提供高效、安全、节能、环保的运行环境；采用信息化手段减少高、偏、远等高安全风险区域人员介入强度， 使人员作业轨迹可查询， 人员、设备、环境安全风险隐患可预警， 促进设备长周期、高效运行， 大大降低生产经营风险。

  利用云计算、物联网、大数据等信息通信技术， 将水泥传统生产、销售模式与互联网融合， 建设包含制造执行系统和营销物流管理系统的智慧管理平台， 将生产原料消耗、能源消耗、备品备件消耗等生产数据与供、销、财、物等业务数据相互连通， 打通了从市场到工厂、从需求到产销的水泥生产全流程的数据流、信息流， 实现了水泥工厂订单、计划、生产、发运、销售、服务整一个完整的过程的信息化， 有效优化了生产组织体系和销售服务流程， 大幅度的提高了客户体验。

  水泥行业的发展目前正处于转变发展方式与经济转型的关键时期， 信息化、自动化和智能化水平参差不齐， 急需采用融合工艺机理的信息化、智能化技术， 推动生产、管理和营销模式从局部、粗放向全流程、精细化和绿色低碳发展趋势变革， 解决资源、能源与环境的约束问题， 提高生产制造水平和效能， 实现水泥行业“ 降成本、补短板” 和跨越式发展。将AI和信息网络等新一代信息技术与水泥制造技术融合， 推动水泥工业生产、管理和营销模式的变革，已经成为我国水泥工业高质量转型发展的关键途径。海螺集团作为水泥行业龙头企业， 在水泥生产过程管控方面有着深厚的工业积淀，不仅拥有水泥工艺、电气自动化、机械装备和工业信息化等方面的专业技术人才队伍，而且建立了专业化的信息技术工程公司。三十多年来， 海螺集团对水泥自动控制、装备管理、工艺操作和供应链管理知识进行不断地总结和优化， 并通过计算机应用软件进行固化和统一， 形成了具有海螺特色的水泥生产知识库， 促进了海螺集团水泥产业的高标准化和高速发展， 同时也为海螺集团水泥智能工厂建设奠定了良好基础。

  海螺集团以企业实际需求为导向， 针对原料来源多、质量波动大、质量检测及时性和准确性不足、生产操作依赖人工经验、产品发运环节劳动强度大等痛点问题， 深入分析行业生产管理现状， 通过聚焦生产管控、设备管理、安全环保和营销物流等核心业务，建成了行业首个水泥生产全流程智能工厂示范项目， 并快速推广应用， 初步形成了水泥智能工厂集群。

  海螺集团深入分析行业未来发展趋势， 以解决生产实际问题为目标， 在水泥生产管理和自动化控制技术积累的基础上， 采用自主研发与集成创新相结合的方式， 以典型生产线为试点， 由点到面逐步推广应用， 持续迭代升级， 不断提升智能工厂技术及应用水平。

  海螺集团水泥智能工厂以提高生产线效率和管理效能为目标， 综合运用移动通信网络、数据传感监测、信息交互集成和自适应控制等先进技术， 打造以水泥制造为基础， 向产业链上下游同步延伸， 涵盖产品全生命周期的智能制造体系， 总体战略规划（ 见图1) 如下。

  （ 6 ） 建设具有海螺特色的工业互联网平台， 打造“ 海螺工业大脑” ， 实现“ 设备-生产线-工厂-区域-集团” 五级智能制造协同体系。

  在此基础上， 逐步建成国内智能化覆盖率领先的水泥工厂、世界单体产能-领先的智能水泥工厂、国内行业水泥智能工厂集群、水泥智能制造和商业运营产业链。

  海螺集团水泥智能工厂包含智能生产、智能运维和智慧管理三大平台（ 见图2 ） ，具体包括数字化矿山管理系统、专家自动操作系统和智能质量控制系统等八个涵盖水泥生产全过程的智能化控制及管理系统。水泥智能工厂的整体架构如图3 所示。

  智能生产平台（ 见图4 ） 包括数字化矿山管理系统、智能质量控制系统和专家自动操作系统。

  该平台在行业率先实现“ 一键输入、全程智控” 的生产模式， 只需在智能质量控制系统中输入熟料或水泥的质量预控目标， 系统自动根据原燃材料信息完成生产配料， 并向数字化矿山管理系统下达开采和配矿指令。专家自动操作系统按照配料参数和品质要求在节能稳产模式下自动引导生产。进入智能生产闭环后， 开采的矿石品位和终端产品的质量数据则又会由系统自动实时采集分析， 用以不断优化生产方案， 使产品品质、能源消耗等控制目标不断逼近预设的最优参数， 最终实现降低人员劳动强度、提高产品生产品质和降低资源能源消耗的运营目标。

  涵盖了矿山三维模型、中长期采矿计划、爆破管理、取样化验、采矿日计划、精细化配矿、GPS 车辆调度、卡车装载量监控、混矿品位在线分析、配矿自动调整、生产管理、司机考核等矿山管理的各领域， 实现三维采矿的智能设计、配矿质量在线分析、矿车调度优化管理、矿山生产立体化管控， 解决水泥企业在矿山生产方面存在的配矿、监督和管理问题， 提高矿山生产效率、资源利用率和安全保障水平。

  进厂原煤、入堆场石灰石等大宗原燃材料采用在线式跨带中子活化分析仪进行实时检测， 并建立堆场质量数据三维模型； 生料、熟料、水泥等经全自动取样器取样， 由炮弹输送系统送至中央实验室， 通过机械手、粉磨珏片一体机等全自动制样设备（ 见图5 ） 进行制样， 并由中子活化在线分析仪、激光粒度仪、X荧光分析仪及XRD 衍射仪等检测分析设备进行自动检测， 结合海螺集团多年来的生产控制经验， 开发了自动配料软件系统， 形成了集自动采样、样品传输、在线检验、自动化验和智能配料一体化的管理平台， 实现对原料、燃料、熟料和水泥等各类物料的全程自动取样、化验分析和配料调控。

  利用世界先进的实时智能专家系统开发平台， 针对水泥生产过程中长滞后、多变量、难检测和多扰动的特点， 总结梳理近万条水泥矿山开采、工艺控制、生产操作、质量管理等相关技术知识和管理经验， 建立海螺集团水泥生产知识库， 并将大数据分析、人工智能技术与海螺工匠实操经验完美结合， 搭建最符合水泥生产的专家自动操作系统（ 见图6 ） 。

  专家自动操作系统以MPC （ 模型预测控制） 、规则控制、模糊逻辑控制等先进的控制理论为基础， 将海螺集团水泥工艺控制思想进行标准化、软件化， 并与DCS（ 分散控制系统） 、数字化矿山管理系统和智能质量控制系统无缝集成、协调共进， 实现水泥生产线的智能化操作控制， 摆脱人为操作的波动性， 使生产线始终以最佳参数自动完成熟料、水泥的连续稳定生产。

  智能运维平台主要为智能生产平台提供高效、安全、节能、环保的运行环境， 包括设备管理及辅助巡检、能源管理和安全环保管理三大系统， 具有“ 稳产助优产、优产促节能、节能优环保” 的特点。

  利用现代化网络和通信技术， 通过温度压力传感器、振动检测器、高清视频摄像仪和移动巡检设备等先进仪器， 实现对原料立磨减速机、回转窑主电机、高温风机等设备运行、保养、检修和故障诊断的管理， 并通过PC 端与手机App 数据交互， 达到“ 降低劳动强度、信息实时共享、提高管理效率” 的目标；将重大设备故障自检测、主要设备实时在线监测、点巡检移动物联网化、三维仿真全息管理四大功能全面融合， 实现设各在线监管、重大故障提前预判。

  水泥行业是能源消耗大户， 能源消耗占水泥生产总成本的50 % 以上， 节能减排对水泥行业可持续发展具有重要意义。通过实施能源管理系统， 可实现对水泥生产过程的用煤、用电、用油等能源消耗数据的在线收集、实时传输， 结合各工序产量、设备开停状态等生产过程数据， 实现各工序电耗的统计、分析， 吨石灰石、吨熟料、吨水泥能耗对标分析， 以及能源指标数据的横向比较等功能， 有效提升水泥工厂能源管理水平， 从而使水泥企业的能源管理由传统方式、常规方式， 向可视化、数字化、网络化、智能化转变， 达到节约用煤、减少用电的效果。

  安全生产和环境保护既是人们生命健康的保障， 也是企业生存与发展的基础， 更是社会稳定和经济发展的前提。海螺集团安全环保管理系统， 从企业领导决策者、安全环保管理者、安全环保参与者等多角度出发， 围绕“ 事前、事中、事后， 三条业务主线，利用AI 视频分析、GPS 定位等信息化技术手段， 为企业建立“ 日常监管、提前预警、事中救援、事后提高” 的包含安全环保管理全过程的业务系统， 实现危险区域作业风险智能监控、污染物排放指标预测预警、人员轨迹跟踪及安全风险分析警示、安全培训、应急演练、事故处置等功能， 大幅提升企业安全环保管理水平。

  智慧管理平台包含生产制造执行系统和营销物流管理系统， 在系统整合智能生产和智能运维平台数据的基础上， 推动工厂的卓越运营。

  水泥制造是典型的流程化生产， 在生产过程中， 各工序的生产调度、生产部门间的组织协调、销售部门的发运组织、各职能部门的职能管理， 乃至企业级的整体运营决策等行为， 都需要及时、有效的数据支撑。通过制造执行系统的实施， 打通智能工厂各系统间数据壁垒， 实现各大工业智能系统的互联互通、全面融合， 建成以产品生产为主线，贯穿生产调度、物资、能源、设备、质量、安全环保、统计等生产全过程管理环节， 支撑生产管理业务全面信息化， 提高生产效率， 降低生产成本， 使企业始终以最经济、优化的方式生产。MES 架构如图7 所示。

  传统的水泥工厂都设有销售大厅， 车辆排队签单、开票， 工作既耗时又烦琐。通过“ 互联网+ 物联网” 的技术应用， 建设包含水泥电商平台、物流通道无人值守子系统、水泥全自动包装子系统、产品流向监控子系统的营销物流管理系统。将互联网销售、工厂智能发运和水泥运输在线监管全面融合， 实现工厂订单处理、产品发运、货物流向监控等业务流程无人化和数据应用智能化， 提升服务质量与效率、互动参与度以及便捷性， 为客户提供更为方便、快捷的服务， 实现水泥传统营销、管理模式的创新和升级。

  海螺集团水泥智能工厂充分融合了生产工艺特征和海螺集团多年在生产过程管控方面深厚的工业积淀， 实现了数据的大平台、大交换、大融合， 真正做到了生产工序操作全自动、过程分析全数据的智能化工厂。以2 条标准的5000t / d 生产线进行智能工厂综合效能考核评测， 系统运行效果如下

  （ 1 ) 数字化矿山管理系统通过对矿体三维地质建模、采剥编制、计算机优化， 集成在线质量分析与检测等设备， 实现了自动化配矿和车辆智能调度， 每月可多搭配低品位矿石2 万吨， 柴油消耗同比下降7 % ， 轮胎消耗同比下降36 % 。

  （ 2 ） 专家自动操作系统通过“ 小幅多频” 自动优化控制代替人工操作， 使原料磨、回转窑、煤磨、水泥磨、余热发电机组等水泥生产主机设备始终逼近最佳状态运行， 实现标准煤耗下降1.17Kg/t， 操作员劳动强度降低90 % ， 综合在线 % 以上， 产品稳定性显著提升。

  （ 3 ） 智能质量控制系统投运后， 入堆石灰石CaO 堆平均合格率提升7.2 % ， 熟料CaO 合格率提升3.67 % ， 熟料28 天强度上升1.10MPa。取消矿山化验及部分过程样品的人工取、制、检工作， 大幅降低了取样人员劳动强度和安全风险。

  （ 4 ） 设备管理及辅助巡检系统投运行以后， 水泥烧成系统机电设备故障率下降70 % ，现场巡检工作量下降40 % ， 设备运行周期延长37 % ， 专业用工优化20 % 以上。

  海螺集团水泥智能工厂实施后， 生产线 % 、资源综合利用率提升5 % ， 能源消耗下降1.2 % ， 质量稳定性提升3.7 % ， 工厂主要经济技术指标得到持续优化， 员工劳动强度得到有效减轻， 取得了良好的经济及社会效益。

  海螺集团水泥智能工厂在推广过程中， 按照“ 整体规划， 分批实施， 逐步推进” 的原则， 分阶段逐系统推广应用。首先由各子公司根据自身实际情况提出智能化技术应用需求， 各专业技术委员会组织进行评估论证， 最终决定各子公司实施的系统或平台。在此基础上， 集团公司根据各子公司实际生产情况和整体战略规划， 制定年度智能工厂推广目标， 并列入年度经营计划予以执行。

  海螺集团水泥智能工厂试点成功以来， 在集团内部快速启动了推广应用工作。截至2020 年年底， 数字化矿山管理系统已在安徽芜湖、广东英德和贵州贵定等地的11 家公司建成投用；专家自动操作系统已在安徽池州、江西弋阳、山东济宁、湖南益阳、云南文山等地的25 家公司建成投用；智能质量控制系统已在安徽池州、铜陵、枞阳、芜湖等地的5 家千万吨级特大型熟料基地开展建设实施；营销物流管理系统已于2018 年底实现海螺集团所有水泥公司全覆盖。经初步测算， 预计智能工厂在海螺集团全面推广完成后， 每年可节约标准煤近28 万吨、降低柴油消耗约3500 吨、减排CO2 约100万吨， 各类资源消耗降低及劳动生产率提升带来的经济效益逾10 亿元/ 年， 对水泥等传统行业具有较好的借鉴意义。

  智能制造目前基本处于起步阶段， 智能制造供应商掌握技术， 但不熟悉行业业务流程和企业需求， 行业用户理解需求， 但难以找到合适的智能制造解决方案和成熟产品，需要具有水泥行业丰富技术基础的厂商与用户进行有效沟通、深度融合。

  海螺集团水泥智能工厂取得了较好的经济和社会效益， 随着应用场景的不断丰富和现场应用条件的变化， 对智能工厂各系统的适应性提出了新的挑战， 需要运用新技术对智能工厂各系统进行持续不断的创新和技术迭代升级。海螺集团对矿山开采无人驾驶和5G 技术在水泥生产的应用场景研究进行了探索， 综合运用大数据分析、AI和5G 技术， 持续开展智能工厂技术优化和新技术应用研究， 不断提升智能化技术水平。

  3 . 智能化成效建立在生产线稳定运行的基础上， 需要在技术升级和管理变革方面进行持续性投入

  水泥行业属于传统流程行业， 近二十年得到了快速发展， 关键环节基本实现了自动化控制， 但与智能制造的要求相比， 在设备信息采集、智能化程度等方面还有较大差距。

  目前， 水泥工厂设备智能化改造资金投入较大， 部分改造还需要生产线停机方可进行，对生产线的运行影响较大， 一定程度上影响了智能制造项目的推广， 需加强对智能制造的认识和管理力度。此外， 智能制造系统的顺利实施和长期稳定运行， 更需要持续的技术升级和与之相匹配的管理架构、管理流程再造， 这些都需要企业进行人力、物力和财力的持续投入。

  随着新技术、新装备的应用， 水泥行业结构调整、转型升级、强化两化深度融合、向智能化迈进己势在必行。未来的水泥企业集团将会由单一生产水泥、熟料的制造型工厂，升级为涵盖上下游产品的多业态水泥产业集群， 对资源综合利用率、生产效率和成本管控方面的要求进一步提高， 水泥生产智能化将是解决企业痛点问题的重要途径。

  （ 1 ) 从整个水泥行业来看， 智能制造目前仍处于起步阶段， 下一步应继续以水泥生产实际的需求和痛点问题为导向， 加强技术研发和集成创新， 在自动寻优、跨系统协同、机器人应用、5G 及AI 等方面持续开展人机一体化智能系统系统迭代升级， 并借鉴离散型行业智能制造技术及经验， 扩大智能制造应用范围， 提升水泥行业智能制造技术水平。

  （ 2 ） 水泥智能工厂是建立在工厂稳定运行基础上更高层次的提升和优化， 在实施智能工厂建设之前， 应持续加大工艺、装备及信息系统等方面的投入， 进一步提升物料输送、设备监控、DCS 、基础网络等方面的稳定性和可靠性， 为智能工厂的稳定高效运行提供基础条件。

  （ 3 ） 鼓励企业在现有的水泥智能工厂体系基础上， 结合人工智能、大数据、5G+AI等新一代信息技术的前沿科研成果， 开展水泥智能工厂迭代升级等技术的攻关研发， 提高水泥行业整体智能化水平， 推动传统制造向数字制造、人机一体化智能系统转型升级。

  （ 4 ） 高度重视水泥工厂智能化核心技术和基础软件平台的开发， 进一步加强对自主知识产权工业基础软件和智能装备的研发和支持力度， 切实解决部分底层基础软件平台和智能装备系统的制约问题， 对全面提升我国水泥工业人机一体化智能系统自主化水平有重大现实意义。

  总体来看， 水泥人机一体化智能系统技术本质上是IT （ 信息技术） 和OT （ 运行技术） 的融合，关键是要立足于企业的实际需求， 利用最新和最适用的信息技术赋能企业的生产和管理， 提升企业生产和管理效益。作为水泥生产企业在开展人机一体化智能系统系统建设时， 不能够完全依赖系统解决方案供应商或者照搬照抄其他企业方案， 必须要从自身的实际需求出发， 并全程参与其中， 切实解决影响人机一体化智能系统系统运行的设备、流程和管理问题， 才能够充分发挥人机一体化智能系统系统的效果。