智能化生产创新试点与探讨

王振军，谢庆云，卢耀锦，王虎城，杨少武，杨志军，王世军

（西北稀有金属材料研究院宁夏有限公司 稀有金属特种材料国家重点实验室，宁夏 石嘴山753000）

目前，根据我国“十二五”发展规划要求，要在各行各业大力推进智能制造，由此来推进产业转型升级，最终提高核心竞争力。为此，本集团公司积极响应国家产业政策，试点将智能制造应用到新建项目上，成功实现了以智能化生产，创新驱动产业大发展。

1 智能化试点

1.1 立项背景

原生产线信息化状况落后。装备均为信息孤岛，无法互联互通，远程共享； 多为单机控制或人工操作；生产现场管理靠人工巡视；质量过程管理靠人工记录。

新建生产线引入智能化试点建设。以实现无粉尘危害远程管理，提质增效，扩大产能，扭亏脱困。生产线装备特点：单机间歇式生产；工艺复杂，流程长；批量小，多批次；高温，高真空度，脱气粉末冶金工艺复杂，控制精细，安全防护要求高等，特别适合智能化应用开发。生产线装备如图1 所示。

1.2 建设概况

图1 生产线装备实物图

公司投资近数百万，试点建设了智能化生产线，开创了智能化建设项目示范，由传统单机不互联制造模式向信息化物联网制造模式转变，实现了四个方面的智能化：装备自动化、管理可视化、质量信息化及工艺流程化，实现了节能、增能、产值及效益翻倍增长，成为集团外来参观最具特色的展示中心之一。

1.3 建设方案

实现生产信息化。建立生产物联网信息MES 管理平台及生产监视调度指挥中心总站，实现生产装备由人工管理向信息化管理方式转型升级。建立车间集控平台子站，实现自动化无人值守，减少人工，实现通风防护要求节能化。

开发建设装备自动化。推广应用工厂通风智能化及节能技术，降低成本；新开发等静压扩能深度自动化技术，扩大产能；推广应用数控化机械加工中心等智能化加工装备；提升装备精密加工制造能力，提高产品合格率及效率。

优化生产流程。创新开发3D 打印快速成型数控技术，缩短生产流程。

1.3.1 平台架构

组建全线各单体设备DCS/PLC 物联网，将全线20 多套冶金炉单机及7 套通风控制系统组成网络汇集、处理全线约6 000 点生产数据；建立生产监控/调度/管理系统：建立7 个车间信息子站，建立一个信息化物联网中心总站平台；自动采集、存储、显示生产数据，生成质量、工艺、装备、能耗管理信息数据库。平台架构如图2 所示。

1.3.2 远程可视化平台

建立大屏监视中心。共设有150 路高清视频摄像头；统一组网全线工艺数据及视频信息，综合显示在 9×60 寸 DLP+16×42 寸电视墙上； 设有车间级监控显示终端，并将信息远传至总调度指挥显示中心；车间子站及总控室全线无死角，全天候“电子眼”监视，记录定期备份，常年可查；提升现场生产管理效率，且无粉尘危害，远程管理；总控中心实时在线监控，及时调度指挥生产。视频信号均可上电视/DLP墙进行轮巡监视。可视化平台结构如图3 所示。

1.3.3 生产监控平台

建立可自动采集全线生产6 000 个信息点数据的智能监控平台以及生产质量管理系统、 装备运行养护数据平台。实现了工艺及装备数字化、智能化；改善产品过程控制水平； 自动执行工艺过程控制流程，实现质量的透明、精细、高效、优化管理；产品质量全程可追溯，便于改进生产管理，提质增效。实现了生产控制、分析、决策等，实现了智能化技术升级；改善了工艺优化及质量控制技术，节能降耗，改进设备运维效率；建立设备运维及能耗智能管理平台，提高了运维效率，延长设备寿命；实现节能精准管理。生产监控平台如图4 所示。

图3 可视化平台结构图

1.3.4 装备智能化扩能

深度自动化扩产能。等静压成型技术（Hot Isostatic Pressing，简称HIP）是将制品放置到密闭的耐高压容器中，向制品施加各向同等的压力，同时施以高温，在高温高压的作用下，制品得以烧结和致密化，传统等静压成型技术瓶颈是受热均温区短，冷却时间长，高温高压安全保护及操作流程多为人工方式，生产效率低下，产量满足不了生产需求，急需扩能改造。

对传统等静成型技术进行深度改造（如图5 所示）。全自动PLC 控制，简化操作，一键式操作，提高运维效率及开机率，故障自诊断；增强设备及人身安全，联锁保护控制。采取快速冷却技术改造：快速冷却 30～50 ℃/min，缩短生产周期近 24 h，提高生产效率，增加产能；采取缩短工艺流程技术改造；自动制氩气，降费用，省人力，工艺简化，操作安全。

1.3.5 装备智能化降耗

图4 生产监控平台图

图5 等静成型技术深度自动改造介绍图

以下述项目为例说明如何解决负压密闭高耗能及成本大的难题。项目设计风量45 万m3/h，装机电量约800 kW，通风能耗成本巨大，年电费近300 多万元。

房间通风用量智能化控制。通过各调试房间送风和排风的手动阀开度，调整送风量与排风量，保证一定负压，使得有害粉尘按系统各房间预设的负压梯度，从低浓度区域向高浓度区域定向流动；在房间送风管和排风管上设有电动密闭阀门，根据实际各用风房间的需求启停，避免了通风房间“一开全开”的空耗运行方式。

送排风总管路通风量智能控制。由送、排风风机组的PLC 控制系统自动调节其频率来维持出口压力，实现总管路按实际需量供风，杜绝了定工频运行方式下耗风耗电缺陷。

节风约49%，节电约30%，年节省电费约90 万元；采取无人职守技术，智能化节省人工10 人，节省人工费约30 万元。装备智能化降耗（厂房通风按需智能化供风）如图6 所示。

1.3.6 试点经验教训

图6 装备智能化降耗（厂房通风按需智能化供风）示意图

智能化试点建设要充分做好立项调研，将智能化系统规划设计到新建项目初步设计及施工设计，做好统筹协调联控，统一订制设备选型支持联网联控协议、软硬件通讯接口、开放OPC 协议，尽量统一装备控制系统选型等，协调各家通讯联控。

2 智能化探讨

四次工业革命历程包括：机械化生产革命、流水线生产革命、 可编程序生产革命及网络物理系统生产革命（见图7）。目前工业正处在第四阶段，基于物联网的智能化阶段。智能化范畴包括自动化、 物联网、信息化、数字化、大数据、机器人及“互联网+制造”等；智能化目的在于解决企业自身在生产制造、产业链及企业管理等方面所遇到的瓶颈和困局。

2.1 智能化案例思考

通过深度自动化控制技术，解决企业钠还原工艺中只能手工中注钠操作，无法保证产品稳定性和一致性，装备产量不足等重大技术难题。将钠还原化学反应放热控制与电阻炉物理加热控制并网联控，创新开发了注钠智能控制系统，一举打破了原有手工方式的技术瓶颈，突破了产品质量稳定性、一致性技术难关，产能扩大4～5 倍。

通过智能化优化流程技术，解决企业制粉生产效率低的难题。采用双向对冲气流粉碎取代单向靶式冲击粉碎系统，缩短提高制粉效率；采用气力输送系统取代人工转运，缩短工艺流程； 改进工艺流程后，产能扩大3 倍。

2.2 智能化原则

把握智能化“增效+提质”基本原则，摸清生产现状及需求，做好可研；必须正视企业所处工业化阶段水平，实事求是；抓住关键痛点开刀，以点带面，逐步推进；切莫搞跨越式工业2.0 及3.0 的智能化。

重视系统规划设计，在新建项目前期须统一信息化规划，提前筹备现场设备层通讯，网络构架等最底层信息化建设。

图7 四次工业革命历程示意图

2.3 智能化步骤

智能化道路要结合企业实际循序渐进。第一步要实现生产制造自动化，实现产品质量的一致性和稳定性，是提高质量最直接的方法；第二步要实现流程管理数字化，将产品的生产和管理信息数字化，透明化，分析/归纳/总结数据，实现流程制定的最优化，提高生产、运行和管理的效率；第三步要实现企业信息网络化，加快研发速度。

3 结语

通过智能化技术推广应用，实现质量一致和稳定、 实现生产数字化和远程高效管理，提高生产效率、产品质量、能效管理以及整体自动化水平；达到减人、节能、增效、提质、降耗等目的，智能制造才能成功在企业推广应用。