氯碱电解数字化车间智能化系统的建设应用及对企业经济效益的影响

宋丽丽，段成义，魏相章，侯新宇，冉志辉

(重庆市映天辉氯碱化工有限公司，重庆 401221)

随着网络信息技术的迅速发展，数字化已成为化工制造业企业未来发展的必然趋势[1]。数字化车间不仅是智能制造中的一种生产组织模式，更是生产过程中，在信息互通以及生产设备网络互联的基础上，通过在制造信息系统对这些信息进行利用，再加上对物理系统的深度融合，使得生产要素优化，生产模式的效率提升，实现自动化和定制化的过程，从而实现提高车间生产效果的结果[23]。总的来说，数字化车间建设将改变传统的手工录入的方式，实现生产技术和管理技术的不断创新。

《中国制造2025》明确指出“在重点领域试点建设智能工厂/数字化车间，加快人机智能交互、工业机器人、智能物流管理、增材制造等技术和装备在生产过程中的应用，促进制造工艺的仿真优化、数字化控制、状态信息实时监测和自适应控制。”数字化车间的建设对制造业企业转型升级、快速适应市场需求具有重要意义[4-6]。

重庆市映天辉氯碱化工有限公司(以下简称“重庆映天辉”)紧跟科技发展时代的脚步，建设了包含DCS、SIS、ERP系统等一系列智能化监测控制系统，全力打造一个全新智能化的“氯碱电解数字化车间”，从而避免以前车间生产过程中各环节实物流和信息流脱节的现象，方便车间管理与车间现场过程控制能够及时有效地进行信息传递与交流，从而实现对现场生产过程实时有效的监测和管理。从多角度加强了化工企业生产过程的工艺流程、产品生产及安全风险的监测和管理，实现了生产车间可视化、精益化生产。

1 DCS的功能与应用

1.1 DCS的特点

DCS主要包括过程控制层、网络通信系统以及过程监控层等。DCS涉及多种操作技术，如：计算机的管控、显示以及通信等技术，其运行原理就是对不同部分进行分散控制，并且进行集中化操作，可以实现灵活性的配置，进行科学的分级管理以及各种比较简单化的设置。

重庆映天辉通过DCS的引进与建设，降低了人员资金的投入，不断提升了车间实际生产效率，有力地减少了生产成本的投入，为公司创造了更大的经济效益。

公司现场智能仪表采集到的数据通过I/O系统，送入控制器进行运算，运算结果通过集线器/交换器在操作员站或工程师站显示。

DCS具有图1所示主要画面，为操作员监控生产过程状态提供了显示窗口。

图1 DCS监控生产过程画面Fig.1 DCS monitored production process screen

1.1.1 总貌画面

显示系统各设备、装置、区域的运行状态以及全部过程参数变量的状态、测量值、设定值、控制方式(手动/自动状态)、高低报警等信息。从各显示块可以调出其他画面。

1.1.2 组画面

以模拟仪表的表盘形式按事先设定的分组，同时显示几个回路的信息，如过程参数变量的测量值、调节器的设定值、输出值、控制方式等。变量值每秒更新一次，分组可任意进行，操作员可从分组画面调出任一变量(模拟量或离散量)的详细信息。模拟回路可以手动改变设定值、输出值、控制方式等；离散量可以手动操作设备的开启和停止，画面显示出指令状态和实际状态。

1.1.3 调整画面

显示一个参数、控制点的全部信息以及实时趋势和历史趋势。从调整画面也可以直接对模拟回路进行设定、调整操作。

1.1.4 趋势画面

系统可显示任何数据点趋势的能力，并在同一座标轴上显示至少4个变量的趋势记录曲线，有可供用户自由选择的参数变量、不同颜色和不同的时间间隔，也可以对数据轴任意放大显示。

1.1.5 报警画面

显示当前所有正在进行的过程参数报警和系统硬件故障报警， 并按报警的时间顺序从最新发生的报警开始排起，报警优先级别和状态用不同的颜色区别，未经确认的报警处于闪烁状态。

1.1.6 流程图画面

生产装置的图片、工艺流程图、设备简图、单线图等都可以在CRT 上显示出来，通常采用可变化的颜色、图形、闪烁表示过程变量的不同状态，所有过程变量的数值和状态每秒动态刷新。操作员在此画面上可对有关过程变量实施操作和调整。

1.1.7 报表

DCS按照预先定义的格式打印报表，报表数据的收集和打印按照用户定义的时间间隔自动进行，通常有年报、月报、日报、班报等，报表打印通常采用事件驱动方式或操作员命令方式。

1.2 DCS的功能及应用

重庆映天辉整个操作系统分为工程师站、操作员站、监视站等。工程师站的主要作用是：通过工程师站，进行现场数据组态、控制方案组态、画面组态、通信网络设置、数据库组态、备份等。操作员站的主要作用是：通过电脑上组态的工艺生产流程图，查看工艺装置实时数据，并通过操作调节阀等措施，保证工艺参数在设计范围内。监视站的作用是：配置工艺生产流程图画面组态，监视现场工艺数据，监视现场仪表的工作情况。

DCS的功能如下。

1.2.1 生产设备运行状态实时监控

生产设备运行状态实时监控通过DCS等系统自带的回路检测软件，或通过组态监视生产设备的运行状态。即利用DCS管理系统，对氯碱电解车间的各生产工艺的相关信息数据进行实时收集整理，同时深入精确地分析和处理车间生产的各项指标，然后利用计算机网络将氯碱车间的生产情况呈现出来，从而对整个车间的生产过程进行科学合理的控制，不仅提高车间生产工作的效率，而且能够有效地做到对生产过程中可能存在的安全风险及时预防和把控。

1.2.2 生产设备运行状态故障自动报警

DCS具有广泛的故障自诊断能力，从CPU、电源、通信、I/O模件直至板级。一旦检测到任何系统故障，都将立即引起操作人员的注意并自动进行故障隔离。结合重庆映天辉氯碱车间的实际生产情况，利用DCS相关参数设置警报值，能够有力地反馈生产设备的运行状态；通过预设的报警值、联锁值等，通过声光报警器、屏幕显示突变或背景色闪烁，或在专用的报警器中突出报警灯等多种方式进行自动报警。一旦在车间生产设备运行期间出现任何异常情况，系统自动报警功能就能根据预先设置的不同设备的故障问题发出相应的警示，并且对运行期间相关信息全部记录下来，这样现场的操作人员或者维修人员就能通过报警提示，快速采取有效的措施对故障问题进行处理。

1.2.3 诊断分析情况

DCS带有自诊断功能，可以通过诊断模块对整个通信网络、控制站是否在线、每个控制器负载情况、回路健康状况、卡件健康状况、电源系统是否稳定等进行诊断，并输出诊断结果。这样操作人员就可以根据诊断结果来判断系统运行是否正常。若系统运行异常，也有利于及时地进行处理。

综上，DCS各项技术在车间实际生产中的应用，主要包括生产过程中的信息传递、现场作业各个环节的有力掌控和科学的安全管理、PID各项控制参数的科学设置与实际生产参数的匹配、系统自身的联锁控制以及液碱、离子膜入槽盐水各项参数指标的控制等尤为重要。DCS的建设及应用，不仅提升了车间生产期间的工作效率，还可以对生产过程中的安全风险进行有力的防控，最终实现对整个公司的安全生产过程、产品质量、经济成本等全方位监控和管理。

2 SIS安全仪表系统的功能与应用

重庆映天辉的Safety Instrumented System(安全仪表系统，以下简称“SIS”)采用AADvance三重化冗余控制系统，SIS网络拓扑图如图2所示。

图2 SIS网络拓扑图Fig.2 SIS network topology

SIS是用于保障安全生产的一套系统，安全等级高于DCS自动化控制系统。当车间自动化生产系统出现异常或发生危险情况时，SIS会自动按照预先设定的安全功能规范进行保护，以防止事故或者减轻其后果。SIS必须使用独立的传感器、逻辑解算器和执行机构。SIS仅在危险情况出现时才动作，平时不动作。重庆映天辉利用SIS对氯碱电解装置设置自动保护联锁的主要项目有：电解工序的槽电压及整流联锁停车系统、氢气/氯气总管压力控制系统、氯压机组联锁停车系统以及液氯汽化工序联锁及联锁停车系统等，进而对生产装置可能发生的危险或不采取措施将继续恶化的状态进行响应和保护，保障氯碱车间的安全生产，避免重大人身伤害及重大设备损害等。

SIS具有很多实用性功能，比如在线诊断功能、模拟控制功能、顺序控制功能、过程控制语言等。其中，在线诊断功能控制是处理器通过在应用程序运行间隔中执行诊断，拥有可以不影响任何应用程序的基本运行周期，在线诊断主要用来检查表决器件和故障指示电路，包括处理器、输入和输出模块、电源模块I/O组件中的各种表决电路等；模拟控制功能主要由PID、反馈、分程、串级、超驰及科学计算功能组成，可以提供PID的在线自整定软件；顺序控制功能可由操作员请示或自动地启动和停止，可以根据操作员的命令或选定的模拟和数字信号自动动作，执行特定功能；过程控制语言可以根据实际要求控制站能够执行用高级语言编写的控制程序或算法，而且高级语言应可以对控制站数据库和控制硬件进行数据存取。

3 ERP系统的功能与应用

重庆映天辉的Enterprise Resource Planning(企业资源计划，以下简称“ERP系统”)集供应链管理、财务管理、人力资源管理、客户关系管理、办公自动化、商业分析、移动商务、集成接口及行业插件等业务管理组件为一体，以成本管理为目标，计划与流程控制为主线，通过对成本目标及责任进行考核激励，推动管理者应用ERP等先进的管理模式和工具，建立企业人、财、物、产、供、销科学完整的管理体系。

ERP系统是建立在信息技术基础上,以系统化的管理思想,为企业决策层及员工提供决策运行手段的管理平台。例如，建立ERP系统自动预警功能及计划员工作平台，当安全库存低于设定值时系统会作预警提示；根据ERP系统自动进行物流派单选择，物流运输车辆装订GPS进行适时监控、定位；利用ERP系统对生产的液氯、液碱进行现场抽检，通过产品分析发现问题，然后反馈给生产系统进行处理，出现质量问题一般按照质量体系不合格品处置流程进行处理等。

4 数字化车间建设前后企业经济效益分析

重庆映天辉积极响应国家政策，为了加快企业转型发展、快速适应市场需求，建设了一系列具有数据采集、控制监视、智能检测等功能的智能化监测控制系统共计1 215套，占公司智能化系统总数比例为81%。共计投入1 170万元建成氯碱电解数字化车间，最终达到对生产各个环节进行全程监督，运营成本降低17.4%，生产效率提高65.6%，产品研制周期从365天降至240天，产品研制周期缩短34%，产品不良品率降低62.5%，能源利用率提高12.9%等良好的经济效果。

数字化车间建成几年来，重庆映天辉的员工综合素质有了很大的提高，车间的生产效率以及营业收入都呈现不断上升的趋势。可以说，数字化车间的建设与不断完善，对重庆映天辉的整体经济效益及未来的可持续发展具有重要意义。

表1为数字化车间建成前后经济效益情况。

表1 数字化车间建成前后经济效益情况Table 1 Economic benefits before andafter construction of digital workshop

数字化车间建成前氯碱车间所需员工124人，建成后减少用工22人；在减少了公司人工投入成本的同时，劳动生产率也从905.4元/(人·天)提高至1 498.9元/(人·天)；大专以上员工占企业全体员工比例从40%提高至60%；产品质量也不断提升，减少了人为操作失误的因素：一次合格率达到95%，产品报废率大大低于0.5%；在保障生产人员安全方面，大大减少了车间一线员工的劳动强度，同时有效避免了安全隐患和安全事故的发生，改善了人们谈化色变的观念；经济效益上，数字化车间建成后提高公司整体经济效益，销售收入达到48 386.27万元/a，获得净利润7 168.94万元/a。

数字化车间建成前后绩效指标完成情况如表2所示。

表2 数字化车间建成前后绩效指标完成情况Table 2 Achievements of performance indicators before and after construction of digital workshop

与数字化车间建设前相比较，数字化车间建成后运营成本降低17.74%，生产效率提高65.55%，产品研制周期从365天降至240天，产品研制周期缩短34%，产品不良品率降低62.50%，能源利用率提高13.83%。数字化车间建成后，各项绩效指标完成远超预期效果，目前数字化车间的建成促进了公司整体经济效益稳定持续的增长。

从表2数据可以看出：数字化车间的建成，不仅提高了重庆映天辉的智能化制造水平，提升员工综合素质，提高氯碱车间的整体控制水平及劳动生产率，大大减少了重庆映天辉的用人成本、生产成本、以及设备维护费用，提高了氯碱产品质量，为公司的科学化管理和智能化运行提供了有力条件。

5 结 语

综上所述，重庆映天辉氯碱电解数字化车间通过对DCS、SIS、ERP系统等智能化系统的建设，可以对生产各个环节进行全程监督；通过信息化的建设和信息数据的收集，对关键的工作岗位和业务具有一定的约束和检查机制，可以及时发现问题并得到迅速处理，大大降低了生产过程中存在的隐患风险。重庆映天辉的信息化建设为信息的收集、整理提供便利，大大缩短了决策层的决策周期，减少决策偏差，实现资源快速交流与共享。

另外，通过DCS、ERP系统的有效集成并融入精益生产管理方法及工具，实现了从订单到生产，再到车间生产任务单，到产品研发工艺数据，再到生产任务单汇报的全过程进行监测，从而在生产管理上实现规划、生产、运营全流程数字化智能化管理。

重庆映天辉实施精益化生产管理，通过持续改进，实现工艺、生产、管理、物流等环节的产品全生命周期闭环动态优化，推进了公司数字化设计、装备智能化升级、工艺流程优化、精益生产、可视化管理、质量控制与追溯、智能物流方面的快速提升。总之，氯碱电解数字化车间的建设，提高了重庆映天辉智能化制造水平，大幅度降低公司运营成本，带来较高的经济收益，同时提升员工的综合素质水平，不仅推动重庆市乃至全国氯碱行业的技术进步，也将带动氯碱下游产业链的发展，树立氯碱行业百年典范！