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1、水泥工业智能化建设的基础与目标摘要就目前智能化建设的认识 给水泥行业建设方式提供参考， 防止水泥用户走入智能化建设的误区，也给智能化建设供应商提 供搭建思路和目标，防止过度开发和浪费。目前国内多家水泥厂 进行的智能化架设，离真正的智能化还有一定的差距，要推进生 产过程网络化、数字化、智能化技术改造，以及共享工厂、大规 模个性化定制、行业平台化远程运维服务等新模式，促进企业数 字化转型、网络化协同、智能化生产。水泥智能制造正处于起步 阶段，云计算、大数据等技术将实现大规模应用。随着新一代信息技术与制造业的深度融合，基于信息数字系统 的智能化水泥工厂正在引领水泥制造方式的变革，同时资源和环 境约束
2、不断强化，劳动力等生产要素成本不断上升，水泥行业利 用规模扩张的粗放发展模式已经难以为继，因此水泥行业的转型 升级、提质增效已经刻不容缓。需要在当前生产中发展新型的生 产方式，全面提升生产过程控制智能化，乃至企业管理的智能化 水平。水泥智能化建设是一个庞大而复杂的过程，不是一蹴而就 的事情，需要大量的精力和资源作为支撑。一条优秀的水泥生产 线必然是流程顺畅、不堵不漏、设备精良、运行可靠、环境优美 的。水泥生产今后的业态会是智能化与传统生产方式相结合的过 际出发夯实智能化建设的基础，创建高效、可靠的水泥工业智能 化系统。10 渡过程，且不断升级的过程，未来50%的工作会被AI所替代。国务院印发的
3、国发201528号文中国制造2025，提出了 9 大任务、10大重点领域和5项重大工程，把提高国家制造业创新 能力、突出先进制造和高端装备的地位、确定新一代信息通信技 术产业、高档数控机床和机器人、新材料等10大重点领域作为 发展重点。这些重点领域既有新兴产业也有传统产业，既要推动 传统制造业转型升级，又要在应对新技术革命中实现高端化的跨 越发展。随着工业物联网、大数据、人工智能等智能化技术的发 展，水泥行业要乘势而上，紧跟步伐，迅速开始智能化改造升级， 建设智能化水泥工厂。1目前水泥工业智能化建设的现状从烟雾缭绕的立窑，到干法生产的回转窑，从人工手动操作， 到电脑上的离散自动化控制，中国只用
4、了 20年，未来的20年， 智能工厂、绿色清洁工厂将大量出现。从目前人工控制操作模式 到高度智能化生产，未来可期。目前国内已经打造多家智能生产试点示范项目，多家水泥厂进 行了智能化架设，智能车间、智慧矿山、大规模定制等试点示范 项目取得一定成果。采取先进控制(Advanced Process Control , 简称APC)为水泥行业智能制造奠定了较好基础。就运行的效 果和状况而言，离真正的智能化还有一定的差距，智能化绝不是 几台电脑加上软件，几块大屏幕就能完成的，还需要夯实基础。 工业互联网平台成为重要的着力点。据了解，近年我国水泥行业 在基础自动化、过程自动化和企业经营管理系统等方面取得很
5、大 进步，除了转型升级压力倒逼之外，水泥工业走向智能制造是大 势所趋。水泥智能制造的很多理念和目标早有探索、甚至已经初 步实现了。2水泥制造智能化建设的阶段性2.1 初级阶段在原有的生产线上改造、提升，不断升级和优化工艺设备，逐 步在部分环节增加自动化系统，或者新建生产线设计时植入自动 化的控制系统，实现大部分工序自动化或者部分重点模块实现智 能化，生产线流畅，控制环境友好。大部分危险工作实现远程控 制，设备巡检可视化。每个设备工作在良好的工况之下，实现最 大的效能，符合能源管理体系中的认证要求，在行业中的指标达 到优秀，符合GB 16780-2012水泥单位产品能源消耗限额 标准要求。劳动生
6、产率的提高，使参与生产的人员数量相对减少， 对从业人员的要求更高，主要劳动形式从体力劳动转化为脑力劳 动，淘汰落后技术的同时，部分人员将不适应新的岗位，需要转 岗。此阶段智能化水平近10年新建的生产线已经做到。2.2 中级阶段设备可靠性、易维修性提高，完好率和运转率很高，传感器和 智能化设备大量应用，基本实现数据数字化，整个生产线基本达 到自动化智能化。生产流程稳定，产品质量优良，全部工序自动 化运行，不需要人力干预，现场体力劳动大幅度减少，劳动生产 率高，淡化或者改变现有的劳动方式。原料破碎系统、烧成系统、 粉磨系统、成品包装及装车系统实现智能化操作。智能化系统对 生产数据及能耗进行实时监测
7、及能效分析，计算能源成本，系统 自动分析给出管理指标，自动进行系统调整，实现在效率最高、 质量最好、能耗最低、污染排放最少的状态下运行，基本实现污 染物零排放，参与城市危废处理，消纳部分社会垃圾。部分过程 基本不需要人工干涉。人工巡检仅作为系统的辅助工作，工作量 大大减少，巡检工作由智能系统自动派单，并指定时间和路线。 设备维修专业化精细化，智能化系统自动派分维修工单，提前通 知维修部门，并且将维修的部位和方案自动填入派工单中。设备 有完整的电子台账，可定期检查，有运行日记，自动生成维护维 修计划，设定时间自动提醒。比如润滑系统，可以在润滑系统过 滤器的滤芯处增加传感器监控滤芯的使用情况，系统
8、自动评估滤 芯可以使用时间，再增加润滑油品质传感器，检测润滑油的品质， 自动计算出换油的时间。2.3 高级阶段在中级阶段的基础上智能设备、智慧机械设备广泛应用，数据 通信全部采用无线加密传输，5G网络全厂覆盖，控制系统极大 简化。设备可靠性极高，在生命周期内基本无故障，生产线自主 运行，故障率极低，极少的人工干预，高温高危及装车场所大量 使用机器人，无现场生产人员，基本实现黑灯工厂。可以消纳社 会各种危废，无污染物排放，厂区环境优美。安防监控系统无死 角监控，智能人脸识别系统运行。环境极度友好，完全满足绿色 工厂的要求，各项能耗指标达到或者优于世界先进水平，人均劳 动生产率极高。智能化系统基于
9、自适应控制、模糊控制、专家控制等先进技术， 利用智能仪表、工业机器人、计算机仿真、移动应用等信息系统 与专用装备，通过实时控制、运行优化和综合集成，实现矿山开 采、配料管控、窑炉烧成、水泥粉磨，成品发货流程全系统全过 程智能化，并且和同行业有对比数据，同时也上传云端，建立数 据库。在时间轴上，所有的运行数据完整，可追溯性极强，各种 云端服务商将进入水泥智能化市场，由于水泥生产过程相似，大 部分控制将交由云端控制，现实中的窑操磨操化验员等的职业将 淡化，水泥厂的中央控制室朝无人化方向发展，实现真正意义上 的黑灯工厂。全厂实现人工AR视觉功能，模拟设备实际运行工 况，千里之外可以直接观看设备的运行
10、情况。3实现智能化水泥厂的基本要素未来的水泥生产系统具有聪明的大脑和健壮发达的四肢，能够 模仿人的思维和动作处理生产上出现的各种状况，使系统达到最 佳状态。实现智能化，必须给企业带来效益，解放劳动力，加快 推动装备换新，促进装备数控化，推动机器人替代生产员工。系统智能化必须做到以下几点：(1 )生产过程大数据自动采集。测量技术是智能化的基础工 作，目前数据测量技术已经得到飞跃发展。系统智能化需要增加 大量的数据采集传感器设备，多维度、多点表述真实的生产过程 数据和设备运行数据，包括环境温度和每天不同时间、地点的温 度差等。例如：分解炉的温度，采用环形360。多支非接触式测温 仪表(高温相机)，
11、采集燃烧场不同部位温度，并且生成燃烧数 学模型。某一个仪表出现故障时，智能化系统自动鉴别其他仪表 正常的温度。回转窑的椭圆度、各托轮的支撑状态、筒体上下行 的距离，通过仪表采集数据自动生成当前窑的运行状况，给出处 理方案并自动调整。利用传感器建立动态的热工分析系统，随时 掌控烧成系统的热动态，通过计算，把烧成系统控制在最佳状态。(2)机械设备高可靠性。机械设备要采用新材料新工艺，实 现模块化、智能化、高可靠性、易维修性。设备在生命周期内基 本不需要维护，大量使用传感器监测设备运行状态，具有预测和 自修复功能，设备运行数据实时传入云系统存储和分析。突发情 况发生时，自动选择最优方案停车或者报警。
12、(3)控制系统高度智能化。大量传感器的使用，各测量点多 个数据的综合比较，可以反映真实的工况，增加可靠性，为智能 化数据分析打下基础。按照智能化精度的要求，一般的5 000t/d 水泥生产线需要有4 000个以上的传感器点位。数据数字化，实现无线加密传输，保证数据传输的可靠性。中 央控制系统由多个神经网络组成，有强大的数据分析能力和学习 能力，对工艺参数、设备运行参数、管理参数(煤耗、电耗、排 放成本等)的分析，同时通过生产工艺自主学习和生产大数据自 动分析，最后输出控制指标到各执行设备。(4 )智慧安全系统。环境恶劣、有安全风险等岗位，使用工 业机器人替代工人，降低工人的劳动强度，保证人员的
13、安全。智 慧监控系统(可视化)监控所有人员和车辆的状态及移动方位轨 迹，确保区域秩序井然，防止人员和车辆进入危险区域。4智能化模型建设示例以熟料关键的f-CaO指标控制为例，该指标不仅反映了熟料 的质量，同时也反映了熟料城烧的能耗。然而，在水泥生产过程 中，f-CaO含量通常通过实验室人员测试获得。一般来说，实验 室测试需要12 h，使基于f-CaO的回转窑优化操作有很大的时 滞性。因此，通过控制系统神经网络的分析来预测f-CaO含量对 及时调控保证水泥回转窑稳定运行至关重要。通常一个神经网络 由输入层、隐藏层和输出层构成。图中圆圈可以视为一个神经元 (又称为感知器)。设计神经网络的重要工作是
14、设计隐藏层的结 构：浅层神经网络SNN ( Shallow Neural Network )和深层神 经网络DNN ( Deep Neural Network ) o现阶段隐藏层的数量 大多数仍是由工程师设计的，并不完全是计算机自动得出的，且 工程师通常还需要对数据进行清洗，选择训练方法，让计算机在 设定的框架内自主学习，最后用未经训练的数据来校验这个模型 的准确性。这个计算过程在模型运行时仍然可以同步进行，并在实际运行过程中不断地强化这个模型。控制系统神经网络示意见 图1oLayer 1Layer 2Layer 3输入层隐赢层输出层图1控制系统神经网络示意软测量技术是一个可以有效解决f-Ca
15、O预测问题的方法,建 立基于可测变量来预测不可测变量的模型，得到不可测变量的预 估值。基于复杂多变的水泥生产条件以及f-CaO结果难以大量获 得的情况下，单一模型难以适应水泥生产的各种工况，这个软测 量模型需要根据生产情况进行矫正和实时重新训练，以改进 f-CaO预测精度。模型的输入变量通常为分解炉温度、二次风温、 烟室NOx、窑转速、出篦冷机熟料温度和相机信息。5水泥行业的智能化展望未来水泥行业将发生重大变革，矿山开采、生料粉磨、熟料烧 成、水泥粉磨和水泥包装发运工艺将发生颠覆性的变革。随着智 能制造的发展，水泥设备越来越精密、可靠、智能，一切生产过 程重复性工作将脱离人的劳动，高度自动化和
16、智能化，传统的高 耗能磨机、风机和回转窑将被更先进更高效的设备取代，水泥的 生产严格标准化，工艺设备网络化，物联网更加高效，设备与设 备、设备和云端服务器之间无缝连接，时刻在线状态，冗余量很 大，所有的设备故障率极低，具有很强的自修复功能，整体建设 的安全性极高。随着新材料、新技术的出现，水泥的制造过程将 颠覆传统模式，实现一种更加节能、环境友好的生产方式。6结束语2020年是水泥厂自动化和智能化建设的分水岭，是智能化建 设元年，全国已经有多家水泥厂搭设了初步的智能化生产线， 相对于其他行业的智能化建设，水泥工业智能化尚处在起步阶段， 要经历一段漫长而艰巨的过程，需要水泥建设者和科技工作者的 强强联合，任重而道远。我们要有完善的、明确的、可操作性强 的法律法规的保障，建立一套科学、健全、执行严格的管理体系， 少走弯路，保障有效实施。注重智能化系统开发的规划和行业的 具体要求，改善其成长环境，配合水泥行业智能化生态文明建设 的新目标。水泥工业智能化建设是通往未来的必由之路，是不可 逆转的，水泥人要顺势而为，紧跟时代的步伐，逐步发展，从实