基于工業互聯網平臺的稀土冶煉分離智能生產管控研究

吳傳松 ,高志江 ,楚金旺

(1.廣東風華高新科技股份有限公司,廣東 肇慶 526000;2.中國恩菲工程技術有限公司,北京 100038)

0 引言

稀土元素包括輕稀土組La、Ce、Pr、Nd,中稀土組Sm、Eu、Cd 和重稀土組Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y 等,作為“現代工業的維生素”,廣泛應用于光、電、磁等高科技領域以及航天、軍事和國防等核心技術領域,可以用來生產熒光材料、陶瓷材料、超導材料和磁性材料等,更可以作為戰略資源實現先進裝備制造。更為重要的是,稀土元素所展現的獨特性能是其他金屬材料無法取代的[1-2]。我國作為世界上稀土資源儲量最大的國家,具備稀土元素齊全、礦物種類豐富、稀土品位較高和礦體分布合理等明顯優勢,而其中離子型稀土礦作為我國中重稀土元素的主要來源以及南嶺五省特有的礦物類型,提取過程相對簡單,經濟效益相對較高,已成為生產中重稀土元素的主要礦種[3-4]。

離子型稀土礦經過原地浸礦處理后得到稀土中間產物,運輸到后續冶煉分離廠進行冶煉分離、提純、產品加工[5-6]。為了有效降低生產成本以及運輸成本,通常情況下,稀土冶煉分離廠的建設距離實際浸采礦區較近,且一般位于偏遠山區,這也導致主要作業過程仍然停留在傳統人工生產組織,基礎自動化較為薄弱。而信息化水平普遍偏低,對于整個生產流程缺乏最基本的信息管理系統,新技術的普及和應用進程較為緩慢。另外,稀土冶煉分離的主要生產工藝過程復雜度高,生產過程中,各個崗位分散在車間各個區域,生產管理組織者難以做到對生產過程數據實時、精準掌握。而且,大部分生產數據仍然依賴于手工抄錄,或是無法做到實時記錄,處于缺失狀態;大部分生產過程基本處于人工操作階段,生產管控也是以人工組織為主,效率較為低下。其次,基于稀土冶金分離廠生產工藝的特殊流程和狀況,在安全、環保等方面均有較高要求,且必須嚴格遵照國家相關規定。因此,對于分離廠生產,亟需通過數字化手段對作業過程進行統一管控,從而優化其生產管控能力,提高其生產效率。

當前,新一輪科技革命和產業變革突飛猛進,信息技術日新月異,工業互聯網已成為了新一代信息技術與工業經濟深度融合的新型基礎設施、應用模式和工業生態[7]。工業互聯網平臺是數字化轉型和實施的重要抓手,工業和信息化部正式印發的《“十四五”信息化和工業化深度融合發展規劃》指出,要建設和推廣行業工業互聯網平臺,完善工業互聯網平臺體系、加快工業互聯網平臺融合應用、組織開展平臺監測分析等,到2025 年,工業互聯網平臺普及率達45%[8-9]。

工業互聯網平臺是工業全要素鏈接的樞紐,是工業資源配置的核心,是面向工業數字化、網絡化、智能化需求,構建基于海量數據采集、匯聚、分析的服務體系,支撐制造資源泛在連接、彈性供給、高效配置的工業云平臺[10]?；诠I互聯網平臺具備的能力和特點,通過打通生產過程中的數據壁壘,結合稀土冶煉分離的實際流程場景,充分借鑒其在有色冶金行業數字化轉型過程中起到的關鍵作用,為探索稀土冶煉分離智能生產管控提供較強可行性。

1 工藝流程

稀土冶煉分離的主要生產工藝過程按照原料—酸溶—萃取—沉淀—灼燒—產品的順序進行。其中,酸溶工序采用鹽酸作為主要浸出溶劑,得到的浸出液通過凈化除雜和過濾洗滌后得到稀土料液。萃取工序主要采用皂化工藝技術。針對特定元素產品提純,如Eu,采用全萃取分離工藝,降低酸堿單耗,避免產生含Zn 廢水和含Zn 廢渣,減少環境污染。

沉淀工序根據產品要求不同采用無氨氮的草酸沉淀和碳酸氫鈉沉淀。灼燒工序根據產量和純度不同,采用不同種類的爐窯進行處理。最終,實現稀土元素全分離,產品為單一氧化稀土,主要包括氧化鑭、氧化鈰和氧化鐠等。

為了配合工業互聯網平臺實現智能生產管控,需要提升生產過程中主要設備的自動化和智能化水平。例如,物料流量可以采用計算機系統控制,提高流量控制的實時度和精確度。沉淀產品采用自動下卸料離心機過濾,自動化程度高,生產效率高,另外濾餅含水率低,有利于后續灼燒工序降低能耗。冶煉分離主要工序中,產品卸料、混料、過篩、包裝均可以采用自動化裝備,提高生產效率、提高產品回收率。

另外,為了提升自動化水平,可以通過補充相應的儀表、傳感設備進行數據監控和收集,為智能生產管控提供數據支撐。例如,針對儲罐區、不同工序車間儲料倉,安裝液位和流量監測裝置;針對酸溶車間,安裝液位監測裝置;針對萃取車間,安裝液位、流量、轉速監測裝置;針對沉淀車間,安裝液位、蒸汽溫度監測裝置;針對鍋爐房,安裝煙氣溫度、蒸汽壓力、給水溫度壓力監測裝置;針對污水處理站,安裝液位、pH、濃度監測裝置等。

2 工業互聯網平臺

工業互聯網平臺基于私有云,可以采用云、網、邊、端架構設計,面向稀土冶金分離全流程構建智能生產管控系統,實現與生產車間基礎自動化系統、傳感設備等感知終端的對接,支持區域工序及全廠級生產管控業務的應用和部署,實現生產要素、生產過程數據全生命周期管理。主要功能包括基礎平臺、物聯網平臺、數據中臺,具體的技術架構如圖1 所示。

圖1 工業互聯網平臺技術架構

2.1 基礎平臺

基礎平臺基于容器的云原生技術,結合自動化手段幫助企業構建從代碼構建、持續集成、持續部署到運維監控的完整DevOps 鏈路,實現各應用低成本集成,提高應用開發、部署、運維的效率。平臺提供集群管理、集群伸縮、存儲管理、微服務、應用編排、鏡像倉庫管理、日志監控等功能,作為整個工業互聯網的核心,為平臺可擴展、數據統一服務提供支持。

2.2 物聯網

物聯網主要面向全廠數據互聯行為,為異構設備與應用的交互提供安全可靠的雙向連接通信能力,實現海量設備管理,利用軟件定義平臺,對邊緣業務編排,實現邊緣系節點的統一管控,軟硬解耦。對從儲罐區設備、皂化車間設備、酸溶車間設備、萃取車間設備、沉淀車間設備、灼燒車間設備、鍋爐房設備、空壓機房設備、天然氣調壓站設備、污水處理站設備、控制系統采集到的數據進行數據收集、處理、分析、操作和存儲,構建相應的數據庫。

2.3 數據中臺

數據中臺是一套可持續“讓企業的數據用起來”的機制,是依據企業特有的業務模式和組織架構,通過有形的產品和實施方法論支撐,構建一套持續不斷把數據變成資產并服務于業務的機制;把業務生產資料轉變為數據生產力,同時數據生產力反哺業務,不斷迭代循環的閉環過程。核心功能包括接入交換、數據融合、挖掘分析、數據資產管控及數據服務。

3 智能生產管控

基于基礎自動化對整個稀土冶煉分離過程進行有效整合,通過工業互聯網平臺讀取DCS 系統的信息和數據,形成智能管控系統,自動生成對各工序、各崗位的數據臺賬、分析圖表、趨勢圖等,具體網絡配置圖如圖2 所示。

圖2 智能生產管理網絡配置圖

系統通過物料需求分析、能力需求分析、物料清單匹配和核算,對生產計劃進行智能分解,通過系統直接將具體的任務信息傳遞到分配的工序、車間、班組。在此過程中,工業互聯網平臺的搭建和應用能夠確保數據及時傳遞,消除數據孤島。通過對產品作業完成數據、生產過程關鍵參數指標、物料消耗等數據的收集分析,逐步建立生產管理大數據系統,為企業在生產工藝優化、成本控制等后期發展需求中提供判斷依據和建議。

3.1 生產監控

通過采集生產過程中的重要工藝參數、物料參數、質量參數和DCS 系統報警事件等實時生產過程數據,涉及DCS 系統、MES 系統、ERP 系統和其他重要儀表系統,經過數據處理和轉換,結合先進的數學模型,實現對生產線和產品質量的在線監控,保證生產率和避免批量偏差。另外,通過對關鍵生產參數進行敏感性分析和預測性分析,作為產品質量評判和工藝參數優化的理論依據,如:儲罐內化學藥劑的濃度和使用量、生產過程中的液固比、洗滌水量、稀土元素總量及雜質元素含量、有機溶劑的回收率以及溫度、壓力等化學反應過程參數。

其中,最為關鍵的是冶煉分離過程中各個工序產物的檢化驗系統。通過對中間產物進行準確高效在線化學檢測分析,可以了解工序進度。通過對得到的檢化驗結果進行數據分析,基于特定的先進工藝控制模型,對某些關鍵參數做出實時調整,保證分離過程穩定進行以及合理的稀土元素回收率。具體的檢化驗系統可基于LIMS 系統進行構建以及數字化升級,架構示意圖如圖3 所示,覆蓋了人員、設備、數據、標準、方法、檢測過程、報告、查詢、報表等檢測中心管理的各個方面。通過工業化聯網平臺調度實現同步數據實時顯示與數據刷新。同時,系統提供簡便快捷的歷史數據查詢、趨勢曲線查詢和報警查詢;通過工程師站、操作員站進行多權限組態編輯與數據管理。

圖3 LIMS 系統架構示意圖

3.2 生產管理

生產管理提供產量、設備、質量等基礎查詢和統計?？砂磿r間段或班次對過程數據進行累計核算。實現對產量、流量、溫度等各類數據進行查詢和統計分析。用戶可根據生產線、工序、班次、時段查詢不同批次或牌號的產品產量信息并作對比,具體功能界面如圖4、圖5 所示。

圖4 生產管理界面顯示

圖5 物料周轉日報界面

3.2.1 生產調度管理子系統

生產調度信息是生產管理的基本信息,加強對生產調度的管理將直接影響到生產的各個環節,生產調度信息管理主要內容如下:

1)可查詢統計各生產車間生產調度信息,如產品產量、調度臺賬、調度記錄等;

2)編制生產計劃,包括年度、月度、周度生產計劃,根據供應鏈系統中的入庫產品量生成各個計劃完成情況報表等;

3)生產管理部分各類統計信息,主要提供生產成本核算,可根據車間、班組進行能耗統計、單位產品能耗比、產品生產率等統計;

4)生產計劃的制定與完成進度追蹤,并依據生產計劃完成情況調整生產與庫存比例,降低庫存成本;

5)過程報警臺賬,統一匯總各工段生產過程報警信息,形成臺賬記錄;

6)總調中心的各種匯集信息;

7)清晰、快捷的生成各類生產班報、日報、月報和年報;

8)可供用戶自定義格式的報表打印插件,輕松實現各類報表打印;

9)用于極為復雜的報表的輕量級類Excel 報表設計插件;

10)靈活多樣的報表數據查詢。

3.2.2 檢斤計量系統

通過智能生產管控系統直接管理從原材料、中間產物到成品的整個生產流程,以保證在最合理的存貨條件下,物料暢通的買進、運入、加工、運出并交付到客戶手中。通過分析物料從運到冶煉分離廠開始,流經生產流程上每個工序車間產出成品,消除看似高效率,實際上卻降低了整體效率的局部優化行為,取得整體最優化的協同作用。其中,檢斤計量系統主要通過汽車運輸物料的汽車衡計量、產品包裝時采用的電子稱計量等計量方式,通過建設系統能夠根據實際情況設計開發檢斤系統通信接口,實現自動采集檢斤數據、標記物資信息,實現檢斤計量數據的過程監控及數據發布,數據的查詢、統計、匯總、并自動編制計量報表,具體的檢斤計量系統部署方式如圖6 所示。

圖6 檢斤計量系統部署

4 結論

通過應用工業互聯網平臺構建稀土冶煉分離智能管控系統,基于統一的硬件平臺,耦合基礎自動化,實現對各個冶煉分離工序進行統一集中管理,提高管控能力,降低人力組織成本。通過建立統一的數據中臺,打通數據孤島,推動生產數據的數據資產化,實現數據驅動,促進生產更加精細。智能管控系統搭建在工業互聯網平臺之上,可以進一步保證生產過程中各個崗位的高效協同對接,信息高效傳遞,減少時間和人力成本,實現操控集中化、管控一體化的廠區運行理念,打破傳統生產單元和車間工序間存在的管理界限,推動稀土冶煉分離廠在更深程度、更高水平上的數字化轉型,為企業帶來經濟效益。