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贾华平:智能水泥厂建设 —— 远景蓝图与现实路线

2020-09-21 智能制造 贾华平 来源:中国水泥网信息中心

核心提示:中国硅酸盐学会、智能化与装备分会理事、中国水泥网高级顾问贾华平在2020中国水泥产业峰会上带来《智能水泥厂建设——远景蓝图与现实路线》的演讲。

6月25日,中国硅酸盐学会、智能化与装备分会理事、中国水泥网高级顾问贾华平在2020中国水泥产业峰会上带来《智能水泥厂建设——远景蓝图与现实路线》的演讲。贾华平主要从水泥厂智能化趋势、智能水泥厂远景蓝图、智能水泥厂建设的现实路线三个方面做出分享。  

一,水泥厂的智能化是大势所趋  

01第四次工业革命的驱动  

5G时代已经悄然到来,工业物联网正在为以智能工厂、智能运输、智能物流为主题的工业4.0奠定基础,第四次工业革命的浪潮已经掀起。国内公开报道的无人工厂已有几十家,包括各行各业,从尖端技术、汽车制造业、家电生产、食品加工、交通运输,都有了无人化的先例。  

诚然,智能化不等于无人化,但无人化离不开大数据、物联网、智能化,无人化体现了智能化的发展。如青岛港2#码头,包括船舶的进出港,包括货物的装卸、分储、分发,实现了完全的无人化。  

历史上有三次著名的工业革命,第一个工业革命就是工业是机械化,人们学会了用机器;第二个是电气化,人们学会了用电;第三个是自动化,人们学会了用电脑。首先,互联网可以把原材料和生产设备;连接起来,实现智能生产,这就是第四次工业革命。  

5G的平均速率比4G快20~30倍,网络容量是4G的1000倍,时延更是比4G快10倍,5G的进步不仅是个速度问题,量变到一定程度常常会发生质变。5G不只是4+1G,在它起步的路口恰巧又遇上了AI、云、边缘、大数据等大侠并行,进而将聚集合力、催生裂变,驱动百行千业向数字化转型和智能升级,从而推动着整个社会的变革。  

5G是未来智能社会的血脉,大数据如血液流淌于网络全身,AI像神经调度所需信息,云计算将从中心走向边缘。这种革命性进步主要体现在两个方面:  

1,高速率为大容量奠定了基础,大容量为大数据提供了平台,大数据可实现万物互联,从而由互联网上升到物联网。欧盟估计到2020年全世界有250亿个设备上网,中国预测到2025年仅中国就有100亿个设备上网,国际电信联盟的专家说将来全球会有7万亿设备上网。7万亿是个什么概念,相当于平均每个人都有1000个设备入网,这等于我们看到的所有物品都会上网。  

2,高速率为低时延创造了条件,由4G以前的百毫秒缩短至5G的毫秒级。物联网可实现远程互控、低时延可实现实时操控,低时延的远程操控可为人工智能融通时间与空间的屏障,让机器人摆脱有线连接的束缚,实现自由移动、组装、升级和转换生产线,完成众多4G以前不可想象的事情。颠覆我们现有的生活结构,所以是革命性进步。  

02水泥智能化已形势逼人  

智能化是大势所趋、形势逼人。水泥行业向来不甘落后,包括中国建材、海螺集团等水泥龙头企业,已经开始了自己的智能工厂建设。  

2019年3月4号,安徽省水泥行业智能制造现场会上,省经信厅发出号召:学习全椒海螺水泥智能化工厂的建设和发展经验,提升安徽省水泥行业智能化、绿色化水平,加快智能制造、智能工厂的示范推广,助力“制造强省”建设。  

全椒海螺全流程智能化水泥厂投运以来,生产人员减少约18%,设备故障停机率降低约20%,生产效率提升超过20%、资源综合利用率提升约5%,能源消耗下降超过1%、C02减排超过2.5万吨/年,取得了良好的经济及社会效益。  

2016年10月6号,遵义赛德水泥有限公司,采用在线监测和控制技术,在国内率先建成了一条5000t/d智能生态示范线,全厂人员控制在80人以内,熟料标煤耗93.8kg/t,熟料综合电耗46.6kWh/t,水泥综合电耗68kWh/t,粉尘排放低于10mg/Nm3。  

2020年5月8号,“两个二代”技术座谈会在湖州槐坎南方水泥召开,有关方面介绍了调试中的7500t/d熟料智能化生产线:项目按照“集约化、绿色化、智能化、高端化”的总体规划,建立了基于生产过程的在线寻优和智能优化等先进过程控制系统。全线定员60人,能耗设计熟料标准煤耗<94公斤/吨、熟料综合电耗<42度/吨,环保控制粉尘排放≤10mg/Nm3、氮氧化物排放≤100mg/Nm3、二氧化硫浓度≤50mg/Nm3。  

人类社会已处于第四次工业革命兴起的关键时刻,大数据、智能化、物联网,必将解构、颠覆、重塑现有的社会结构,直至影响到企业的生产成本、劳动效率、环境持续、职工素质、人员构成,这是社会发展的必然趋势,水泥行业必须抓住这次机会。  

据建材情报所的崔源声老所长介绍,对于一个4000t/d熟料能力的水泥厂(相当于国内的5000t/d线),我们的定员水平都还在50人以上,早在2015年以前泰国的老城堡水泥(属英国篮圈公司),就每班只有3个人了。其中中控室1人、现场巡检2人。形势所逼,不进则退。  

实际上,在第四次工业革命的激烈浪潮中,我们这代人已经是逃不掉了。早在2015年1月30号,工信部就发过《原材料工业两化深度融合推进计划(2015-2018年)》,要求在水泥行业选取2~3家先进企业,建设基于自适应控制、模糊控制、专家控制等先进技术的智能水泥生产线。因此,国内的智能化也将开始。  

智能化不会毁灭人类,智能化只是将人类从重复劳动中解放出来,让人类安心享受生活。机器人超越我们的智商运算、抗疲劳,而人的理解、情感、同情心、共鸣性,这些软实力机器是无法实现的。未来的世界将属于具有高感性能力的族群,未来的世界将属于具有高感性能力的族群(这方面女生胜于男生)、有能力为事物赋予意义的人,大家要有所准备。  

二、展望智能水泥厂的远景蓝图。  

01人工智能  

人工智能是人类的“智慧”,是从感知(信息的检测与传递)到记忆(信息的储存)再到思维(对信息的逻辑化处理、对已有逻辑的因果类比),这一过程被称为“智慧”;  

智慧的结果(因果类比的导向作用)将产生行为和语言,将行为和语言的表达过程称为“能力”;将智慧和能力合在一起简称“智能”,由人类创造的类似于人类智能的技术称为“人工智能”。  

人工智能应该具有以下一些特点。大家细看,一具有感知能力,二具有记忆能力记忆和思维能力。三具有学习和自适应能力,四是具有行为决策能力。  

02智能制造。  

所谓“制造”,是指对原材料进行加工或再加工,以及对零部件进行装配,由此获得产品的过程;被赋予一定人工智能的制造过程被称为“智能制造”。像德国的工业4.0、美国的先进制造业、英国的工业2050、日本的战略创新创造、韩国的制造业创新3.0、印度的印度制造计划,包括我国的中国制造2025,尽管各家的叫法不同,但其本质都是智能工业。有关智能制造并没有明确定义,社会各界的认识及理解也各不相同。  

我国工信部、财政部联合制定的《智能制造发展规划(2016-2020年)》对“智能制造”给出了较为明确的定义:智能制造是基于新一代信息通信技术与先进制造技术深度融合,贯穿于设计、生产、管理、服务等制造活动的各个环节,具有自感知、自学习、自决策、自执行、自适应等功能的新型生产方式。  

智能制造并不单单是生产制造上的自动化、智能化,更是应用到从数据层的机器视觉、射频识别等,到网络层的物联网、大数据、云计算等,再到执行层的智能装备、机器人、3D打印等,最后形成智能工厂的制造方案。  

03智能工厂  

由工信部的定义可见,智能工厂是智能制造在整个应用层的概括。智能工厂涵盖智能装备集成、计算机辅助工具、生产管理、供销系统,通过大数据、物联网、云计算组构智能化互操互控,实现生产资源、装备运行、工艺流程、业务流程、资金流程的动态协同配置。  

所谓智能装备——属于上游装备制造厂的智能产品。对自身关键部位的关键参数,诸如位移、温度、振动、上油、过水等,具有感知、记录、分析、推理、决策、控制、外传功能,方便接入智能工厂的集成系统、方便智能工厂的运行管理和维护维修。  

灌油的过程中,把这些东西全部给你做好。那么你就不会购买其他人的产品。  

智能工厂具有如下特点:  

1,生产厂通过物联网获取定制,通过物联网把原料和生产设备连接起来,根据用户喜好的特性,适时多品种、小批量、定制生产,再通过物流系统发送给用户;  

2,而且其产品也是智能的,可以收集用户信息通过物联网上传给生产厂,方便生产厂提供售后服务,进一步获取附加值;  

3,而且生产设备也是智能的,通过物联网实时上传数据反映自身状况,方便生产厂调剂任务和检修维护。  

4,广义的发展,每个智能工厂又可以通过物联网,将它的上游生产厂和下游生产厂连接起来,人类的重复劳动,最终被人工智能取代。  

04智能化与自动化的区别。  

自动化指的是机器设备、系统或过程在没有人或较少人的直接参与下,按规定的程序或指令,自行的检测状态、处理信息、分析判断、操纵控制,实现预期的目标。包括设备、系统、过程,均处于自动化状态。  

智能化指利用现代通信与信息技术、计算机网络技术、智能控制技术、结合行业技术,汇集而成的针对某一个方面的应用,具有一定的人工智能或拟人智能的特性或功能。例如具有一定的自适应、自学习、自校正、自诊断、自修复、自组织、自协调等某些功能。  

智能化的系统和装置应该具有如下特征:  

1,能自动完成某些任务,或在程序指导下完成预定工作;  

2,具有进行某种复杂计算和修正误差的数据处理能力;  

3,具有自检测、自校正、自诊断、自修复、自适应、自学习、自优化、自组织、自协调等一些“自”字功能;  

4,便于通过标准总线组成多种装置的复杂系统,实现复杂的控制功能,并且能灵活地改变功能和扩张功能。  

我们对具有上述智能特征的系统冠以智能系统,而对具有部分智能特征的系统冠以智能化系统。所以,智能化水泥厂不等于智能水泥厂。  

自动化相对要简单的多,一般的自动化系统或装置能够根据既定指令进行操作调整,也能实现无人控制。但一般会出现对于不同情况作出相同反应的结果,就像所有的生物具有一定的遗传本能一样,多用于重复性的工作或工程中。同一个事情如果你也是英国也是要变了,环境变了,他会改变结果。  

智能化是自动化的高级发展,在自动化基础上又加入了类似于人类的智慧程序。一般能根据多种不同情况作出不同反应,就像高等动物除了本能以外还具有一定的自适应能力。  

智能化的工作过程包括:信息的检测、采集、传输、处理与储存,指令的形成、调整与发出,指令的执行与结果的反馈,这些过程都离不开工业化、自动化、数字化、信息化、网络化等基础协同,所以说智能化是一个系统工程,每一个环节都非常重要。  

总体上,智能化是自动化的高级发展,自动化是智能化的基础部分。智能化与自动化并不相互否定,根据所实现目标的复杂程度,将相互依存共处于一个智能系统当中。  

05机器人尚未达到智能化水平。  

目前的机器人,多数还只是停留在自动化水平上,实现的是机和物之间的互动工作,被限定在精准设定的工作环境中,在精确、重复性的工作上效率很高,但当遇到从未执行过的新任务、没有确定的新环境时,机器人往往就“傻了”。这还不能叫人工智能,但可以作为人工智能的一个组成部分。  

智能化的机器人,起码要通过浅层学习,主要是计算机系统从大量训练样本中学习统计规律,能对一定的未知事件做出预测,取代现有蓝领的人和机之间的互动工作,才能达到初级人工智能水平。  

最终要过深度学习,主要是构建多层的机器学习模型和海量训练数据,学习更有用的特征和因果关系。模拟人脑学习、模仿人脑解释数据、模仿人类作出判断,取代现有白领的人与人之间的互动工作,达到高级人工智能水平。  

06自动化的水泥行业的局限性。  

对于大工业生产,各种原燃材料以及各工序的工况其波动难以避免,各项生产控制参数的稳定、以及过程产品和成品性能指标的稳定,都需要通过及时地操作调整才能得以实现。从预分解窑生产工艺诞生的第一天起,人们就在谋求生产系统的自动化,从原料开采直到水泥出厂,引入了几十个仪表自控调节回路。遗憾的是,大家在这方面费了不少劲,花了不少钱,但直到今天,仍然很不理想。  

我国水泥工业在几十年的产业升级后,几乎全部采用了新型干法生产工艺,实现了中央控制室的DCS集散系统操控,相比于其他很多行业,自动化水平应在工业领域居于前列。但是应该看到,虽然我们花钱装备了几十个自动调节回路,努力提高着自动化水平,但实际生产中仍多以手动人工调节为主。为什么会这样呢?我们不妨就以大家认为非常重要的“预热器C5旋风筒出口温度自控调节回路”展开一下讨论。  

自控调节回路认为,出C5旋风筒的气体,是窑尾废气和分解炉废气混合后的气流。其温度高低,一则反应C5旋风筒入窑物料的分解率,二则反应分解炉内的燃烧状况,是一个非常重要的特征参数。这一点值得肯定。  

随着窑尾气体的变化及物料量的波动,出C5旋风筒气体的温度势必会波动。通过调整分解炉的喂煤量来调节分解炉的废气温度,便可保持C5旋风筒出口温度的相对稳定。用尾煤滞后跟踪一个引起温度波动的未知变量,这是难以实现的。  

实践证明,这个回路在烧成系统、特别在烧成系统出现较大波动时,几乎没有作用,甚至起副作用。问题出在哪儿了呢?仔细分析便会发现,影响“C5旋风筒出口气体温度”的因素,并不只是一个“分解炉的喂煤量”,还有诸如系统的喂料量、物料的易烧性、系统的通风量等等,但由于自动化的能力有限,又无法关联这么多影响因素。  

07智能水泥厂的官方概念  

2015年1月30号工信部发布的《原材料工业两化深度融合推进计划》,基本给出了一个智能水泥厂的概念。有几条比较明确,智能工厂的优势值得肯定,但是智能化依然只是一个工具,为我们提高产品质量,提高劳动效率,缩短制造周期,降低劳动强度,降低资源浪费,降低生产成本而已,依然离不开人的管理。  

为什么这么说?2018年6月29号,中国科学院院士、清华大学人工智能研究院院长张钹提醒道:人非常聪明,很理性、很灵活,最大的优点是“虽然小错不断、但是大错不犯”;而计算机很笨、很认真,最大的缺点是“小错不犯,一犯就犯大错”,这是决策系统的大忌!所以,人工智能不可能超越人类。  

原理上,人工智能的特征是自我学习,学习的原理是因果认知,认知的理念是再现的频次越高越认为真理,人工智能有感无知、只认重复,但事实上重复的再现幷不一定就是真理,“谎言说一万遍还是谎言”,这就是人工智能的局限性;  

人类有判别真假、识别环境的能力,而人工智能没有,所以不可能超越人类。  

三,智能水泥厂建设的现实路线  

01行动起来更加重要  

中国的水泥行业,生产规模,从1996年4.9亿吨拿下世界第一后,就一路领先到现在,规模不可谓不大;工艺技术,已经对国内引进的生产线进行了大量改造,并且在国际上也得到认可;装备质量,已经在国外建设投产了多条生产线,包括世界单线规模最大的12000t/d生产线,与国外的差距也在缩小。  

但看看我们的劳动生产率,却还存在较大的差距。5000t/d单线用工多数还在200人左右,先进水平的也在100人左右。而泰国同等规格的“老城堡”水泥厂,每班只有3个人,如此高的生产效率,除了可靠的装备以外,主要体现在自动化和智能化方面。我们已经是水泥大国,但还很难说是水泥强国,在智能化方面也还有差距。  

华为已经给我们带了头,并给我们奠定了基础优势,中国水泥在智能化方面必须迎头赶上,而且要引领世界,不能再走引进、提高的老路了。引领者可以制定有利于自己的游戏规则,被打压者就会付出惨痛的代价。水泥行业在这方面是深有体会的。  

曾记否,在引进技术和装备上,中国的水泥行业付出了多大代价:比如一个燃烧器,国外产品需要200万,国产的只要20-40万;比如在线分析仪,国外以前卖400万,现在卖300万,国产的只要200万。外国就因为技术领先,赚取我国的高额利润。  

早在2015年1月30号,工信部发布的《原材料工业两化深度融合推进计划》就对水泥行业提出了明确要求:为了缩小我国水泥行业在智能化方面与国外的差距,在水泥行业选取2~3家先进企业,建设基于自适应控制、模糊控制、专家控制等先进技术的智能水泥生产线;到2018年,要建成一批生产装备智能、生产过程智能、生产经营智能的智能化工厂。  

按照以上进度和质量要求,我国水泥行业显然已经慢了。个人认为,进度上慢了,与大环境有关,智能工厂牵涉到方方面面,特别是严重依赖的物联网还不具备;质量上差点,也是因为很多条件还不具备,任何事物都有个发展完善的过程。  

本就应该先从智能化水泥厂做起,能做多少是多少,逐步向智能水泥厂趋近。  

大数据和物联网是在迭代跟进的,就像汽车和公路一样,它是互相促进的。需要强调的是,“智能化工厂”并不完全等同于“智能工厂”,这要看你“化”到什么程度。但要看到:两者并不矛盾,方向一致、目标相同,智能工厂都是逐渐“化”过来的。比如,智能化离不开大数据,大数据离不开物联网,都需要相互依存、迭代跟进、滚动发展。先在“化”中起步,然后再完善、提高。这是一条更切合实际的道路。  

02生态系统的自动化.  

看似简单的水泥工艺,其过程包含有大量的物理反应、化学反应以及物理化学反应,囊括了地质学、矿物学、岩相学、流体学、燃烧学、热传导、结晶学等等学科,要使整个过程处于受控状态,按照我们设计的P-T-t轨迹(矿物学术语)运行,不但需要维持物料的量和质的均衡稳定,而且必须维持好各系统、各工序、各个特征参数的稳定。  

关于采购、仓储、销售、运输、质量、管理等智能系统,在水泥行业相较实体的生产系统进步要快,这几年的智能化进步也主要体现在这些方面,这里就不再赘述,重点讨论相对薄弱的生产系统的智能化问题。对于水泥生产中的控制操作,可以是人工手动的,也可以是仪表自控的,但最好是智能程控的。因为变化无时不在,调节无时不需,人的精力和经验又是有限的,自动化又担负不了如此复杂的问题,智能化就成为最佳选择。  

分析其前任自动化成效不大的原因,仍以大家最关注的“C5出口气体温度自控调节回路”为例:自动化建立的数学模型为:“分解炉的喂煤量”=>“C5出口气体温度”,(注:A=>B为逻辑学符号,表示命题A与B的闰涵关系)。实践证明,这个控制回路的作用不大,有时甚至起副作用。主要是受自动化能力限制,因变量选取太少,调节模型建立得过于简单。  

而智能化有足够的能力,完全可以模仿人类的智能,建立一个多变量调节模型:分解炉的喂煤量=>∑(C5出口气体温度,系统生料喂料量,生料KH、SM、细度,窑灰喂入量,预热器各级(包括分解炉、后窑口)的温度、压力,C1出口、分解炉出口、后窑口的O2、CO、NOX,煤粉的热值、挥发份、细度、水分,二次风温度、三次风温度、三次风闸板开度……)  

总之,只要你能想到的因素就只管往闰含变量里加,然后进行相关性统计分析,根据不同的相关系数给予各变量不同的调节权重,各变量对于喂煤调节量的代数和,便是分解炉喂煤量的调节量。  

相关性分析并不复杂,用程序来做更是小菜一碟。不仅可以从初始的统计分析开始,设定初始的调节权重,而且要每时、每天、每月、每年的一直做下去,以适应各种因素的变化。自主化适应变化,为什么要设计变化?就是它时刻在关注着各种变化.为了适应各种因素的新情况、新变化,按“先入先出的原则”设定滚动记录最近10天数据、、并进行相关性分析。根据最新的分析结果及时地调整调节权重分配,使其在不断地循环调整中趋于合理化,效果就会越来越好。实际上,这种自动调节回路已经是智能调节回路了。  

生产系统需要调控的参数很多,由于时间关系,这里仅选了这几年大家非常重视的、已经做了不少工作的“预热器C5旋风筒出口温度自控调节回路”进行了展开分析,其他参数的调控可以比照优化。进一步放开讲,智能水泥厂离不开大数据、智能化、物联网,这些都离不开5G平台。虽然目前还没有这个平台,但我们将在世界上首先拥有这个平台,我们的智能化现在就应该为利用好这个平台作好准备。  

接着C5出口气体温度的波动讨论,还有如下因素关联:煤质波动——煤粉制备(细度)——原煤进厂(可燃性、易磨性)——供煤点(煤矿)——煤层煤量波动——喂煤系统——煤粉制备(流动性)——煤粉质量(细度、水分)——原煤变化——供应煤矿——煤层变化。  

如果建立了大数据,这些关联的每个节点都能及时量化出来;如果建立了物联网,这些量化出来的变化,就能及时的得到层层传递,就能给烧成智控留出预知时间、提前采取相应的对策,最终减小甚至避免窑况波动。  

所以说,智能制造不是花架子,可以给制造企业带来生产效率的大幅度提高、资源综合利用率的大幅度提升,研制周期的大幅度缩短、运营成本的大幅度下降、产品不良品率的大幅度下降。智能化是我国水泥工业由大变强的“弯道超车”机会,是水泥工业在新常态下的必走之路。  

所以说,中国水泥不仅是大,而且会强,走对了路,就能引领世界水泥工业。  

03不妨先从数智化基础做起  

水泥行业智能工厂建设是一个庞大的工程,目前国内外的情况差不太多,尚处于起步阶段,控制原理尚需要突破、大数据还需要积累。“智能水泥厂”在概念上还不准确、在技术上还不成熟,不一定就要一步到位、建设严格意义上的智能水泥厂。把目标定的过高,反而会欲速不达!  

智能工厂是建立在可靠的装备、成熟的工艺、稳定的生产、准确的在线监测计量之上的技术,装备、工艺、监测、计量这些基础的东西,不仅是智能工厂的必须,对提高现有企业的运营水平也是卓有成效的。如果这些条件不具备,在建设真正的智能工厂以前,不妨先在这几方面给予完善提高,特别是一些成熟的在线监测计量控制系统。  

近年正在推向市场的在线监测控制产品主要有:“原料成分、煤质检测、生料粒度、入窑成分、入窑分解率、出窑游离钙、窑尾废气成分、水泥碳硫、水泥力度、水泥比表面积等。”能及时准确的提供这些数据,既是现有生产的需要,也可为建设智能水泥厂准备大数据支撑,有条件者不妨先在这方面突破。  

需要提醒的是,目前智能工厂的建设在运输和管理上已经取得了一定的成绩,这是应该给予肯定的良好开端,但在生产工序上还差的很远。对这一点必须要有充分的认识,因为工厂的主体就是生产,最终不能避重就轻!  

企业不能为了“智能制造”而智能制造,应该以智能、协同、绿色、安全发展为突破口,以“提高生产效率和能源效率,缩短和降低产品的研制周期,降低运营成本和提高产品质量”为目标,本着长远规划、逐步实施、重点突破的原则,先对整个制造业进行逐步的升级改造。现实路线是:先行建设“智能化水泥厂”,再逐步的化为“智能水泥厂”。  


数据来源:中国水泥网信息中心

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