宋麗麗，段成義，魏相章，侯新宇，冉志輝

(重慶市映天輝氯堿化工有限公司，重慶 401221)

隨著網絡信息技術的迅速發(fā)展，數(shù)字化已成為化工制造業(yè)企業(yè)未來發(fā)展的必然趨勢[1]。數(shù)字化車間不僅是智能制造中的一種生產組織模式，更是生產過程中，在信息互通以及生產設備網絡互聯(lián)的基礎上，通過在制造信息系統(tǒng)對這些信息進行利用，再加上對物理系統(tǒng)的深度融合，使得生產要素優(yōu)化，生產模式的效率提升，實現(xiàn)自動化和定制化的過程，從而實現(xiàn)提高車間生產效果的結果[23]?？偟膩碚f，數(shù)字化車間建設將改變傳統(tǒng)的手工錄入的方式，實現(xiàn)生產技術和管理技術的不斷創(chuàng)新。

《中國制造2025》明確指出“在重點領域試點建設智能工廠/數(shù)字化車間，加快人機智能交互、工業(yè)機器人、智能物流管理、增材制造等技術和裝備在生產過程中的應用，促進制造工藝的仿真優(yōu)化、數(shù)字化控制、狀態(tài)信息實時監(jiān)測和自適應控制。”數(shù)字化車間的建設對制造業(yè)企業(yè)轉型升級、快速適應市場需求具有重要意義[4-6]。

重慶市映天輝氯堿化工有限公司(以下簡稱“重慶映天輝”)緊跟科技發(fā)展時代的腳步，建設了包含DCS、SIS、ERP系統(tǒng)等一系列智能化監(jiān)測控制系統(tǒng)，全力打造一個全新智能化的“氯堿電解數(shù)字化車間”，從而避免以前車間生產過程中各環(huán)節(jié)實物流和信息流脫節(jié)的現(xiàn)象，方便車間管理與車間現(xiàn)場過程控制能夠及時有效地進行信息傳遞與交流，從而實現(xiàn)對現(xiàn)場生產過程實時有效的監(jiān)測和管理。從多角度加強了化工企業(yè)生產過程的工藝流程、產品生產及安全風險的監(jiān)測和管理，實現(xiàn)了生產車間可視化、精益化生產。

1 DCS的功能與應用

1.1 DCS的特點

DCS主要包括過程控制層、網絡通信系統(tǒng)以及過程監(jiān)控層等。DCS涉及多種操作技術，如：計算機的管控、顯示以及通信等技術，其運行原理就是對不同部分進行分散控制，并且進行集中化操作，可以實現(xiàn)靈活性的配置，進行科學的分級管理以及各種比較簡單化的設置。

重慶映天輝通過DCS的引進與建設，降低了人員資金的投入，不斷提升了車間實際生產效率，有力地減少了生產成本的投入，為公司創(chuàng)造了更大的經濟效益。

公司現(xiàn)場智能儀表采集到的數(shù)據通過I/O系統(tǒng)，送入控制器進行運算，運算結果通過集線器/交換器在操作員站或工程師站顯示。

DCS具有圖1所示主要畫面，為操作員監(jiān)控生產過程狀態(tài)提供了顯示窗口。

圖1 DCS監(jiān)控生產過程畫面Fig.1 DCS monitored production process screen

1.1.1 總貌畫面

顯示系統(tǒng)各設備、裝置、區(qū)域的運行狀態(tài)以及全部過程參數(shù)變量的狀態(tài)、測量值、設定值、控制方式(手動/自動狀態(tài))、高低報警等信息。從各顯示塊可以調出其他畫面。

1.1.2 組畫面

以模擬儀表的表盤形式按事先設定的分組，同時顯示幾個回路的信息，如過程參數(shù)變量的測量值、調節(jié)器的設定值、輸出值、控制方式等。變量值每秒更新一次，分組可任意進行，操作員可從分組畫面調出任一變量(模擬量或離散量)的詳細信息。模擬回路可以手動改變設定值、輸出值、控制方式等；離散量可以手動操作設備的開啟和停止，畫面顯示出指令狀態(tài)和實際狀態(tài)。

1.1.3 調整畫面

顯示一個參數(shù)、控制點的全部信息以及實時趨勢和歷史趨勢。從調整畫面也可以直接對模擬回路進行設定、調整操作。

1.1.4 趨勢畫面

系統(tǒng)可顯示任何數(shù)據點趨勢的能力，并在同一座標軸上顯示至少4個變量的趨勢記錄曲線，有可供用戶自由選擇的參數(shù)變量、不同顏色和不同的時間間隔，也可以對數(shù)據軸任意放大顯示。

1.1.5 報警畫面

顯示當前所有正在進行的過程參數(shù)報警和系統(tǒng)硬件故障報警， 并按報警的時間順序從最新發(fā)生的報警開始排起，報警優(yōu)先級別和狀態(tài)用不同的顏色區(qū)別，未經確認的報警處于閃爍狀態(tài)。

1.1.6 流程圖畫面

生產裝置的圖片、工藝流程圖、設備簡圖、單線圖等都可以在CRT 上顯示出來，通常采用可變化的顏色、圖形、閃爍表示過程變量的不同狀態(tài)，所有過程變量的數(shù)值和狀態(tài)每秒動態(tài)刷新。操作員在此畫面上可對有關過程變量實施操作和調整。

1.1.7 報表

DCS按照預先定義的格式打印報表，報表數(shù)據的收集和打印按照用戶定義的時間間隔自動進行，通常有年報、月報、日報、班報等，報表打印通常采用事件驅動方式或操作員命令方式。

1.2 DCS的功能及應用

重慶映天輝整個操作系統(tǒng)分為工程師站、操作員站、監(jiān)視站等。工程師站的主要作用是：通過工程師站，進行現(xiàn)場數(shù)據組態(tài)、控制方案組態(tài)、畫面組態(tài)、通信網絡設置、數(shù)據庫組態(tài)、備份等。操作員站的主要作用是：通過電腦上組態(tài)的工藝生產流程圖，查看工藝裝置實時數(shù)據，并通過操作調節(jié)閥等措施，保證工藝參數(shù)在設計范圍內。監(jiān)視站的作用是：配置工藝生產流程圖畫面組態(tài)，監(jiān)視現(xiàn)場工藝數(shù)據，監(jiān)視現(xiàn)場儀表的工作情況。

DCS的功能如下。

1.2.1 生產設備運行狀態(tài)實時監(jiān)控

生產設備運行狀態(tài)實時監(jiān)控通過DCS等系統(tǒng)自帶的回路檢測軟件，或通過組態(tài)監(jiān)視生產設備的運行狀態(tài)。即利用DCS管理系統(tǒng)，對氯堿電解車間的各生產工藝的相關信息數(shù)據進行實時收集整理，同時深入精確地分析和處理車間生產的各項指標，然后利用計算機網絡將氯堿車間的生產情況呈現(xiàn)出來，從而對整個車間的生產過程進行科學合理的控制，不僅提高車間生產工作的效率，而且能夠有效地做到對生產過程中可能存在的安全風險及時預防和把控。

1.2.2 生產設備運行狀態(tài)故障自動報警

DCS具有廣泛的故障自診斷能力，從CPU、電源、通信、I/O模件直至板級。一旦檢測到任何系統(tǒng)故障，都將立即引起操作人員的注意并自動進行故障隔離。結合重慶映天輝氯堿車間的實際生產情況，利用DCS相關參數(shù)設置警報值，能夠有力地反饋生產設備的運行狀態(tài)；通過預設的報警值、聯(lián)鎖值等，通過聲光報警器、屏幕顯示突變或背景色閃爍，或在專用的報警器中突出報警燈等多種方式進行自動報警。一旦在車間生產設備運行期間出現(xiàn)任何異常情況，系統(tǒng)自動報警功能就能根據預先設置的不同設備的故障問題發(fā)出相應的警示，并且對運行期間相關信息全部記錄下來，這樣現(xiàn)場的操作人員或者維修人員就能通過報警提示，快速采取有效的措施對故障問題進行處理。

1.2.3 診斷分析情況

DCS帶有自診斷功能，可以通過診斷模塊對整個通信網絡、控制站是否在線、每個控制器負載情況、回路健康狀況、卡件健康狀況、電源系統(tǒng)是否穩(wěn)定等進行診斷，并輸出診斷結果。這樣操作人員就可以根據診斷結果來判斷系統(tǒng)運行是否正常。若系統(tǒng)運行異常，也有利于及時地進行處理。

綜上，DCS各項技術在車間實際生產中的應用，主要包括生產過程中的信息傳遞、現(xiàn)場作業(yè)各個環(huán)節(jié)的有力掌控和科學的安全管理、PID各項控制參數(shù)的科學設置與實際生產參數(shù)的匹配、系統(tǒng)自身的聯(lián)鎖控制以及液堿、離子膜入槽鹽水各項參數(shù)指標的控制等尤為重要。DCS的建設及應用，不僅提升了車間生產期間的工作效率，還可以對生產過程中的安全風險進行有力的防控，最終實現(xiàn)對整個公司的安全生產過程、產品質量、經濟成本等全方位監(jiān)控和管理。

2 SIS安全儀表系統(tǒng)的功能與應用

重慶映天輝的Safety Instrumented System(安全儀表系統(tǒng)，以下簡稱“SIS”)采用AADvance三重化冗余控制系統(tǒng)，SIS網絡拓撲圖如圖2所示。

圖2 SIS網絡拓撲圖Fig.2 SIS network topology

SIS是用于保障安全生產的一套系統(tǒng)，安全等級高于DCS自動化控制系統(tǒng)。當車間自動化生產系統(tǒng)出現(xiàn)異?；虬l(fā)生危險情況時，SIS會自動按照預先設定的安全功能規(guī)范進行保護，以防止事故或者減輕其后果。SIS必須使用獨立的傳感器、邏輯解算器和執(zhí)行機構。SIS僅在危險情況出現(xiàn)時才動作，平時不動作。重慶映天輝利用SIS對氯堿電解裝置設置自動保護聯(lián)鎖的主要項目有：電解工序的槽電壓及整流聯(lián)鎖停車系統(tǒng)、氫氣/氯氣總管壓力控制系統(tǒng)、氯壓機組聯(lián)鎖停車系統(tǒng)以及液氯汽化工序聯(lián)鎖及聯(lián)鎖停車系統(tǒng)等，進而對生產裝置可能發(fā)生的危險或不采取措施將繼續(xù)惡化的狀態(tài)進行響應和保護，保障氯堿車間的安全生產，避免重大人身傷害及重大設備損害等。

SIS具有很多實用性功能，比如在線診斷功能、模擬控制功能、順序控制功能、過程控制語言等。其中，在線診斷功能控制是處理器通過在應用程序運行間隔中執(zhí)行診斷，擁有可以不影響任何應用程序的基本運行周期，在線診斷主要用來檢查表決器件和故障指示電路，包括處理器、輸入和輸出模塊、電源模塊I/O組件中的各種表決電路等；模擬控制功能主要由PID、反饋、分程、串級、超馳及科學計算功能組成，可以提供PID的在線自整定軟件；順序控制功能可由操作員請示或自動地啟動和停止，可以根據操作員的命令或選定的模擬和數(shù)字信號自動動作，執(zhí)行特定功能；過程控制語言可以根據實際要求控制站能夠執(zhí)行用高級語言編寫的控制程序或算法，而且高級語言應可以對控制站數(shù)據庫和控制硬件進行數(shù)據存取。

3 ERP系統(tǒng)的功能與應用

重慶映天輝的Enterprise Resource Planning(企業(yè)資源計劃，以下簡稱“ERP系統(tǒng)”)集供應鏈管理、財務管理、人力資源管理、客戶關系管理、辦公自動化、商業(yè)分析、移動商務、集成接口及行業(yè)插件等業(yè)務管理組件為一體，以成本管理為目標，計劃與流程控制為主線，通過對成本目標及責任進行考核激勵，推動管理者應用ERP等先進的管理模式和工具，建立企業(yè)人、財、物、產、供、銷科學完整的管理體系。

ERP系統(tǒng)是建立在信息技術基礎上,以系統(tǒng)化的管理思想,為企業(yè)決策層及員工提供決策運行手段的管理平臺。例如，建立ERP系統(tǒng)自動預警功能及計劃員工作平臺，當安全庫存低于設定值時系統(tǒng)會作預警提示；根據ERP系統(tǒng)自動進行物流派單選擇，物流運輸車輛裝訂GPS進行適時監(jiān)控、定位；利用ERP系統(tǒng)對生產的液氯、液堿進行現(xiàn)場抽檢，通過產品分析發(fā)現(xiàn)問題，然后反饋給生產系統(tǒng)進行處理，出現(xiàn)質量問題一般按照質量體系不合格品處置流程進行處理等。

4 數(shù)字化車間建設前后企業(yè)經濟效益分析

重慶映天輝積極響應國家政策，為了加快企業(yè)轉型發(fā)展、快速適應市場需求，建設了一系列具有數(shù)據采集、控制監(jiān)視、智能檢測等功能的智能化監(jiān)測控制系統(tǒng)共計1 215套，占公司智能化系統(tǒng)總數(shù)比例為81%。共計投入1 170萬元建成氯堿電解數(shù)字化車間，最終達到對生產各個環(huán)節(jié)進行全程監(jiān)督，運營成本降低17.4%，生產效率提高65.6%，產品研制周期從365天降至240天，產品研制周期縮短34%，產品不良品率降低62.5%，能源利用率提高12.9%等良好的經濟效果。

數(shù)字化車間建成幾年來，重慶映天輝的員工綜合素質有了很大的提高，車間的生產效率以及營業(yè)收入都呈現(xiàn)不斷上升的趨勢?？梢哉f，數(shù)字化車間的建設與不斷完善，對重慶映天輝的整體經濟效益及未來的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

表1為數(shù)字化車間建成前后經濟效益情況。

表1 數(shù)字化車間建成前后經濟效益情況Table 1 Economic benefits before andafter construction of digital workshop

數(shù)字化車間建成前氯堿車間所需員工124人，建成后減少用工22人；在減少了公司人工投入成本的同時，勞動生產率也從905.4元/(人·天)提高至1 498.9元/(人·天)；大專以上員工占企業(yè)全體員工比例從40%提高至60%；產品質量也不斷提升，減少了人為操作失誤的因素：一次合格率達到95%，產品報廢率大大低于0.5%；在保障生產人員安全方面，大大減少了車間一線員工的勞動強度，同時有效避免了安全隱患和安全事故的發(fā)生，改善了人們談化色變的觀念；經濟效益上，數(shù)字化車間建成后提高公司整體經濟效益，銷售收入達到48 386.27萬元/a，獲得凈利潤7 168.94萬元/a。

數(shù)字化車間建成前后績效指標完成情況如表2所示。

表2 數(shù)字化車間建成前后績效指標完成情況Table 2 Achievements of performance indicators before and after construction of digital workshop

與數(shù)字化車間建設前相比較，數(shù)字化車間建成后運營成本降低17.74%，生產效率提高65.55%，產品研制周期從365天降至240天，產品研制周期縮短34%，產品不良品率降低62.50%，能源利用率提高13.83%。數(shù)字化車間建成后，各項績效指標完成遠超預期效果，目前數(shù)字化車間的建成促進了公司整體經濟效益穩(wěn)定持續(xù)的增長。

從表2數(shù)據可以看出：數(shù)字化車間的建成，不僅提高了重慶映天輝的智能化制造水平，提升員工綜合素質，提高氯堿車間的整體控制水平及勞動生產率，大大減少了重慶映天輝的用人成本、生產成本、以及設備維護費用，提高了氯堿產品質量，為公司的科學化管理和智能化運行提供了有力條件。

5 結 語

綜上所述，重慶映天輝氯堿電解數(shù)字化車間通過對DCS、SIS、ERP系統(tǒng)等智能化系統(tǒng)的建設，可以對生產各個環(huán)節(jié)進行全程監(jiān)督；通過信息化的建設和信息數(shù)據的收集，對關鍵的工作崗位和業(yè)務具有一定的約束和檢查機制，可以及時發(fā)現(xiàn)問題并得到迅速處理，大大降低了生產過程中存在的隱患風險。重慶映天輝的信息化建設為信息的收集、整理提供便利，大大縮短了決策層的決策周期，減少決策偏差，實現(xiàn)資源快速交流與共享。

另外，通過DCS、ERP系統(tǒng)的有效集成并融入精益生產管理方法及工具，實現(xiàn)了從訂單到生產，再到車間生產任務單，到產品研發(fā)工藝數(shù)據，再到生產任務單匯報的全過程進行監(jiān)測，從而在生產管理上實現(xiàn)規(guī)劃、生產、運營全流程數(shù)字化智能化管理。

重慶映天輝實施精益化生產管理，通過持續(xù)改進，實現(xiàn)工藝、生產、管理、物流等環(huán)節(jié)的產品全生命周期閉環(huán)動態(tài)優(yōu)化，推進了公司數(shù)字化設計、裝備智能化升級、工藝流程優(yōu)化、精益生產、可視化管理、質量控制與追溯、智能物流方面的快速提升?？傊?，氯堿電解數(shù)字化車間的建設，提高了重慶映天輝智能化制造水平，大幅度降低公司運營成本，帶來較高的經濟收益，同時提升員工的綜合素質水平，不僅推動重慶市乃至全國氯堿行業(yè)的技術進步，也將帶動氯堿下游產業(yè)鏈的發(fā)展，樹立氯堿行業(yè)百年典范！