宮會彬，白 銳，馬恩杰

鋁電解制造執(zhí)行系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

宮會彬1，白 銳1，馬恩杰2

（1.遼寧工業(yè)大學 電氣工程學院，遼寧 錦州 121001; 2.沈陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110001）

制造執(zhí)行系統(tǒng)在鋁電解企業(yè)的綜合自動化三層體系結(jié)構(gòu)中扮演著不可或缺的角色，起著承上啟下的作用。本文首先簡單介紹了目前的鋁電解企業(yè)生產(chǎn)流程與底層控制系統(tǒng)情況，然后論述了國內(nèi)外鋁電解制造執(zhí)行系統(tǒng)研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，最后結(jié)合鋁電解企業(yè)現(xiàn)狀和需求對鋁電解制造執(zhí)行系統(tǒng)的發(fā)展趨勢進行展望。

制造執(zhí)行系統(tǒng)；鋁電解；綜合自動化；智能制造

鋁作為僅次于鋼鐵的第二大金屬，廣泛應(yīng)用在運輸、包裝、建筑、電器、醫(yī)藥等領(lǐng)域[1]。由于科學技術(shù)的迅猛發(fā)展，新理論、新工藝、新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，因此極大促進了鋁電解企業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)和工藝的現(xiàn)代化[2]。現(xiàn)階段鋁電解廠主要包括陽極組裝、鋁電解和鋁錠鑄造等生產(chǎn)流程，利用底層控制系統(tǒng)基本實現(xiàn)了關(guān)鍵步驟的自動化生產(chǎn)[3]。

制造執(zhí)行系統(tǒng)（manufacturing execution system，MES）的概念最早由美國AMR公司在90年代初提出的[4]。經(jīng)過多年的研究與發(fā)展，在許多行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了巨大的應(yīng)用效果與經(jīng)濟效益。制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）作為工業(yè)綜合自動化三層體系結(jié)構(gòu)中的執(zhí)行層，處于企業(yè)資源計劃層（ERP）與控制層（PCS）之間，是企業(yè)資源計劃系統(tǒng)和設(shè)備控制系統(tǒng)之間的橋梁和紐帶[5]，圖1所示為工業(yè)綜合自動化三層體系結(jié)構(gòu)圖。

因此在鋁電解廠底層控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，建立制造執(zhí)行系統(tǒng)，能夠?qū)Φ讓涌刂葡到y(tǒng)數(shù)據(jù)和車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)的集成與利用，對上層企業(yè)資源計劃管理信息的接收與反饋，有利于解決鋁電解廠的信息孤島，信息斷層，信息增值等問題，實現(xiàn)將生產(chǎn)中的關(guān)鍵指標優(yōu)化設(shè)定以及轉(zhuǎn)化為底層控制系統(tǒng)命令和參數(shù)，最終為實現(xiàn)鋁電解企業(yè)的優(yōu)化生產(chǎn)以及智能生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

圖1 工業(yè)綜合自動化三層體系結(jié)構(gòu)圖

本文先對鋁電解企業(yè)的車間生產(chǎn)及控制情況進行簡單介紹，然后對鋁電解制造執(zhí)行系統(tǒng)的國內(nèi)外研究和應(yīng)用現(xiàn)狀進行論述，最后對鋁電解制造執(zhí)行系統(tǒng)發(fā)展趨勢進行展望。

1 鋁電解生產(chǎn)及控制

在鋁電解工藝和生產(chǎn)技術(shù)不斷提升的趨勢下，鋁電解廠各個車間生產(chǎn)的自動化和信息化程度也不斷提高，利用底層控制系統(tǒng)，基本能夠?qū)崿F(xiàn)各個車間生產(chǎn)的自動化與實時監(jiān)控，下面將從鋁電解廠生產(chǎn)流程情況與底層控制系統(tǒng)情況進行簡單介紹。

1.1 鋁電解廠車間生產(chǎn)流程

鋁電解廠主要包括整流所、電解車間、陽極制造車間、陽極組裝車間、氧化鋁倉庫、煙氣凈化車間、空壓站、鑄造車間等。電解車間由多個工區(qū)組成，電解槽分布在每個工區(qū)中。如圖2所示為鋁電解廠生產(chǎn)流程圖。

圖2 鋁電解廠生產(chǎn)流程圖

變電整流所將電廠的高壓電分別經(jīng)過動力變壓器和整流機組后提供給鋁電解廠各個車間。其中電解車間是整個鋁電解廠的核心，負責生產(chǎn)出鋁液；鑄造車間是將鋁液經(jīng)過若干工序鑄造成鋁錠；空壓站負責為鋁電解廠提供氣源，用于濃相輸送系統(tǒng)以及添加氧化鋁的打殼等過程；煙氣凈化系統(tǒng)主要負責將電解產(chǎn)生的有害氣體進行凈化；陽極制造車間和陽極組裝車間負責提供用于鋁電解所需的陽極；氧化鋁倉庫負責為煙氣凈化系統(tǒng)和電解車間提供氧化鋁。

1.2 鋁電解廠車間底層控制系統(tǒng)

鋁電解廠的各個車間的底層控制系統(tǒng)一般采用由直接控制級和過程監(jiān)控級構(gòu)成的兩級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[1]，直接控制級由控制器、執(zhí)行器、傳感器等構(gòu)成，對現(xiàn)場生產(chǎn)起直接控制作用，過程監(jiān)控級一般通過計算機利用組態(tài)軟件對現(xiàn)場設(shè)備參數(shù)及生產(chǎn)線上的生產(chǎn)狀態(tài)進行實時監(jiān)控。

在電解車間的控制系統(tǒng)當中主要由槽控系統(tǒng)組成，每臺電解槽由一臺槽控機控制，在槽控機的控制下進行電化學反應(yīng)，采用了先進的控制方法，可以實現(xiàn)陽極的升降、氧化鋁濃度控制、槽電阻控制、氟化鋁添加控制等功能。整流所、煙氣凈化車間、空壓站、陽極制造車間、陽極組裝車間、鑄造車間中的控制系統(tǒng)大都采用PLC為控制器對車間中的各個設(shè)備進行控制，在這些車間中由于某些工藝步驟要求控制電流、溫度、壓力等變量為恒定值，大都采用了PID閉環(huán)的控制方法或其他先進控制策略，例如整流所輸出的電流要求為電流值恒定的直流電，因此對電流值進行了PID閉環(huán)控制；煙氣凈化車間和空壓站對氣壓有要求，為此采用了PID控制方法；陽極制造車間和鑄造車間由于對溫度值控制要求較高，因此采用了模糊控制等方法對溫度進行控制[6-10]。

綜上所述，鋁電解廠在底層控制系統(tǒng)的控制下基本實現(xiàn)了車間級生產(chǎn)的自動化，下一步應(yīng)該在此基礎(chǔ)上建立制造執(zhí)行系統(tǒng)，進一步提升鋁電解企業(yè)的自動化與信息化水平。

2 鋁電解制造執(zhí)行系統(tǒng)現(xiàn)狀

2.1 國內(nèi)鋁電解制造執(zhí)行系統(tǒng)現(xiàn)狀

近年來，國內(nèi)鋁電解企業(yè)在自動化和信息化方面取得了很大的進步，一些鋁電解企業(yè)也應(yīng)用了信息管理系統(tǒng)，大多數(shù)只針對鋁電解企業(yè)個別業(yè)務(wù)，例如設(shè)備管理系統(tǒng)，質(zhì)量管理系統(tǒng)等。對于鋁電解制造執(zhí)行系統(tǒng)的研究還處于初期階段。

數(shù)據(jù)的采集與集成作為制造執(zhí)行系統(tǒng)的支撐部分，針對鋁電解企業(yè)的數(shù)據(jù)采集與集成也是主要的研究方向。李松嚴等人針對鋁冶煉企業(yè)中的電子計量檢斤、化驗分析、生產(chǎn)調(diào)度及生產(chǎn)工藝等數(shù)據(jù)的采集方法和系統(tǒng)集成方法進行了研究，并提出了與制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）的集成方法，并成功應(yīng)用于生產(chǎn)，實現(xiàn)了鋁電解生產(chǎn)降本增效的目的[11]。陳萬宏對鋁電解企業(yè)制造執(zhí)行系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行了分類，并分析了每一類數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)和配置數(shù)據(jù)，介紹了數(shù)據(jù)流向，并提出了鋁電解制造執(zhí)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成模型，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的全面管理和有效集成[12]。

電解生產(chǎn)管理、設(shè)備管理、能源管理等功能模塊是組成鋁電解制造執(zhí)行系統(tǒng)的必要系統(tǒng)模塊。王敏等人主要針對冶煉企業(yè)車間中制造執(zhí)行系統(tǒng)的生產(chǎn)管理模塊進行設(shè)計，采用了B/S與C/S結(jié)合的三層系統(tǒng)架構(gòu)（表現(xiàn)層、應(yīng)用邏輯層、數(shù)據(jù)服務(wù)層），最終在企業(yè)中成功實施[13]。衛(wèi)相如為解決在電解鋁企業(yè)中傳統(tǒng)設(shè)備管理中存在設(shè)備維護不標準、不及時、以經(jīng)驗進行判斷等問題，主要從自主維護、預(yù)防性維修、故障管理方面入手，建立了設(shè)備管理信息系統(tǒng)，具有客戶端和移動端兩種模式，實現(xiàn)了設(shè)備的科學管理和數(shù)據(jù)共享[14]。武惠杰首先對某電解鋁廠能耗進行分析，然后介紹了電能的計量現(xiàn)狀，最后以數(shù)據(jù)采集、設(shè)計能源輸配及平衡控制方法、建立能源成本管理平臺、與制造執(zhí)行系統(tǒng)進行集成的基本技術(shù)路線開發(fā)了電解鋁廠能源管理系統(tǒng)[15]。

國內(nèi)的某些大型鋁電解企業(yè)已經(jīng)采用了功能模塊較為全面的制造執(zhí)行系統(tǒng)，但功能主要是數(shù)據(jù)錄入和報表打印。梁蓓等人針對青海某鋁電解企業(yè)的現(xiàn)狀進行了需求分析，設(shè)計并開發(fā)了具有數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)管理層，生產(chǎn)管理層功能的鋁電解制造執(zhí)行系統(tǒng)，覆蓋了電解鋁廠主要生產(chǎn)工藝流程以及其他相關(guān)輔助工藝流程，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)和管理信息系統(tǒng)的一體化集成，為該企業(yè)提高了生產(chǎn)效率[16]。穆衍清等人首先分析了鋁電解行業(yè)特點，然后在此基礎(chǔ)上針對西南某電解鋁企業(yè)需求，設(shè)計了制造執(zhí)行系統(tǒng)架構(gòu)，在數(shù)據(jù)傳輸方面集成了多種數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，實現(xiàn)了鋁電解企業(yè)的計劃管理、訂單管理、生產(chǎn)管理、倉庫管理、設(shè)備管理等12個功能[17]。

生產(chǎn)調(diào)度算法和策略作為鋁電解制造執(zhí)行系統(tǒng)的關(guān)鍵，也是未來的主要研究方向。彭頻等人首先對鋁企業(yè)的生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)特征進行了分析，然后論述了生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化目標和約束條件，最后提出了鋁企業(yè)制造執(zhí)行系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)并對生產(chǎn)調(diào)度的建模、求解和工程應(yīng)用進行了探討，但并沒有進行具體的研究[18]。

2.2 國外鋁電解制造執(zhí)行系統(tǒng)現(xiàn)狀

在國外研發(fā)鋁電解制造執(zhí)行系統(tǒng)有法國的KEOPS和加拿大的Rio Tinto Alcan等公司，其技術(shù)也相對成熟，已經(jīng)在國外鋁電解企業(yè)被廣泛推廣和應(yīng)用。

KEOPS公司研發(fā)的鋁電解制造執(zhí)行系統(tǒng)，在對鋁液從電解車間到鑄造車間的調(diào)度和運輸問題上時，采用了高級的調(diào)度算法，有效的解決了鋁液從電解車間到鑄造車間由于鋁液氧化和冷卻造成損失的問題[19]。Rio Tinto Alcan公司研發(fā)的MESALTM鋁生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)采用了面向服務(wù)的架構(gòu)，集成多種數(shù)據(jù)分析工具，能夠根據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息快速響應(yīng)，有效的推動工廠運營，并且采用靈活的模塊化設(shè)計能夠快速及時的在工廠進行部署[20]。

生產(chǎn)調(diào)度與決策作為制造執(zhí)行系統(tǒng)中的核心，也是國外的研究熱點。Nishi T等人提出了一種生產(chǎn)調(diào)度與配送計劃集成優(yōu)化的分布式?jīng)Q策系統(tǒng)，該系統(tǒng)由若干子系統(tǒng)組成，通過使用增廣拉格朗日分解和協(xié)調(diào)技術(shù)分解問題而獲得目標函數(shù)，所提出的方法適用于鋁生產(chǎn)計劃和調(diào)度。通過在物料資源計劃中重復(fù)局部優(yōu)化，并為每個生產(chǎn)過程的調(diào)度子系統(tǒng)，同時優(yōu)化決策變量，如原材料到貨日期，批量，生產(chǎn)計劃和倉庫產(chǎn)品分配等[21]。Ugarte B S D等人提出了通用的制造執(zhí)行架構(gòu)以及實時離散事件模擬模型集成的遺傳算法，能夠解決在鋁鑄造等過程的調(diào)度優(yōu)化問題，為生產(chǎn)目標提供實時決策支持，同時給出了在鋁電解制造執(zhí)行系統(tǒng)的應(yīng)用案例[22]。

3 鋁電解制造執(zhí)行系統(tǒng)發(fā)展趨勢

相對于國外，國內(nèi)對于鋁電解制造執(zhí)行系統(tǒng)的應(yīng)用和研究還主要集中在車間生產(chǎn)等數(shù)據(jù)的集成與展示，基本解決了信息孤島與信息斷層問題，但對于信息增值問題還處于初級研究階段，如何進一步有效的利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)對鋁電解生產(chǎn)的智能優(yōu)化決策與控制是亟待解決的問題。

現(xiàn)結(jié)合鋁電解企業(yè)的現(xiàn)狀和需求，對未來鋁電解制造執(zhí)行系統(tǒng)的發(fā)展趨勢進行展望。

（1）全面信息集成。目前鋁電解企業(yè)的制造執(zhí)行系統(tǒng)只集成了本企業(yè)的質(zhì)量，物流，能耗，過程控制等信息，但缺乏對鋁電解生產(chǎn)更加全面的信息集成，例如包括對工藝設(shè)計，施工質(zhì)量以及相關(guān)設(shè)備等信息的集成，因為一個鋁電解企業(yè)即使處于正常運行階段，但這些信息仍然對鋁電解廠的生產(chǎn)運行具有重要意義。

（2）云端化。隨著原鋁產(chǎn)能的不斷釋放，競爭加劇，鋁工業(yè)組織結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出集團化的發(fā)展趨勢，一家集團公司在全國各地分布多個鋁電解分廠。按傳統(tǒng)的制造執(zhí)行系統(tǒng)搭建方法，不僅存在著軟硬件重復(fù)投資的弊端，而且后期的維護管理也需要持續(xù)的資金投入。為此應(yīng)充分利用云技術(shù)，以集團或地域為單位，建立鋁電解制造執(zhí)行系統(tǒng)云平臺，在此云平臺上集成多個鋁電解分廠的制造執(zhí)行系統(tǒng)[23]。

（3）智能化。目前在鋁電解企業(yè)中應(yīng)用的制造執(zhí)行系統(tǒng)，其功能大都是數(shù)據(jù)集成與報表顯示，例如對車間生產(chǎn)、化驗分析、計量檢斤以及底層控制系統(tǒng)等數(shù)據(jù)的集成與展示。在生產(chǎn)過程中的車輛調(diào)度、生產(chǎn)計劃、鋁液配比、槽況分析等關(guān)鍵信息一般由鋁廠專業(yè)人員根據(jù)經(jīng)驗或人工計算確定。為了避免人為制定的不確定性，減少人為干預(yù)，增加鋁電解企業(yè)的智能化程度，可采用智能優(yōu)化算法或?qū)＜蚁到y(tǒng)等方法來確定[24-26]。

4 結(jié)束語

隨著《中國制造2025》戰(zhàn)略的提出，我國大力推進工業(yè)化和信息化的深度融合，推進智能工廠的建設(shè)，制造執(zhí)行系統(tǒng)是工業(yè)綜合自動化三層體系架構(gòu)下的重要組成部分，同時也是實現(xiàn)智能制造的重要手段，鋁電解行業(yè)正面臨著轉(zhuǎn)型升級，在此趨勢下充分利用前沿的智能化、信息化技術(shù)和優(yōu)化手段，對鋁電解制造執(zhí)行系統(tǒng)進行研究，對于實現(xiàn)鋁電解企業(yè)的優(yōu)化生產(chǎn)以及智能生產(chǎn)具有重要意義。

[1] 劉業(yè)翔,李劼. 現(xiàn)代鋁電解[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2008.

[2] 姜玉敬. 近30年世界鋁電解工業(yè)的發(fā)展與啟示[J]. 世界有色金屬, 2007(11): 15-18.

[3] 馬恩杰, 楊曉東. 我國鋁工業(yè)生產(chǎn)中自動化技術(shù)的發(fā)展趨勢[J]. 輕金屬, 2011(S1): 329-332.

[4] MESA. Execution-driven manufacturing management for competitive advantage[M]. Pittsburgh: MESA International-White Paper Num-ber5, 1997.

[5] 柴天佑, 鄭秉霖, 胡毅, 等. 制造執(zhí)行系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J]. 控制工程, 2005(6): 505-510.

[6] 岑建軍, 陳祉丞, 郭昊昊, 等. 500 kA鋁電解供電系統(tǒng)穩(wěn)流控制策略優(yōu)化[J]. 上海電機學院學報, 2018, 21(1): 58-64.

[7] 馮興春. 鋁電解煙氣凈化除塵控制系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用[J].有色設(shè)備, 2010(4): 22-25.

[8] 高奎. 基于PROFIBUS的空壓站控制系統(tǒng)[J]. 智慧工廠, 2014(6): 48-51.

[9] 梁學民, 張松江. 現(xiàn)代鋁電解生產(chǎn)技術(shù)與管理[M]. 長沙:中南大學出版社, 2011.

[10] 魏泰. 鋁用陽極焙燒爐控制系統(tǒng)的研究[D]. 蘭州: 蘭州理工大學, 2011.

[11] 李松嚴, 曹國法. 鋁冶煉企業(yè)數(shù)據(jù)采集與系統(tǒng)集成[J].微計算機信息, 2009, 25(15): 37-39.

[12] 陳萬宏. 鋁工業(yè)MES數(shù)據(jù)管理的研究[C]. 第八屆MES(制造執(zhí)行系統(tǒng))開發(fā)與應(yīng)用專題研討會論文集. 2009: 56-59.

[13] 王敏, 王江, 李艷召. 冶煉企業(yè)MES中生產(chǎn)管理模塊的分析與設(shè)計[J]. 科技管理研究, 2011(6): 137-140.

[14] 衛(wèi)相如. 電解鋁企業(yè)設(shè)備管理信息系統(tǒng)的開發(fā)[J]. 世界有色金屬, 2017(17): 37-39.

[15] 武惠杰.電解鋁廠能源管理系統(tǒng)[J]. 三角洲, 2014(6): 140-143.

[16] 梁蓓, 秦春節(jié). 鋁電解企業(yè)制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）的應(yīng)用開發(fā)[J]. 現(xiàn)代制造工程, 2006(6): 24-25.

[17] 穆衍清, 牛巍, 羅思亮, 等. MES在鋁電解生產(chǎn)中的設(shè)計和應(yīng)用[J]. 冶金自動化, 2015(5): 26-29.

[18] 彭頻, 陳恩湖, 薛志全，等. 鋁企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化研究與應(yīng)用[J]. 有色金屬科學與工程, 2012,3(1): 23-26.

[19] Larrivée Y. Hot metal transport: A MES role in inter-sector data exchange[J]. Furnaces International. 2009: 21(5): 17-18.

[20] Chareyre M, Boivin S. Key Success Factors Deploying a Manufacturing Excellence Solution (Mesal?) in Rio Tinto Alcan[M]. Light Metals 2014. John Wiley & Sons, Inc, 2014.

[21] Nishi T, Konishi M, Ago M. A distributed decision making system for integrated optimization of production scheduling and distribution for aluminum production line[J]. Computers and Chemical Engineering, 2007, 31(10): 1205-1221.

[22] Ugarte B S D, Adnène Hajji, Pellerin R, et al. Development and integration of a reactive real-time decision support system in the aluminum industry[J].Engineering Applications of Artificial Intelligence, 2009, 22(6): 897-905.

[23] 李孝斌, 尹超. 面向生產(chǎn)過程云服務(wù)的制造執(zhí)行系統(tǒng)[J]. 計算機集成制造系統(tǒng), 2016, 22(1): 177-188.

[24] 李建華, 劉璐, 邊韓國. 一種高雜質(zhì)鋁液配鋁問題的優(yōu)化方法[J]. 輕金屬, 2018(11): 27-31.

[25] 陳恩湖. 鋁熔鑄生產(chǎn)計劃與調(diào)度模型及算法研究[D]. 贛州: 江西理工大學, 2012.

[26] 王珊, 劉胤, 黃春杰, 等. 鋁電解槽槽況綜合分析方法研究[J]. 輕金屬, 2011(10): 38-42.

Present Situation and Development Trend of Aluminum Electrolytic Manufacturing Execution System

GONG Hui-bin1, BAI Rui1, MA En-jie2

（1. School of Electrical Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China；2. Shenyang Aluminum and Magnesium Engineering and Research Institute Co., Ltd., Shenyang, 110001, China）

The manufacturing execution system plays an indispensable role in the comprehensive automation three-tier architecture of aluminum electrolysis enterprises, and plays an important role in connecting the above and the following parts. In this paper, the production process and bottom control system of aluminum electrolysis enterprises are briefly introduced, and then the research and application status of aluminum electrolysis manufacturing execution system at home and abroad are discussed. finally, the development trend of aluminum electrolysis manufacturing execution system is prospected according to the present situation and demand of aluminum electrolysis enterprises.

manufacturing execution system; aluminum electrolysis; integrated automation; intelligent manufacturing

TP29

A

1674-3261(2020)02-0104-04

10.15916/j.issn1674-3261.2020.02.009

2019-07-22

宮會彬(1993-)，男，遼寧鐵嶺人，碩士生。

白 銳(1976-)，男，遼寧錦州人，教授，博士。

責任編校：劉亞兵