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钛产品

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【数字化转型案例】氯化法钛白粉智能工厂

2024-03-15 钛产品
描述


  龙佰集团股份有限公司是一家致力于钛、锆、锂等新材料研发制造及产业深度整合的大型多元化公司集团,深交所上市公司(股票代码:002601)。秉持“创领钛美生活,做受尊敬企业”的使命,集团依托技术创新和高效运营模式,在材料制造领域持续深耕,积极构筑全球化的研发、生产和运营网络,不断的提高服务人类社会的能力。目前集团钛产业已布局河南焦作,四川德阳、攀枝花,湖北襄阳,云南楚雄,甘肃金昌等五省六地市,形成了从钛的矿物采选加工,到钛白粉和钛金属制造,衍生资源综合利用的绿色全产业体系。同时,战略控股东方锆业(股票代码:002167),设立龙佰锂能全资子公司,不断实施产业拓展与耦合创新,使公司成为钛白粉、钛锆金属、锂电材料、锆材料等制造领域的佼佼者。

  氯化法钛白粉智能工厂项目总投资11亿元,采用企业自主研发大型沸腾氯化法四氯化钛生产装置和全自控生产的基本工艺。工厂建有智能化生产调度中心,生产线广泛采用智能仪表,建有数据采集系统。采用DCS系统管控,生产集中控制,所有生产线设备部署联网化及与EAS系统业务进行集成,实现全过程实时监测和数据的收集分析。建设私有云平台和企业信息门户,应用帆软公司的FineReport数据决策系统,打造公司经营管理数据平台,打通ERP、MES、OA、仓库管理、客户关系管理、电子采购云平台、人力资源管理、无人值守、能源管理等信息系统之间数据壁垒,实现了经营管理过程物流、资金流、信息流的做全面一体化管理,通过从生产到检验到销售再到产品交付全流程数据记录、汇总和分析。实现数据纵向集成、横向集成和价值链集成,形成数据驱动的智能化决策,提升公司技术水平、生产效率和管理能力,达到提质增效降本的智能化改造目的。通过信息化和智能化的先进应用明显提升了公司在国内外钛白粉行业的综合竞争力。

  公司根据钛白粉行业特点,企业成立研发团队,从智能设计、智能生产和智能运营三个方面开展技术探讨研究,有效利用人工智能技术,大幅度改善现有企业的运行现状,为企业增加切实可行的智能化决策方案,实现技术快速转型:

  氯化工序是氯化法钛白粉生产的全部过程核心工序,由于其主体设备沸腾氯化炉是非线性、多变量、强耦合、大滞后的复杂控制对象,国内对该炉的控制尚处于仪表监控、人工手动操作阶段。特别是大型沸腾氯化炉智能化控制技术严重制约我国钛白粉行业发展。

  由于被控对象沸腾氯化炉的复杂性而无法建立精确的数学模型,基于数学模型的传统操控方法无法适用,公司通过技术攻关,决定采用模糊控制。在分析沸腾氯化工艺流程和控制要求的基础上确定了控制策略,设计出基于专家经验模糊控制管理系统,采用分布式控制方式,由下位机控制站和上位机工程师站、操作员站组成。随后确定控制管理系统的具体检测量和控制量,并结合实际生产环境进行系统硬件选型。控制管理系统下位机采用结构化编程方式,对各程序模块进行功能分析、方法选取、算法实现的研究。控制管理系统上位机由工控机构成,设计了上位机的实时监控画面。模糊控制器作为模糊控制管理系统的核心,是模糊控制算法的载体,采用离线计算、在线查询的方式实现。

  模糊控制管理系统投入运行后,炉内温度波动范围小、炉气中氯气浓度低、炉渣中二氧化钛含量少。与过去的人工操作方式相比,提高了产量和成品率、节约了原料、降低了成本和工人劳动强度、增加了经济效益与生产安全保障,提升了我国大型沸腾炉连续运行时间,减少故障率,达到国际领先水平。

  氯化法是目前生产高档钛白粉的先进的技术,其中氧化过程是氯化法制取钛白工艺最关键的阶段,氧化反应器是工艺的核心设备,氧化反应器中气体的混合情况与反应器壁面结疤情况,产品的质量紧密关联。公司通过多年研究,对反应器内气体混合情况做数值模拟计算,研究氧化反应器流场分布随各因素的变化趋势,开发出氧化反应器反应控制管理系统专家模型,DCS操作员只需设定好目标值,总系统可以自动调整压缩空气、天然气、进料量、风机速度等设备工艺参数,实现最优化生产。这一技术开发成功,打破国外杜邦等公司技术封锁,提高了氧化系统连续、稳定运行能力,同时钛白粉的粒度和晶型控制达到行业领先水平,使产品的白度、消色力、遮盖力、耐候性等指标满足国内外高端客户需求。

  公司采用霍尼韦尔的UniSim软件,对工厂生产的全部过程工艺进行模拟仿真,工程师能够为工厂设计、性能监控、故障排除、操作改进等创建静态和动态模型。UniSim软件具有强大的动态模拟功能。动态模拟的方法及过程:流程稳态模拟收敛后,首先定义单元操作的动态数据,安装控制仪表,然后就能进入动态,开始动态模拟。动态模拟过程中,可以每时每刻调整温度、压力等各种工艺变量,观察它们对产品的影响以及变化规律。还可以每时每刻停下来,转回静态。UniSim软件还提供了PID控制器、传递函数发生器、数控开关、变量计算表等进行动态模拟的控制单元。PID控制器可完成对任何变量的控制。传递函数发生器可产生任何形式的过程传递函数,如一阶环节、二阶环节、微分和积分环节。用它们能模拟任何被控制对象及干扰源。控开关在动态过程中,可通过检查某操作条件而控制另一变量的开或关,进而达到对整体装置的控制。动态模拟可以自动记录相关参数,分析出最优解决方案,为工程师分析和决策使用。

  实验室热态流化床气固相反应装置可实现钛原料氯化及冷凝制备粗制四氯化钛,可进行钛原料优化利用、氯化工艺模拟等小试试验,包含进料部分、预热/反应部分、冷凝/洗碱部分、取样分析部分,采用智能PID测控,智能DCS操作系统,能够每隔1S读取1次工艺参数,连锁反馈控制,并自动生产试验数据。实验室过程采用机器深度学习算法,能够记录试验过程温度、压力、流量、气体浓度等参数,把大量矩阵试验数据作为输入,通过非线性激活方法取权重,再产生另一个数据集合作为输出,利用历史&实时数据建模来,对反应结果进行预测,以此来实现对反应过程的精确把握,实时干预,降低因为干预不及时造成的原料浪费。

  公司通过私有云平台的搭建,将所有系统来进行云端部署,打造企业大数据资源池,通过FineReport报表系统,构建统一的商业智能数据运营平台,平台通过工业机理模型、工业微服务等技术,对生产经营数据来进行分析、提取,实现多源数据实时采集汇总,打通各系统壁垒,做到了跨系统调用数据,并将数据指标及达成情况通过手机推送至责任主管,为各层级管理层决策提供数据分析与支持。本项目按照三期打造,目前已经全部完成。

  第一期:收集生产单位各个部门上报日报表,解决目前各基地运管部手工上报EXCEL报表的现状实现报表电子化,在相应基础报表定制完成后,再进行从各个基础报表取数汇总生成各基地生产日报、周报并自动生成相应的图表。

  第二期:生产物流运营报表,在第一期完成的基础上,总结归纳,通过公司现有的成品盘点表的流程进行相应的优化并做到系统中,实现从生产到检验到销售出库的整体化规范化。并能显示各型号和各批次的实时库存。实现各业务部门报表数据的分析,通过对库存数据、出入库数据等做多元化的分析,生成经营数据报表,推送给各部门管理人员,供部门会议分析、提出预警、展现业务增长点等使用。

  第三期:管理驾驶舱的制作,让管理层通过大屏界面能够直观地掌握业务运营状态,及时决策指挥;大屏展示报表,将业务运营、系统运维、流程执行的数据内部公开透明化,让人人以数据为量化考核标准,提高内部运作效率;领导决策模块,减少各分公司各基地的填报、合并报表工作量,实现电子化数据管理统一数据来源,以此提高报表收集、合并的效率,为管理者、决策者提供方便快捷的数据统计和分析系统支持。

  1. 通过智能制造的实施,降低物流运输和仓储成本1000万元,每年节约人力成本2000万元,采用国产部件减少投资近1亿元。

  2. 通过对氧化炉、氯化炉、闪蒸器等核心生产装备增加智能传感器,对设备运行状态进行监测分析与预警,有效避免机组故障引起的装置非计划停工,直接减少装置停工损失共计约1500万元。

  3. 通过信息系统横向集成,实现产业链价值链一体化协同,把握市场需求,缩短产品交货周期,实现精益生产,为公司节约库存成本1000万元。

  4. 在产品质量提高方面,由于自动化、智能化设备的广泛应用,大大减少人为因素对产品生产过程的影响,大幅提高产品合格率,智能工厂建成后产品合格率提升至95%,位居同行业企业前列,不仅满足国内高端钛白粉客户需求,同时畅销全球,可持续稳定向下游客户供货,在 PPG、阿克苏(AkzoNobel)、宣伟(Sherwin-Williams)、立邦(Nippon Paint)等行业标杆性客户中均取得良好口碑,为公司实现应收增加25亿元。

  公司采用“发展循环经济,实现高效清洁生产”管理模式,制度“双碳”减排路线,着力从源头上治污,在过程管控中优化,从技术革新上升级,在产品结构上转型,坚持绿色体系管理、绿色生产运营和绿色生态保护。公司投资7500万元对主要废气排放源进行深度治理,并累计投资超5亿元,建成了完善的污水处理系统,实现外排水稳定达标排放。公司坚持可持续发展战略,降低原料、能源消耗,应用国际先进生产技术,形成以还原钛-高钛渣-钛白粉为主线,气-液-固综合循环利用为辅的绿色生产模式,减少废气、废水污染因子排放,实现钛白粉各项消耗的成本控制水平行业领先,打造国内钛白行业环保标杆企业。通过智能工厂建设,实现:吨产品能耗由行业2.19吨标准煤降至799千克,耗水量下降约45%;年减排二氧化硫510吨、氮氧化物160吨、烟尘120吨。尤其是对我市严控的一氧化碳排放进行专项治理,排放浓度由2019年的11000毫克/立方米左右下降至当前的3000毫克/立方米,排放量较同期下降60%。

  1. 生产制造方面,目前目前公司氯化法钛白粉生产装备技术攻关小组尚不成熟,关键工序智能化改造稍显弱势,使用的国产设备运行时间偏短。生产装备未实现100%国产化,DCS控制系统技术主要依靠外购。下一步公司将与国内工控企业合作,实现国产控制系统完全替代合资品牌;开展关键工序智能化研究,持续提升国产设备运行时间。

  2. 钛白粉行业智能制造基础薄弱:与欧美发达国家相比,钛白粉行业智能制造基础薄弱,对数字化转型的内涵及其必要性、重要性理解不够,从业务部门需求出发,缺少整体规划。随时ERP系统、OA系统、仓库管理系统等管理信息系统大量应用,各种生产经营数据的采集、汇总、分析还无法进行统一的管理、整合。下一步公司将开展设备健康管理与故障诊断系统建设,解决从测量数据、运维数据到设备健康评价指标及故障模式识别的问题,实现从故障诊断结论到设备状态异常消除的设备闭环管理,提升OEE水平。持续完善数据决策管理平台,提升数据采集深度和数据采集广度,提升有效数据利用率,开发更多数据决策模型,辅助日常的生产经营管理,进一步提升精益管理水平。

  3. 绿色环保问题:我国钛白粉企业多以硫酸法工艺为主,生产过程产生大量的废酸和废渣,因此钛白粉行业在我国属于高能耗、高污染行业。近年来,许多产业政策中明确鼓励新建氯化法钛白粉线,限制硫酸法钛白粉产能。下一步公司积极响应“双碳”经济,走绿色高质量发展之路。公司将加强政策、方法和技术学习,结合公司现在存在生产工艺及生产线能源消耗情况,制定符合公司发展战略的“双碳”减排路线和减排目标,可量化、可操作的行动方案,工作管理制度及绩效考核办法;加大科技创新,加快引进或自主研发节能减排生产技术、工艺或设备以及智能化控制管理系统等,加快推广减污降碳新技术、新产品的应用。

 

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