本文重点介绍了铝冶炼企业。在综合自动化及网络业务系统建设中相关计量检斤、工艺参数、质量化验数据、生产技术指标、经营数据的采集方法。基于DCS、 MES、ERP多层次IT应用，对生产现场各类独立的业务系统提出了功能建设和接口实现方案，完成生产网数据到管理网数据的采集和业务应用系统的集成，通过铝冶炼生产的检测、控制、优化调度、管理决策的一体化，为企业生产调度、管理、决策提供可靠的管理手段，以期实现节能降耗、提高效率、降低成本的目的。

    前 言

    铝冶炼包括氧化铝和电解铝两大过程，由于其生产过程和工艺的差异，实际上形成了从铝矿石到电解铝上下游的产业链关系。

    氧化铝生产根据矿石品位采用的不同目前主要采用串联法、烧结法、拜尔法、混联法等工艺，从原料进厂到产品出厂需要经过多道工序，在生产过程中需要采集的生产数据除水、电、风、油、煤、气、原料等计量数据外，还包括相关技术指标、化验数据以及生产计划、设备运行情况等。由于各厂采用的工艺不同，甚至一个厂家不同生产线也不尽一样，再加上现场仪器仪表种类繁多，自动化和信息化程度和水平参差不齐，给统一的数据采集和有效的系统集成带来困难。电解铝生产工艺过程相对简单，有电解、铸造两个主要工序，采集数据主要有电压、电流、原料重量、技术指标和产品质量信息。

    业务应用和生产管理系统方面，氧化铝和电解铝基本相同，均包括生产计划、生产调度、设备管理、财务管理、人力资源管理、化验分析、计量检斤等内容，所不同的仅仅是因产品不同导致的业务功能变化。控制系统方面氧化铝工艺复杂、工序多导致相关的DCS系统多样化，往往需要借助实时数据库、OPC等技术完成相应的数据采集，电解铝的控制系统主要以槽控箱为主，借助常规的关系数据库即可实现生产数据的采集和业务集成。

    1 电子检斤数据采集和集成

    电子检斤主要指进厂原料、出厂产品以及厂区内部物资原料的电子化计量和结算，衡器的种类有汽车衡、轨道衡、皮带称、吊钩秤、电子包装秤、电子灌装秤、自动配料系统等，归结起来主要有对外检斤和内部检斤两种情况。

    1.1 对外检斤

    对外检斤是铝厂对外采购、销售的计量方式，以汽车衡和轨道衡为主，是财务对外结算的主要依据，更是企业控制和管理的重点。汽车衡和轨道衡两大类计量方式中，数字式汽车衡逐步取代传统的模拟式，轨道衡由静态衡和动态衡两种，基本也以电子化为主。

    数字式汽车衡采用数字式称重显示仪表和数字式称重传感器，其信号传输采用数字通讯技术，通过RS485或232接口实现信号传输。称重传感器采用数字信号传递，称重数据的采集需要设备厂家提供通讯协议完成。没有提供数据库存储功能的汽车衡，可以根据通讯协议，开发数据接口，甚至二次开发满足企业要求的称重程序，直接将称重数据保存到网络数据库服务器；已经提供了数据库存储能力的衡器，开发数据接口直接从数据库将数据上传到网络数据库服务器即可。网络暂时没有覆盖到的衡器，可以通过U盘等移动存储设备，以班组、计量员为单位定期将数据转移到数据库服务器。

    轨道衡又分为静态衡和动态衡两种，车号识别系统可以通过微波射频识别技术准确地识别运行列车车厢车号。当轨道衡检测到上秤信号时，通过串口启动系统的车号识功能，实时识别车辆标签记录车辆信息。然后根据轨道衡本身车辆的识别信息，将标签内容与车辆重量信息进行匹配。当整列车通过后，识别功能自动进入等待状态，等待下一个车厢的到来。

    动态电子轨道衡是一种连续称量设备，可对行进中的货车，进行不停车、不摘钩、双向连续称重。与车号识别系统配套使用，及时将称量的每一节车辆的车号、车速和重量值在计算机屏幕上显示并保存到本地数据库系统。

    1.2 内部检斤

    铝厂的内部检斤计量主要用于分厂、车间之间的原料、半成品计量，实现企业内控和量化考核，常用的称重方式有传送矿石、煤等原料的皮带称，出铝称重的吊钩秤，氧化铝装包的电子包装秤和电子灌装秤以及辅助的自动配料系统等。

    铝厂的皮带称用于皮带输送机连续输送物料时的称重，用于矿石、煤、氧化铝的输送过程。方法是将称重桥架安装于输送机架上，当物料经过时，计量托辊检测到皮带机上的物料重量通过杠杆作用于称重传感器，产生一个正比于皮带载荷的电压信号。速度传感器直接连在大直径测速滚筒上，提供一系列脉冲，每个脉冲表示一个皮带运动单元，脉冲的频率正比于皮带速度。称重仪表从称重传感器和速度传感器接收信号，通过积分运算得出一个瞬时流量值和累积重量值。这种连续式的重量信息采集，只需根据皮带称电子信号协议开发接口直接读取瞬时流量和累计重量，避免二次计算引进误差。

    自动配料系统用在电解铝的浓相输送、氧化铝矿浆配料的生产过程中，这类重量数据主要用于车间物料的输送过程，实际称重误差较大，准确数据以生产车间实际消耗重量数据为准，但这部分数据仍可以通过通讯协议采集动态重量，作为参考。电解铝冶炼中氧化铝的消耗通过电解槽的槽控箱控制系统完成，电解控制系统根据电解槽电阻、电压等参数采取的自适应下料控制系统向电解槽释放对应数量的氧化铝，这部分数据可直接从电解车间上位机直接获得。

    吊钩秤、电子包装秤、电子灌装秤等计量属于离散、单次的称重过程，一般采用无线、有线方式，其结果可以直接输送到计算机网络，进而完成与产品批次相关的重量采集。

    2 DCS系统数据采集和集成

    DCS系统在氧化铝和电解铝生产中起重要作用，分布在生产过程中的不同DCS系统可以独立运行，随着系统的扩展，一些系统不仅有多项控制功能，而且具有监测功能、工艺管理功能，个别的还提供一定生产管理甚至远程监视和系统自检功能。

    氧化铝生产根据工艺的差别具有不同的生产工序，例如拜耳法有原矿浆制备、高压溶出、压煮矿浆稀释及赤泥分离和洗涤、晶种分解、氢氧化铝分级和洗涤、氢氧化铝焙烧、母液蒸发及苏打苛性化等主要工序；烧结法有生料浆的制备、熟料烧结、熟料溶出、赤泥分离和洗涤、粗液脱硅、精液碳酸化分解、氢氧化铝分离及洗涤、氢氧化铝焙烧、母液蒸发等生产工序。生产过程中每一个工序均可配备相应的DCS、PLC等系统。

    电解铝生产DCS系统能结合电解槽热平衡优化电流强度、电极间距，可以预报、促发或推迟效应的发生。其它用子电解铝的DCS系统有工业烟气净化处理、超浓相输送系统、铝用碳素控制系统、电解铝整流系统等。

    铝厂各类DCS、PLC系统一般设置在各工序的生产调度室的控制台上。要建立全厂的应用管理系统，就需要将分散各车间、工序的集散系统整合，达到在铝厂总调、各级主管领导的办公电脑上即可随时了解生产数据和生产实时组态画面。通过DCS厂家提供的开发控件接口进行二次开发可以实现与现场DCS系统深度集成，直接读取生产实时数据和实时生产组态。

    铝冶炼生产现场具有数万个数据点，现场实时采样周期以秒为单位，全部采集将产生海量的数据。具体集成时，为避免数据库的无限膨胀，可以采用“压缩”、备份方式。“压缩”就是将超过一定时间的历史数据进一步汇总，以天、月为单位，保留汇总结果，超过时效的历史数据自动清理或转存到磁带机等移动存储设备上以减少数据库的负担。另外一个需要注意的问题是，无论网络设施如何先进，都需要防范因各种原因造成网络中断所引起的数据漏传，解决方法是对现场数据处理情况进行标识，通过不同的状态区分上传情况，网络故障时数据传输自动停止，一旦网络恢复即从原来的故障点自动恢复传输，确保数据的完整。

    3 化验分析数据的采集和集成

    化验分析是铝冶炼过程重要的工艺技术指标和质量指标，化验数据的实时采集不仅决定生产调度指令的下达时间，而且影响最终产品的质量，是质量管理的核心依据。

    诸如光谱分析仪、荧光分析仪等具有与电脑相连的通讯接口化验设备，只须将与设备配套的计算机接人局域网即可根据通讯协议直接采集每个样品的化验结果，有条件的企业可以增设条形码读写设备，实现原料、中间产品、出厂产品质量数据的自动识别。

    此外，大量无法直接进入计算机的化验分析数据，通过开发相应的人工输人程序，由人工完成化验数据的输入。

    4 生产调度及生产工艺数据的采集和集成

    生产调度数据包括生产调度指令、生产过程一艺参数、生产设备信息以及各类仪表数据的采集等，其中大部分数据通过DCS等系统的集成完成，不再赘述。除此之外，铝厂的各类电能表、流量计（超声波、气体超声波、弯管、电磁、阿牛巴、智能表计等）由于数量庞大、型号多样、位置分散，通常采用RS485方式接入底端串行总线网络中。对物理位置较远的零星仪表，通过加装微功率无线转换模块实现。

    接入网络的各类DCS、仪表、流量计等，通过OPC协议实现数据的采集。OPC是用于过程控制的嵌人式工业标准，该标准基于OLE（嵌入式对象）、 CUM（部件对象模型）和DCOM（分布式部件对象模型）技术，包括接口、属性和方法的标准集，用于过程控制和自动化系统。OPC技术定义各种不同的软件部件如何交互使用和分享数据，不论过程中采用什么软件或设备，OPC均可为多种多样的过程控制设备之间的通信提供接口。

    5 业务应用系统集成

    铝冶炼企业的DCS、MES、ERP三层rf应用架构中。业务系统以生产调度、生产管理为核心，并最终与企业ERP组成控制、调度管理、经营管理为一体的多层次网络应用系统，业务应用系统以MES、ERP为主。

    MES围绕生产过程连续性的信息采集、加工与处理，并建立起与DCS、ERP信息的沟通二通过开发与生产现场各类实时数据库、DCS、PLC、仪器仪表、关键设备以及上层ERP系统的数据接口，完成各类生产数据和经营计划等的上传下达。MES层次主要有工序详细调度、资源分配和状态管理、生产单元分配、过程管理、人力资源管理、维护管理、质量管理、文档控制、产品跟踪和产品清单管理、性能分析和数据采集等功能。

    ERP系统实现以财务为核心的企业资源计划，将企业资源进行合理计划、分配与管理，将企业的物流、资金流、信息流整合的一体化管理，从而指导企业经营、管理、决策，具体功能有业务流程管理、销售与分销、采购与库存、财务管理、客户关系管理、生产管理、人力资源管理、成本控制和物料管理等。

    业务系统首先需要从生产现场获得及时的数据信息，指导生产调度，必要时可根据新的工艺流程和工艺参数优化控制策略；其次需要围绕生产调度和管理，完成相关的业务操作，接受生产计划、形成调度指令和生产控制指令，并生成必要的调度日报、生产统计报表等。ERP系统是应用于全厂范围的综合信息管理系统，一方面接受来自MES层次的生产数据，另一方面向生产部门下达生产计划，根据生产经营情况，进行计划的调整，指导经营决策。

    业务应用系统的集成，有两方面内容：一个方面是对铝冶炼企业现有的应用系统应用情况进行调研分析，对于过时的、需要升级改造的系统，通过升级改造甚至替换的方式进行集成，继续留用的系统则通过关系数据库完成数据集成，业务功能通过界面接入或二次开发整合到综合管理平台中；另一方面，需要新建的各类业务系统，通过充分的调研和需求分析，按照MES、ERP应用层次建设实施相应的系统功能，通过分布式的数据存储形成DCS、MES、ERP多层次数据存储，应用软件数据采用就近获取原则，确保各类数据的一次性采集进而保证数据的一致性和完整性。

    在管理层次，主管领导需要在各业务系统的基础上，随时了解企业的整体生产、经营情况，对生产过程的产、供、销、人、财、物出现的异常及时的纠正、预防。面对众多的业务应用系统，为便于主管领导，需要一个综合的展示平台，只需要一个帐号、一个密码即可查询、浏览其权限范围内的所有信息。综合展示平台的实现通过一个建立在ERP之上的专业系统实现，完成生产、经营的综合分析，辅助以数据挖掘手段，以图形、趋势、仪表盘等直观形式提供给管理决策者。

    6 小 结

    铝冶炼是一个高能耗、高污染的资源消耗性行业，随着技术的进步、先进设备的更新、生产工艺和技术改造的深入，生产效率得以极大提高，生产成本得以有效降低。

    在电子通讯技术飞速发展、普及的今天，综合自动化和信息技术已经广泛应用于各行各业。有效的数据采集和系统集成是铝冶炼实现管控一体化的必然环节，不仅有助于促进企业综合自动化水平的提高，充分发挥现有控制系统的作用，而且是实现数字化工厂、精细化管理的必要支撑，通过冶炼过程的标准量化，实现节能减排、高效作业、低成本冶炼的目标。项目实现经济效益超过5000万元。

    论文创新点：针对铝厂多种数据计量过程中的诸多DCS、众多仪器仪表，基于DCS／MES／ERP多层次应用架构，结合铝冶炼工艺特点研究了对应的数据采集和系统集成的方法，成功应用于生产的控制、调度和管理，较好的解决了企业控制系统、管理系统相互独立、生产经营数据不一致、不统一的问题。

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