贾华平：智能水泥厂建设 —— 远景蓝图与现实路线

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”。