智能制造助力有色金屬工業高質量發展

劉松昊｜文

本文通過分析我國有色金屬行業特點及發展需求，簡述了有色金屬流程工業智能制造的必要性、目標和實現基本途徑。加速推進新一代信息技術與制造業深度融合，實現有色金屬工業智能制造，助力中國制造由要素驅動向創新驅動進行轉變，是當前和今后一個時期的重要任務。

習近平總書記指出，要以智能制造為主攻方向推動產業技術變革和優化升級，推動制造業產業模式和企業形態根本性轉變，以“鼎新”帶動“革故”，以增量帶動存量，促進我國產業邁向全球價值鏈中高端。

近年來，有色金屬行業智能制造工作持續推進，在德國推出工業4.0、美國推出工業互聯網之后，2015 年，我國實施制造強國戰略的第一個十年行動綱領——《中國制造2025》出臺，其中，把“智能制造”作為實現制造強國戰略的重點發展對象，在國內乃至全球范圍內掀起新的浪潮。2020 年，工信部、國家發改委、自然資源部聯合編制的《有色金屬行業智能工廠（礦山）建設指南（試行）》，進一步推進5G、工業互聯網、人工智能等新一代信息通信技術在有色金屬行業的集成創新和融合應用，為有色金屬行業智能制造產業提供了發展方向和建設依據。

有色行業現狀及對智能制造的發展需求

1.我國有色金屬行業特點及所面臨的問題

圖1 國內近5 年銅鋁加工材產量

有色金屬行業不僅是中國國民經濟重要的基礎產業，同時還是國防軍工的重要原料和戰略物資。近年來，我國有色金屬工業發展迅速，

據有色金屬工業協會統計，2022年，我國精煉銅消費量為1 415萬噸，比上年增長4.8%；原鋁消費量為3 985萬噸，比上年增長0.5%，增速比上年放緩4.4個百分點。

此外，據中國有色金屬加工工業協會統計，2022 年我國銅加工材產量為1 939萬噸；鋁加工材產量為4 662萬噸。國內近5年銅鋁加工材產量如圖1所示，不難看出雖然近兩年受到新冠疫情沖擊，2022年鋁加工材產量略有下降，但是近5年銅鋁加工材產量整體上仍呈上升趨勢。

盡管我國有色金屬加工的產能、產量、企業數量均居世界首位，但仍然存在企業盈利能力不強、生產集中度較低、產品同質化競爭、高精尖材料開發能力偏弱、技術創新能力不強等問題。受傳統領域經濟增長減速，新興市場尚未形成有效支撐，國際貿易摩擦、新冠肺炎疫情的影響，有色金屬產業發展速度明顯放緩，行業同質化競爭現象日益嚴重，經營成本不斷上漲，經濟效益也出現了明顯下滑，產業面臨由高速增長向高質量發展轉變的迫切要求。

有色金屬行業是典型的流程工業，我國有色金屬企業具有種類繁多、原料來源繁雜、工藝復雜流程長、工況環境苛刻、能源消耗高、產能過剩、產業鏈短等特點。近年來，很多有色企業在基礎自動化、過程信息化、經營管理信息化等方面推進信息化建設，也在實踐中取得了進展和成績，奠定了數字化改造和智能化發展的基礎，但困難和問題依然存在。例如在采礦方面，規模較大的露天礦山運用5G、工業互聯網技術進行了裝備智能化改造，實現了裝備的遠程操控與作業，但大部分企業采礦裝備仍是人工駕駛作業，工作強度大、安全風險高。冶煉方面，部分有色冶煉企業在無人行車、設備智能診斷、銅板自動剝離以及無人化陽極銅板輸運系統（如圖2（a）所示）等局部領域的裝備智能化應用取得突破，但大部分企業在生產經營管理、產業鏈、供應鏈集成融合領域面臨數字化轉型技術經驗不足、項目推進困難等問題，仍然以單項業務信息化系統建設為突破提升點，“重業務系統建設，輕數據價值挖掘”孤島現象嚴重。加之冶煉裝備種類和安環敏感源多，企業自動化管控水平參差不齊，對人工作業依賴程度較高（如圖2（b）所示），數據質量及集成度低，精益化管控能力弱。加工方面，部分加工企業的生產及作業數據仍通過紙質填寫，信息化程度低，存在監測手段不足、質量管控能力不高、生產組織缺乏柔性等一系列問題。

通過上述分析可以發現，目前，我國有色金屬行業智能制造水平總體上比較落后，難以滿足高質量發展的需要。智能制造水平不發達，阻礙有色金屬行業的進一步發展和革新進程。因此，實現有色金屬行業智能制造的必要性及基本途徑還需要進一步貫徹和探索。

2.智能制造與數字化轉型的概念

工業智能制造是把人的智能從隱性知識提煉為顯性知識，經過模型化、算法化處理，再把各種模型化的知識通過系統嵌入設備中，由此賦予設備一定的自主能力，讓機器具有一定程度的“智能”，可以達到降低勞動成本、實現精準控制以及提質增產等效果。

制造業的數字化轉型，是戰略主導下的業務變革，是數據驅動、智能助力的研發、生產、運營和服務改善，最終推進盈利模式優化和用戶體驗的提升。以數字化為核心，借助網絡化手段，實現智能化賦能，保證產品和服務高效保質交付，從而持續提升企業核心競爭力。

圖2 智能化裝備與人工作業

有色企業智能制造建設目標為實現生產、設備、能源、物流等資源要素的數字化匯聚、網絡化共享和平臺化協同，打造具有自感知、自學習、自決策、自執行、自適應的有色金屬智能工廠（礦山）。

3.智能制造賦予有色行業新活力

通過前面的分析可以發現，有色行業需要借助智能制造煥發新的活力，主要體現在三個方面。首先，有色金屬礦山具有開采區域動態變化、事故風險率高、廢物排放量大、資源回收率亟待提高等特點，特別是部分礦山地處高寒高海拔地區，機器換人需求迫切，要建成集資源的數字化管理、面向“礦石流”的智能生產管控、全流程的少人無人化生產、集成化的本質安全管理、基于大數據的智能決策于一體的本質安全、資源集約、綠色高效的有色金屬智能礦山。其次，有色金屬冶煉具有生產工況復雜、作業環境惡劣、能源管理粗放、工藝建模和多工序協同難等特點，要建成集綜合集成信息管控平臺、實時協同優化的智能生產體系、精細化能效管控于一體的清潔環保、優質低耗、安全高效的有色金屬智能冶煉工廠。再次，有色金屬加工具有產品品種規格多、訂單批量小、生產工藝流程長、產品精度要求高、物流調度頻繁等特點，需快速響應市場和客戶要求，要建成集柔性化組織生產、產品質量全生命周期管控、供應鏈協同優化運營于一體的質量穩定、協同高效、響應快捷的有色金屬智能加工工廠。

近年來，我國信息技術的飛速發展，為有色企業挺進智能制造領域、推動產品和產業升級帶來了契機，通過智能制造技術才可以幫助有色企業順利轉型，煥發新的活力，成為我國傳統制造業轉型的領頭羊。因此，智能制造是有色企業創新發展的必然階段。

有色行業智能制造主要應用場景

為細化有色行業智能制造的概念及實施形式，筆者對有色金屬礦山、有色金屬冶煉及有色金屬加工三個不同場景的智能制造應用情況及改造思路進行舉例。

1.有色金屬礦山智能監控系統

有色金屬礦山智能監控系統是礦山安全生產中最重要的組成部分，監控系統的性能決定著礦山企業的安全生產、災害防治以及經濟效益等。在礦山施工過程中，對于設備運行狀況進行實時的監控，能夠在最大程度上保證設備運行的穩定性，提高作業效率，同時降低由于設備故障問題產生的礦山事故概率。

（1）基于圖像融合的有色金屬礦山智能監控系統硬件設計

監控器。監控器是基于圖像融合的有色金屬礦山智能監控系統硬件設備重要組成部分，其主要是在系統運行過程中將光信號轉化為電信號。監控器分辨率的高低將直接關系到整個系統的運行結果，所以要根據有色金屬礦山設備運行故障監控需求合理選取監控器。

電源設計。在基于圖像融合的有色金屬礦山智能監控系統中，系統的電壓可能會存在不穩定或者有毛刺干擾等問題，所以在系統的電源設計時要考慮到外界干擾的因素，將系統電源外界干擾因素全部排除掉，為系統的正常運行提供穩定的電源環境。

（2）基于圖像融合的有色金屬礦山智能監控系統軟件設計

基于圖像融合的有色金屬礦山數據處理是以監控器、傳感器等硬件設備作為基礎，對有色金屬礦山施工過程中運行的各類設備的狀態及運行參數進行采集，并將數據準確地傳輸到上位機。根據不同設備的運行要求，對其進行控制。

有色金屬礦山設備故障智能監控。當利用圖像融合實現對有色金屬礦山設備運行數據處理后，利用編程軟件中的監控功能可接收有色金屬礦山設備實時運行數據，以實現對有色金屬礦山設備運行過程中的各類故障問題智能監控。當有色金屬礦山設備發生故障問題時，可通過編程軟件當中的強制方式，將急停按鈕關閉，讓有色金屬礦山設備迅速停止運行。待故障全部排除后，再通過遠程監控對其進行調試，待恢復正常后重新啟動有色金屬礦山設備，讓有色金屬礦山設備正常運行，以此實現圖像融合的有色金屬礦山智能監控。滿足對設備運行狀況進行實時監控的需求，能夠在最大程度上保證設備運行的穩定性，提高作業效率，并降低由于設備故障問題產生的礦山事故概率。

2.電解鋁企業智能制造建設實踐

（1）電解鋁流程工業大數據處理

圖3 冶煉企業智慧工廠構成

有色金屬冶煉行業工序繁多，工藝過程復雜，各工藝參數之間存在非線性、多變量、強耦合等特征，并且冶煉企業的大部分生產數據均存放在各工序相對獨立的生產系統中，加上系統硬件、數據結構、平臺技術和數據收集技術的差別，使得系統間數據互相封閉，形成信息孤島，無法實現數據間的共享。這些海量數據包含了大量生產信息和控制數據，是重要的數據資產。通過大數據分析技術可對冶煉企業的人員數據、設備數據、物料數據及環保數據等進行深度分析，充分利用這些數據信息，解決信息不易被挖掘利用的問題，實現各工序、各要素協同處理。

（2）冶煉企業智慧工廠建設

在冶煉企業實現信息化系統基礎上，通過“業務+數據”的方式，將各個獨立的信息系統進行整合，形成工業互聯網，如圖3所示。典型代表有智慧能源系統、質量管控系統等。將現場設備通過多種數據通信技術（如5G）進行連接，構成工業物聯網，實現萬物互聯，在工業場景中典型代表有工業機器人和無人天車等。利用信息物理系統技術將工業互聯網和工業物聯網進行連接，形成數字孿生，構建虛擬與現實的連接。將設備自動化系統、信息化系統、工業物聯網和工業互聯網有機整合構成整個智慧工廠，進而實現工廠設備、業務系統的智能化。將有效提升冶煉企業生產效率，降低生產成本。

3.有色金屬加工行業智能制造主要應用場景

結合智能制造的特點，有色金屬加工的智能化發展可以分為三個階段。第一階段是實現設備和生產線的自動化、連續化生產；第二階段是實現工廠各相應管理層級之間、設備之間和人員與設備之間的信息共享并輔助簡單的生產和管理決策；第三階段是通過人工智能代替人工完成較為復雜的決策工作，實現人員和設備間無差別的信息交互。

目前，國內大多數有色金屬加工企業的智能化發展介于第一階段和第二階段之間，主要是通過自動化集成將車間各工序周轉時間大大縮短，使操作工人數量顯著減少，生產的安全性和可靠性大大提高。另外，通過引入一些管理系統，實現物料的追蹤和庫存的智能管理。

（1）自動化生產線

主要生產設備的自動化是有色金屬加工廠提升生產效率和實現轉型升級的基本保障，以最為典型的熔鑄生產線為例，對生產線的自動化功能進行簡單闡述。熔鑄車間的生產人員密集，生產環境較為惡劣，操作危險性較大，設備工序銜接較多，需要預留在制品周轉區，車間的天車、扒渣車、叉車和高溫設備交互作用，傳統的生產方式在效率和安全性上已很難滿足更高的要求。同時，相對于其他車間來說，熔鑄產品的工序和規格種類又相對簡單，因此，熔鑄車間是有色金屬加工行業實施智能化的突破點。熔鑄智能生產線構成主要包括：熔鋁爐、保溫爐、在線處理系統、鑄造機、鋸切機、均熱爐組、自動碼垛解垛系統、碼垛移運系統、輔助行車定位系統、智能天車、庫區穿梭車、監控系統、軟件系統等。全自動熔鑄生產線工藝流程為：配料→熔化→攪拌扒渣→取樣→保溫→在線處理→半連續鑄造→毛錠料臺暫存→單根成垛→均熱→冷卻→拆垛→超聲檢測→鋸切→單根成垛→稱重貼標→自動碼垛→放置墊木→裝車或入庫。

鑄造之前的主要設備，如熔鋁爐、保溫爐、在線處理系統等一般均由流槽連接，設備直接通過信號連鎖，可以實現物料的自動輸出。鑄造后的自動鋸切均熱生產線，一般包括鑄錠的上料、探傷、鋸切、均熱、碼料、打捆、稱重、貼標、下料、裝車。整條生產線可實現自動熔煉、鑄造、鋸切、均勻化處理、車輛自動調度、全天24 小時無人自動裝車、自動轉運存儲、庫存智能化管理及訂單全程管理。

（2）智能物流及倉儲

為了實現物料在生產流程中高效傳遞，信息精準管理，將現代的信息化技術、智能裝備技術、智能控制技術與車間工藝、設備布置、物料庫房、智能倉儲設置有機結合在一起，達到物料周轉高效，信息管理精準，最終依靠車間智能物流系統提高企業產品競爭力和盈利水平。例如，加工車間內智能物流和倉儲的基本思路是通過立體倉庫、AGV（無人搬運車）、RGV（有軌制導車輛）、智能天車等設施，實現包括坯料、中間品、成品以及部分輔助工具在內的智能物流，其中，鑄錠、熱軋料卷、冷軋料卷、退火料卷、擠壓制品以及鍛件等是車間智能物流最主要考慮的物料，主要使用車間內設置的智能平面庫和智能天車、工序儲料位及AGV、成品高架庫及智能取料車等來相互配合，人工輔助或完全智能化來完成運輸，能夠對物料運輸需要、調度、計劃以及物流跟蹤、倉庫管理等進行一體化的實時同步管理，實現多平臺協同與智能化運行管理，提高物流運輸效率。

（3）能源管理系統

能源消耗管理主要是對有色金屬企業生產過程中所消耗的電、氣、汽、水等介質進行計量、分析、對比，并進行動態優化從而提高能源使用效率，并降低能源消耗和生產成本。能源管理系統一般包括兩個層級。一是設備本身的能源管理，它一般是通過具體的設備來實現，如熔煉爐的實時天然氣耗量由設備商根據爐內的工況分析，再決定增大或減少天然氣的供應，從而達到能源的管理。二是通過MES 系統將各個設備的能源耗量統計并進行分析，最終根據能耗的長期變化而取得工廠的平均數據，同時通過分析特殊的數據，進一步優化和提高能源的利用率，關鍵點在于能源數據采集的準確性和能源變化的及時分析。在當前碳排放政策的壓力下，健全能源管理系統是企業降低碳排放和生產成本的必要手段。

（4）集控中心及站房無人值守

集控中心是對車間或廠區內所有生產工序的遠程操控與集中監控，以生產工序大整合、工藝流程大優化、本質安全大提升、組織管理大變革為目標，實現區域內主要生產設備的智慧集中控制，打造數字化、透明化的生產車間。

有色加工企業的無人值守主要是實現生產廠區內空壓站、水泵站、配電站等站房均獨立運行，工作人員24 小時值守，人工成本高且具有一定的安全隱患。無人值守站房的智能化管理是大勢所趨，可以減少人員配置，加強設備管理，有效降低人力成本，增強本質安全，提高勞動生產率。

結論與展望

伴隨感知與網絡通信等先進技術的快速進步，歷經十余年的優化與發展，人工智能技術正從理論快速過渡至實踐，并在有色金屬生產制造當中充分發揮出各項優勢。作為有色行業制造改革重要話題，智能制造將在后續發展中得到更廣泛的應用。對人工智能技術相關理論進行深入研究，并將日益成熟的理論應用到日趨復雜的有色金屬產品制造系統當中，滲透至每一個生產制造環節，才能實現本質的智能制造目標。因此，加速推進新一代信息技術與制造業深度融合，實現有色金屬工業智能制造，是當前和今后一個時期的重要任務。對加速實現中國制造由要素驅動向創新驅動進行轉變，具有重大意義。

依據工信部發布的《有色金屬行業智能冶煉工廠建設指南（試行）》，堅持以智能創新為抓手，結合設備實際生產運行經驗，因企制宜，通過實施機械化換人、自動化減人、智能化無人，對生產運行系統進行優化，在保證安全的前提下，實現綠色環保、高效低耗的目標，是我國有色金屬行業實現行業轉型升級的必由之路。

智能制造是助力我國有色金屬工業騰飛的翅膀，是邁向制造強國的橋梁，是我國工業史輝煌的新篇章。努力實現我國工業智能制造領域由小到大、由弱漸強、比肩競技、跨越發展的目標，推動構建高效、節能、綠色、環保、可持續發展的共和國工業體系進程，是有色金屬行業的重要任務。