智能制造助力有色金属工业高质量发展

刘松昊｜文

本文通过分析我国有色金属行业特点及发展需求，简述了有色金属流程工业智能制造的必要性、目标和实现基本途径。加速推进新一代信息技术与制造业深度融合，实现有色金属工业智能制造，助力中国制造由要素驱动向创新驱动进行转变，是当前和今后一个时期的重要任务。

习近平总书记指出，要以智能制造为主攻方向推动产业技术变革和优化升级，推动制造业产业模式和企业形态根本性转变，以“鼎新”带动“革故”，以增量带动存量，促进我国产业迈向全球价值链中高端。

近年来，有色金属行业智能制造工作持续推进，在德国推出工业4.0、美国推出工业互联网之后，2015 年，我国实施制造强国战略的第一个十年行动纲领——《中国制造2025》出台，其中，把“智能制造”作为实现制造强国战略的重点发展对象，在国内乃至全球范围内掀起新的浪潮。2020 年，工信部、国家发改委、自然资源部联合编制的《有色金属行业智能工厂（矿山）建设指南（试行）》，进一步推进5G、工业互联网、人工智能等新一代信息通信技术在有色金属行业的集成创新和融合应用，为有色金属行业智能制造产业提供了发展方向和建设依据。

有色行业现状及对智能制造的发展需求

1.我国有色金属行业特点及所面临的问题

图1 国内近5 年铜铝加工材产量

有色金属行业不仅是中国国民经济重要的基础产业，同时还是国防军工的重要原料和战略物资。近年来，我国有色金属工业发展迅速，

据有色金属工业协会统计，2022年，我国精炼铜消费量为1 415万吨，比上年增长4.8%；原铝消费量为3 985万吨，比上年增长0.5%，增速比上年放缓4.4个百分点。

此外，据中国有色金属加工工业协会统计，2022 年我国铜加工材产量为1 939万吨；铝加工材产量为4 662万吨。国内近5年铜铝加工材产量如图1所示，不难看出虽然近两年受到新冠疫情冲击，2022年铝加工材产量略有下降，但是近5年铜铝加工材产量整体上仍呈上升趋势。

尽管我国有色金属加工的产能、产量、企业数量均居世界首位，但仍然存在企业盈利能力不强、生产集中度较低、产品同质化竞争、高精尖材料开发能力偏弱、技术创新能力不强等问题。受传统领域经济增长减速，新兴市场尚未形成有效支撑，国际贸易摩擦、新冠肺炎疫情的影响，有色金属产业发展速度明显放缓，行业同质化竞争现象日益严重，经营成本不断上涨，经济效益也出现了明显下滑，产业面临由高速增长向高质量发展转变的迫切要求。

有色金属行业是典型的流程工业，我国有色金属企业具有种类繁多、原料来源繁杂、工艺复杂流程长、工况环境苛刻、能源消耗高、产能过剩、产业链短等特点。近年来，很多有色企业在基础自动化、过程信息化、经营管理信息化等方面推进信息化建设，也在实践中取得了进展和成绩，奠定了数字化改造和智能化发展的基础，但困难和问题依然存在。例如在采矿方面，规模较大的露天矿山运用5G、工业互联网技术进行了装备智能化改造，实现了装备的远程操控与作业，但大部分企业采矿装备仍是人工驾驶作业，工作强度大、安全风险高。冶炼方面，部分有色冶炼企业在无人行车、设备智能诊断、铜板自动剥离以及无人化阳极铜板输运系统（如图2（a）所示）等局部领域的装备智能化应用取得突破，但大部分企业在生产经营管理、产业链、供应链集成融合领域面临数字化转型技术经验不足、项目推进困难等问题，仍然以单项业务信息化系统建设为突破提升点，“重业务系统建设，轻数据价值挖掘”孤岛现象严重。加之冶炼装备种类和安环敏感源多，企业自动化管控水平参差不齐，对人工作业依赖程度较高（如图2（b）所示），数据质量及集成度低，精益化管控能力弱。加工方面，部分加工企业的生产及作业数据仍通过纸质填写，信息化程度低，存在监测手段不足、质量管控能力不高、生产组织缺乏柔性等一系列问题。

通过上述分析可以发现，目前，我国有色金属行业智能制造水平总体上比较落后，难以满足高质量发展的需要。智能制造水平不发达，阻碍有色金属行业的进一步发展和革新进程。因此，实现有色金属行业智能制造的必要性及基本途径还需要进一步贯彻和探索。

2.智能制造与数字化转型的概念

工业智能制造是把人的智能从隐性知识提炼为显性知识，经过模型化、算法化处理，再把各种模型化的知识通过系统嵌入设备中，由此赋予设备一定的自主能力，让机器具有一定程度的“智能”，可以达到降低劳动成本、实现精准控制以及提质增产等效果。

制造业的数字化转型，是战略主导下的业务变革，是数据驱动、智能助力的研发、生产、运营和服务改善，最终推进盈利模式优化和用户体验的提升。以数字化为核心，借助网络化手段，实现智能化赋能，保证产品和服务高效保质交付，从而持续提升企业核心竞争力。

图2 智能化装备与人工作业

有色企业智能制造建设目标为实现生产、设备、能源、物流等资源要素的数字化汇聚、网络化共享和平台化协同，打造具有自感知、自学习、自决策、自执行、自适应的有色金属智能工厂（矿山）。

3.智能制造赋予有色行业新活力

通过前面的分析可以发现，有色行业需要借助智能制造焕发新的活力，主要体现在三个方面。首先，有色金属矿山具有开采区域动态变化、事故风险率高、废物排放量大、资源回收率亟待提高等特点，特别是部分矿山地处高寒高海拔地区，机器换人需求迫切，要建成集资源的数字化管理、面向“矿石流”的智能生产管控、全流程的少人无人化生产、集成化的本质安全管理、基于大数据的智能决策于一体的本质安全、资源集约、绿色高效的有色金属智能矿山。其次，有色金属冶炼具有生产工况复杂、作业环境恶劣、能源管理粗放、工艺建模和多工序协同难等特点，要建成集综合集成信息管控平台、实时协同优化的智能生产体系、精细化能效管控于一体的清洁环保、优质低耗、安全高效的有色金属智能冶炼工厂。再次，有色金属加工具有产品品种规格多、订单批量小、生产工艺流程长、产品精度要求高、物流调度频繁等特点，需快速响应市场和客户要求，要建成集柔性化组织生产、产品质量全生命周期管控、供应链协同优化运营于一体的质量稳定、协同高效、响应快捷的有色金属智能加工工厂。

近年来，我国信息技术的飞速发展，为有色企业挺进智能制造领域、推动产品和产业升级带来了契机，通过智能制造技术才可以帮助有色企业顺利转型，焕发新的活力，成为我国传统制造业转型的领头羊。因此，智能制造是有色企业创新发展的必然阶段。

有色行业智能制造主要应用场景

为细化有色行业智能制造的概念及实施形式，笔者对有色金属矿山、有色金属冶炼及有色金属加工三个不同场景的智能制造应用情况及改造思路进行举例。

1.有色金属矿山智能监控系统

有色金属矿山智能监控系统是矿山安全生产中最重要的组成部分，监控系统的性能决定着矿山企业的安全生产、灾害防治以及经济效益等。在矿山施工过程中，对于设备运行状况进行实时的监控，能够在最大程度上保证设备运行的稳定性，提高作业效率，同时降低由于设备故障问题产生的矿山事故概率。

（1）基于图像融合的有色金属矿山智能监控系统硬件设计

监控器。监控器是基于图像融合的有色金属矿山智能监控系统硬件设备重要组成部分，其主要是在系统运行过程中将光信号转化为电信号。监控器分辨率的高低将直接关系到整个系统的运行结果，所以要根据有色金属矿山设备运行故障监控需求合理选取监控器。

电源设计。在基于图像融合的有色金属矿山智能监控系统中，系统的电压可能会存在不稳定或者有毛刺干扰等问题，所以在系统的电源设计时要考虑到外界干扰的因素，将系统电源外界干扰因素全部排除掉，为系统的正常运行提供稳定的电源环境。

（2）基于图像融合的有色金属矿山智能监控系统软件设计

基于图像融合的有色金属矿山数据处理是以监控器、传感器等硬件设备作为基础，对有色金属矿山施工过程中运行的各类设备的状态及运行参数进行采集，并将数据准确地传输到上位机。根据不同设备的运行要求，对其进行控制。

有色金属矿山设备故障智能监控。当利用图像融合实现对有色金属矿山设备运行数据处理后，利用编程软件中的监控功能可接收有色金属矿山设备实时运行数据，以实现对有色金属矿山设备运行过程中的各类故障问题智能监控。当有色金属矿山设备发生故障问题时，可通过编程软件当中的强制方式，将急停按钮关闭，让有色金属矿山设备迅速停止运行。待故障全部排除后，再通过远程监控对其进行调试，待恢复正常后重新启动有色金属矿山设备，让有色金属矿山设备正常运行，以此实现图像融合的有色金属矿山智能监控。满足对设备运行状况进行实时监控的需求，能够在最大程度上保证设备运行的稳定性，提高作业效率，并降低由于设备故障问题产生的矿山事故概率。

2.电解铝企业智能制造建设实践

（1）电解铝流程工业大数据处理

图3 冶炼企业智慧工厂构成

有色金属冶炼行业工序繁多，工艺过程复杂，各工艺参数之间存在非线性、多变量、强耦合等特征，并且冶炼企业的大部分生产数据均存放在各工序相对独立的生产系统中，加上系统硬件、数据结构、平台技术和数据收集技术的差别，使得系统间数据互相封闭，形成信息孤岛，无法实现数据间的共享。这些海量数据包含了大量生产信息和控制数据，是重要的数据资产。通过大数据分析技术可对冶炼企业的人员数据、设备数据、物料数据及环保数据等进行深度分析，充分利用这些数据信息，解决信息不易被挖掘利用的问题，实现各工序、各要素协同处理。

（2）冶炼企业智慧工厂建设

在冶炼企业实现信息化系统基础上，通过“业务+数据”的方式，将各个独立的信息系统进行整合，形成工业互联网，如图3所示。典型代表有智慧能源系统、质量管控系统等。将现场设备通过多种数据通信技术（如5G）进行连接，构成工业物联网，实现万物互联，在工业场景中典型代表有工业机器人和无人天车等。利用信息物理系统技术将工业互联网和工业物联网进行连接，形成数字孪生，构建虚拟与现实的连接。将设备自动化系统、信息化系统、工业物联网和工业互联网有机整合构成整个智慧工厂，进而实现工厂设备、业务系统的智能化。将有效提升冶炼企业生产效率，降低生产成本。

3.有色金属加工行业智能制造主要应用场景

结合智能制造的特点，有色金属加工的智能化发展可以分为三个阶段。第一阶段是实现设备和生产线的自动化、连续化生产；第二阶段是实现工厂各相应管理层级之间、设备之间和人员与设备之间的信息共享并辅助简单的生产和管理决策；第三阶段是通过人工智能代替人工完成较为复杂的决策工作，实现人员和设备间无差别的信息交互。

目前，国内大多数有色金属加工企业的智能化发展介于第一阶段和第二阶段之间，主要是通过自动化集成将车间各工序周转时间大大缩短，使操作工人数量显著减少，生产的安全性和可靠性大大提高。另外，通过引入一些管理系统，实现物料的追踪和库存的智能管理。

（1）自动化生产线

主要生产设备的自动化是有色金属加工厂提升生产效率和实现转型升级的基本保障，以最为典型的熔铸生产线为例，对生产线的自动化功能进行简单阐述。熔铸车间的生产人员密集，生产环境较为恶劣，操作危险性较大，设备工序衔接较多，需要预留在制品周转区，车间的天车、扒渣车、叉车和高温设备交互作用，传统的生产方式在效率和安全性上已很难满足更高的要求。同时，相对于其他车间来说，熔铸产品的工序和规格种类又相对简单，因此，熔铸车间是有色金属加工行业实施智能化的突破点。熔铸智能生产线构成主要包括：熔铝炉、保温炉、在线处理系统、铸造机、锯切机、均热炉组、自动码垛解垛系统、码垛移运系统、辅助行车定位系统、智能天车、库区穿梭车、监控系统、软件系统等。全自动熔铸生产线工艺流程为：配料→熔化→搅拌扒渣→取样→保温→在线处理→半连续铸造→毛锭料台暂存→单根成垛→均热→冷却→拆垛→超声检测→锯切→单根成垛→称重贴标→自动码垛→放置垫木→装车或入库。

铸造之前的主要设备，如熔铝炉、保温炉、在线处理系统等一般均由流槽连接，设备直接通过信号连锁，可以实现物料的自动输出。铸造后的自动锯切均热生产线，一般包括铸锭的上料、探伤、锯切、均热、码料、打捆、称重、贴标、下料、装车。整条生产线可实现自动熔炼、铸造、锯切、均匀化处理、车辆自动调度、全天24 小时无人自动装车、自动转运存储、库存智能化管理及订单全程管理。

（2）智能物流及仓储

为了实现物料在生产流程中高效传递，信息精准管理，将现代的信息化技术、智能装备技术、智能控制技术与车间工艺、设备布置、物料库房、智能仓储设置有机结合在一起，达到物料周转高效，信息管理精准，最终依靠车间智能物流系统提高企业产品竞争力和盈利水平。例如，加工车间内智能物流和仓储的基本思路是通过立体仓库、AGV（无人搬运车）、RGV（有轨制导车辆）、智能天车等设施，实现包括坯料、中间品、成品以及部分辅助工具在内的智能物流，其中，铸锭、热轧料卷、冷轧料卷、退火料卷、挤压制品以及锻件等是车间智能物流最主要考虑的物料，主要使用车间内设置的智能平面库和智能天车、工序储料位及AGV、成品高架库及智能取料车等来相互配合，人工辅助或完全智能化来完成运输，能够对物料运输需要、调度、计划以及物流跟踪、仓库管理等进行一体化的实时同步管理，实现多平台协同与智能化运行管理，提高物流运输效率。

（3）能源管理系统

能源消耗管理主要是对有色金属企业生产过程中所消耗的电、气、汽、水等介质进行计量、分析、对比，并进行动态优化从而提高能源使用效率，并降低能源消耗和生产成本。能源管理系统一般包括两个层级。一是设备本身的能源管理，它一般是通过具体的设备来实现，如熔炼炉的实时天然气耗量由设备商根据炉内的工况分析，再决定增大或减少天然气的供应，从而达到能源的管理。二是通过MES 系统将各个设备的能源耗量统计并进行分析，最终根据能耗的长期变化而取得工厂的平均数据，同时通过分析特殊的数据，进一步优化和提高能源的利用率，关键点在于能源数据采集的准确性和能源变化的及时分析。在当前碳排放政策的压力下，健全能源管理系统是企业降低碳排放和生产成本的必要手段。

（4）集控中心及站房无人值守

集控中心是对车间或厂区内所有生产工序的远程操控与集中监控，以生产工序大整合、工艺流程大优化、本质安全大提升、组织管理大变革为目标，实现区域内主要生产设备的智慧集中控制，打造数字化、透明化的生产车间。

有色加工企业的无人值守主要是实现生产厂区内空压站、水泵站、配电站等站房均独立运行，工作人员24 小时值守，人工成本高且具有一定的安全隐患。无人值守站房的智能化管理是大势所趋，可以减少人员配置，加强设备管理，有效降低人力成本，增强本质安全，提高劳动生产率。

结论与展望

伴随感知与网络通信等先进技术的快速进步，历经十余年的优化与发展，人工智能技术正从理论快速过渡至实践，并在有色金属生产制造当中充分发挥出各项优势。作为有色行业制造改革重要话题，智能制造将在后续发展中得到更广泛的应用。对人工智能技术相关理论进行深入研究，并将日益成熟的理论应用到日趋复杂的有色金属产品制造系统当中，渗透至每一个生产制造环节，才能实现本质的智能制造目标。因此，加速推进新一代信息技术与制造业深度融合，实现有色金属工业智能制造，是当前和今后一个时期的重要任务。对加速实现中国制造由要素驱动向创新驱动进行转变，具有重大意义。

依据工信部发布的《有色金属行业智能冶炼工厂建设指南（试行）》，坚持以智能创新为抓手，结合设备实际生产运行经验，因企制宜，通过实施机械化换人、自动化减人、智能化无人，对生产运行系统进行优化，在保证安全的前提下，实现绿色环保、高效低耗的目标，是我国有色金属行业实现行业转型升级的必由之路。

智能制造是助力我国有色金属工业腾飞的翅膀，是迈向制造强国的桥梁，是我国工业史辉煌的新篇章。努力实现我国工业智能制造领域由小到大、由弱渐强、比肩竞技、跨越发展的目标，推动构建高效、节能、绿色、环保、可持续发展的共和国工业体系进程，是有色金属行业的重要任务。