智能化在鋁加工中的現(xiàn)狀及展望

何向問

(中色科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

本文中所提的鋁加工指以電解鋁液、重熔用鋁錠或再生鋁作為原料經(jīng)熔煉鑄造和后續(xù)加工獲得板帶箔、管棒型材產(chǎn)品的這一階段。鋁加工行業(yè)中，通過不同的加工工藝，可得到四類不同的鋁加工產(chǎn)品：鋁板帶箔，鋁擠壓材，鋁鑄鍛件和鋁線桿。將這四類初級(jí)產(chǎn)品分別經(jīng)過精深加工可得到不同的終端產(chǎn)品,服務(wù)于各個(gè)行業(yè)，如航空航天、交通運(yùn)輸、市政工程和日用家具等。

鋁加工行業(yè)的智能化一方面是通過各種工藝設(shè)備的智能化來實(shí)現(xiàn)，另一方面是通過信息化系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。這些信息化系統(tǒng)，搭載在各種工藝設(shè)備之上，通過智能信息采集、生產(chǎn)應(yīng)用和企業(yè)管理在不同的層面發(fā)揮作用，交織成網(wǎng)，共同為實(shí)現(xiàn)整個(gè)鋁加工廠的智能化做出貢獻(xiàn)。

1 鋁加工行業(yè)智能化的背景及必然性

1.1 智能化工廠在全球范圍內(nèi)興起

2000年以后，世界各地工業(yè)領(lǐng)域的智能化發(fā)展進(jìn)入新的階段，各種智能化戰(zhàn)略密集推出。2011年美國實(shí)施“先進(jìn)制造伙伴計(jì)劃”戰(zhàn)略，2013年德國提出“工業(yè)4.0”計(jì)劃，2014年英國開展“高價(jià)值制造”戰(zhàn)略，2015年日本頒布“機(jī)器人新戰(zhàn)略”，2016年歐盟頒布“數(shù)字化歐洲工業(yè)計(jì)劃”?？梢钥吹剑髦圃鞓I(yè)強(qiáng)國陸續(xù)制定智能化戰(zhàn)略，不斷推出新舉措，通過政府、行業(yè)組織、企業(yè)等協(xié)同推進(jìn)智能制造發(fā)展，以提升工業(yè)制造實(shí)力，培育行業(yè)競爭優(yōu)勢。我國也在2015年正式發(fā)布《中國制造2025》文件，標(biāo)志著國家決心從制造業(yè)大國向制造業(yè)強(qiáng)國大步邁進(jìn)。

1.2 智能化技術(shù)蓬勃發(fā)展

在這過去的十年間，人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、機(jī)器人、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、混合現(xiàn)實(shí)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展為智能化工廠的發(fā)展提供了有力保障。正是有了這些智能化技術(shù)的發(fā)展，才使鋁加工廠的智能化有了可能。

1.3 鋁加工行業(yè)發(fā)展的內(nèi)部需要

鋁加工行業(yè)作為一個(gè)工藝流程明顯、生產(chǎn)復(fù)雜多變的行業(yè)，通過傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì)、組織生產(chǎn)管理、完成產(chǎn)品服務(wù)已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)瓶頸期。大宗產(chǎn)品的加工費(fèi)持續(xù)走低，高端定制產(chǎn)品的質(zhì)量不夠穩(wěn)定,使人們不得不尋求一個(gè)突破口，智能化生產(chǎn)以其特有的優(yōu)點(diǎn)為這種突破提供了可能。

短期來看，智能化生產(chǎn)可以提高生產(chǎn)效率、減少勞動(dòng)定員、優(yōu)化資源配置，為大宗產(chǎn)品的生產(chǎn)進(jìn)一步降低成本；可以提高生產(chǎn)的安全性、可靠性并實(shí)現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)收集與反饋，為高端定制產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性提供保障。長遠(yuǎn)來看，人們不斷的發(fā)展智能化主要是為實(shí)現(xiàn)三個(gè)目標(biāo)：①解放人的體力勞動(dòng)；②部分解放人的腦力勞動(dòng)；③全面解放人類或模糊人員和機(jī)器工作的界限，實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)作。這些目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)是智能化發(fā)展的必然，也是鋁加工發(fā)展的必經(jīng)之路。

2 鋁加工行業(yè)智能化現(xiàn)狀

鋁加工車間根據(jù)工藝的不同主要分為熔鑄車間、壓延車間、擠壓車間等，各車間目前的自動(dòng)化生產(chǎn)狀況不盡相同。以熔鑄車間為例，其主要產(chǎn)品是板帶箔、管棒型材的坯料。熔鑄車間一般是鋁加工開始的第一個(gè)車間，其對(duì)安全性和可靠性的要求較高，但目前它的自動(dòng)化程度又較低。因此，以下將著重介紹其中一些工藝及生產(chǎn)的智能化現(xiàn)狀。

2.1 熔鋁爐、保溫爐內(nèi)操作

(1)加料。以電解鋁液的加料為例，電解鋁液的加料大多是通過鋁液包傾倒入熔鋁爐中。一種是直接采用天車將鋁液包吊起，由人工轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤把手將鋁液倒入爐中。這種方法比較危險(xiǎn)，人員在天車吊起的鋁液包邊操作，一旦出現(xiàn)脫鉤等意外，后果不堪想象。另一種是通過爐邊的傾翻裝置傾翻鋁包將鋁加入爐中，這種方法使鋁液包在傾倒的過程中不再懸空，且傾翻時(shí)也不再需要人員靠近操作，安全性有了較大提升。目前國外比較先進(jìn)的是采用電解鋁液抬包車直接自動(dòng)將鋁液倒入爐中，避免了整個(gè)過程中鋁液包的吊運(yùn)，整個(gè)過程可以在一輛鋁液抬包車上進(jìn)行，安全性和人員的操作環(huán)境均有了大幅提升，如圖1所示。

(2)精煉。精煉時(shí)的操作環(huán)境一般伴隨著高溫粉塵，是人員操作環(huán)境相對(duì)較為惡劣的一個(gè)工藝過程。打開爐門加入一些輔料如精煉劑或人工用一根鋼管深入爐內(nèi)精煉，向里面噴入惰性氣體或者精煉劑。這兩個(gè)操作，人員都要暴露在爐門前受到高溫的炙烤和煙氣的侵害，工作環(huán)境極其惡劣。目前已有較為先進(jìn)的精煉方法，通過爐底透氣磚精煉(圖2)、爐側(cè)旋轉(zhuǎn)除氣裝置(圖3)進(jìn)行精煉等。

(3)扒渣。早期由于爐型較小，各企業(yè)一般都是采用人工扒渣，但這種方式人員的勞動(dòng)強(qiáng)度較大，工作環(huán)境相當(dāng)惡劣。后來隨著爐型的增大，人工扒渣很難實(shí)現(xiàn)，同時(shí)為降低人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，很多廠家通過叉車改裝的扒渣車進(jìn)行扒渣，是目前使用最多的一種扒渣方式。更為先進(jìn)的是采用專用輪式扒渣車(或軌道式扒渣車)進(jìn)行扒渣。這種方式占用較小的扒渣空間，同時(shí)對(duì)操作人員的保護(hù)做的更好。

(4)攪拌。目前鋁熔體攪拌常采用的方法有機(jī)械攪拌、氣體攪拌和磁力攪拌等，各種攪拌方式及其自動(dòng)化程度見表1。機(jī)械攪拌由人工或扒渣車驅(qū)動(dòng)扒渣頭或由電機(jī)驅(qū)動(dòng)泵體攪動(dòng)鋁熔體；氣體攪拌一般都伴隨著精煉過程而進(jìn)行，通過氣體和鋼管或轉(zhuǎn)子攪動(dòng)鋁熔體，但有時(shí)需要打開爐門導(dǎo)致熱量散失；磁力攪拌采用電磁攪拌裝置、電磁泵等磁力裝置產(chǎn)生電磁力攪動(dòng)鋁熔體，避免了鐵質(zhì)工具和熔體接觸，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了爐內(nèi)熱量的損失，是目前較為流行的攪拌方式。目前的鋁熔體攪拌一般由多種攪拌方式組合進(jìn)行，傾向于采用自動(dòng)化且不用開啟爐門的方式進(jìn)行。

表1 各種攪拌方式及其自動(dòng)化程度

2.2 鑄造前后相關(guān)工藝操作

目前國內(nèi)外多數(shù)工廠的鑄造過程基本已實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化鑄造，鑄造時(shí)液面控制、鑄造速度、水流量、水溫的檢測和熔鋁爐、保溫爐之間的連鎖等均由PLC集中控制。但仍有較多的操作主要采用人工，如鑄造結(jié)束后清理結(jié)晶器、清理引錠頭、鑄錠掛吊環(huán)(主要是圓錠)和移放鑄錠卸吊環(huán)(主要是圓錠)等。

鑄造前后的這些相關(guān)工藝操作，一般都是非標(biāo)操作，實(shí)際生產(chǎn)中，產(chǎn)品的變化、漏鋁或鑄造缺陷等相互組合，使可能面臨的情況更加復(fù)雜，因此目前一般都需要人員根據(jù)情況進(jìn)行判斷再操作，尚沒有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。假以時(shí)日，生產(chǎn)中積累了較豐富的數(shù)據(jù)庫，相信智能化的實(shí)現(xiàn)也是可以期待的。

另外鑄錠上下鋸切機(jī)、進(jìn)出均熱爐前后的堆垛碼料，目前尚以人工為主。但部分廠家在鑄錠放上鋸切機(jī)之后，鋸切、堆垛、均熱、拆垛、打捆、稱重、貼標(biāo)、裝車等過程均已采用全自動(dòng)化取代人工操作，如圖4、圖5所示。

2.3 車間物料的轉(zhuǎn)運(yùn)和儲(chǔ)存

目前一般都是通過天車、叉車、平板車和大卡車等傳統(tǒng)工具進(jìn)行運(yùn)輸，一些較為先進(jìn)的鋁板帶生產(chǎn)廠家引入了智能平面庫和立體庫技術(shù)(圖6)，同時(shí)采用智能化系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)配，利用智能天車或AGV(ACT)小車完成物料的運(yùn)輸和周轉(zhuǎn)(圖7)。

板帶車間和管棒車間的應(yīng)用和熔鑄車間大部分生產(chǎn)現(xiàn)狀類似，此處不再贅述。

2.4 鋁加工行業(yè)智能化現(xiàn)狀總結(jié)

通過前面的描述，可以看出國內(nèi)加工行業(yè)的智能化現(xiàn)狀有如下特征：(1)各車間單體設(shè)備的智能化程度已經(jīng)較高；(2)各獨(dú)立設(shè)備間通過輥道、鏈條、軌道小車、天車、AGV/ACT小車進(jìn)行物流連接；(3)各設(shè)備的組合應(yīng)用和生產(chǎn)車間內(nèi)所有設(shè)備的協(xié)調(diào)工作正通過不同的管理系統(tǒng)進(jìn)行信息連接；(4)智能化需求點(diǎn)主要體現(xiàn)在生產(chǎn)線的智能化、倉儲(chǔ)與物流的智能化、生產(chǎn)過程管控的智能化和生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集的智能化幾個(gè)方面。

3 鋁加工行業(yè)智能化的展望

根據(jù)前述智能化發(fā)展的三個(gè)目標(biāo)將鋁加工行業(yè)的智能化分為三個(gè)階段，我們就近期、中期和遠(yuǎn)期分別進(jìn)行展望。

第一階段：實(shí)現(xiàn)設(shè)備和生產(chǎn)線的自動(dòng)化、連續(xù)化生產(chǎn)，解放人的體力勞動(dòng)；第二階段：實(shí)現(xiàn)各相應(yīng)管理層級(jí)之間、設(shè)備之間和人員與設(shè)備之間的信息共享并輔助簡單的生產(chǎn)和管理決策，解放人大部分的腦力勞動(dòng);第三階段：實(shí)現(xiàn)人員和設(shè)備間無差別的信息交互，或通過人工智能代替人完成較為復(fù)雜的決策工作，以全面解放人類或模糊人員和機(jī)器工作的界限，實(shí)現(xiàn)充分的人機(jī)協(xié)作。這三個(gè)階段，由近期至遠(yuǎn)期，智能化程度由簡單到復(fù)雜，需要在不斷的發(fā)展中逐步完善，每個(gè)階段需要通過不同的手段來實(shí)現(xiàn)。

第一階段生產(chǎn)的自動(dòng)化和連續(xù)性，可通過如下手段實(shí)現(xiàn)：①使用自動(dòng)化程度高的單體設(shè)備；②使用設(shè)備組合替代較為復(fù)雜的人工操作；③使用智能單元或生產(chǎn)線。

第二階段要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集、積累、交換和共享，最終使管理系統(tǒng)能做出簡單的決策，部分解放人腦。可通過如下手段來實(shí)現(xiàn)：①使用MES、ERP等管理系統(tǒng)管理設(shè)備、能源和產(chǎn)品；②使用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將各種管理系統(tǒng)、管理軟件、管理平臺(tái)與設(shè)備可采集的信息相連接，將設(shè)備和設(shè)備、設(shè)備和有權(quán)限的人員之間的信息及時(shí)互聯(lián)互通；③使用帶有各種智能傳感器的各種元器件充實(shí)數(shù)據(jù)庫。

第三階段人機(jī)間的自然融合，及時(shí)遠(yuǎn)程響應(yīng)現(xiàn)場作業(yè)要求，或由人工智能自主做出行動(dòng)決策，可通過如下手段來實(shí)現(xiàn)：①使用AR、VR和MR技術(shù)實(shí)現(xiàn)事故模擬、培訓(xùn)等訓(xùn)練；②使用遠(yuǎn)程遙控技術(shù)和智能機(jī)器人實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)操作；③使用數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)鋁加工廠的全生命周期模擬。

這三個(gè)階段的發(fā)展是鋁加工智能化發(fā)展的三個(gè)必經(jīng)階段，目前尚處在自動(dòng)化、連續(xù)化生產(chǎn)的推廣和信息共享、智能決策的起步階段，人機(jī)融合和完全的自主決策仍屬于概念階段。

鋁加工的智能化發(fā)展綜合來看，目前仍處在較低水平，但是我們也相信，科技的發(fā)展是階梯式的，經(jīng)過近些年各項(xiàng)智能化支撐技術(shù)的發(fā)展和積累，鋁加工智能化的跨越式發(fā)展并不遙遠(yuǎn)。

4 結(jié)束語

通過前文的描述和工廠的實(shí)際情況，總結(jié)一些鋁加工生產(chǎn)智能化應(yīng)遵循的基本原則。

第一，規(guī)模不宜太小。很多智能化的設(shè)備和系統(tǒng)都需要較大的投入，規(guī)模如果太小，沒有規(guī)模效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致項(xiàng)目短期收益率太差不能支撐。

第二，產(chǎn)品種類和工藝不宜過于復(fù)雜。如果生產(chǎn)產(chǎn)品的種類特別多，工藝又很復(fù)雜，那么生產(chǎn)中就有很多種組合方式。這會(huì)導(dǎo)致智能化設(shè)計(jì)過程中產(chǎn)生很多冗余設(shè)計(jì)，僅僅是為了保證可能性，最終使成本和產(chǎn)出不成比例。

第三，適度原則。智能化生產(chǎn)的最終目的是車間無人化生產(chǎn)，決策只由少數(shù)人參與。但是智能化的要求是永無止境的，尤其是在安全方面。所以各個(gè)企業(yè)可以根據(jù)自身生產(chǎn)的特點(diǎn)，選擇把有限的錢花在最能體現(xiàn)智能化價(jià)值的地方，不要盲目追求全方位的智能化。

隨著智能化技術(shù)在鋁加工生產(chǎn)中的深入滲透，鋁加工行業(yè)將掀起一波新的浪潮。近期來看，智能化技術(shù)在鋁加工行業(yè)應(yīng)用的巨大優(yōu)勢將會(huì)促使新建鋁加工企業(yè)將智能化設(shè)計(jì)考慮在內(nèi)，同時(shí)吸引眾多現(xiàn)存企業(yè)進(jìn)行技術(shù)升級(jí)改造，通過技術(shù)升級(jí)提高生產(chǎn)率、減少人工成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量，使中國的鋁加工行業(yè)競爭力得到整體提升；遠(yuǎn)期來看，智能化新技術(shù)的應(yīng)用使鋁加工行業(yè)在經(jīng)濟(jì)性、安全性、可靠性和可持續(xù)性上持續(xù)向前進(jìn)步，最終無限靠近無人化和自主決策，從而解放人類去做更多創(chuàng)造性的活動(dòng)。