基于銅冶煉智能工廠規(guī)劃架構(gòu)的探討

陳瑛 劉飛飛｜文

為推進(jìn)銅陵有色集團(tuán)公司銅冶煉工廠智能化頂層設(shè)計(jì)，建立數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的銅冶煉智能工廠，筆者根據(jù)《有色金屬行業(yè)智能冶煉工廠建設(shè)指南（試行）》，結(jié)合集團(tuán)公司智能制造現(xiàn)狀，探索適合集團(tuán)公司冶煉智能工廠建設(shè)體系架構(gòu)，促進(jìn)銅冶煉智能工廠落地，提升企業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)力和可持續(xù)發(fā)展能力。

近年來，銅陵有色金屬集團(tuán)控股有限公司（以下簡(jiǎn)稱“集團(tuán)公司”）廠礦單位已積極推進(jìn)生產(chǎn)管理數(shù)字化、智能化建設(shè)，并已形成初步的成果應(yīng)用，但各項(xiàng)目建設(shè)均相對(duì)獨(dú)立，未能在廠礦單位層和集團(tuán)公司層形成體系。因此，有必要對(duì)集團(tuán)公司銅冶煉工廠進(jìn)行智能化建設(shè)統(tǒng)籌規(guī)劃，明確智能工廠建設(shè)架構(gòu)、建設(shè)目標(biāo)、建設(shè)內(nèi)容，引導(dǎo)分子公司有序推進(jìn)智能工廠建設(shè)。同時(shí)，構(gòu)建集團(tuán)公司銅冶煉智能工廠也是落實(shí)國(guó)家制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的重要舉措，是制造業(yè)緊跟世界發(fā)展趨勢(shì)與實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵所在。

銅冶煉智能工廠建設(shè)目標(biāo)

集團(tuán)公司銅冶煉智能工廠規(guī)劃是充分結(jié)合現(xiàn)有自動(dòng)化、信息化建設(shè)基礎(chǔ)上，推進(jìn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、5G、邊緣計(jì)算、虛擬現(xiàn)實(shí)等前沿技術(shù)在冶煉工廠應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)物料、設(shè)備、能源等制造資源要素?cái)?shù)字化匯聚、網(wǎng)絡(luò)化共享和平臺(tái)化協(xié)同，具備在工廠層面全要素?cái)?shù)據(jù)可視化在線監(jiān)控、實(shí)時(shí)自主聯(lián)動(dòng)平衡和優(yōu)化的能力，建設(shè)集全流程自動(dòng)化產(chǎn)線、實(shí)時(shí)協(xié)同優(yōu)化智能生產(chǎn)體系的智能車間，打造集綜合集成信息管控平臺(tái)、精細(xì)化能效管控于一體的清潔環(huán)保、優(yōu)質(zhì)低耗、安全高效的有色金屬智能冶煉工廠，促進(jìn)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展，提升企業(yè)的綜合競(jìng)爭(zhēng)力和可持續(xù)發(fā)展能力。

銅冶煉智能工廠建設(shè)現(xiàn)狀及難點(diǎn)

1.有色行業(yè)智能化現(xiàn)狀

《有色金屬工業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）》指出，有色行業(yè)的主要目標(biāo)之一是在線監(jiān)測(cè)、生產(chǎn)過程智能優(yōu)化、模擬仿真等應(yīng)用基本普及，選冶、加工環(huán)節(jié)關(guān)鍵工藝數(shù)控化率超過80%，實(shí)現(xiàn)綜合集成企業(yè)比例從當(dāng)前的12%提升至20%，實(shí)現(xiàn)管控集成的企業(yè)比例從當(dāng)前的13%提升至18%，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)供銷集成的企業(yè)比例從當(dāng)前的16%提升至22%，建成若干家智能制造示范工廠。

中鋁集團(tuán)制定了《中鋁公司智能制造行動(dòng)計(jì)劃（2017-2027 年）》，要求今后所有新建項(xiàng)目，必須增加智能礦山、智能工廠專篇，做到規(guī)劃、科研、設(shè)計(jì)三同步。且在2017、2018 年完成鋁和銅（包括礦山和銅冶煉）兩個(gè)核心業(yè)務(wù)版塊的智能化頂層架構(gòu)設(shè)計(jì)。

江西銅業(yè)貴溪冶煉廠通過開展智能工廠一期建設(shè)，初步形成一套具有自動(dòng)化、數(shù)字化、模型化、集成化、智能化特征的銅冶煉智能工廠，逐步實(shí)現(xiàn)制造效率、成本質(zhì)量、過程管控等資源的優(yōu)化配置。

集團(tuán)公司自2004年以來，對(duì)于新建的礦山、冶煉、加工企業(yè)，除采用業(yè)內(nèi)先進(jìn)的工藝和技術(shù)裝備外，積極采用業(yè)內(nèi)先進(jìn)、成熟的生產(chǎn)過程自動(dòng)化系統(tǒng)，并積極開展與智能制造相關(guān)研究與應(yīng)用。冬瓜山銅礦研發(fā)并成功應(yīng)用了千米深井智能無人駕駛電機(jī)車；金冠銅業(yè)成功應(yīng)用基于5G+AGV陰極銅無人運(yùn)輸系統(tǒng)；在金隆銅業(yè)、金冠銅業(yè)等主要冶煉廠采用了機(jī)器人剝片機(jī)組等。2021年集團(tuán)公司編制了《智能制造建設(shè)規(guī)劃》，為銅冶煉智能工廠建設(shè)規(guī)劃指明方向。

但與鋼鐵石化等先進(jìn)制造企業(yè)相比，有色行業(yè)無論在企業(yè)規(guī)模還是配套設(shè)備設(shè)施的自動(dòng)化方向都無法比擬?？偠灾?，我國(guó)有色金屬行業(yè)智能化建設(shè)尚處在起步、試點(diǎn)、探索階段。

2.集團(tuán)公司銅冶煉智能工廠建設(shè)難點(diǎn)

智能工廠建設(shè)規(guī)劃是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，一是除集團(tuán)公司正在謀劃構(gòu)建未來的框架藍(lán)圖外，冶煉廠主要在局部建設(shè)，內(nèi)容涉及產(chǎn)線自動(dòng)化升級(jí)、廠內(nèi)物流運(yùn)輸優(yōu)化、制造執(zhí)行、安環(huán)、質(zhì)量等多個(gè)業(yè)務(wù)方向，但未能按國(guó)家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系將其納入體系中進(jìn)行總體規(guī)劃。二是閃速爐、電解槽等關(guān)鍵智能化裝備的研制技術(shù)難度大、成本投入高。三是原料種類繁多，雜質(zhì)含量變化大，關(guān)鍵工序機(jī)理模型實(shí)用性不強(qiáng)。四是有色行業(yè)智能化生態(tài)系統(tǒng)未建立，配套的軟硬件供應(yīng)商產(chǎn)品兼容性差、產(chǎn)品類型多，真正具備自主研發(fā)能力并能提供完整解決方案的企業(yè)較少，缺乏配套行業(yè)龍頭企業(yè)。五是有色行業(yè)智能化建設(shè)起步晚，缺乏頂層設(shè)計(jì)與行業(yè)標(biāo)桿，存在建設(shè)目標(biāo)和路徑不明確、建設(shè)內(nèi)容不成體系、建設(shè)重點(diǎn)不夠突出、項(xiàng)目推進(jìn)困難，系統(tǒng)意識(shí)不足，信息孤島現(xiàn)象嚴(yán)重等問題。

銅冶煉智能工廠建設(shè)實(shí)施原則

銅冶煉智能工廠規(guī)劃是一項(xiàng)頂層設(shè)計(jì)，需要結(jié)合國(guó)家、行業(yè)及集團(tuán)公司智能制造建設(shè)規(guī)劃等指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)籌謀劃，從數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施、智能生產(chǎn)與管理系統(tǒng)、統(tǒng)一數(shù)字化能力平臺(tái)、智能化創(chuàng)新應(yīng)用以及相關(guān)支撐保障體系等多方面系統(tǒng)性建設(shè)，統(tǒng)一規(guī)劃、分步實(shí)施。

與國(guó)家和集團(tuán)公司發(fā)展戰(zhàn)略相結(jié)合。集團(tuán)公司銅冶煉智能工廠規(guī)劃將以集團(tuán)公司發(fā)展戰(zhàn)略為建設(shè)目標(biāo)，以國(guó)家智能制造發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃為指引，結(jié)合國(guó)家、行業(yè)在智能制造方面發(fā)布的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系，并充分考慮冶煉板塊的智能制造現(xiàn)狀，綜合實(shí)施銅冶煉智能工廠規(guī)劃設(shè)計(jì)。

兼顧標(biāo)準(zhǔn)化體系與個(gè)性化需求。在國(guó)家、行業(yè)及集團(tuán)公司智能制造建設(shè)規(guī)劃的基礎(chǔ)上，結(jié)合業(yè)務(wù)實(shí)際，堅(jiān)持需求牽引，突出應(yīng)用至上。對(duì)于具有共性需求的專項(xiàng)管理和IT基礎(chǔ)保障設(shè)施，按標(biāo)準(zhǔn)化模式進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)；在生產(chǎn)管控方面，充分考慮銅冶煉工廠實(shí)際情況，以解決企業(yè)生產(chǎn)管理和經(jīng)營(yíng)管理的實(shí)際問題為出發(fā)點(diǎn)，兼顧標(biāo)準(zhǔn)化體系與個(gè)性化需求，因廠制宜進(jìn)行銅冶煉智能工廠建設(shè)。

統(tǒng)一規(guī)劃、分步實(shí)施。把握冶煉智能工廠發(fā)展方向和重點(diǎn)，從全局、整體層面進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)，圍繞有色行業(yè)銅冶煉智能工廠建設(shè)主要環(huán)節(jié)和重點(diǎn)領(lǐng)域，分步實(shí)施，有序推進(jìn)冶煉智能工廠建設(shè)。

銅冶煉智能工廠整體架構(gòu)

遵循《有色金屬行業(yè)智能冶煉工廠建設(shè)指南（試行）》框架結(jié)構(gòu)，結(jié)合集團(tuán)公司銅冶煉廠生產(chǎn)流程、自動(dòng)化水平等特點(diǎn)以及現(xiàn)有信息化專項(xiàng)管理系統(tǒng)，借鑒基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的云、邊、端架構(gòu)，建立智能車間、智能物流、智能物質(zhì)流、生產(chǎn)綜合集成管控平臺(tái)及經(jīng)營(yíng)管理基于大數(shù)據(jù)支持智能化系統(tǒng)，將企業(yè)大量基于傳統(tǒng)IT架構(gòu)的信息系統(tǒng)作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)源，實(shí)現(xiàn)企業(yè)全流程的智能生產(chǎn)和供應(yīng)鏈協(xié)同，打造一個(gè)自感知、自學(xué)習(xí)、自處理的綠色、環(huán)保、安全、高效的智能冶煉廠。集團(tuán)公司銅冶煉智能工廠框架圖見圖1。

圖1 銅陵有色金屬集團(tuán)控股有限公司銅冶煉智能工廠框架

銅冶煉智能工廠主要建設(shè)內(nèi)容

1.基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化改造與建設(shè)

基于自動(dòng)控制、智能感知等技術(shù)，結(jié)合集團(tuán)公司生產(chǎn)工藝條件、工況特點(diǎn)，對(duì)閃速爐、浮選設(shè)備、電解槽等工業(yè)設(shè)備和其他基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行數(shù)字化改造，通過生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化、集成化、智能化改造替代人工操作，以設(shè)備改造提升和互聯(lián)互通推動(dòng)產(chǎn)線的整體升級(jí)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，減員增效，提高資源利用效率和優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品率。

在現(xiàn)有冶煉工廠配備基礎(chǔ)之上，補(bǔ)充或添加新型傳感器、射頻識(shí)別等數(shù)字化工具和設(shè)備，提高智能感知。如物料成分在線檢測(cè)、熔體溫度在線檢測(cè)、煙氣成分在線檢測(cè)、熔體成分在線檢測(cè)、終點(diǎn)樣自動(dòng)判斷分析儀、熱成像分析儀、電解槽極板短路自動(dòng)識(shí)別、陰極銅表面粒子檢測(cè)等，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的全面采集，實(shí)時(shí)感知生產(chǎn)過程和關(guān)鍵裝備運(yùn)行數(shù)據(jù)和狀態(tài)。

針對(duì)冶煉廠具有勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度大、作業(yè)環(huán)境惡劣等特點(diǎn)，積極推進(jìn)應(yīng)用具備自我檢測(cè)、自我診斷、自我調(diào)節(jié)等功能的智能裝備。如研發(fā)銅冶煉爐開堵口機(jī)器人、轉(zhuǎn)爐風(fēng)眼清理機(jī)器人，危險(xiǎn)區(qū)域多維感知巡檢機(jī)器人，智能行車、陽極板陰極板無人運(yùn)輸、智能倉(cāng)儲(chǔ)、渣包運(yùn)輸?shù)?，降低人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)安全性、質(zhì)量穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率。

建設(shè)滿足銅冶煉智能工廠所需要的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與工業(yè)安全防護(hù)建設(shè)。整體規(guī)劃部署控制網(wǎng)、生產(chǎn)網(wǎng)、辦公網(wǎng)、監(jiān)控網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)，采用工業(yè)以太網(wǎng)、無線通信等技術(shù)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、多媒體信息和管理數(shù)據(jù)等的傳輸交互，優(yōu)先保障控制網(wǎng)的通信暢通與冗余安全，實(shí)現(xiàn)主要辦公區(qū)、重點(diǎn)作業(yè)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)全覆蓋。依托5G網(wǎng)絡(luò)低延時(shí)、大帶寬、大連接的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)5G+機(jī)器人在倉(cāng)庫(kù)管理、物流運(yùn)輸、工廠巡檢等智能化應(yīng)用。同時(shí)，建立涵蓋網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)安全、應(yīng)用安全等在內(nèi)的多重安全防護(hù)保障體系，提高信息安全態(tài)勢(shì)感知、監(jiān)測(cè)預(yù)警、應(yīng)急處理、追蹤溯源能力。

2.統(tǒng)一數(shù)字化基礎(chǔ)能力平臺(tái)建設(shè)

建立有色銅冶煉智能工廠統(tǒng)一數(shù)字化基礎(chǔ)能力平臺(tái)底座，實(shí)現(xiàn)對(duì)廠內(nèi)運(yùn)營(yíng)管理、生產(chǎn)制造以及相關(guān)外部數(shù)據(jù)的集中匯聚與治理，并實(shí)現(xiàn)對(duì)匯聚數(shù)據(jù)的統(tǒng)一分析和算法模型構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能決策，并通過低代碼開發(fā)等實(shí)現(xiàn)基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用開發(fā)部署，以支持?jǐn)?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能創(chuàng)新應(yīng)用建設(shè)。

3.智能生產(chǎn)與管理信息系統(tǒng)建設(shè)

通過大數(shù)據(jù)、人工智能、邊緣計(jì)算等新技術(shù)與傳統(tǒng)制造業(yè)結(jié)合，建立數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能生產(chǎn)與管理信息系統(tǒng)，包括生產(chǎn)過程智能控制類系統(tǒng)、生產(chǎn)管理與執(zhí)行類系統(tǒng)、企業(yè)管理與經(jīng)營(yíng)決策類系統(tǒng)、冶煉工廠虛擬仿真類系統(tǒng)，并通過綜合集成信息管控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)全廠全面可視化。

生產(chǎn)過程智能控制是具有智能信息處理、智能信息反饋和智能控制決策的控制方式，通過建立先進(jìn)工業(yè)控制、數(shù)據(jù)采集與集中監(jiān)視、實(shí)時(shí)生產(chǎn)組織調(diào)度等生產(chǎn)過程智能控制類系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工藝流程中先進(jìn)控制層的參數(shù)優(yōu)化與協(xié)同，全流程生產(chǎn)數(shù)據(jù)的集中監(jiān)視、設(shè)備的遠(yuǎn)程集中控制以及異常報(bào)警提醒，對(duì)計(jì)劃執(zhí)行、資源利用、產(chǎn)量與質(zhì)量情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，輔助生產(chǎn)調(diào)度決策。

生產(chǎn)管理與執(zhí)行主要圍繞設(shè)備管理、能源管理、質(zhì)量管理、倉(cāng)儲(chǔ)物流管理、安全與環(huán)保管理、人員管理等冶煉工廠日常生產(chǎn)管理領(lǐng)域進(jìn)行信息化與智能化建設(shè)。

企業(yè)管理與經(jīng)營(yíng)決策通過從海量生產(chǎn)和管理數(shù)據(jù)中抽取關(guān)鍵有效數(shù)據(jù)，合并至企業(yè)級(jí)的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，建立管理決策模型，最后以數(shù)據(jù)倉(cāng)、儀表盤等形式將各類核心數(shù)據(jù)展現(xiàn)，預(yù)測(cè)未來趨勢(shì)，對(duì)決策的執(zhí)行情況進(jìn)行客觀評(píng)估。

虛擬仿真主要在關(guān)鍵設(shè)備、關(guān)鍵工序、關(guān)鍵車間等應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程模擬仿真與數(shù)字集成可視化，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控分析，輔助生產(chǎn)決策實(shí)時(shí)優(yōu)化。

建設(shè)綜合集成信息管控平臺(tái)，通過統(tǒng)一門戶實(shí)現(xiàn)廠內(nèi)生產(chǎn)管理全流程貫通與全面可視化。

4.數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能創(chuàng)新應(yīng)用建設(shè)

基于統(tǒng)一數(shù)字化基礎(chǔ)能力平臺(tái)提供數(shù)據(jù)處理分析與應(yīng)用開發(fā)部署能力，開展大數(shù)據(jù)協(xié)同創(chuàng)新應(yīng)用建設(shè)，如預(yù)測(cè)性設(shè)備維護(hù)優(yōu)化、基于大數(shù)據(jù)的數(shù)模參數(shù)優(yōu)化、基于陰極銅檢驗(yàn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析的質(zhì)量管理優(yōu)化、生產(chǎn)管理優(yōu)化、經(jīng)營(yíng)決策優(yōu)化等。

5.基礎(chǔ)支撐保障體系建設(shè)

為保障銅冶煉智能工廠順利建設(shè)，還需要配套建立相應(yīng)的基礎(chǔ)保障。如成立一把手負(fù)責(zé)的組織領(lǐng)導(dǎo)、資金投入保障、人才隊(duì)伍建設(shè)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系以及運(yùn)營(yíng)維護(hù)制度等相關(guān)保障體系。

銅冶煉智能工廠實(shí)施路徑

新建工廠智能化建設(shè)。針對(duì)新建冶煉工廠依據(jù)其工廠定位，在科研報(bào)告、初步設(shè)計(jì)時(shí)編制規(guī)劃和方案時(shí)結(jié)合先進(jìn)智能感知、智能裝備、智能生產(chǎn)與管理系統(tǒng)等建立高標(biāo)準(zhǔn)、高水平、高起點(diǎn)的銅冶煉智能工廠實(shí)施方案，并明確每個(gè)階段建設(shè)目標(biāo)、預(yù)期效果及詳細(xì)實(shí)施方案，分階段統(tǒng)籌建設(shè)。

現(xiàn)有工廠智能化建設(shè)。針對(duì)已建冶煉工廠，因存在裝備種類多、自動(dòng)化裝配多品牌、異構(gòu)系統(tǒng)大量存在、多總線系統(tǒng)并存等現(xiàn)象，結(jié)合冶煉工廠實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)情況，統(tǒng)籌規(guī)劃，分步實(shí)施，明確建設(shè)重點(diǎn)，有序推進(jìn)智能制造建設(shè)。一是對(duì)現(xiàn)有工廠智能制造基礎(chǔ)進(jìn)行評(píng)估，結(jié)合工廠實(shí)際需求明確建設(shè)目標(biāo)和預(yù)期成果，并制定詳細(xì)實(shí)施計(jì)劃；二是建立數(shù)據(jù)、流程、操作過程等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，對(duì)設(shè)備改造，加裝智能視頻監(jiān)控和智能儀表，實(shí)現(xiàn)工廠數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、少人化；三是建設(shè)綜合集成信息管控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)在智能安防、能源管理、設(shè)備管理、質(zhì)量管理及物流管理等方面可視化；四是深度挖掘大數(shù)據(jù)的潛在價(jià)值，建設(shè)大數(shù)據(jù)分析決策模型，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性設(shè)備故障智能診斷、生產(chǎn)控制參數(shù)優(yōu)化、數(shù)字仿真優(yōu)化及經(jīng)營(yíng)決策優(yōu)化等。

結(jié)語

智能工廠建設(shè)是推進(jìn)銅冶煉工廠轉(zhuǎn)型升級(jí)、精準(zhǔn)管理、提質(zhì)增效，提升企業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)力和可持續(xù)發(fā)展能力的重要舉措。銅冶煉工廠應(yīng)緊跟時(shí)代步伐，按照整體規(guī)劃、效益優(yōu)先、分步實(shí)施的原則，應(yīng)用前沿信息技術(shù)與企業(yè)現(xiàn)有信息化、自動(dòng)化的基礎(chǔ)以及國(guó)家、行業(yè)等智能制造戰(zhàn)略相結(jié)合統(tǒng)籌規(guī)劃，明確具體建設(shè)目標(biāo)和預(yù)期成果，制定詳細(xì)實(shí)施計(jì)劃，逐步建立數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化銅冶煉智能工廠，最終實(shí)現(xiàn)企業(yè)清潔環(huán)保、優(yōu)質(zhì)低耗、安全高效的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。