基于銅冶煉智能工廠規劃架構的探討

陳瑛 劉飛飛｜文

為推進銅陵有色集團公司銅冶煉工廠智能化頂層設計，建立數字化、網絡化、智能化的銅冶煉智能工廠，筆者根據《有色金屬行業智能冶煉工廠建設指南（試行）》，結合集團公司智能制造現狀，探索適合集團公司冶煉智能工廠建設體系架構，促進銅冶煉智能工廠落地，提升企業綜合競爭力和可持續發展能力。

近年來，銅陵有色金屬集團控股有限公司（以下簡稱“集團公司”）廠礦單位已積極推進生產管理數字化、智能化建設，并已形成初步的成果應用，但各項目建設均相對獨立，未能在廠礦單位層和集團公司層形成體系。因此，有必要對集團公司銅冶煉工廠進行智能化建設統籌規劃，明確智能工廠建設架構、建設目標、建設內容，引導分子公司有序推進智能工廠建設。同時，構建集團公司銅冶煉智能工廠也是落實國家制造強國戰略的重要舉措，是制造業緊跟世界發展趨勢與實現數字化轉型的關鍵所在。

銅冶煉智能工廠建設目標

集團公司銅冶煉智能工廠規劃是充分結合現有自動化、信息化建設基礎上，推進工業互聯網、大數據、人工智能、5G、邊緣計算、虛擬現實等前沿技術在冶煉工廠應用，實現物料、設備、能源等制造資源要素數字化匯聚、網絡化共享和平臺化協同，具備在工廠層面全要素數據可視化在線監控、實時自主聯動平衡和優化的能力，建設集全流程自動化產線、實時協同優化智能生產體系的智能車間，打造集綜合集成信息管控平臺、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，促進企業數字化轉型，實現高質量發展，提升企業的綜合競爭力和可持續發展能力。

銅冶煉智能工廠建設現狀及難點

1.有色行業智能化現狀

《有色金屬工業發展規劃（2016-2020年）》指出，有色行業的主要目標之一是在線監測、生產過程智能優化、模擬仿真等應用基本普及，選冶、加工環節關鍵工藝數控化率超過80%，實現綜合集成企業比例從當前的12%提升至20%，實現管控集成的企業比例從當前的13%提升至18%，實現產供銷集成的企業比例從當前的16%提升至22%，建成若干家智能制造示范工廠。

中鋁集團制定了《中鋁公司智能制造行動計劃（2017-2027 年）》，要求今后所有新建項目，必須增加智能礦山、智能工廠專篇，做到規劃、科研、設計三同步。且在2017、2018 年完成鋁和銅（包括礦山和銅冶煉）兩個核心業務版塊的智能化頂層架構設計。

江西銅業貴溪冶煉廠通過開展智能工廠一期建設，初步形成一套具有自動化、數字化、模型化、集成化、智能化特征的銅冶煉智能工廠，逐步實現制造效率、成本質量、過程管控等資源的優化配置。

集團公司自2004年以來，對于新建的礦山、冶煉、加工企業，除采用業內先進的工藝和技術裝備外，積極采用業內先進、成熟的生產過程自動化系統，并積極開展與智能制造相關研究與應用。冬瓜山銅礦研發并成功應用了千米深井智能無人駕駛電機車；金冠銅業成功應用基于5G+AGV陰極銅無人運輸系統；在金隆銅業、金冠銅業等主要冶煉廠采用了機器人剝片機組等。2021年集團公司編制了《智能制造建設規劃》，為銅冶煉智能工廠建設規劃指明方向。

但與鋼鐵石化等先進制造企業相比，有色行業無論在企業規模還是配套設備設施的自動化方向都無法比擬。總而言之，我國有色金屬行業智能化建設尚處在起步、試點、探索階段。

2.集團公司銅冶煉智能工廠建設難點

智能工廠建設規劃是一項復雜的系統工程，一是除集團公司正在謀劃構建未來的框架藍圖外，冶煉廠主要在局部建設，內容涉及產線自動化升級、廠內物流運輸優化、制造執行、安環、質量等多個業務方向，但未能按國家智能制造標準體系將其納入體系中進行總體規劃。二是閃速爐、電解槽等關鍵智能化裝備的研制技術難度大、成本投入高。三是原料種類繁多，雜質含量變化大，關鍵工序機理模型實用性不強。四是有色行業智能化生態系統未建立，配套的軟硬件供應商產品兼容性差、產品類型多，真正具備自主研發能力并能提供完整解決方案的企業較少，缺乏配套行業龍頭企業。五是有色行業智能化建設起步晚，缺乏頂層設計與行業標桿，存在建設目標和路徑不明確、建設內容不成體系、建設重點不夠突出、項目推進困難，系統意識不足，信息孤島現象嚴重等問題。

銅冶煉智能工廠建設實施原則

銅冶煉智能工廠規劃是一項頂層設計，需要結合國家、行業及集團公司智能制造建設規劃等指導標準統籌謀劃，從數字化基礎設施、智能生產與管理系統、統一數字化能力平臺、智能化創新應用以及相關支撐保障體系等多方面系統性建設，統一規劃、分步實施。

與國家和集團公司發展戰略相結合。集團公司銅冶煉智能工廠規劃將以集團公司發展戰略為建設目標，以國家智能制造發展戰略規劃為指引，結合國家、行業在智能制造方面發布的相關標準體系，并充分考慮冶煉板塊的智能制造現狀，綜合實施銅冶煉智能工廠規劃設計。

兼顧標準化體系與個性化需求。在國家、行業及集團公司智能制造建設規劃的基礎上，結合業務實際，堅持需求牽引，突出應用至上。對于具有共性需求的專項管理和IT基礎保障設施，按標準化模式進行規劃設計；在生產管控方面，充分考慮銅冶煉工廠實際情況，以解決企業生產管理和經營管理的實際問題為出發點，兼顧標準化體系與個性化需求，因廠制宜進行銅冶煉智能工廠建設。

統一規劃、分步實施。把握冶煉智能工廠發展方向和重點，從全局、整體層面進行頂層設計，圍繞有色行業銅冶煉智能工廠建設主要環節和重點領域，分步實施，有序推進冶煉智能工廠建設。

銅冶煉智能工廠整體架構

遵循《有色金屬行業智能冶煉工廠建設指南（試行）》框架結構，結合集團公司銅冶煉廠生產流程、自動化水平等特點以及現有信息化專項管理系統，借鑒基于工業互聯網平臺的云、邊、端架構，建立智能車間、智能物流、智能物質流、生產綜合集成管控平臺及經營管理基于大數據支持智能化系統，將企業大量基于傳統IT架構的信息系統作為工業互聯網平臺的數據源，實現企業全流程的智能生產和供應鏈協同，打造一個自感知、自學習、自處理的綠色、環保、安全、高效的智能冶煉廠。集團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內容

1.基礎設施數字化改造與建設

基于自動控制、智能感知等技術，結合集團公司生產工藝條件、工況特點，對閃速爐、浮選設備、電解槽等工業設備和其他基礎設施進行數字化改造，通過生產設備的自動化、集成化、智能化改造替代人工操作，以設備改造提升和互聯互通推動產線的整體升級，實現節能減排，減員增效，提高資源利用效率和優質產品率。

在現有冶煉工廠配備基礎之上，補充或添加新型傳感器、射頻識別等數字化工具和設備，提高智能感知。如物料成分在線檢測、熔體溫度在線檢測、煙氣成分在線檢測、熔體成分在線檢測、終點樣自動判斷分析儀、熱成像分析儀、電解槽極板短路自動識別、陰極銅表面粒子檢測等，實現生產現場數據的全面采集，實時感知生產過程和關鍵裝備運行數據和狀態。

針對冶煉廠具有勞動作業強度大、作業環境惡劣等特點，積極推進應用具備自我檢測、自我診斷、自我調節等功能的智能裝備。如研發銅冶煉爐開堵口機器人、轉爐風眼清理機器人，危險區域多維感知巡檢機器人，智能行車、陽極板陰極板無人運輸、智能倉儲、渣包運輸等，降低人員勞動強度，提高生產安全性、質量穩定性和生產效率。

建設滿足銅冶煉智能工廠所需要的工業互聯網內外網絡建設與工業安全防護建設。整體規劃部署控制網、生產網、辦公網、監控網等網絡，采用工業以太網、無線通信等技術實現生產實時數據、多媒體信息和管理數據等的傳輸交互，優先保障控制網的通信暢通與冗余安全，實現主要辦公區、重點作業區域網絡全覆蓋。依托5G網絡低延時、大帶寬、大連接的特點，實現5G+機器人在倉庫管理、物流運輸、工廠巡檢等智能化應用。同時，建立涵蓋網絡安全、數據安全、應用安全等在內的多重安全防護保障體系，提高信息安全態勢感知、監測預警、應急處理、追蹤溯源能力。

2.統一數字化基礎能力平臺建設

建立有色銅冶煉智能工廠統一數字化基礎能力平臺底座，實現對廠內運營管理、生產制造以及相關外部數據的集中匯聚與治理，并實現對匯聚數據的統一分析和算法模型構建，實現數據驅動的智能決策，并通過低代碼開發等實現基于數據驅動的應用開發部署，以支持數據驅動的智能創新應用建設。

3.智能生產與管理信息系統建設

通過大數據、人工智能、邊緣計算等新技術與傳統制造業結合，建立數據驅動的智能生產與管理信息系統，包括生產過程智能控制類系統、生產管理與執行類系統、企業管理與經營決策類系統、冶煉工廠虛擬仿真類系統，并通過綜合集成信息管控平臺實現全廠全面可視化。

生產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，通過建立先進工業控制、數據采集與集中監視、實時生產組織調度等生產過程智能控制類系統實現工藝流程中先進控制層的參數優化與協同，全流程生產數據的集中監視、設備的遠程集中控制以及異常報警提醒，對計劃執行、資源利用、產量與質量情況進行統計分析，輔助生產調度決策。

生產管理與執行主要圍繞設備管理、能源管理、質量管理、倉儲物流管理、安全與環保管理、人員管理等冶煉工廠日常生產管理領域進行信息化與智能化建設。

企業管理與經營決策通過從海量生產和管理數據中抽取關鍵有效數據，合并至企業級的數據倉庫，建立管理決策模型，最后以數據倉、儀表盤等形式將各類核心數據展現，預測未來趨勢，對決策的執行情況進行客觀評估。

虛擬仿真主要在關鍵設備、關鍵工序、關鍵車間等應用數字孿生技術，實現對生產過程模擬仿真與數字集成可視化，進行實時監控分析，輔助生產決策實時優化。

建設綜合集成信息管控平臺，通過統一門戶實現廠內生產管理全流程貫通與全面可視化。

4.數據驅動的智能創新應用建設

基于統一數字化基礎能力平臺提供數據處理分析與應用開發部署能力，開展大數據協同創新應用建設，如預測性設備維護優化、基于大數據的數模參數優化、基于陰極銅檢驗數據關聯分析的質量管理優化、生產管理優化、經營決策優化等。

5.基礎支撐保障體系建設

為保障銅冶煉智能工廠順利建設，還需要配套建立相應的基礎保障。如成立一把手負責的組織領導、資金投入保障、人才隊伍建設、標準規范體系以及運營維護制度等相關保障體系。

銅冶煉智能工廠實施路徑

新建工廠智能化建設。針對新建冶煉工廠依據其工廠定位，在科研報告、初步設計時編制規劃和方案時結合先進智能感知、智能裝備、智能生產與管理系統等建立高標準、高水平、高起點的銅冶煉智能工廠實施方案，并明確每個階段建設目標、預期效果及詳細實施方案，分階段統籌建設。

現有工廠智能化建設。針對已建冶煉工廠，因存在裝備種類多、自動化裝配多品牌、異構系統大量存在、多總線系統并存等現象，結合冶煉工廠實際生產經營情況，統籌規劃，分步實施，明確建設重點，有序推進智能制造建設。一是對現有工廠智能制造基礎進行評估，結合工廠實際需求明確建設目標和預期成果，并制定詳細實施計劃；二是建立數據、流程、操作過程等相關標準規范體系，對設備改造，加裝智能視頻監控和智能儀表，實現工廠數字化、網絡化、少人化；三是建設綜合集成信息管控平臺，實現在智能安防、能源管理、設備管理、質量管理及物流管理等方面可視化；四是深度挖掘大數據的潛在價值，建設大數據分析決策模型，實現預測性設備故障智能診斷、生產控制參數優化、數字仿真優化及經營決策優化等。

結語

智能工廠建設是推進銅冶煉工廠轉型升級、精準管理、提質增效，提升企業綜合競爭力和可持續發展能力的重要舉措。銅冶煉工廠應緊跟時代步伐，按照整體規劃、效益優先、分步實施的原則，應用前沿信息技術與企業現有信息化、自動化的基礎以及國家、行業等智能制造戰略相結合統籌規劃，明確具體建設目標和預期成果，制定詳細實施計劃，逐步建立數字化、網絡化、智能化銅冶煉智能工廠，最終實現企業清潔環保、優質低耗、安全高效的可持續發展目標。