智能化新技术在铝用炭素行业中应用的探讨

2020-03-12姜玉敬郑艳珍杨玉乾

世界有色金属 2020年24期

姜玉敬，王毅，郑艳珍，杨玉乾

（①中商碳素研究院有限公司，215203；②山东华鹏精机股份有限公司，264003）

面对当下，铝电解用炭素行业面临诸多挑战，应采取科学的方法积极应对；面向未来，铝电解用炭素行业应紧跟现代化技术进步的步伐，采用现代新技术成果改造和提升传统产业。为此，铝电解用炭素行业应高度重视并积极开展5G、互联网+AR/VR、人工智能等在铝用炭素制造业的开发与应用，从而实现从智能车间、智能工厂，到智能制造的发展目标。

在过去十年中，网络技术取得显著发展，越来越多的网络技术应用于控制系统。为了满足日益复杂的控制任务的需求，需要采集和存储的数据将会越来越多，控制系统必须能够处理这些海量数据，传统控制体系面临着越来越复杂、计算能力和存储空间存在约束等严峻挑战，迫切需要新一代控制系统具有智能计算、优化决策与精准控制能力。对此，在传统控制系统中引入云计算、大数据处理技术以及人工智能算法，通过各种传感器感知汇聚而成的海量数据，即大数据储存在云端，在云端利用人工智能算法，实现系统的在线辨识与建模，控制任务的计划、规划、调度、预测、优化、决策，结合智能控制算法，如自适应模型预测控制、数据驱动控制等先进控制方法实现系统的自主智能控制，形成云控制。云计算具有强大的数据计算和存储能力，边缘计算有部署灵活，计算的实时性，在终端应用边缘控制，基于云端协作机制，提高控制系统的实现性。

1 5G在铝用炭素行业发展中的应用

5G是第五代移动通信系统，不仅是4G系统的延伸，而且在性能指标和功能模块上，5G平台具有3G、4G无可比拟的优势。5G就是它不再局限于移动互联网，而且还能支持物联网、AR/VR、自动驾驶、人工智能等海量的应用，让人们真的进入到万物互联的时代。

为此，在铝用炭素工业中，从原材料、备品备件、燃料的采购、运输及储藏，到生产过程的各个环节，如煅烧、成型、焙烧、石墨化、产品机加工、阳极浇铸等操作的工人，5G将会全面改变他们的工作方式。5G可凭借更低的延时率，在控制室里远程给机器人发出指令，提高人机交互的效率和工作表现。

工业机器人将越来越多地代替工人，去恶劣危险的环境完成任务。5G技术结合AR或者VR，能实现实时的人机智能远程交互和智能控制，大大提高效率和安全性。

因此，在未来，5G将为铝用炭素行业提供全新的基础工具，而传感器、机器人、自动化设备、AI和独特设备的各种组合将释放出新一轮的重大机遇，并加速推动现有的旧技术和思维方式的淘汰。同时，5G将让工作方式和生活方式变得更加自动化，也将让很多曾经隐形、不透明的信息变得可见、可控、可预测。这种变化将比以往任何时候都来得都快，影响的范围也会更广。人工智能、5G应用于铝用炭素工业中，可以实现设备提供商对工厂设备的远程维护，对交通网络的监控，对能源、水和天然气等基础设施网络的控制；对生产各个环节的设备的运行与维护等控制，必将对铝电解用炭素工业产生深刻的改变。

2 工业互联网的发展与应用

工业互联网平台本质是通过工业互联网网络采集海量工业数据，并提供数据存储、管理、呈现、分析、建模及应用开发环境，汇聚制造企业及第三方开发者，开发出覆盖产品全生命周期的业务及创新性应用，以提升资源配置效率，推动制造业的高质量发展。

2.1 互联网对铝用炭素行业的影响

互联网对铝用炭素行业影响最为直观的是沟通与管理的便捷性，近几年炭素行业的电子商务业务也在起步，互联网在炭素行业的发展虽不及零售业，但互联网技术和产品已经对炭素行业传统模式带来冲击。

2.1.1 改变传统生产运作模式

目前炭素行业仍延续传统的产销方式，不过新的产销模式也已经萌芽，比如代生产、定制化生产。随着互联网与炭素行业的深度融合，必将改变企业与客户间的关系，个性化定制，用户全程参与，服务化转型将成为炭素行业新生产模式。另外，互联网让炭素产品性能、价格、产量、区域差异等有价值的信息透明化，炭素企业的秘密愈来愈少，企业的竞争愈演愈烈，当然合作也更加紧密，最终将催生平台化、产业链、生态化的竞争，利于炭素行业健康、持续、有序的运作发展。

在生产工艺、设备控制、产品检测等生产环节炭素企业引入互联网技术，可减少人工操作流程，有利于降低因人为干预带来的产品质量下降以及生产安全隐患，让炭素企业达到减员增效、降低成本的需要。另外，炭素产品的生产因种种因素会出现质量问题，通过对生产过程中的信息搜集，进行大数据的分析，找出影响炭素产品质量的原因，利于炭素企业降低因生产工艺带来的损失。

2.1.2 改变传统服务模式

互联网经济的快速发展，新型的服务模式也应运而生，比如OTO服务、体验服务、在线检测、远程运维等等，新型的服务模式让企业与客户之间的关系更加紧密。在炭素行业，企业就可通过在线检测、远程运维对生产过程中设备问题远程诊断与解决，此类服务已在其它传统制造企业使用，可直接复制应用于炭素领域。它不仅提高了设备运维的效率、提升了重大装备故障的预判率，还改变了当前设备运维的服务体系，侧面推动炭素设备生产企业的服务化转型。

互联网技术的应用，让产品质量追溯成为可能。比如阳极炭块，通过信息化技术可实现从配料、生产加工、成品、运输、应用整个环节进行质量追踪，当客户提出质量问题，就可通过信息化手段发现在某个环节出现的问题，节省解决问题的效率，避免了因此产生的纠纷。

2.1.3 改变炭素的发展环境

互联网网罗各类行业信息，将炭素企业置信息透明的环境中，让行业竞争更加充分、质检监督更加充溢，倒逼企业通过技术创新、服务升级、资源共享、分工合作、平台运营的方式寻求发展突破，炭素企业传统的信息差、地域差带来的利润被不断压减，传统的生产和贸易的模式会被互联网摧毁，炭素企业的发展环境将会发生颠覆性改变。

这种改变还体现在互联网让炭素企业所能获取的资源及途径更加丰富。互联网+物流、互联网+金融、互联网+教育、互联网+工业……以互联网为中心，将各行各业连接在了一起，打破了传统经济模式下，各行业的隔阂，也为跨界颠覆提供通途。在此情况下，炭素企业可通过互联网快速获得资金、人才、技术支持，所能使用的资源更加丰沛。

2.1.4 创新将成为重中之重

互联网给炭素企业带来丰富资源的同时，也加速了炭素企业的优胜劣汰，创新将成为在炭素企业在残酷竞争中立于不败之地的法宝。互联网与炭素行业的融合，改变了其生产模式、运营模式、服务模式，企业要想跟上互联网时代的发展，就要运营各种信息化手段，不断进行商业模式创新、产品创新、应用创新，以客户为中心，实现企业健康可持续发展。

2.2 铝用炭素企业应用互联网面临的问题

对于传统的铝用炭素制造业而言，互联网可节约中间环节的成本，提高生产效率，减轻人口红利消失带来的压力，促进企业的转型升级，但从行业实际应用来看，互联网对炭素企业的影响还比较有限，炭素企业对互联网技术的应用仅浮于表面，这与行业特点和工业互联网发展环境有较大的关系。

2.2.1 缺乏数据标准

铝用炭素企业涉及的应用场景非常复杂、工业设备繁多。比如在预焙阳极企业，虽然生产流程相比简单，但也要经过8道以上的生产工序，煅烧车间、制糊成型车间、焙烧车间和组装车间需要配合协作，因此会产生大量的生产、管理、设备运维方面的数据，大量不同数据的传输交互，工业协议等等还无法做到标准统一，这些都是阻碍互联网在工业领域应用的因素。

2.2.2 数据安全待提高

互联网时代，数据对每个企业都非常重要，而工业数据安全要求远远高于消费数据，工业数据如果存储出现问题一旦泄露，将威胁到生产企业的安全，甚至给社会安全带来隐患。

2.2.3 关键技术不足

工业互联网所需的嵌入式芯片、操作系统等核心技术被国外垄断，这从与美国的贸易战中得到充分认证；尽管我国有庞大完整的工业基础，但也面临转型升级、缺乏自主技术支持，阻碍了工业互联网落地的速度。

2.2.4 企业接受度不高

工业互联网距离炭素行业稍显远些，企业能接触工业互联网技术不多，对互联网对行业发展的思考也不够深入，认为其对公司业务的影响有限，仍在按传统模式经营企业。有部分企业虽然能够认识到工业互联网是未来大势，但想要升级，需要大量的资金，对于炭素行业的中小型企业无法承担这部分费用，只能安于现状。

2.3 工业互联网在铝用炭素企业的应用

铝电解用炭素领域采用“互联网+”就是“互联网+各个有关传统行业”，利用信息通信技术以及互联网平台，让互联网与传统行业（铝用炭素行业的上下游、配套的机械制造、耐火材料、能源、物流等）进行深度融合，形成铝电解用炭素工业互联网，创造新的发展生态。它代表一种新的社会形态，即充分发挥互联网在社会资源配置中的优化和集成作用，又将互联网的创新成果深度融合于经济、社会各领域之中，提升全社会的创新力和生产力，形成更广泛的以互联网为基础设施和实现工具的经济发展新形态。

在我国铝电解用炭素领域中，中商碳素研究院、山东华鹏精机有限公司、山东云想技术有限公司等都做了大量卓有成效的工作。中商碳素研究院是国内首家以互联网+（科技、产业、文化、金融）为一体的综合服务商，创立了“碳素网”和“铝行天下网”，见图1。

图1 中商碳素研究院建立的工业互联网

3 物联网在铝用炭素产业的发展与应用

物联网是新一代信息技术的重要组成部分，就是“物物相连的互联网”。物联网的标准定义是：通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物体与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

中商碳素研究院着力打造大宗工业物联网服务平台，为全行业的工业企业实现快捷、高效、低成本、安全可靠的高质量一站式服务，满足全行业、全产业链的全部企业的互联网、物联网和未来智能工厂及智能制造的需要。中商碳素研究院已初步建立起山东索罗门物联网服务平台和山东派啦啦物联网服务平台。

物联网的目标是为了让物与物在线相联，让在线的一切变得更有效率，这样对于炭素生产企业，有很大的应用空间，例如企业可以给每个生产员工配备一个RFID电子标签，通过在工厂内安装RFID读取设备，实施对人员的自动识别、位置定位，以此随时掌握人员的情况；同样的方法给每个工艺车辆配备一个RFID电子标签，通过在工厂内安装RFID读取设备，实施对工艺车辆的自动定识别和位置定位，从而实施对厂内物流的监控和管理，以提高运转效率，生产稳定后，可以制定各个工艺车的固定的轨迹路线，几点该干啥到哪里，为最终实现无人自动驾驶创造条件，无人自动驾驶在工厂里实现自动载货，比在大街上实现自动载人要容易的多，固定的线路、固定的货物、固定的上车卸货地点，想象一下，传感器的布置、线路轨迹的设置，安全措施的实施，是不是更好实现、效益也要好得多,节省车俩损耗、油料消耗，最大的发挥设备的投资回报率；其实在机器人概念大热前好多年，工业机械手是不是已经在工厂里得到了很广泛的应用，工业企业相比财力充足，节省看得见,效益更明显，所以物联网的应用肯定是在工业企业里开始,完善后再在其他行业推广的,所有有志做物联网的企业方向一定要放对,定位也一定要准确,服务对象没选对,投资大没回报。祈祷物联网企业尽快能和炭素行业结合,从而提高管理水平、降低成本，增加产品竞争力。

通过物联网改造成功的工厂，工厂管理水平将大幅度提高，质量大幅度提高，用人大幅度减少，成本有效降低，该企业市场占有率会大幅度提高，品牌会越来越响亮，企业效益也会越来越好。

对于整个铝用炭素行业，通过物联网技术的应用，不仅在设备管理、生产管理、质量管理、安全环保管理等都具有显著的作用，而且除了生产企业以外，还有物流、原料供应、设备的运行及备品备件、炉窑的大中小修、销售市场等环节；物联网在整个行业的整合作用更明显，更有效，原料的质量与价格、那里有供应与采购需求、库存多少、物流车辆有没有、有没有返程配货等等，这些信息的收集整合，每个环节都蕴含着巨大的商机和财富，目前整个产业现状基本还是：各企业单打独奏、一盘散沙，行业内叫得响的品牌企业不多，也没有哪家企业有绝对实力可以整合，大家都是各干各的，上下游信息不畅通，人浮于事，资源浪费严重，运营效率低下，全行业运转率低，运营成本较高，缺乏竞争力，行业的上下游迫切希望有正规、有实力的能整合物流、货源、市场占主导地位的企业品牌出现，把行业乱象捋顺，把风险降低，把成本降低，实现全行业、全产业链企业物联网。

4 人工智能在铝电解用炭素工业上的应用

人工智能正在对世界经济、社会进步和人民生活产生极其深刻的影响。人工智能从感知和认知两方面模拟人类智慧，赋予机器学习以及推断能力，在与5G通信技术、物联网以及云计算的协同下，成为能够真正改变现有人类社会生产工艺的科学技术。

就世界经济而言，人工智能是引领未来的战略性技术，全球主要国家及地区都把发展人工智能作为提升国家竞争力、推动国家经济增长的重大战略。对于铝电解用炭素行业的进步而言，人工智能技术为铝电解用炭素行业提供了全新的技术和思路，将人工智能运用于行业、企业、车间中，是降低生产成本、提升运营效率、保证安全和环境、提高竞争力的最直接、最有效的方式。

以山东华鹏精机有限公司、山东云想技术有限公司为代表的人工智能制造企业，已在铝用炭素生产全流程和阳极组装工艺中开拓性地完成一系列的人工智能机器人的制造，处于国际领先水平。

5 铝用炭素行业智能化的发展方向

铝电解用炭素企业智能制造的总体思路是以智能制造标准体系的构建、平台建设，提升铝电解用炭素企业数字化、网络化、智能化水平，打造铝电解用炭素行业智能制造解决方案为着力点，从智能车间、智能工厂做起，再到实现智能制造；促进互联网、云计算、大数据、人工智能在企业研发设计、生产制造、经营管理、销售服务等全流程和全产业链的综合集成应用，推进铝电解用炭素行业与上下游产业的互联互通及全行业的智能化转型升级。

任何事物的发展不可能一蹴而就，需要有一个科学的发展过程。就铝电解用炭素行业而言，在发展智能化的道路上可以按照智能车间、智能工厂、智能制造三个不同层次发展。

智能车间，智能工厂，智能制造，三个层级，各有不同，示意如图2。

图2 行业智能化发展的三个层次

其中智能车间和智能工厂属于术的层级，智能制造才属于道的层级。术无穷，道亦无尽;道尽，术亦可无穷，但较难有质的突破。道未尽，术无穷，一直持续下去，终究会有质的突破，实现铝电解用炭素行业的智能制造。

当前，我国大多数铝用炭素企业、行业智能制造系统还处于局部应用阶段，只有少数大企业单项业务信息技术覆盖面较高，关键业务环节应用系统之间实现了一定的协同和集成。大量企业处于工业2.0要补课，有些企业处于工业3.0待普及，有个别企业处于工业4.0要示范。对于我国铝用炭素行业而言，智能制造更是处于发展的初级阶段。

智能制造是系统工程，不能一蹴而就，切忌急功近利，需扎实推进管理优化。为避免企业在智能制造过程中走入误区，数字化和网络化是基础，智能化才是技术深水区，因此，企业首先应打好数字化、网络化这些强基固本的基础，进而充分挖掘智能化需求。需要以实事求是的态度，做好技术积累，应用多学科领域里的专业知识，通盘考虑，整体规划，按需实施智能制造需搭建行业智能制造服务平台，整合各方资源为铝电解用炭素行业提供专项服务，推动铝电解用炭素行业在新时代实现高质量的智能转型与升级。