智能制造在氧化铝生产企业的运用分析

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C hemical Engineering
智能制造在氧化铝生产企业的运用分析
唐弟快
（广西华昇新材料有限公司，广西　防城港　５３８０００）
摘 要：
党的二十大报告强调推动制造业高端化、智能化、绿色化发展。

加快发展智能制造已经成为新时期生产制造企业转型升级的必然趋势与客观要求。

了解生产制造企业智能制造发展现状，积极探寻生产制造企业智能制造发展发现，对提高智能制造发展水平，促进生产制造企业高质量、可持续发展存在积极影响。

本文从理论与实践两方面就氧化铝生产企业智能制造运用情况进行了分析。

在理论分析中，主要从智能制造运用意义、现状、研究方向进行阐述；在实践分析中，围绕氧化铝沉降分离、蒸发过程、焙烧炉参数控制等探讨了智能制造运用表现与成效。

希望通过本次探究，能够为氧化铝生产企业智能化发展探究与实践提供参考。

关键词：
氧化铝；智能制造；工艺模型；先进控制中图分类号：ＴＱ１３３．１　文献标识码：Ａ 文章编号：
１００２－５０６５（２０２３）１９－０１５４－３Application Analysis of Intelligent Manufacturing in Alumina Production Enterprises
TANG Di-kuai
（Ｇｕａｎｇｘｉ　Ｈｕａｓｈｅｎｇ　Ｎｅｗ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｃｏ．，　Ｌｔｄ，Ｆａｎｇｃｈｅｎｇｇａｎｇ　５３８０００，Ｃｈｉｎａ）
Abstract: Ｔｈｅ　ｒｅｐｏｒｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　２０ｔｈ　Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｇｒｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｃｏｍｍｕｎｉｓｔ　Ｐａｒｔｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ　ｅｍｐｈａｓｉｚｅｓ　ｔｈｅ　ｐｒｏｍｏｔｉｏｎ　ｏｆ　
ｈｉｇｈ－ｅｎｄ，　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ，　ａｎｄ　ｇｒｅｅｎ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｉｎｄｕｓｔｒｙ．　Ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｈａｓ　ｂｅｃｏｍｅ　ａｎ　ｉｎｅｖｉｔａｂｌｅ　ｔｒｅｎｄ　ａｎｄ　ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｕｐｇｒａｄｉｎｇ　ｏｆ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｎｅｗ　ｅｒａ．　Ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｓｔａｔｕｓ　ｏｆ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｉｎ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅｓ，　ａｃｔｉｖｅｌｙ　ｅｘｐｌｏｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｆｉｎｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｉｎ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅｓ，　ｈａｓ　ａ　ｐｏｓｉｔｉｖｅ　ｉｍｐａｃｔ　ｏｎ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｔｈｅ　ｌｅｖｅｌ　ｏｆ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｐｒｏｍｏｔｉｎｇ　ｈｉｇｈ－ｑｕａｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅｓ．　Ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｉｎ　ａｌｕｍｉｎａ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅｓ　ｆｒｏｍ　ｂｏｔｈ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ａｎｄ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅｓ．　Ｉｎ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ，　ｉｔ　ｍａｉｎｌｙ　ｅｌａｂｏｒａｔｅｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ，　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ，　ａｎｄ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ；　Ｉｎ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ，　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ａｎｄ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ　ｏｆ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｗｅｒｅ　ｅｘｐｌｏｒｅｄ　ａｒｏｕｎｄ　ｔｈｅ　ｓｅｄｉｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｌｕｍｉｎａ，　ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ，　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｃａｌｃｉｎａｔｉｏｎ　ｆｕｒｎａｃｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．　Ｉ　ｈｏｐｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｉｓ　ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ，　ｉｔ　ｃａｎ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｐｒａｃｔｉｃｅ　ｏｆ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｉｎ　ａｌｕｍｉｎａ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅｓ．
Keywords: ａｌｕｍｉｎａ；　Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ；　Ｐｒｏｃｅｓｓ　ｍｏｄｅｌ；　Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ
收稿日期：
２０２３－０８作者简介：
唐弟快，男，生于１９８３年，汉族，广西贵港人，本科，工程师，研究方向：氧化铝生产工艺、氧化铝生产智能制造。

智能制造是对具备智能特征的先进生产制造模式、技术、方法、过程、系统等总称。

它以产品整个生命周期为对象，以信息化为基础，充分利用先进制造技术，实现生产流程的即时信息感知、生产精准控制、决策自动优化。

达到提高产品质量与生产效率，提升产品制造控制能力的目的。

当前智能制造已经成为生产制造企业建设与发展的主攻方向，其水平不仅关乎生产制造企业可持续竞争能力，也关系制造强国建设进程，影响制造业发展格局变化。

因此，加强智能制造研究具有非常重要的现实意义。

以下是对氧化铝生产企业中智能制造运用的探析，意在抛砖引玉。

1 智能制造在氧化铝生产企业中运用的理论分析
（1）智能制造运用的意义。

加强智能制造在氧化铝生产企业中的运用，具有非常重要的意义：
第一，促进氧化铝生产企业转型升级。

氧化铝是铝产业链条中的重要环节，氧化铝行业涉及下游行业众多，如电力工程、汽车制造、建筑工程、机械制造、航空航天等行业。

因此，氧化铝生产需求量较高。

据相关数据统计，2022年中国
氧化铝产量已达8186万吨，年均复合增长量超过6%。

随着
氧化铝行业迅猛发展，氧化铝生产原材料日渐紧张，生产成本不断增高，对氧化铝生产制造提出了更高要求。

智能制造的运用，能够以企业需求为导向，进行柔性化、绿色化、智慧化、创新化制造，实现氧化铝生产企业智能化升级，促进氧化铝生产企业高端化发展，满足企业转型升级内在要求[1]。

第二，给予氧化铝生产企业新优势，保障企业可持续竞争发展。

氧化铝生产企业发展智能制造过程中，能够将智能制造方法、技术、系统、平台等引入到氧化铝生产全生命周期中，让智能制造更好服务氧化铝生产管控、氧化铝运营服务，实现生产效率提高、资源能耗节约、生产成本减低、产品品质增强等。

这在一定程度上帮助氧化铝生产企业解决提质增效与节能减排的矛盾，利于“双向挤压”局面破除与综合效益提升，可保证氧化铝生产企业可持续竞争发展[2]。

（2）智能制造运用的现状分析。

当前，氧化铝生产企业对智能制造技术给予了高度重视，积极研发适用于氧化铝生产制造及管理的智能制造技术、系统、方法，并取得了一定成绩。

例如，在现代传感技术、大数据技术、自动化技术、图像识别技术、可视化监测技术等集成下，构建了智能化监测系统，实现对氧化铝生产过程的自动化、智能化监督与管控，大幅度提高生产故障防控能力、生产管理成本节约水平、生产工艺精确控制水平等。

从氧化铝生产企业智能制造整体研究与发展情况来看，
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智能制造的运用仍处于不断发展阶段，存在一定不足有待进一步完善。

例如，部分企业在发展智能制造时，因对智能制造本质、特性、作用等缺乏准确认知，将智能制造等同于自动化制造，导致智能制造系统技术集成水平有限，智能制造广度、深度无法得到有效拓展，智能制造作用得不到充分发挥。

同时，智能制造对软件技术具有较高要求，目前氧化铝生产企业智能制造应用软件系统多为国外软件，受此影响企业智能制造系统运用成本增加，推广进程受阻。

智能制造建立在多种先进科学技术集成应用上，由于国内高端技术人才短缺，导致多数技术无法在智能制造技术、系统等研发中推广使用，这在一定程度上限制了技术集成水平，影响了智能化程度，不利于氧化铝生产企业现实需求满足。

（3）智能制造运用的研究方向。

根据智能制造在氧化铝生产企业中运用现状，结合氧化铝生产企业发展需求，建议从以下几方面加强研究，以便解决当前氧化铝生产企业智能制造存在的问题，加快氧化铝生产企业智能化建设。

其一，系统分析国内外智能制造先进理念，积极探寻智能制造主体结构，并立足氧化铝生产企业，研究智能制造方案与物的状态、生产水平相适应的管理架构、运行机制所需要的现代化管理手段的支持，实现生产关系与生产力的精准匹配。

明确智能制造、智能制造系统概念，深化氧化铝生产企业智能制造内涵。

其二，智能制造系统需要面向氧化铝生产整个生命周期服务，对系统开发与设计具有较高要求。

这就需要在智能制造研究过程中，能够加强智能制造系统开发与设计理论探究，包括系统开发工具、语言、设计标准、评价指标等，以推动系统研发规范化、标准化、专业化等发展。

其三，安全生产是企业经济效益得以保证的基础，是社会稳定的前提。

氧化铝生产部分工序环境恶劣，氧化铝智能制造要解决恶劣环境条件下利用人工智能替代作业的问题，实现生产现场无人化、少人化，打造企业本质安全。

其四，氧化铝生产企业属于技术密集型企业，在运用智能制造系统进行产品生产工艺流程控制时，需要保证智能制造系统能够对生产工艺流程进行科学、有效模拟，实现对生产工艺流程的自学习、自决策、自执行、自适应。

解决生产全流程波动带来的缺陷和损失问题。

其五，目前智能制造系统设计多采用模块集成方式进行设计。

但由于氧化铝生产工艺程序较为复杂，智能化管控要求较多、较高，系统需要构建多个单元模块。

如何有效集成各单元模块，提高系统信息共享水平，是氧化铝生产企业智能制造系统研究迫切需要解决的问题之一。

其六，氧化铝生产介质具有腐蚀性、易结垢等特点，导致部分工艺参数难以在线准确测量，已成为瓶颈问题之一。

提高智能制造硬件与软件系统自主研发能力，规范智能制造系统设计标准，是摆脱智能制造系统以及进口软硬件制约，保证智能制造稳定、健康、长足发展的重要路径，也是氧化铝企业加快发展智能制造根本保障。

其七，发展智能制造是一个综合性过程，不仅需要注重智能制造系统、技术等研究，也需要注重智能制造管理研究。

2 智能制造在氧化铝生产企业中运用的实践分析
拜耳法是当前氧化铝生产企业应用最为广泛的一种生
产工艺。

氧化铝生产过程控制系统主要有：原料堆存和均化过程控制系统、原矿浆配料和磨制过程优化控制系统、溶出
过程优化控制系统、赤泥沉降分离过程控制系统、晶种分解过程控制系统、蒸发及碱液调配过程自动控制系统、氢氧化铝焙烧过程综合自动化系统。

在拜耳法生产工艺流程中，沉降分离、多效蒸发、苛性碱溶液运用、焙烧等占据重要地位，实现其过程的优化操作与智能控制，对整个氧化铝生产工艺效能提升存在积极影响。

图1 拜耳法氧化铝生产工艺流程图
（1）智能制造在氧化铝沉降分离中的运用。

沉降分离工序主要承担矿浆洗涤任务。

沉降分离质量高低对产品品质、产量、能源消耗、人工劳动强度等有直接影响。

因此，氧化铝生产企业有必要注重沉降分离工序改善，善于运用智能制造技术实现对沉降分离技术指标的有效控制。

某企业在目前沉降槽泥层、清液层检测技术和控制技术进步等基础上，综合考虑氧化铝生产工艺特征、生产实际需求，利用非接触式泥层界面仪及设计的沉降APC 控制系统。

实现了对沉降槽运行状况的自动化、无接触检测，能够有效降低人工接触探测劳动强度，规避接触探测对氧化铝生产设备的不利影响。

以提高沉降系统的运行稳定性、降低生产消耗成本、
降低人员工作强度。

图2 非接触式泥层界面检测仪工作原理
沉降工艺系统的控制目标主要有系统液量控制、泥量控
制和槽况控制三部分。

这三部分都需要泥层界面仪提供相应的测量数据。

界面仪可以提供清液层、沉降层、泥层三个界面的数据，可用于常规控制。

同时，根据界面仪CAN 总线将各个界面仪的原始检测数据传输到服务器处理分析，完成后传递给APC 主控程序。

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在沉降APC系统的主控程序中，通过建立赤泥分离洗涤系统物料衡算数学模型与DCS系统的关联控制，搭建智能优化控制平台。

主控程序分析计算后，最终将各个槽子按照预先设定泥层范围，结合界面仪对泥层固含的模糊分类和平衡规划，进行提前预估底流流量控制，实时调整底流流量将各个槽子的泥量达到一个动态平衡状态，最终实现整条线泥量平衡。

主控程序根据预设的液位高度，自动调整溢流泵流量达到整个系统的液量平衡；根据每个槽子的实际槽况，做出预处理，计算絮凝剂的合理添加量，做到精准添加；根据运行中采集到的各种报警信息按照预设方案自动执行。

最终达到自动化控制、稳定优化工艺技术指标、提高系统赤泥处理能力、降低絮凝剂用量、降低末次洗涤赤泥附损、降低劳动强度、降低生产成本的目的[3]。

（2）智能制造在氧化铝蒸发过程中的运用。

蒸发工序承担着维持碱平衡和水平衡的重要任务。

由于蒸发过程中要使用大量的热蒸汽间接使母液受热浓缩，是氧化铝生产主要的耗能工序。

据统计，蒸发过程的蒸汽消耗量占整个生产过程总汽耗量的40%以上[4]。

因此，蒸发过程的节能降耗是实现拜耳法氧化铝生产全流程节能降耗的关键，迫切需要利用先进控制技术优化生产，达到降低能耗、提升生产智能化水平的目的。

某氧化铝生产企业针对拜耳法氧化铝生产过程中的蒸发流程，构建了蒸发过程工艺模型，并通过分布式控制系统实现，取得较好成效。

某氧化铝生产企业采用的蒸发系统为七效管式降膜蒸发系统，由降膜蒸发器、自蒸发器、冷凝水罐等设备组成。

氧化铝蒸发过程中，新蒸汽由第一效蒸发器输入，蒸汽温度逐渐降低；而蒸发原液分两段进料，一部分进五效蒸发，依次经四效、三效、二效、一效、一~五闪出料，五闪一部分高浓料出料，余下部分出料至调配槽；另一部分原液送入原液闪蒸器，出料至七效加热蒸发，逆流至六效蒸发出料至调配槽，再与部分原液和液碱调配得到满足要求的合格母液。

拜耳法氧化铝的蒸发过程设备多，描述过程的变量众多，且变量之间具有强耦合性，是一个多变量、强耦合、参数不确定的强非线性的工业过程[5]。

现场操作参数测量与控制难度较大。

某企业利用智能制造技术，基于福克斯波罗的AVEVA APC多变量模型预测控制系统平台和非线性、神经网络技术，构建七效五闪两段蒸发工艺模型，模型主要在氧化铝生产集中控制中心的分布式控制系统中实现。

控制服务器通过OPC server与DCS服务器交互，先进控制算法实时运行，通过自动采集蒸发过程数据，使用APC软件激励测试蒸汽消耗量、出料苛性碱浓度与新蒸汽流量、原液进料量的关系，同时辨识新蒸汽温度、入口蒸汽压力、入口蒸汽温度、出口二次蒸汽温度、入口母液温度、出口母液温度、冷凝水温度等干扰变量与出料苛性碱浓度和整体耗汽量的关系，构建新蒸汽流量、原液进料流量的预测控制模型，优化出最佳控制量。

同时，利用深度学习技术搭建苛性碱浓度智能预报系统，实现对苛性碱溶液浓度自动化监测，自动调配出浓度符合生产要求的苛性碱溶液，实现蒸发生产工艺的自动化优化控制与智能化监控。

（3）智能制造在氧化铝焙烧炉控制中的运用。

某企业的焙烧炉系统分成喂料系统、预热旋风筒、焙烧炉、冷却旋风筒、流化冷却床、氧化铝输送系统、收尘返灰系统几部分组成。

氢氧化铝经过皮带输送至小料仓L01，经由皮带称F01后由喂料螺旋A01送入文丘里干燥器A02进行干燥后，送到一级、二级预热旋风筒P01、P02进行预热焙烧后，送至气态悬浮焙烧炉P04内完成焙烧。

物料经过P03分离后的高温烟气去预热系统，经P02—文丘里—P01—电袋复合除尘器—ID风机后排空，焙烧后的产品依次通过冷却旋风筒C01、C02、C03、C04与冷空气进行热交换实现降温，最后进入流化床冷却器K01、K02冷却，由风动溜槽、斗式提升机将成品氧化铝送到氧化铝仓储存。

当前，多数企业通过分布式控制系统对氧化铝焙烧过程进行控制。

部分操作参数已实现单回路控制。

但焙烧工序外部影响因素复杂，且多装置间关联具有强耦合性，生产工况波动对人工值守依赖性强，各司其职的单回路控制难以处理多因素复杂耦合的工况，不利于焙烧过程参数控制精准度的提高，无法真正做到氧化铝焙烧过程自动化管控。

某企业针对氧化铝焙烧过程控制问题，提出利用智能制造技术构建氧化铝焙烧炉智能控制系统，实现对氧化铝焙烧过程中的智能预测，对氧化铝焙烧炉参数的优化控制。

智能预测模型设计如下[5]
：
式中：J(y,u)代表目标函数；n与N分别代表输入量个数、步长累计量；t与T分别代表采用时刻、时间域；u()、y()、yd()、f()分别代表系统输入、输出、期望输出、系统函数。

焙烧炉参数优化控制涉及主要变量有燃烧器烧嘴开度、燃烧器阀门开度、燃烧器燃气流量、喂料装置转动速度、引风机转动速度、干燥器进口温度、干燥器出口温度等。

氧化铝焙烧过程智能化控制后，模型预测量与实际量差距不足0.05%，模型预测精准度较高，能耗降低，经济效益明显。

3 结论
氧化铝在我国铝产业链中的地位至关重要。

随着我国铝产业的高速发展，氧化铝生产制造规模不断扩大，生产制造要求不断提高，加快氧化铝生产企业转型成为必然趋势。

智能制造理念的提出与相关技术的推广使用，为氧化铝生产企业转型、升级提供了驱动力。

在实际应用中，智能制造覆盖范围广泛，运用形式多样，能够多维度、全方面满足氧化铝生产企业高质量发展需求，为企业可持续竞争提供保障。

[1] 吴琳,王晨瑜.浅谈氧化铝企业发展现状及安全生产管理措施研究[J].
世界有色金属,2021(16):153-154.
[2] 刘涛.智能制造在氧化铝生产企业中的理论研究[J].工业设
计,2015,(第7期).
[3] 廖新勤,杨琦,冯正民.赤泥沉降系统的在线检测和智能优化控制[J].
轻金属,2019,(第4期).
[4] 王文喜.拜耳法氧化铝蒸发过程的数值模拟及在I/A系统上的实现[J].
当代化工研究,2022(16):34-37.
[5] 刘继承,甘长能.氧化铝焙烧炉智能优化控制策略探索[J].化工自动化
及仪表,2022,49(02):151-156+164.
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