矿山冶炼厂绿色智能应用研究

许 前，姜中晔，沈 波，姜 东

（1.矿冶科技集团有限公司；2.金属矿山智能开采技术北京市重点实验室；3.北矿智能科技有限公司，北京 100160；4.新疆喀拉通克矿业有限责任公司，新疆 富蕴 836107；5.江苏北矿金属循环利用科技有限公司，江苏 徐州 221000）

某矿山企业的冶炼厂原料以铜、镍为主成分，伴生有金、银、铂、钴等贵金属和硒、硫等非金属，品质波动大，冶炼工艺极为复杂。为解决小批量冶炼与大规模工业生产的矛盾[1]，该企业需要以现有自动化、信息化建设为基础，全面推进大数据、人工智能、虚拟现实等新技术在冶炼生产中的应用，从而实现冶炼装备、生产物料、风水电火能源等的智能化管控，最终将冶炼厂建成自动化生产线扁平化管理、生产设备集成化控制、能源精细化管控的智能化工厂。

1 智能冶炼厂架构

在智能冶炼厂建设过程中，该矿山企业采用工业互联网平台作为核心架构，建立“平台协同运营、工厂智能生产”的业务管理控制系统。一是对冶炼厂现有生产线进行自动化与智能化升级改造，使用可编程逻辑控制器（PLC）、物联网等技术手段实现生产线的改造升级，最终实现生产及配套设施的智能化控制与全生命周期管理；二是将冶炼厂已建信息化系统和新建信息化系统的数据融汇统一，实现数据格式的标准化与统一化，进而为冶炼厂边缘侧大数据分析与智能化决策提供强力支撑；三是对冶炼厂信息化系统数据应用、开发、服务等功能进行企业云化处理，实现异构数据汇聚与分析、工业生产经验系统化等功能[2]。

2 智能冶炼厂资源数字化体系

智能冶炼厂建设期间，可采用三维环境感知系统和三维可视化管理系统，构建资源数字化体系。

2.1 三维环境感知系统

利用三维激光扫描仪和同步定位与建图技术（SLAM）非接触、高密度、高精度、数字化、自动化、实时化等特点，全方位扫描破碎筛分设备、精矿库、熔炼炉、空压机房、高压风机房、锅炉房、化水站、制酸站、成品库、供配电设备等生产及配套设施，形成三维点云数据，进而支撑冶炼厂三维可视化管理系统与数字孪生系统建设。

2.2 三维可视化管理系统

依托三维可视化管理系统，将冶炼厂原始数据转换成动态的三维模型，进而实现冶炼厂资源的可视化管理、生产作业的扁平化管理、生产技能等的虚拟培训。空压机房三维模型如图1 所示。

图1 空压机房三维模型

三维可视化管理系统具有3 个主要功能。一是生产的精细化建模与动态更新功能。生产及配套设施的精细化建模与动态更新是智能冶炼厂建设中必不可少的基础环节，是智能冶炼厂实现生产作业智能组织与生产任务智能分配的前提。二是生产任务智能分配与计划编制功能。三维可视化管理系统采用自顶向下（由生产任务至生产排产）的方式实现生产计划的编制与生产任务的分配，包括年度、季度和月度计划，并可根据资源市场条件实现生产任务的快速调整与优化。三是虚拟仿真培训功能。针对冶炼厂实际业务场景，开发面向冶炼厂的虚拟仿真系统，对建设范围的厂区场景进行三维建模，使用者能够便捷地对冶炼厂进行三维浏览、漫游等操作，同时借助虚拟现实（VR）设备获得身临其境的体验。

3 智能冶炼厂管理体系

3.1 三维生产管控平台

三维生产管控平台业务模块如图2 所示。通过三维生产管控平台对冶炼厂已经建设的信息化系统进行有机集成，根据冶炼厂的整体生产工艺流程特点，结合冶炼厂实际管理需求，形成整体生产经营的数字化管控体系，实现在平台上协调一致作业，达到数据共享、全流程协作、规范化精细运营管理的目标。系统建成以后，横向打通生产管理（块料破碎筛分、配料、熔炼、电炉贫化、吹炼、高冰镍水碎）、生产计划、安防管理、设备全生命周期管理、质量管理、能源管理、培训考试等环节的数据流，进而实现冶炼厂生产作业全流程的闭环管理；纵向实现各管理层级实时、按需、动态调用各类数据，协同办公，高效支撑经营管理。

图2 三维生产管控平台业务模块

3.2 安全管理系统

安全管理系统以三维管控平台为基础，对冶炼厂破碎筛选、熔炼、吹炼等生产环节中产生的大量数据信息进行统计、分析，对数据信息反映的安全状态进行整理和归集，对安全隐患、违章的处理流程及结果信息进行实时管理。安全管理系统业务流程如图3所示。

图3 安全管理系统业务流程

3.3 智能安防系统

如图4 所示，冶炼厂的智能安防系统由5G 网络、综合管理分析、智能监控等模块构成。该系统具有架构稳定、安全分级管控、实时报警等特性，能够实现视频监控信息实时查看、回溯等功能，还可以利用人工智能（AI）平台实现危重区域侵入监测、车辆管理、人员行为监测和人员防疫管理等功能。

图4 智能安防系统架构

3.4 设备全生命周期管理系统

如图5 所示，设备全生命周期管理系统是以整个设备生命周期管理为主线，结合多平台应用体系，以落实化执行、预见化修护、可控化流程、高效化办公为重点，以提升企业综合效益为根本原则的智能化管理系统。在系统建设过程中，在生产及配套设施中易损的关键设备（破碎机、筛分器、熔炼炉、空压机、高压风机、锅炉、变配电设备等）上安装振动、温度、转速、电流、电压等传感检测设备，对这些设备产生的振动、温度、转速、电流、电压等重要参数进行全天候监测，并将采集的数据信息、历史趋势以及安全阈值集中展示在三维生产管控平台上。同时，将采集的数据融入企业数据库，利用神经网络等技术，深入挖掘数据信息，对生产及配套设施的状态、故障诊断、预维护等进行深入管理，进而实现设备的全生命周期管理。同时，该系统可以实现生产及配套设施的台账、备品备件、报废等的超前管理，进而降低企业生产运营成本，简化企业生产运营管理程序[3]。

图5 设备全生命周期管理系统

3.5 能源管理系统

能源管理系统具有数据采集（用能量、能源价格、用能形式等）、数据分析、能源监控和数据发布（利用图表形式将分析结果转化为各种报表和预测报告等，提供给管理层，以便做出决策）等能力，以实现能源数据系统化、透明化、格网化[4]。同时，建立能源三级管控体系，即按照公司级、车间级、班组级配置水、电、油、气等能源，实现能源设备在线过程全天候监控、能源调度、高能耗设备报警等功能，从而辅助冶炼厂实现降本增效，完成双碳指标任务。能源管理业务流程如图6 所示。

图6 能源管理业务流程

3.6 质量管理系统

质量管理系统以三维生产管控平台为基础，结合冶炼厂各生产工艺实际情况，实现破碎筛选、熔炼、吹炼等工艺过程中质量数据的整理和归集，实现进出场原料或产成品的规范化化验管理，实现质量检验、生产技术、信息中心等环节的数据流转，实现质检数据的高效共享[5]。质量管理系统具有4 项功能。

一是接样制样。质检部门接收样品后，根据不同的制样规则及化验规程进行制样，然后在系统内建立化验任务，任务通过系统流转给化验人员并通过消息待办的方式提醒化验人员。二是化验任务。不同的化验人员根据化验任务领取样品，根据任务要求开始化验并向系统提交化验单据。三是允差预警。关键环节的化验结果可以设置允差阈值，对于超出允差的录入值，系统给予提示，防止录入过程中出现错误。四是资源管理。根据管理需求，建立实验室相关用品的台账和领用制度及配套管理流程，实现对相关资源的全面管理。

4 结论

本文提出一种基于绿色智能矿山生产体系的智能冶炼厂建设方案，利用大数据分析、AI 识别、5G网络等先进技术实现冶炼厂的智能化管理。该方案以三维生产管控平台为核心，充分挖掘数据资源，形成了一套高可靠性、高及时性、高度扁平化的冶炼厂管理体系，对冶炼厂绿色化、智能化发展起到重要支撑作用。