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在工业元宇宙中实现绿色铝业
[作者 馮升華]   2023年12月27日 星期三 浏览人次: [2755]

从铝土矿开采,到电解铝冶炼,到铝合金材料、零件及产品生产,直至铝材料的回收与??圈利用,如何实现整个铝产业链的可持续发展?答案是在工业元宇宙中建立整个产业链的虚拟分身,通过资料驱动来实现绿色铝业。


地球的总品质约为5.97*10^24 Kg,地球整体铝元素的含量为1.59%,约合9.5*10^19吨;地壳(Earth Crust)的总品质约为2.4*10^22 Kg,铝是地壳中第三大丰度(天然存在比)的元素(仅次於氧和矽),也是丰度最高的金属,含量为8.23%,约合1.98*10^18吨。铝可以无限回收利用,在所有人类曾经生产的铝中,近75%至今仍在使用。


地球上的铝都是哪些企业生产出来的?这些企业是如何思考数位化转型的?我们经常说,工业软体是工业与软体的紧密结合,铝业也是一样。铝业企业的数位化转型是由铝业工业软体支援的,铝业工业软体与铝业企业紧密结合,一方面,铝业企业的需求不断进化,促进铝业工业软体的需求也相应进化,铝业工业软体因此不断更新,以满足企业需求;另一方面,铝业工业软体引领铝业行业的数位化转型发展,也会将其他行业所获得的先进理念和体验融入其中,??圈反覆运算,实现铝业企业与铝业工业软体携手并进式的演进。


在过去40年,达梭系统与全球铝业企业共同在工业元宇宙中探索绿色铝业。展??未来,至2040年,达梭系统与铝业企业探讨的是类似於ChatGPT文本内容生成的思维,如何学习人类所有的工业知识、铝制品及所有产品的使用体验,基於人工智慧演算法,创造出最具可持续性的铝制产品,采用最具可持续性的制程,实现100%铝材料的??圈利用,实现铝业的产业蝶变。



图一 : 在工业元宇宙多尺度的视野下思考绿色铝业(source:达梭系统)
图一 : 在工业元宇宙多尺度的视野下思考绿色铝业(source:达梭系统)

工业元宇宙是一个涵盖虚拟实境、增强现实、人工智慧、物联网等技术的网际空间,将现实世界的工业生产与数位世界相融合。从宏观到微观,从星球、国家、城市、基础设施、工厂、产品、材料、原子等不同的尺度规模来看,工业元宇宙对铝业的可持续发展具有以下影响:


星球尺度:通过工业元宇宙,对地球上的铝资源分布进行精确勘探和评估,有助於合理规划铝产业的发展布局,降低资源浪费和环境污染。


国家尺度:工业元宇宙可以为政府部门提供即时的铝产业资料,说明制定合理的产业政策和法规。同时,工业元宇宙可以促进国际合作,实现全球铝产业的协同发展。


城市尺度:工业元宇宙可以应用於城市规划和设计,优化铝资源的利用,提高城市基础设施建设和建筑等领域的铝制品使用效率。


基础设施尺度:工业元宇宙可以即时监测和优化基础设施中的铝制品使用状况,为维修和更换提供依据,提高基础设施的效率和可持续性。


工厂尺度:工业元宇宙可以即时模拟和优化铝厂的生产过程,降低能源和资源消耗,减少污染排放。同时,可以为工厂设备的维护和管理提供支援,提高设备运行效率。


产品尺度:工业元宇宙可以优化铝制品的设计、生产和销售环节,提高产品品质和性能。同时,可以促进铝制品的回收和再利用,实现产品全生命周期的可持续发展。


材料尺度:工业元宇宙可以应用於铝材料的研究与发展,通过类比、优化材料的结构和性能,提高铝材料的环境友好性和可持续性。


原子尺度:工业元宇宙可以应用於铝原子的研究,例如研究铝原子的化学反应特性、晶格结构等,为铝材料的改性和优化提供理论支援。


综上所述,工业元宇宙可以从多个尺度影响铝业的可持续发展,为铝业的发展和创新提供支援。然而,工业元宇宙技术的应用和发展也需要关注其对环境和隐私的影响,以实现可持续发展的目标。


从宏观到微观的思考,是基於纵向视角去思考铝业的可持续发展。而从铝业全产业链的角度,从铝土矿的开采、矿石的运输、冶炼、铝材成型、零部件加工、组装成产品、产品使用、维护维修到铝材料的回收再利用,则是从横向的视角去思考铝业的可持续发展。



图二 : 完整产业链铝业元宇宙(source:达梭系统)
图二 : 完整产业链铝业元宇宙(source:达梭系统)

工业元宇宙能够如何助力铝业的全产业链的各个环节实现绿色可持续:


优化资源配置:工业元宇宙能够实现各个环节的资讯共用,提高资源配置效率,降低能耗和排放。


智能监控与调度:工业元宇宙可以即时监控铝业全产业链的运行状态,进行智慧调度,提高生产效率,减少能源消耗和排放。


绿色生产技术应用:工业元宇宙可以推动铝业全产业链采用绿色生产技术,如清洁能源、废料回收利用等,实现绿色可持续发展。


虚拟模拟与优化设计:工业元宇宙可以进行铝制品的虚拟模拟和优化设计,减少生产过程中的能源消耗和环境污染。


培训与教育:工业元宇宙可以为铝业全产业链的从业人员提供培训和教育资源,提高其绿色生产意识和技能,促进绿色生产方式的普及。



图三 : 覆盖铝土矿全生命周期的虚拟分身矿山 (source:达梭系统)
图三 : 覆盖铝土矿全生命周期的虚拟分身矿山 (source:达梭系统)

GEOVIA是达梭系统旗下的一个地球科学软体品牌,主要为地球科学、矿产资源和环境领域提供软体解决方案。GEOVIA可以帮助铝土矿企业实现可持续开采,主要表现在以下几个方面:


地质建模与勘探:说明铝土矿企业进行地质建模、资料处理和分析,提高勘探效率,降低勘探成本。通过准确的地质模型,企业可以更加了解矿藏分布和矿石品质,为矿产资源的可持续开采提供科学依据。


矿产资源管理:说明铝土矿企业进行矿产资源管理,包括资源储量估算、矿产资源开发规划等。企业可以根据资源储量和开发计画,合理安排生产规模和开采速度,避免过度开采和资源浪费,实现可持续开采。


环境监测与评估:说明铝土矿企业即时监测环境状况,评估矿业活动对环境的影响。企业可以根据监测资料,采取相应的环境保护措施,降低开采过程中的环境污染和生态破坏,实现可持续开采。


安全生产与监测:说明铝土矿企业进行安全生产管理和监测,包括地质灾害预警、矿井安全监测等。企业可以通过即时监测矿井安全状况,预防和减少生产事故,保障员工生命安全,实现可持续开采。


数位化转型:说明铝土矿企业实现数位化转型,提高生产效率和经济效益。企业可以通过数位化手段,对矿产资源开采、生产、销售等环节优化管理,降低成本,提高竞争力,为可持续开采提供支援。


达梭系统提供的数位化平台为世界各地的铝业公司致力於实践可持续绿色发展,提供强有力的支援。本文将通过多个使用GEOVIA软体的案例予以说明:


案例1

SBG Bauxites de Guinee是几内亚的一家铝土矿开采公司,使用GEOVIA软体的领域,包括:1.创建矿山的3D模型:创建矿山的3D模型,这些模型被用於规划采矿作业、优化资源使用;2.模拟采矿作业:类比采矿作业的目的在於评估采矿作业对环境的影响并识别潜在风险;优化采矿计画:优化采矿计画被用於最大限度地回收铝土矿,同时最大限度地减少采矿作业对环境的影响。


GEOVIA软体的使用说明SBG实现了可持续采矿的目标。该软体说明该公司改善了环境绩效、降低营运成本并提高生产力。并优化Fria 矿的采矿计画,使得采矿过程中的用水量减少了10%。同时评估新采矿专案的环境影响,使得在专案开始之前就可以识别并减轻潜在的环境风险。GEOVIA软体提高采矿作业的效率,使得生产力提高了5%,营运成本降低了10%。SBG致力於利用技术来改善其环境绩效,减少对地球的不利影响。


案例2

Jamalco是牙买加的铝土矿开采公司。GEOVIA软体说明Jamalco改善环境绩效、降低营运成本并提高生产力,实现了可持续采矿的目标。Jamalco使用GEOVIA软体优化Ewarton矿的采矿计画。采矿过程中的用水量减少了15%。


当前的铝业市场不断变化,面对激烈的竞争,较小的企业以差异化优势获得市场,而全球大型企业则从规模经济中寻求利润。无论企业规模的大小,供应链计画与优化(SCP&O)都可说明铝业客户在严苛的市场环境下更好地生存与发展。


不少铝业企业在使用Excel试算表、企业资源计画系统(ERP)、制造执行系统 (MES)或有一定计划功能的软体来管理营运。然而面对当前的市场环境,这些系统已无法全面支援铝业企业未来的发展需求。ERP系统可以告诉我们过去发生的事情。然而面对过去单一的现实,用户没有更多的选择。MES系统可以告诉我们当前的情况,然而使用者也只能获得下一步需要做什麽的指令,却无法从无数种未来可能性中研判哪个计画最隹。即便这些系统有额外的计画与优化功能,其智慧化程度也不足以应对复杂的供应链需求。


什麽是真正的计画与优化系统?它应该支援企业朝向未来制定出最隹计画与决策:它可以纳入全部产能约束、业务规则、行业规范与使用者偏好;它能够100%满足企业独特的业务需求;它基於企业KPI实现对计画的优化;它能够回答「what-if」的假设性问题,一种对未来各种可能性进行设定的科学方法论,特别是与公司战略一致的未来设定;它可以即时优化营运,迅速高效地达成业务目标。


先进的供应链计画与优化系统将支援铝业企业:分析营运现状并预测未来需求,确定每个变化对供应链所产生的影响;基於需求预测、现有库存及有限产能生成销售与营运计画(S&OP);根据销售计画与有限产能快速回应订单最大程度提高热装率与切割成品率;轻松应对不断变化的业务规则与客户需求最小化突发事件对当前营运的干扰;分析并有效缩短交付周期;分析和控制所有计划层次的物料流向;分析不同计画对KPI的影响,以作出最隹决策,确保业务目标的实现。


达梭系统DELMIA Quintiq(坤帝科)是全球供应链计画与优化(SCP&O)软体品牌,通过单一平台,帮助铝业使用者实现对原料、设备、人力、仓储等企业资源及采购、生产、销售、物流等业务营运环节的长期、中期与短期的计画与优化,将供应链由成本中心变革为强大的利润助推器。


DELMIA Quintiq创新的供应链计画与优化能够帮助铝业企业轻松应对挑战,提升效率,并在供应链的每一个环节创造最大的价值。它能够在一个统一的平台中,对人员、资源与流程实现端到端的、覆盖所有层级的计画与优化。这正是DELMIA Quintiq供应链计画与优化软体具有的重要价值。


案例3

ELVAL集团是VIOHALCO的铝加工和贸易部门。ELVAL为全球最重要的铝轧制产品生产商之一,目前是希腊唯一重点从事此行业的集团公司。ELVAL集团建有大量制造基地,其中包括位於希腊、保加利亚及英国在内的12家制造厂,这些基地生产一系列不同的铝制产品,满足食品、造船、汽车、建筑及印刷行业的需求。ELVAL产品中85%以上出囗到全球80多个国家。


ELVAL需要做出大量复杂的计画及排程决策,每个决策都会影响企业的盈亏。这些计画复杂的部分原因在於:大量大小不一的订单、产品组合复杂,合金种类及尺寸规格多样、不同生产流程(熔铸、热轧/冷轧、涂装及制箔)中的多台机器设备、多项生产规则及约束条件、难以合并冷轧生产中的铝箔卷订单等。


复杂状况会带来棘手的难题,即流程一旦出现中断,所需的计画修订工作十分费力。过去大部分计画工作都由手工完成。DELMIA Quintiq於ELVAL实施的解决方案顺序依次是生产流程计画、主生产计画、熔铸排程计画、热轧计画、冷轧计画、以及箔片生产排程。ELVAL的销售也一直在进行,从未间断过。


ELVAL在采用DELMIA Quintiq软体平台之後实现了节馀。DELMIA Quintiq软体采用尖端的优化演算法来管理ELVAL的预算核查、物料需求计画及有限产能计画。这些计画被用於指导ELVAL的日常生产排程。


DELMIA Quintiq系统能在整个生产过程中预计完工日期,以便通知ELVAL的客户。同样,预计交付时间也通过企业SAPERP系统向ELVAL的各个销售代表发出通知。ELVAL现在采用DELMIA Quintiq一体化计画解决方案套件,能够向客户承诺符合实际的交付日期并按照承诺日期交货。


DELMIA Quintiq系统中整合大型生产路径统筹资料库,以管理标准生产路径、生产时间、废料退回等资讯。这些资讯会导入到SAP系统,用於成本核算。


ELVAL旗下生产铝箔片成品的子公司SYMETAL也使用DELMIA Quintiq软体。在熔铸排程上线时,铸造车间经理George Koimtzoglou观察到生产请求的逻辑性及可行性如何有效改善。


熟悉生产排程应用的相关工作人员提到该系统如何让他们实现「对空排程」,即为他们尚未实际开始的铝箔卷生产进行排程。


ELVAL自实施DELMIA Quintiq系统以来收效颇丰:积压订单下降50%以上,且一直处於较低水准;按时全额交付率(OTIF)因积压订单下降得到提升;部分产品制造周期缩短约30%;交货前的备货时间缩短幅度高达50%;库存状况及在制品库存也得到大幅改善。



图四 : DELMIA Quintiq解决方案改变生产计划流程(source:达梭系统)
图四 : DELMIA Quintiq解决方案改变生产计划流程(source:达梭系统)

ELVAL应用DELMIA Quintiq解决方案後并获得一些其他效益,包括能够轻松对计画进行修订等。产能计画能够实现人工干预(对生产路径及资源调度等进行修订),以最大限度地提高生产率并减少延迟。


DELMIA Quintiq系统使ELVAL的生产计画人员能够衡量自己的决策造成的影响,并评估替代方案。此外,生产计画决策的品质由KPI衡量。该系统还能在不同的职能部门间调换生产计画人员。大部分报告由用户自己创建,无需IT部门干预。


供应链及生产计画经理Petros Lambropoulos指出,生产排程应用已大幅度提高了与主生产计画的相符程度,实现了更高的按时交付率以及更低的积压订单量等目标。DELMIA Quintiq软体平台让ELVAL对生产提高视觉化,其决策支持功能可迅速对环境状况做出回应。


ELVAL是DELMIA Quintiq的铝制品行业客户中首批在所有水准与垂直计画层面实施一体化计画平台的企业之一。ELVAL继续在更多营运中推广DELMIA Quintiq解决方案的应用。ELVAL子公司SYMETAL每年生产约5万吨铝箔片,对铝箔片退火炉进行计画一直是一大难题。好在DELMIA Quintiq解决方案效果立竿见影,据SYSMETAL公司计画工作负责人员Dimitris Pokas表示,该方案能立即准确地计算出产能,有助於提升订单足量准时交付率(OTIF)。


案例4

位於德国科布伦茨的 Aleris Aluminum Koblenz GmbH 是高价值轧制铝产品制造商,比如线圈、板材和平板。


Aleris 选择了DELMIA Quintiq 来开发一个协作调度模型,该模型整合了各个资源的调度,以便它们有效地合并成一个单一资源。减少了工作材料,提高了机器输送量和资源利用率,改善了材料分配。


案例5

Logan Aluminum Inc. 生产铝板产品,包括刚性容器板、建筑产品、汽车板、分配器板和食品罐。它由ARCO Aluminum和Novelis共同拥有。Logan拥有一流的制造设施,在铰接铸件、热轧、冷轧和抛光的操作区域配备了现代高速设备。


Logan Aluminum实施DELMIA Quintiq供应链规划和优化解决方案的具体目标是,通过提高整个供应链的可见性和实现自动规划来全面优化其工厂。


通过这种方式,Logan将能够更高效、更可靠地满足客户需求和最後期限,降低库存水准和最大程度地提高产能。它还寻求解决一个更重要的规划限制:根据合同协定分配产能。


铝在所有元素中是??圈利用率最高的材料之一,是100%可??圈利用的材料,并且在整个??圈处理过程中性能和品质方面均不会损失。甚至有人说,迄今为止,人类最早冶炼的铝,还在使用中。以废铝饮料罐(Used Beverage Can)为例,铝饮料罐的??圈利用可以是一个闭环的??圈过程,即材料来源是饮料罐,最终的产品仍然是饮料罐。


在铝业元宇宙中,我们可以验证完整的铝??圈经济模式。正如达梭系统和建筑师Arthur Mamou-Mani在伦敦设计博物馆的Aurora专案演示的那样,在电脑中设计出产品,用3D印表机利用??圈材料列印出来。如果产品用旧了,就直接破碎成原材料,再送回3D印表机的材料箱。


铝业对惰性阳极技术的追求,不亚於材料学上对常温常压超导材料的追求。在惰性阳极技术的实现方面,多尺度多学科建模与模拟技术功不可没。


3DEXPERIENCE 可以通过多种方式说明实现惰性阳极铝电解技术:


设计和优化:3DEXPERIENCE可用於设计和优化惰性阳极结构。这可以通过使用 3D 建模和模拟来研究熔融铝的流动和阳极表面的电化学反应来完成。


材料选择:3DEXPERIENCE BIOVIA可用於选择惰性阳极材料。这可以通过使用3D材料建模和模拟来研究不同材料在铝冶炼的恶劣条件下的性能来完成。


工艺模拟:3DEXPERIENCE DELMIA可用於模拟惰性阳极的熔炼过程。这可以通过使用 3D 工艺建模和模拟来研究阳极、熔融铝和电解质之间的相互作用来完成。



图五 : 未来铝业:未来已来,只是分布的不均匀(source:达梭系统)
图五 : 未来铝业:未来已来,只是分布的不均匀(source:达梭系统)

正如着名科幻作家威廉·吉布森(William Ford Gibson)所言,未来已来,只是分布得还不太均匀。对於未来铝业的发展,我们需要打造基於虚拟分身体验的可持续铝业元宇宙,并在这个元宇宙中去验证各种可能性、优化各种方案、预演各种场景,最终将其中最具可持续性的、给消费者带来最隹体验的产品在现实世界中予以实现。


(本文作者冯升华为达梭系统大中华区技术总监)


**刊头图(source:Exponent)


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