工业无线电磁环境白皮书——有色金属制造行业

工业无线电磁环境白皮书 ——有色金属制造行业 （2023年） 工业互联网产业联盟（AII）2023年12月 声明 本报告所载的材料和信息，包括但不限于文本、图片、数据、观点、建议，不构成法律建议，也不应替代律师意见。本报告所有材料或内容的知识产权归工业互联网产业联盟所有（注明是引自其他方的内容除外），并受法律保护。如需转载，需联系本联盟并获得授权许可。未经授权许可，任何人不得将报告的全部或部分内容以发布、转载、汇编、转让、出售等方式使用，不得将报告的全部或部分内容通过网络方式传播，不得在任何公开场合使用报告内相关描述及相关数据图表。违反上述声明者，本联盟将追究其相关法律责任。 工业互联网产业联盟联系电话：010-62305887 邮箱：aii@caict.ac.cn 牵头编写单位： 中兴通讯股份有限公司 参与编写单位： 中国信息通信研究院 中国联合网络通信有限公司研究院云南神火铝业有限公司 新疆神火煤电有限公司 贵阳铝镁设计研究院有限公司 工业互联网产业联盟公众号 前言 我国有色金属冶炼和加工原料品质波动大，冶炼和加工工艺复杂，产品精度要求高，生产运行速度快和物流调度频繁，在企业已有自动化、信息化建设基础上，需要推进互联网、大数据、人工智能、5G、边缘计算、虚拟现实等前沿技术应用，实现设备、物料、能源等制造要素数字化汇聚，网络化共享和平台化协同，具备在工厂层面全要素数据可视化在线监控，实时自主联动平衡和优化的能力，建成全流程自动化产线，集产品质量全生命周期管控，精细化能效管控，供应链协同优化运营于一体，促进企业转型升级，建成有色金属智能冶炼和加工工厂，提升企业综合竞争力和可持续发展能力。 针对有色金属冶炼智能化需求，设备工作电磁环境又比较复杂，需要对有色金属行业工作场景做全面分析和研究，本白皮书重点介绍电解铝行业的电磁环境专项研究成果。 编写组成员（排名不分先后）： 倪冬兵、赵维铎、赵洪涛、辛毅、郭伟、刘嘉、仇亚男、陆志恩、李永彪、曹蓟光、管子健、黄颖、安岗、刘京领、万占永、王攀、李建、王省伟、黄琦、曾育新、陈震、赵亚辉、谭宏凯、颜非亚、杨涛、吴道林、张晔、王培 目录 一、有色金属智能制造背景及应用场景1 （一）有色金属智能制造发展与应用场景1 （二）有色金属智能制造优势和价值2 （三）有色金属智能制造电磁环境分析的必要性3 （四）金属铝智能制造电解分厂无线电磁环境关键应用场景5 二、金属铝智能制造电解分厂电磁环境分析7 （一）电解分厂电磁噪声特性分析7 （二）金属铝智能制造电解分厂信道特征分类分析11 三、工业无线通讯解决方案建议19 （一）金属铝智能制造电解槽车间无线解决方案建议19 （二）有色金属智能制造常见问题解决方案建议20 （三）小结24 四、缩略语24 五、参考文献25 一、有色金属智能制造背景及应用场景 （一）有色金属智能制造发展与应用场景 近年来，全球制造业正走进数字化、智能化时代，而有色金属市场结构产能过剩、市场供求失衡等矛盾和问题亟需解决，新时代下，发展方式开始从规模速度型向质量效率型转变，结合《中国制造2025》，发展智能制造，解决生产制造、应用服务过程中的复杂性和不确定性问题，提高资源利用效率，劳动效率，实现资源优化、效益最大化生产方式，达到本质安全、环保达标、质量保证、效率提高、环境优良、能效领跑、劳动强度和成本降低的目标。 有色金属智能制造是指以新一代信息技术为手段，信息应用为支撑，实现工厂基础设施优化、开发管理精细化、功能服务专业化和产业发展智能化的综合发展。 在有色金属行业中，由于有色金属种类繁多，工厂管理难度大，产业链分散，一直没有系统化的完整智能制造体系，对于智能化的有色金属行业互联网，智能制造系统应用场景分为以下三个部分。 集中化监管应用场景：通过集中化监管，能够将不同种类或不同地区的有色金属工业集中分析处理，实现资源共享，这样不仅能够减轻逐个分析的负担，更能显著提高工作效率和工作质量，随着有色金属冶炼技术进一步提高，处理的数据必将大幅增加，相应的对集中监管系统的要求也随之增加。 远程控制应用场景：有色金属智能制造要实现自动化控制，关键步骤是实现远程控制，例如，通过5G摄像头+机器视觉平台，对有色金属工厂实时状况进行图像传递，通过远程控制台对现场的设备进行操作控制，达到远程检查控制的效果，同时也能保证设备与机器的稳定运行和正常工作。 现场监管应用场景：现场监管应用是确保有色金属智能制造系统能够正常运作，通常一个控制命令的完成，最终都以现场监管系统运转作为结束指令，利用集控边缘云技术+5G云化PLC技术，可以将已有的现场PLC网关，进行现场监管，拉远控制，建立具有高精度、响应时间短、多方协同的现场监管模式。 （二）有色金属智能制造优势和价值 智能制造具有很长的产业链，上游通过智能设备实现工业大数据收集，再通过中游工业互联网平台进行数据处理，然后在下游企业中进行应用，随着科技的发展，5G、边缘计算、大数据、工业人工智能和数字孪生等新一代DICT技术也逐渐成为有色金属智能制造的关键技术，其优势和价值体现在如下方面。 网络全覆盖化：有色金属工厂信息基础设施建设主要沿着“宽带、融合、泛在、安全”的方向发展，不断夯实宽带网络建设，促进整个工厂有线网络、无线网络、物联网络、安防网络等各类网络全面融合。 平台集约化：数字平台是融合技术、聚合数据、赋能应用的机构数字服务中枢，以智能数字技术为部件、以数据为生产资源、以标准数字服务为产出物。通过集约型的数字平台，融合云计算、大数据、视频技术、物联网、人工智能等新兴技术，持续整合，将整个有色工厂的技术能力封装在平台内，为有色工厂高质量持续健康发展和运营提供技术支撑，打破各厂之间的壁垒，方便信息交互，同时降低标准服务接入壁垒，促进线上线下聚集性及集约性，提升整体生产效率。 应用智能化：利用信息技术，合理使用相关数据进行应用创新，构建“开放、共享、高效、智能”的平台，从被动响应到主动预防，进行实时业务创新，促进有色工厂智能化发展。 环境生态化：为顺应低碳环保、节能减排的潮流，有色金属行业智慧工厂建设将会更加注重高新技术、绿色节能、生态环保型产业的发展，有色金属行业智慧工厂融入低碳管理理念，将新技术、管理手段、管理平台与工厂的创新结合在一起。 管理智慧化：有色金属行业工厂利用生产设备网络化、生产数据可视化、生产文档无纸化、生产过程透明化、生产现场无人化等先进技术，打造优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产管理环境，从而建立基于工业大数据和“互联网”的智慧工厂，使工厂资产效率、生产质量得以提高，制造工艺持续改进，企业成本降低，生产过程更加安全，生产管理的可持续性保持良好态势。 （三）有色金属智能制造电磁环境分析的必要性 与商用和民用无线通信环境相比，工业无线通信电磁环境更加特殊和复杂，这对于无线通信的信号传播有很大影响。从信息论角度看，无线通信传输效率、质量及应用效果主要受两个因素制约，一是传输链路的信噪比，二是传输的信道特征，移动无线通信系统的传输速率和传输质量最终都要受到无线信道和噪声制约，只有在充分研究所设计系统的信道和噪声特性后，才能采取与之相适应的各种物理层技术，如最佳的调制方式和编码交织方式、均衡器的设计，或者MIMO、OFDM系统中的天线配置选择和子载波分配等，从而充分挖掘该系统的容量，并进一步优化系统性能。 无线信道模型是人们对无线传播环境及其传播特性的一个抽象描述，无线信道的传播特性是构建移动无线通信系统的基础部分，其在无线通信系统从设计评估到标准化以至到最终部署各个环节中， 都有重要的作用，当新的无线传输技术和理论被提出时，往往使用信息论工具进行推导验证，从而为新技术提供理论依据、性能极限。在无线传输技术研究、设计以及标准化阶段，都需要对各种候选方案进行性能评估。评估阶段所使用信道模型的准确性与否直接决定了仿真结果的可靠性、准确性。因此，在移动通信技术的评估过程中，各个标准化组织非常重视评估信道模型标准化工作。 在实际无线通信系统部署中，需要根据实地无线传播环境进行网络规划，容量优化，盲区覆盖等工作，准确的信道模型（特别是路径损耗和阴影衰落模型）可以使网络部署、规划的工作更加准确和有效，从而提升无线网络覆盖能力，从传输链路信噪比来看，在常规无线通信中信噪比的定量使用中，通常使用加性高斯白噪声，即噪声的功率谱是一个常数。 有色金属冶炼工厂在设备工作时会辐射大量的电磁噪声，这时会出现突发的脉冲噪声，这些噪声可能在功率谱形状、生命周期等方面和传统的加性高斯白噪声有着较大的不同，会导致正常的通信信号受到干扰，数据包无法按时准确传送到接收端。从信道特征来看，不同的有色工厂车间由于工艺和产品各不相同，车间内各类物理条件、设备等吸收和反射能力有很大差异，导致信道传播特征 （包括路径损耗，多径分量等）均表现不同。工业环境中大型设备的密度、电力谐波、金属类器材与材料密度以及各种传播阻碍物的数目，对于无线通信信号的传输至关重要，轧机、机械臂等金属障碍物会对电波传输损耗造成影响，金属设备在电波传播中会形成较强的镜面反射和散射，从而产生更多强度较大的多径分量，工业自动化中的机械臂转动、机器人运输移动等运动因素会让无线信道同时具有时变特性，这些特殊的信道特征都将对信号传输、网络性能产生影响。 因此，需要对典型有色金属冶炼工厂场景的电磁环境进行分析研究，了解干扰源噪声特性，并根据实际生产环境、特点以及工业 性质来提取无线信道参数，从而进一步规划通信频段，指导建网，支撑无线技术的空口设计，性能评估和优化等，更好地保障有色金属智能制造工厂无线通信应用在智能制造领域的可靠性，推动行业高质量快速发展。 （四）金属铝智能制造电解分厂无线电磁环境关键应用场景 近年来，随着铝电解工艺技术的创新发展，我国铝电解企业的建设向规模化、容量大型化、髙效环保节能方向发展。其目的是降低吨铝投资、提高劳动生产率、给铝厂带来最大的经济效益。目前国内投产运行的最大容量的电解槽达到620kA,500kA、400kA和300kA槽型是产能最多的三个槽型，目前我国在建或拟建项目中，约95%以上的产能采用500-600kA槽型，未来大容量、髙效节能槽型的产能占比将越来越大。随着电解槽容量的增大,系列电流强度不断增加，电流强度越高，铝电解槽内部及周围的静磁场就越大。由于生产的需求，铝电解槽内部的磁场得到精心的设计和严格的控制，但槽周围环境磁场一直未受到关注。电解铝厂是生产铝的主要场所，从当前的生产实践分析来看，电解铝生产现场环境具有特殊性，因为其生产环境是强电场和强磁场并存的，在这样的特殊环境下，为了实现电解铝厂无线通信网络的稳定，必须要对电磁干扰问题做分析和解决。 电解分厂的任务是生产出合格的铝液，采用的工艺主要是冰晶 石-氧化铝熔盐电解法，该工艺是由美国的霍尔和法国的埃鲁1886年分别申请的世界专利，主要经济指标包括：电流效率、氧化铝单耗、直流电单耗、可比交流电耗、阳极毛耗、氟化盐单耗。主 要设备包括：整流供电机组、电解槽、多功能机组等，电解分厂设备实景如图1-1。 图1-1电解分厂设备实景 电解铝的工艺原理如下，氧化铝溶解在熔融冰晶石熔体中，形成具有良好导电性的均匀熔体，采用碳素材料做阴阳两极，当通入直流电后，即在两极上发生电化学反应。在阳极上产生阳极气体，阴极上析出液态铝，用真空抬包周期性从电解槽吸出，送铸造分厂铸重熔用铝锭。电化学反应过程中，阳极不断消耗，阳极母线不断下降，要进行阳极更换和母线提升作业，另外通过计算机控制，利用超浓相输送向电解槽定时添加氧化铝、氟化铝，保证生产连续平稳运行，对应的工艺流程如图1-2。 图1-2工艺流程 铝电解生产操作包括：阳极更换、出铝、熄灭阳极效应、抬母线、原铝/电解质水平测量等，阳极效应是电解过程中发生在阳极上的特殊现象，随着电解质中氧化铝含量降低，电解质对阳极碳块湿润能力下降，电解反应所产生的气体排不出来，聚集在阳极下方， 形成气膜，使槽电压急剧上升，俗称阳极