一種應(yīng)用在玻璃纖維行業(yè)的智能制造方案設(shè)計(jì)

于亞?wèn)| 孫兆華

摘要：玻璃纖維行業(yè)應(yīng)用智能制造既是應(yīng)對(duì)新一輪信息技術(shù)革命挑戰(zhàn)的內(nèi)在要求，也是重塑產(chǎn)業(yè)新優(yōu)勢(shì)、實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級(jí)、搶占產(chǎn)業(yè)發(fā)展制高點(diǎn)的必然選擇，通過(guò)對(duì)生產(chǎn)裝備、工藝標(biāo)準(zhǔn)及先進(jìn)控制等采用數(shù)字化的工具和系統(tǒng)性的整合集成，對(duì)打造信息技術(shù)背景下的新型競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)（新型創(chuàng)新能力）具有重要意義。

關(guān)鍵詞：中國(guó)制造2025;工業(yè)4.0;物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)人工智能云計(jì)算

1.引言

制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱，是立國(guó)之本、興國(guó)之器、強(qiáng)國(guó)之基。而智能制造技術(shù)已成為世界制造業(yè)發(fā)展的客觀趨勢(shì)，世界上主要工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家正在大力推廣和應(yīng)用，德國(guó)最早于2014 年提出了“工業(yè)4.0”，美國(guó)提出了“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”，我國(guó)于2015 年5 月提出《中國(guó)制造2025》戰(zhàn)略，提出智能制造是主攻方向，也是制造業(yè)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)型升級(jí)的制高點(diǎn)和突破口。

2.玻璃纖維行業(yè)應(yīng)用智能制造的迫切性分析

2.1.玻璃纖維發(fā)展應(yīng)用的迫切性

玻璃纖維是一種無(wú)機(jī)非金屬新材料，是國(guó)家重點(diǎn)扶持的10 大領(lǐng)域之一。玻璃纖維具有強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好、電絕緣性好、耐高溫等特，在新能源產(chǎn)業(yè)（風(fēng)力葉片、太陽(yáng)能支架）、高端裝備制造業(yè)（飛機(jī)、雷達(dá)罩、汽車、高速列車、游艇）、環(huán)保產(chǎn)業(yè)（石油管道、海水淡化系統(tǒng)環(huán)保處置設(shè)施和裝備）、基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)業(yè)（橋梁、碼頭、高速公路設(shè)施輸水管道、墻體、屋面瓦）、健康產(chǎn)業(yè)（醫(yī)療設(shè)施、醫(yī)用材料、體育器械、體育設(shè)施）、電子電氣產(chǎn)業(yè)（輸配電設(shè)備、集成電路板）、消費(fèi)品及休閑產(chǎn)業(yè)（游艇、家電、家具、門(mén)窗、衛(wèi)浴設(shè)施、手機(jī)殼）有著非常廣泛的應(yīng)用。同時(shí)玻璃纖維可替代鋼材、木材和石材，使之更輕、更強(qiáng)、更久。作為一種基礎(chǔ)材料，玻璃纖維質(zhì)量的提高，必將使下游產(chǎn)業(yè)得到質(zhì)的提升甚至的飛躍。目前玻璃纖維的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，市場(chǎng)需求不斷擴(kuò)大，未來(lái)行業(yè)應(yīng)用將進(jìn)一步提升，玻璃纖維的用量、質(zhì)量、個(gè)性化要求將越來(lái)越高。因此，在整個(gè)行業(yè)資源配置的效率下降、創(chuàng)新能力不足等情況下，玻璃纖維行業(yè)必須順應(yīng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革機(jī)遇，加快智能制造、物聯(lián)網(wǎng)、

大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)與制造業(yè)融合，加大機(jī)器換人及制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）等應(yīng)用力度，不斷提升生產(chǎn)流程的標(biāo)準(zhǔn)化程度，全面布局?jǐn)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)，構(gòu)建一體化管控體系，以進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量，加快產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

2.2.玻璃纖維轉(zhuǎn)型升級(jí)的迫切性

首先玻璃纖維整體生產(chǎn)方式還相對(duì)較為粗放、產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重、行業(yè)盈利能力不均，制約中國(guó)復(fù)合材料發(fā)展，復(fù)合材料的應(yīng)用能力與國(guó)際先進(jìn)水平有較大差距。其次，玻璃纖維生產(chǎn)特點(diǎn)是大池窯連續(xù)化生產(chǎn)、產(chǎn)品種類繁多、工藝復(fù)雜，而近年市場(chǎng)及客戶的結(jié)構(gòu)性需求變化越來(lái)越快，企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃與客戶和市場(chǎng)之間缺乏靈活、高效的信息溝通的機(jī)制，柔性制造能力有待提升。再次，隨著玻璃纖維生產(chǎn)全球化程度的提高，如中國(guó)巨石、山東泰安、重慶國(guó)際等國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)在全球建設(shè)多條玻璃纖維生產(chǎn)線，全球化的發(fā)展既需要大量的制造、裝備、研發(fā)等技術(shù)人員給予快速、及時(shí)的響應(yīng)和技術(shù)支持，又需要對(duì)核心裝備、控制、研發(fā)機(jī)密的保密和掌控，為此傳統(tǒng)意義上的現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)和支持將不可能滿足需求。因此，綜合玻璃纖維行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)的迫切需求，提升行業(yè)整體競(jìng)爭(zhēng)能力，加快生產(chǎn)與市場(chǎng)的融合，探索全球化的管控模式，而智能制造的建設(shè)將是行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要手段和方法。

2.3 玻璃纖維生產(chǎn)特點(diǎn)的迫切性

玻璃纖維的拉絲成型過(guò)程是將天然的礦物粉料通過(guò)在大型池窯中的燃燒形成玻璃液體，從而使玻璃熔體中的玻璃液通過(guò)漏嘴擠出到冷卻介質(zhì)中（空氣中），與此同時(shí)被拉伸成纖維，然后卷取在拉絲機(jī)的繞絲筒上，因此在整個(gè)拉絲成型過(guò)程中受到一次變量、派生變量和終極變量的影響，一次變量主要受天然原料化學(xué)組成及分子結(jié)構(gòu)、作業(yè)環(huán)境流變性能和其他物理性能等，過(guò)程中多變量的疊加作用，導(dǎo)致全流程生產(chǎn)過(guò)程中提升工藝標(biāo)準(zhǔn)精度非常復(fù)雜。為此玻璃纖維急需應(yīng)用大數(shù)據(jù)的分析，建立多變量作用下的工藝標(biāo)準(zhǔn)、原料配方及化工配方等模型分析系統(tǒng)，并不斷積累數(shù)據(jù)進(jìn)行模型的優(yōu)化，提升玻璃纖維行業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中的智能控制和精準(zhǔn)控制能力。

3.玻璃纖維行業(yè)對(duì)智能制造的需求分析

3.1 實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理與生產(chǎn)控制一體化管控

建立集生產(chǎn)計(jì)劃、過(guò)程協(xié)同、設(shè)備控制、資源優(yōu)化、質(zhì)量控制、決策支持智能一體化管控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)玻纖生產(chǎn)排產(chǎn)調(diào)度智能化、生產(chǎn)過(guò)程智能化、質(zhì)量管理智能化、能耗管理智能化、資源管理智能化、決策分析智能化的一體化管控。

3.2 實(shí)現(xiàn)工廠總體設(shè)計(jì)、工程設(shè)計(jì)、工藝流程及布局?jǐn)?shù)字化建模，改善和提高生產(chǎn)過(guò)程通過(guò)數(shù)字建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)工廠總體設(shè)計(jì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝、生產(chǎn)線、設(shè)備進(jìn)行建模，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝和生產(chǎn)線規(guī)劃、計(jì)劃與調(diào)度仿真校驗(yàn)和生產(chǎn)執(zhí)行，從而改善和提高制造企業(yè)的制造過(guò)程，為企業(yè)提供一個(gè)創(chuàng)新性、柔性化的制造環(huán)境。

3.3 實(shí)現(xiàn)虛擬制造與物理制造相結(jié)合

在數(shù)字化工廠模型建立的基礎(chǔ)上，可建立模擬仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃到生產(chǎn)制造仿真、虛擬制造，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在工藝規(guī)劃、生產(chǎn)過(guò)程中存在問(wèn)題和偏差，在線或離線并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化提高，保障物理制造精細(xì)化、精準(zhǔn)化、智能化。

3.4 實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)/經(jīng)營(yíng)一體化管控

通過(guò)生產(chǎn)/經(jīng)營(yíng)一體化，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)管理業(yè)務(wù)的協(xié)同統(tǒng)一，將生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)業(yè)務(wù)作為一個(gè)有機(jī)整體的兩個(gè)方面，實(shí)現(xiàn)物資采購(gòu)管理、銷售管理、財(cái)務(wù)管理、預(yù)算管理、生產(chǎn)管理、指標(biāo)管理等業(yè)務(wù)之間相互支撐、同步、融合、控制。

3.5 實(shí)現(xiàn)人工智能的創(chuàng)新新模式

通過(guò)對(duì)工業(yè)大數(shù)據(jù)的采集和數(shù)字模型的建設(shè)，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝優(yōu)化、配方開(kāi)發(fā)等創(chuàng)新過(guò)程全面引入人工智能的應(yīng)用，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、降低研發(fā)費(fèi)用投入，提升產(chǎn)品全生命周期的管理能力。加速以云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)與制造業(yè)融合創(chuàng)新，利用企業(yè)大數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)或虛擬場(chǎng)景的模擬和分析，有效激活創(chuàng)新潛能、變革創(chuàng)新模式，高效、快速地響應(yīng)市場(chǎng)，提升企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

3.6 實(shí)現(xiàn)全球工廠的專家診斷與管控

通過(guò)建立統(tǒng)一的業(yè)務(wù)管控系統(tǒng)與生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)，應(yīng)用云、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)IT 與OT 的全面融合，構(gòu)建全球統(tǒng)一的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和運(yùn)行中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)全球工廠制造的遠(yuǎn)程監(jiān)控，統(tǒng)一協(xié)調(diào)和指揮工廠的運(yùn)行和調(diào)度，保障各地工廠的安全、有序、高效的運(yùn)行。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)工廠間運(yùn)營(yíng)狀況數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，分享和優(yōu)化各工廠間運(yùn)營(yíng)績(jī)效，進(jìn)一步協(xié)調(diào)和配置資源。

4.玻璃纖維行業(yè)智能制造建設(shè)方案

采用自上而下總體規(guī)劃、自下而上分步實(shí)施、迭代構(gòu)建的建設(shè)模式。整個(gè)平臺(tái)分MES框架部署、兩化深度融合應(yīng)用、智能制造三個(gè)階段建設(shè)，從計(jì)劃源頭、過(guò)程協(xié)同、設(shè)備底層、資源優(yōu)化、質(zhì)量控制、決策支持、持續(xù)優(yōu)化等七個(gè)方面著手實(shí)現(xiàn)“七維”智能制造，這七個(gè)方面涵蓋了工業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)的七個(gè)重要環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)全面的精細(xì)化、精準(zhǔn)化、自動(dòng)化、信息化、智能化管理與控制，通過(guò)底層設(shè)備的互聯(lián)互通、基于大數(shù)據(jù)分析的決策支持、可視化展現(xiàn)等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)準(zhǔn)備過(guò)程中的透明化協(xié)同管理、生產(chǎn)設(shè)備智能化的互聯(lián)互通、智能化的生產(chǎn)資源管理、智能化的決策支持、仿真與優(yōu)化，從而全方位達(dá)到智能化的管理與控制。

4.1 智能制造技術(shù)架構(gòu)

4.1.1 系統(tǒng)層級(jí)：實(shí)現(xiàn)設(shè)備及控制層級(jí)實(shí)現(xiàn)傳感器、測(cè)控儀表、機(jī)器人裝備、控制系統(tǒng)智能化改造，具有國(guó)際先進(jìn)水平智能裝備。

4.1.2 車間層級(jí)：建立采集與監(jiān)控系統(tǒng)、制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）等系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)玻璃纖維生產(chǎn)過(guò)程可控制、可優(yōu)化、可視化、可追溯。

4.1.3 企業(yè)層級(jí)：建立企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)（ERP）、供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)（SCM）和客戶關(guān)系管理系統(tǒng)（CRM）等系統(tǒng)，提升公司運(yùn)作效率。

4.1.4 協(xié)同層級(jí)：實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝、制造、管理、監(jiān)測(cè)、物流等環(huán)節(jié)的系統(tǒng)集成優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)供銷存一體化管控，提升客戶服務(wù)水平。

4.2 智能制造實(shí)施路線

4.2.1.一階段通過(guò)MES 框架部署，建設(shè)數(shù)字化工廠

對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)線進(jìn)行智能化改造升級(jí)，并構(gòu)建集團(tuán)MES 系統(tǒng)為全球工廠的數(shù)據(jù)管理集成平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)集團(tuán)范圍內(nèi)業(yè)務(wù)系統(tǒng)與生產(chǎn)設(shè)備的實(shí)時(shí)對(duì)接和全流程的數(shù)字化監(jiān)控、分析;縱向打通管控層、業(yè)務(wù)層及生產(chǎn)層的業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)

4.2.2.二階段通過(guò)建設(shè)工業(yè)化與信息化的深度融合，形成智能制造初步體系

通過(guò)對(duì)已有系統(tǒng)和裝備進(jìn)行深度改造和ERP 等業(yè)務(wù)系統(tǒng)深度整合，進(jìn)一步提升和完善對(duì)已有設(shè)備的數(shù)字化管控能力，實(shí)現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程故障診斷、工藝操作反向控制、能源消耗集中管控等應(yīng)用從而對(duì)產(chǎn)品全生命周期的管理。

4.2.3.三階段進(jìn)行大數(shù)據(jù)深入應(yīng)用，結(jié)合虛擬/現(xiàn)實(shí)技術(shù)優(yōu)化生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)

建立全球大數(shù)據(jù)中心，包括市場(chǎng)營(yíng)銷、產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)制造、產(chǎn)品服務(wù)、協(xié)同創(chuàng)新等貫穿整個(gè)產(chǎn)品價(jià)值鏈信息，通過(guò)大數(shù)據(jù)分析演算及模擬仿真，實(shí)現(xiàn)在線診斷、在線優(yōu)化、預(yù)測(cè)預(yù)警、人工智能，指導(dǎo)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)及創(chuàng)新研發(fā);建立產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)圈，對(duì)內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)集團(tuán)所有子公司的管控和指導(dǎo)，對(duì)外實(shí)現(xiàn)上下游重點(diǎn)合作伙伴的數(shù)據(jù)對(duì)接和業(yè)務(wù)協(xié)同，最終形成智能制造新模式。

5.結(jié)論

“中國(guó)制造2025”要求堅(jiān)持走中國(guó)特色新型工業(yè)化道路，以加快新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合為主線，以推進(jìn)智能制造為主攻方向，促進(jìn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)在企業(yè)研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、經(jīng)營(yíng)管理、銷售服務(wù)等全流程和全產(chǎn)業(yè)鏈的綜合集成應(yīng)用，亦是我國(guó)制造業(yè)發(fā)展從制造大國(guó)邁向制造強(qiáng)國(guó)的必然要求。玻璃纖維行業(yè)圍繞打造“數(shù)字化工廠”，縱向打通決策、業(yè)務(wù)和生產(chǎn)的信息流和數(shù)據(jù)流，橫向建設(shè)工廠間、工段間、設(shè)備間以及與客戶、供應(yīng)商的協(xié)同生產(chǎn)、協(xié)同研發(fā)和協(xié)同創(chuàng)新的智能制造新模式建設(shè)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)自動(dòng)數(shù)采率95%以上，工廠自控投用率90%以上，建立生產(chǎn)過(guò)程控制、生產(chǎn)管理的工業(yè)大數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)運(yùn)行系統(tǒng)互通集成。企業(yè)生產(chǎn)效率、能源利用率有較大提升，運(yùn)營(yíng)成本、產(chǎn)品不良品率以及產(chǎn)品研制周期進(jìn)一步降低和縮短，形成部分發(fā)明專利及企業(yè)或行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)草案。綜上所述，玻璃纖維行業(yè)發(fā)展智能制造的建設(shè)方案在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、政策等諸多方面分析的結(jié)果是可行的。

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（作者單位：巨石集團(tuán)）