建筑陶瓷智能制造關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用

黃建平 鄧興智

摘 要：我國建筑陶瓷生產(chǎn)過程的機械化、自動化程度較高，但與智能制造的標(biāo)準(zhǔn)相比，仍顯偏低。在智能制造發(fā)展的大背景下，建筑陶瓷企業(yè)要在依托大數(shù)據(jù)重構(gòu)建筑陶瓷產(chǎn)業(yè)價值鏈的過程當(dāng)中，將供應(yīng)鏈、銷售端和制造環(huán)節(jié)相統(tǒng)一，降低企業(yè)的生產(chǎn)運營成本，提高企業(yè)的競爭力和抗風(fēng)險能力。本文通過對建筑陶瓷生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的研究，日產(chǎn)1萬平米拋釉磚生產(chǎn)線生產(chǎn)工人降至50人，全員勞動生產(chǎn)率明顯提高。

關(guān)鍵詞：建筑陶瓷;智能制造;

1 前 言

智能制造的研究大致經(jīng)歷了三個階段：起始于20世紀(jì)80年代人工智能在制造領(lǐng)域中的應(yīng)用，智能制造概念正式提出;發(fā)展于20世紀(jì)90年代智能制造技術(shù)、智能制造系統(tǒng)的提出;成熟于21世紀(jì)新一代信息技術(shù)條件下的“智能制造”。智能制造是將物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等新一代信息技術(shù)與先進自動化技術(shù)、傳感技術(shù)、控制技術(shù)、數(shù)字制造技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)工廠和企業(yè)內(nèi)部、企業(yè)之間和產(chǎn)品全生命周期的實時管理和優(yōu)化的新型制造系統(tǒng)[1]。

中國智能制造發(fā)展迅速，無論是技術(shù)還是規(guī)模短期內(nèi)都取得了較大進步，但關(guān)鍵技術(shù)方面，其關(guān)鍵裝備與核心零部件仍不容樂觀，其重要組件的高度依賴進口，極大地限制我國智能制造發(fā)展。為實現(xiàn)從制造大國向制造強國的快速轉(zhuǎn)變，我國發(fā)布了中國制造2025報告，旨在通過開展新一代信息技術(shù)與制造裝備融合的集成創(chuàng)新和工程應(yīng)用、智能產(chǎn)品和自主可控的智能裝置開發(fā)、智能工廠和數(shù)字化車間建設(shè)、智能制造網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)平臺搭建等方面的研究，力爭到2025年使我國部分制造業(yè)達到國際領(lǐng)先地位[2]。

我國建筑陶瓷產(chǎn)業(yè)的發(fā)展取得了輝煌的成績，也陷入了一定的困境。一方面，生產(chǎn)能耗高、物耗大、占地面積多，資源粗放利用，節(jié)能減排和污染防治壓力大，受資源、能源、環(huán)境的制約越來越嚴重;“用工荒”問題與人工成本上漲并存，導(dǎo)致生產(chǎn)成本在不斷上漲。另一方面，由于金融危機影響，國外市場蕭條，國內(nèi)市場房地產(chǎn)不景氣，再加上從國外建筑陶瓷企業(yè)的技術(shù)壁壘到反傾銷控訴，銷量不斷下降，利潤日益減少，部分企業(yè)發(fā)展難以為繼。這些現(xiàn)象迫使我國的建筑陶瓷生產(chǎn)也必須向自動化、智能化發(fā)展[1]。

2? 智能制造中央集成系統(tǒng)

在公司現(xiàn)有自動化制造技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合陶瓷磚生產(chǎn)工藝特點及企業(yè)智能化提升需求，融合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能等先進信息技術(shù)開展建筑陶瓷磚智能制造工廠建設(shè)。主要建設(shè)內(nèi)容包括智能化陶瓷磚生產(chǎn)線建設(shè)、數(shù)據(jù)采集與大數(shù)據(jù)平臺建設(shè)、智能化管理系統(tǒng)集成與優(yōu)化、智能分析和預(yù)測系統(tǒng)的建立等，整體規(guī)劃如圖1所示。

（1）智能化工廠建設(shè)

基于智能工廠建設(shè)的總體需求，結(jié)合前期生產(chǎn)線建設(shè)積累的大量技術(shù)，實現(xiàn)建筑陶瓷磚制造的精細化和智能化生產(chǎn)，有效提升了陶瓷磚制造裝備智能化程度，提高生產(chǎn)管理與控制水平。

為了使工廠更加智能化，設(shè)計了高可靠性及高效率的四層級（網(wǎng)絡(luò)接入層、網(wǎng)絡(luò)核心層、服務(wù)器設(shè)備、外網(wǎng)出口）智能連線系統(tǒng)，并基于分布式文件系統(tǒng)、分布式采集引擎、挖掘算法及組件搭建了大數(shù)據(jù)分布式處理平臺，形成統(tǒng)一的大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)處理平臺。

（2）智能化管理系統(tǒng)集成與優(yōu)化

通過整個廠區(qū)范圍內(nèi)的局域網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化，以及智能化管理系統(tǒng)的建設(shè)、集成和優(yōu)化，實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動的工藝研發(fā)、生產(chǎn)規(guī)劃、制造執(zhí)行、設(shè)備管理、產(chǎn)品管控、能源管理等系統(tǒng)的綜合集成運行。

（3）智能化管理平臺的建立

結(jié)合陶瓷磚生產(chǎn)工藝流程、設(shè)備特點、能源應(yīng)用狀況，建立了包含設(shè)備智能運行與維護、智能化生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量智能分析和能源智能管理的智能分析和預(yù)測系統(tǒng)，實現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備、工藝、產(chǎn)品、能源的智能分析與預(yù)測。

3? 關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用

3.1原料自動配料連續(xù)球磨一體化加工系統(tǒng)

原料自動配料連續(xù)球磨一體化加工系統(tǒng)分兩段：第一段采用自動配料系統(tǒng)進行配料;第二段采用連續(xù)式球磨工藝。通過改變連續(xù)球磨的加料方式，從而實現(xiàn)原料加工的精確控制和自動化生產(chǎn)。

原料自動配料系統(tǒng)建立在自動配料設(shè)備和原料標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一套自動配料設(shè)備：整套設(shè)備包括供料系統(tǒng)、計量系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，所需各種原料通過電子系統(tǒng)按預(yù)先設(shè)計的比例從存儲設(shè)備輸送到皮帶上，再通過皮帶輸送到球磨中，將傳統(tǒng)的人工取料、稱量、配料的配釉工序改為全自動配料系統(tǒng)，代替了現(xiàn)有的人工鏟車配料模式。

連續(xù)球磨系統(tǒng)采用PLC控制，集中控制和無人操作，實現(xiàn)減員60%，同時節(jié)約場地面積57%。達到持續(xù)不斷地生產(chǎn)，從而提高產(chǎn)量，降低原料制造成本。既保證了陶瓷原料的配比在球磨前后的穩(wěn)定和均勻，同時又具有較高的球磨效率和較低的能耗。

3.2噴霧干燥塔聯(lián)控技術(shù)

智能制造將自動聯(lián)控系統(tǒng)應(yīng)用到噴霧干燥中，不但能確保噴霧干燥過程的連續(xù)性和穩(wěn)定性，保證了干燥后粉料的質(zhì)量，而且還有利于減小工人的工作強度，減少了人工成本，提高了生產(chǎn)效率。實現(xiàn)了干燥塔進料口溫度、出風(fēng)口溫度、部分主要部件溫度以及粉料水分和熱風(fēng)流速的自動檢測、控制、報警、監(jiān)測反饋等，智能化程度高。

3.3釉料自動配料及自動供釉系統(tǒng)

智能制造中，控制系統(tǒng)是自動配釉系統(tǒng)能夠運轉(zhuǎn)的“大腦”，所有的配料操作都需要通過控制系統(tǒng)來輸入，設(shè)備的運轉(zhuǎn)也是通過控制系統(tǒng)來控制的，操作人員可以通過控制系統(tǒng)隨時查看自動配釉系統(tǒng)是否在正常運行?？刂平缑孀鳛槿藱C交流的平臺，是整個控制系統(tǒng)完成人機交流的重要組成部分?？刂平缑婺軌?qū)φ麄€配料過程起到監(jiān)控的作用，同時需要給定參數(shù)和控制指令，系統(tǒng)才能按照人的意愿進行工作?？刂平缑嬉蠊ふ?、整潔、功能齊全，使得各個控制對象、監(jiān)控對象都能夠一目了然。

在自動供釉系統(tǒng)中，在釉罐上安裝水位監(jiān)測儀，通過多個水位探頭實現(xiàn)監(jiān)控功能。釉罐頂部接制釉車間進行供釉，并配備電動截止閥，通過水位信號控制閥門通斷控制釉量，底部引至釉泵進水端，電機驅(qū)動釉泵將釉通過管道運送至各條釉線，管道中加裝水壓傳感器監(jiān)控水壓，供排釉控制系統(tǒng)均通過供釉車間PLC實時自動控制，實現(xiàn)供釉系統(tǒng)的自動化和智能化控制。

3.4噴墨花機集中遠程控制系統(tǒng)

陶瓷磚生產(chǎn)是24小時不間斷，主要是體現(xiàn)在設(shè)備的連續(xù)性運轉(zhuǎn)，在這個過程中，突發(fā)問題和故障是存在的。為了便捷、高效的處理問題和穩(wěn)定生產(chǎn)秩序，在規(guī)劃生產(chǎn)線噴墨工序時，結(jié)合線上的工藝點和車間布局，將三條線的噴墨花機規(guī)劃在一個房間內(nèi)，形成統(tǒng)一集中管理，一方面方便員工集中管理，另一方面可實現(xiàn)減員增效、實時監(jiān)控，穩(wěn)定生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)連續(xù)性。從而做到一體化實時監(jiān)控所有信息，可以通過主控制屏或者手機遠程操控系統(tǒng)進行操作處理，不僅提高了解決問題的效率，減少了問題軟件的處理時間。同時增加了管理員對于生產(chǎn)管理的機動性，為生產(chǎn)的穩(wěn)定和連續(xù)提供了幫助。

3.5窯爐燒成智能優(yōu)化控制系統(tǒng)

傳統(tǒng)窯爐燒成采用較為落后的手動控制燒成，調(diào)整溫度和窯爐傳動工作量大，人工成本高，溫度調(diào)節(jié)不精準(zhǔn)，易造成產(chǎn)品質(zhì)量問題?，F(xiàn)在的窯爐燒成智能優(yōu)化系統(tǒng)中，溫度控制表有處理熱電偶信號和控制執(zhí)行器的功能，通過熱電偶把溫度轉(zhuǎn)換為電信號到控制器調(diào)整進氣量來控制溫度。操作工能在控制室電腦屏幕上看到窯爐溫度參數(shù)和壓力制度等實時顯示，當(dāng)窯爐出現(xiàn)異常報警時，控制室面板上也會顯示，以便操作工快速做出調(diào)整，并自動記錄，可減少窯爐工記錄報表的次數(shù);并將控制室屏幕操控系統(tǒng)連入手機APP，當(dāng)窯爐處發(fā)現(xiàn)問題時，直接在手機上調(diào)整，智能化程度高。

3.6 AGV自動運轉(zhuǎn)系統(tǒng)

AGV是“自動導(dǎo)引運輸車”，屬于機器人的一個分支，主要有以下幾個特征，一是自動引導(dǎo)，現(xiàn)在有一個更時髦的說法叫無人駕駛，裝備有電磁或光學(xué)等自動導(dǎo)引裝置，按預(yù)先設(shè)定的導(dǎo)引路徑、儲運規(guī)則避讓規(guī)則行駛。同時還具有安全保護功能，能夠避讓行人及其它障礙物。AGV是立足陶瓷行業(yè)設(shè)計的無人駕駛?cè)詣又悄軆\裝備，主要用于生產(chǎn)過程中陶瓷磚的工序間轉(zhuǎn)運及成品的進出庫。實現(xiàn)了儲運裝備的革命與創(chuàng)新，推動工廠機械自動化作業(yè)，向打造無人工廠的目標(biāo)邁出了堅實的一步[3]。其主要優(yōu)點如下：

（1）自動化設(shè)備升級換代：AGV設(shè)備按系統(tǒng)規(guī)劃進行無人自動作業(yè)，使機器對貨物的感測、行走測量更精準(zhǔn)可靠;AGV環(huán)保節(jié)能，無噪聲、無污染，實現(xiàn)清潔生產(chǎn)。

（2）企業(yè)現(xiàn)代化、信息化管理：企業(yè)通過電腦、手機隨時隨地掌握物料庫存及出入量等信息;解決用工荒和高漲的用工成本，實現(xiàn)瓷磚搬運、儲存、裝車的無人化、自動化。

（3）設(shè)備安全可靠，可控性高：裝有三級安全保護設(shè)置，避免貨物撞翻、人員撞傷等不良后果;通過自動手動相互轉(zhuǎn)換機構(gòu)，可快捷處理機器突發(fā)事件，確保機器在作業(yè)過程中更安全。

3.7自動儲磚系統(tǒng)

自動儲磚系統(tǒng)是連接窯尾自動上下磚機與拋光線（或磨邊線）自動上磚機的中間環(huán)節(jié)，是瓷磚經(jīng)過自然冷卻及連續(xù)運輸過程中的自動化系統(tǒng)。在陶瓷行業(yè)24小時連續(xù)生產(chǎn)模式下，有效地減少了工人數(shù)量、降低了勞動強度、改善了勞動環(huán)境、降低了產(chǎn)品破損率、避開了用電高峰期、極大提高了生產(chǎn)效率，實現(xiàn)了由人工3班輪換制向1班制的自動化生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變。特別是能夠在連續(xù)生產(chǎn)的情況下實現(xiàn)拋光線間斷生產(chǎn)的緩存功能，同時避免了傳統(tǒng)陶瓷儲磚模式存在的機動叉車燃油煙氣及運行揚塵、噪音等環(huán)保問題。

通過自動儲磚系統(tǒng)，生產(chǎn)線不僅可以連貫運轉(zhuǎn)，而且省去了3臺叉車及其維護費和油費，一年可以節(jié)約成本一百多萬。在人員配置上三個班至少可以減少17名員工，實現(xiàn)了智能化生產(chǎn)減員增效的目標(biāo)，同時實現(xiàn)了錯峰用電，大大減少了用電量，產(chǎn)生了較大的經(jīng)濟效益。

3.8自動包裝系統(tǒng)

高速全兼容自動包裝線主要用于替代人工，將成品磚按設(shè)定的瓷磚片數(shù)自動地進行疊垛、翻包、包裝、捆扎及碼包?？纱蠓档腿斯趧訌姸龋岣呱a(chǎn)效率。高速全兼容自動包裝線具有生產(chǎn)效率高、可靠性高、能耗低、自動化程度高、無污染等特性，符合國家重點支持的高新技術(shù)領(lǐng)域，符合國家產(chǎn)業(yè)政策導(dǎo)向。該生產(chǎn)線集機械技術(shù)、氣動技術(shù)及電子電氣技術(shù)為一體，由觸摸屏、PLC、伺服電機、步進電機、變頻器以及各種光電磁電傳感器組成的控制系統(tǒng)，具有人性化的操作界面、柔性的產(chǎn)品適應(yīng)性以及可靠的控制功能等優(yōu)點，是現(xiàn)代化陶瓷磚生產(chǎn)企業(yè)必不可少的生產(chǎn)裝備之一。

3.9陶瓷磚智能制造全流程信息化管控一體化技術(shù)

智能能源管理系統(tǒng)的核心目標(biāo)是通過更精確的過程狀態(tài)跟蹤和獲取更完整的實時數(shù)據(jù)，獲得更豐富的信息，并在科學(xué)決策支持下對生產(chǎn)制造過程進行更科學(xué)的管理，以實現(xiàn)更加靈活與柔性的過程控制，減少對環(huán)境的污染。以新一代信息技術(shù)和人工智能等技術(shù)為支撐，將智能化信息技術(shù)融合到產(chǎn)品生產(chǎn)，從全局視角實現(xiàn)產(chǎn)品全周期的智能制造。

陶瓷磚智能制造以高度自動化、智能化工廠為目標(biāo)，把智能能源管理系統(tǒng)作為階段性工作進行推進，設(shè)備運用自動化、智能化手段進行運營管理，對設(shè)備運行狀態(tài)實時監(jiān)控，減少了機電人員巡檢頻率。設(shè)備運行情況都在線監(jiān)測，數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常馬上報警提示，空氣壓縮機等高能耗、重點核心能源設(shè)備實現(xiàn)數(shù)字化監(jiān)控、提示、記錄功能，并具備遠程設(shè)備廠家云監(jiān)管、維護等功能。

4? 結(jié)語

本文通過建筑陶瓷智能制造關(guān)鍵技術(shù)的研究，采用新一代信息技術(shù)將建筑陶瓷工業(yè)的裝備、工藝、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等進行高度集成，建立了以智能工廠為代表的生產(chǎn)控制體系，以日產(chǎn)1萬平米拋釉磚生產(chǎn)線為參照標(biāo)準(zhǔn)，1條生產(chǎn)線生產(chǎn)工人降至50人。我國建筑陶瓷產(chǎn)品的產(chǎn)銷量均已達世界第一，但大而不強，迫切需要通過先進智能制造體系的構(gòu)建，推動建筑陶瓷產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級和可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻

[1] 韓文，張柏清等，建筑陶瓷智能制造與綠色制造，中國建材工業(yè)出版社，2020

[2] 張映鋒， 張黨， 任杉. 智能制造及其關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀與趨勢綜述[J]. 機械科學(xué)與技術(shù)， 2019， 038（003）：329-338.

[3] 霍豐源、胡叢林，AGV自動儲運系統(tǒng)在陶瓷行業(yè)的應(yīng)用及前景，佛山陶瓷，2018（11）：1-5.