中樞轉(zhuǎn)千機(jī) 籌算應(yīng)萬(wàn)變
——為玻璃工廠注入智能制造的靈魂

王健 李勇

（秦皇島玻璃工業(yè)研究設(shè)計(jì)院有限公司 秦皇島 066001）

人類世界最早的玻璃出現(xiàn)于古埃及和美索不達(dá)米亞，而近100年來(lái)玻璃工業(yè)最重要的事件是1952年英國(guó)皮爾金頓（PILKINGTON）發(fā)明了浮法工藝，玻璃工業(yè)自此進(jìn)入規(guī)模經(jīng)濟(jì)、成本大幅降低的時(shí)代。新中國(guó)成立后，由于海外技術(shù)封鎖，中國(guó)“洛陽(yáng)浮法玻璃工藝”于1981年正式研發(fā)成功，與英國(guó)皮爾金頓浮法、美國(guó)PPG浮法工藝齊名為世界公認(rèn)的三大浮法工藝。皮爾金頓的“浮法工藝”改變了世界玻璃工業(yè)發(fā)展史，而中國(guó)“洛陽(yáng)浮法玻璃工藝”令我國(guó)玻璃進(jìn)入工業(yè)化時(shí)代。

今年是中國(guó)“洛陽(yáng)浮法玻璃工藝”誕生50周年，商海浮沉，皮爾金頓已經(jīng)成為板硝子的全資子公司?；诟》üに嚨氖澜绮ＡЧI(yè)產(chǎn)能格局，已經(jīng)被中國(guó)企業(yè)所重塑。就浮法工藝而言，中國(guó)的玻璃企業(yè)已經(jīng)具備明顯的國(guó)際比較優(yōu)勢(shì)，這離不開老一輩玻璃科研專家們嘔心瀝血的付出，也得益于50年來(lái)中國(guó)龐大市場(chǎng)的培養(yǎng)。50年來(lái)，浮法工藝的電氣自動(dòng)化控制水平，也伴隨著產(chǎn)能升級(jí)、市場(chǎng)需求和技術(shù)發(fā)展飛速的提升。

中國(guó)“洛陽(yáng)浮法玻璃工藝”誕生伊始，玻璃工廠的電氣自動(dòng)化控制還是以現(xiàn)場(chǎng)模擬檢測(cè)儀表+繼電器控制裝置的“原始”平臺(tái)為主。配料系統(tǒng)普遍采用機(jī)械秤或者電機(jī)械秤，稱量傳感器主要由壓敏電阻和放大回路組成，用電繼電器和可控硅組成控制回路。80年代初，國(guó)外玻璃工廠已經(jīng)開始使用電子計(jì)算機(jī)參與熱工控制，并配置工業(yè)電視。受皮爾金頓浮法玻璃生產(chǎn)線的影響，我國(guó)浮法線熱工測(cè)量、記錄主要采用智能儀表、無(wú)紙記錄儀等。熱工工藝參數(shù)調(diào)節(jié)以人工干預(yù)為主，嚴(yán)重依賴于工程師的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)。冷端生產(chǎn)線則仍以機(jī)械化輔以電機(jī)傳動(dòng)的方式，僅能將玻璃板簡(jiǎn)單輸送至堆垛位，輸送、堆垛精度、效率都較為低下。

皮爾金頓公司在圣海倫斯的GREENGATE玻璃廠的浮法玻璃生產(chǎn)線，就是采用綜合計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行高度自動(dòng)化生產(chǎn)的例子。從配料車間到自動(dòng)堆垛工段的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)均采用DECPDP11或LS111處理機(jī)，所采用的軟件則為皮爾金頓工藝語(yǔ)言。該系統(tǒng)采用分布式計(jì)算機(jī)原理，涉及計(jì)算機(jī)控制和PLC到層次的信息系統(tǒng)和工廠管理。同時(shí)期PPG公司也已經(jīng)采用現(xiàn)代化計(jì)算機(jī)應(yīng)用和可編程程序過(guò)程控制器相結(jié)合的方式，形成熱工流程的局部過(guò)程控制系統(tǒng)。德國(guó)格林策巴赫已經(jīng)開始設(shè)計(jì)、制造基于計(jì)算機(jī)算法的優(yōu)化切割、輸送、堆垛自動(dòng)化冷端生產(chǎn)線。

1982年，由秦皇島院設(shè)計(jì)的通遼玻璃廠經(jīng)八年探索成功點(diǎn)火投產(chǎn)，第一次實(shí)現(xiàn)了中國(guó)“洛陽(yáng)浮法玻璃工藝”的量化生產(chǎn)。1992年，通遼玻璃廠引進(jìn)美國(guó)貝利公司（后被ABB收購(gòu)）的INFI90集散控制系統(tǒng)（DCS），為我國(guó)浮法玻璃企業(yè)首次引進(jìn)DCS。該系統(tǒng)能滿足生產(chǎn)安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)行的要求，發(fā)揮了DCS的基本功能，促進(jìn)了工藝管理的改進(jìn)，采用了先進(jìn)的控制策略，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，為工藝裝置達(dá)標(biāo)發(fā)揮了積極作用。之后，ABB的Infi90/Freelance 2000/IndustrialIT等、國(guó)產(chǎn)的和利時(shí)HSIO00/HS2000/MACS/MACSSmartpro（FCS）等、Honeywell的TDC3000/TPS等、Emerson的DeltaV等、Foxboro的I/ASeries等、Siemens的SimaticPCS7等DCS被陸續(xù)應(yīng)用在浮法玻璃熱工控制上。冷端生產(chǎn)線控制由直流驅(qū)動(dòng)升級(jí)為變頻驅(qū)動(dòng)，個(gè)別關(guān)鍵環(huán)節(jié)如切割機(jī)、分片機(jī)采用計(jì)算機(jī)通過(guò)接口的數(shù)模轉(zhuǎn)換器直接控制伺服驅(qū)動(dòng)。

時(shí)至今日，隨著工業(yè)4.0時(shí)代來(lái)臨和智能制造大潮，浮法玻璃的自動(dòng)化控制也在向全廠自動(dòng)化、數(shù)字化和智能化迅速升級(jí)轉(zhuǎn)型。2015年5月，國(guó)務(wù)院印發(fā)《中國(guó)制造2025》白皮書，計(jì)劃通過(guò)“三步走”實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略目標(biāo)。秦皇島院通過(guò)多年技術(shù)積累和數(shù)字化、智能化工廠建設(shè)實(shí)踐，探索出適合中國(guó)浮法玻璃行業(yè)發(fā)展的智能化工廠思路。

一體化的數(shù)字平臺(tái)使得優(yōu)化設(shè)計(jì)、合理排產(chǎn)、生產(chǎn)管控、設(shè)備管理及維護(hù)、KPI管理、數(shù)據(jù)可視化以及借助云平臺(tái)與產(chǎn)業(yè)鏈上企業(yè)交流得以實(shí)現(xiàn)，并能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)產(chǎn)品及設(shè)備的全生命周期的管理，可以理解為數(shù)字化工程、數(shù)字化生產(chǎn)、數(shù)字化質(zhì)量、數(shù)字化物流。而智能化工廠是在數(shù)字化方案的基礎(chǔ)上利用信息化和數(shù)據(jù)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的挖掘和賦能，并與智能系統(tǒng)新興技術(shù)相結(jié)合構(gòu)建智慧化、高效節(jié)能、綠色環(huán)保的人性化工廠。

設(shè)計(jì)階段決定了整個(gè)工廠項(xiàng)目的質(zhì)量。數(shù)字工程設(shè)計(jì)平臺(tái)可以從始至終地管控工廠工程設(shè)計(jì)，使整個(gè)流程更快速、更精益、更經(jīng)濟(jì)。數(shù)字化平臺(tái)下的工程設(shè)計(jì)與CAM及CAD無(wú)縫對(duì)接，工廠的每一臺(tái)設(shè)備及元器件甚至控制系統(tǒng)都有唯一的標(biāo)簽，相關(guān)數(shù)據(jù)及參數(shù)直接在系統(tǒng)中得以記錄和保留，便于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化運(yùn)營(yíng)及維護(hù)。同時(shí)，數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)的精益設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)流程優(yōu)化，尋找最優(yōu)管線路徑，避免傳統(tǒng)設(shè)計(jì)各專業(yè)之間信息不透明導(dǎo)致的錯(cuò)、漏、碰現(xiàn)象，為提高效率、降低投資成本、縮短工程建設(shè)周期提供了有效保障。西門子的COMOS（數(shù)字化工廠工程設(shè)計(jì)平臺(tái)）、BIM（建筑信息模型軟件）等已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于玻璃工廠的數(shù)字化設(shè)計(jì)中。

面向工業(yè)企業(yè)推出的能效管理（EMS）解決方案，從現(xiàn)場(chǎng)層直至管理層的全面一體化能源管理，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，準(zhǔn)確識(shí)別各種耗能環(huán)節(jié)，量身定制專業(yè)優(yōu)化方案，旨在優(yōu)化資源利用率，顯著提高生產(chǎn)能力以及減少生產(chǎn)浪費(fèi)和碳排放量。

智能礦山整體解決方案以資源品質(zhì)控制為主線，集“數(shù)字采礦軟件平臺(tái)、生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)平臺(tái)、三維可視化管控平臺(tái)、卡車調(diào)度系統(tǒng)、質(zhì)量控制系統(tǒng)、安全環(huán)保監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)和礦山數(shù)據(jù)中心”為一體，在協(xié)同作業(yè)平臺(tái)和礦山數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)上，革新礦山生產(chǎn)組織方式。實(shí)現(xiàn)礦山資源精細(xì)化開發(fā)利用、生產(chǎn)過(guò)程智能管控、達(dá)到礦山開采綠色環(huán)保和經(jīng)濟(jì)高效。

一體化數(shù)字平臺(tái)下的智能原料系統(tǒng)能夠?qū)λ羞M(jìn)廠的原、燃料進(jìn)行記錄及跟蹤，自動(dòng)分配倉(cāng)儲(chǔ)，確保物料按照時(shí)間及質(zhì)量標(biāo)簽合理出庫(kù)，并按照設(shè)定庫(kù)存進(jìn)行補(bǔ)料提醒。智能配料系統(tǒng)可對(duì)玻璃企業(yè)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠的采集和監(jiān)控，以確保稱重過(guò)程中保持精確度和可追溯性。系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行料方校核及智能調(diào)整稱量方法，以確保不同物料稱重的動(dòng)態(tài)精度和過(guò)程數(shù)據(jù)的可追溯性。數(shù)據(jù)化也使得所有原料的設(shè)備運(yùn)行和維護(hù)更加智能便捷。

DCS已經(jīng)成為每個(gè)工廠的數(shù)據(jù)和控制核心，包括生產(chǎn)節(jié)拍、所有工廠過(guò)程的監(jiān)控以及直至現(xiàn)場(chǎng)層的數(shù)字化。智能熱工流程控制遵循無(wú)縫工廠和自動(dòng)化規(guī)劃的完全集成解決方案。為行業(yè)特殊工藝的需要而定制的開創(chuàng)性專家級(jí)過(guò)程控制技術(shù)，提高了靈活性、安全性和效率。智能過(guò)程儀表也適合與更大范圍的工業(yè)自動(dòng)化與控制系統(tǒng)無(wú)縫集成，從而實(shí)現(xiàn)更高過(guò)程透明度。

窯爐優(yōu)化仿真系統(tǒng)以大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)采用復(fù)雜的多參數(shù)交叉作用算法，加入人工經(jīng)驗(yàn)及自動(dòng)學(xué)習(xí)功能替代傳統(tǒng)的單一PID算法，針對(duì)PID難以解決的多變量、非線性、大慣性、大滯后特點(diǎn)，尋找最優(yōu)控制參數(shù)，減少人工干預(yù)，使傳統(tǒng)的窯爐工藝管理由開環(huán)控制、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ降暮诤凶庸芾砟Ｊ?，變成更健康、更科學(xué)的從預(yù)警到預(yù)調(diào)的自判斷、自學(xué)習(xí)的智能模式。

數(shù)字化窯爐環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，自動(dòng)接收光學(xué)非接觸式感應(yīng)設(shè)備采集的大量真實(shí)場(chǎng)景圖像數(shù)據(jù)，并進(jìn)行智能化分析處理，不僅能夠?yàn)楦G爐內(nèi)部環(huán)境提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，也能智能分析爐體運(yùn)行狀況。

通過(guò)熱工流程三維仿真平臺(tái)，可進(jìn)行虛擬調(diào)試、虛擬測(cè)試和操作人員培訓(xùn)，實(shí)現(xiàn)過(guò)程優(yōu)化和專有技術(shù)保護(hù)。

基于全廠一體化概念的智能化冷端數(shù)字生產(chǎn)線，配置數(shù)據(jù)自感知、參數(shù)自整定、設(shè)備自適配、設(shè)備自投入的專家智能數(shù)字化控制技術(shù)，系統(tǒng)以工業(yè)以太網(wǎng)為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將冷端設(shè)備與自動(dòng)控制系統(tǒng)形成數(shù)據(jù)鏈路，先進(jìn)的控制軟件能夠精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)物流跟蹤，準(zhǔn)確識(shí)別產(chǎn)品類別并自動(dòng)按質(zhì)取片。冷端的數(shù)字孿生系統(tǒng)在虛擬空間中完成了對(duì)物理實(shí)體的映射，調(diào)試階段即可模擬設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)，測(cè)試參數(shù)調(diào)整帶來(lái)的變化，生產(chǎn)階段被賦以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)即可作為現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的狀態(tài)監(jiān)控。數(shù)字孿生系統(tǒng)能夠有效提升冷端系統(tǒng)的可靠性和運(yùn)轉(zhuǎn)效率。

智能化冷端數(shù)字生產(chǎn)線可實(shí)現(xiàn)冷端生產(chǎn)線多規(guī)格生產(chǎn)、訂單式生產(chǎn)、集中控制、無(wú)人值守，提高生產(chǎn)效率、降低人力成本、最大化利用產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)柔性化生產(chǎn)，為業(yè)主創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

數(shù)字化的成品倉(cāng)庫(kù)及物流管理系統(tǒng)，從傳統(tǒng)的依賴倉(cāng)管人員經(jīng)驗(yàn)變成依靠精準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)精細(xì)化管理，使現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)在線化，倉(cāng)庫(kù)透明化，有效提高公司運(yùn)作效率、提升管理水平。

智能生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)平臺(tái)的開發(fā)框架，可用于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、集成、分析，以及展現(xiàn)來(lái)自多個(gè)底層數(shù)據(jù)源的各種信息。智能生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)賦能給現(xiàn)場(chǎng)操作和生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)人員以及高級(jí)管理者通過(guò)從分布在企業(yè)內(nèi)的各個(gè)數(shù)據(jù)源中提取關(guān)鍵企業(yè)經(jīng)營(yíng)和生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)表現(xiàn)是否符合業(yè)務(wù)目標(biāo)，及時(shí)地做出可執(zhí)行的決策意見。

作為中國(guó)“洛陽(yáng)浮法玻璃工藝”的主要研發(fā)者，中國(guó)玻璃行業(yè)的先驅(qū)者——秦皇島院肩負(fù)著推動(dòng)行業(yè)進(jìn)步的歷史使命。推動(dòng)玻璃行業(yè)的進(jìn)步和高質(zhì)量發(fā)展，除了調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、增加行業(yè)集中度，更迫切需要提高數(shù)字化、智能化水平，提高產(chǎn)品質(zhì)量，增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)能力。構(gòu)建、實(shí)現(xiàn)契合玻璃行業(yè)的智能制造系統(tǒng)，為玻璃企業(yè)智能化賦能，是行業(yè)發(fā)展的必需，也是秦皇島院多年來(lái)關(guān)于數(shù)字化、智能化技術(shù)儲(chǔ)備的應(yīng)用實(shí)踐。為已經(jīng)具備“服從力”的機(jī)器，賦予智慧化的“靈魂”，并參與到工業(yè)企業(yè)的管理和決策中。數(shù)字化、智能化的玻璃工廠，人、機(jī)器和資源自然，無(wú)障礙地相互溝通協(xié)作，隨處可控、一觸即達(dá)。中樞轉(zhuǎn)千機(jī)，籌算應(yīng)萬(wàn)變！