化纖行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型技術(shù)實(shí)施路徑

文/彭先濤，毛 義，李大可 浙江恒逸集團(tuán)有限公司

化纖行業(yè)是關(guān)系國計(jì)民生的行業(yè)，前半段屬于聚酯流程行業(yè)，后半段成品環(huán)節(jié)屬于離散行業(yè)。隨著行業(yè)產(chǎn)能的增長，數(shù)字化建設(shè)的需求也在與日俱增，行業(yè)龍頭企業(yè)早已開始數(shù)字化建設(shè)探索之路，從浙江省的“數(shù)字化工廠”“化纖工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺”等名單可以看出目前已初具成效，但行業(yè)內(nèi)的中小型公司數(shù)字化水平相差較大。本文結(jié)合多個化纖工廠智能/數(shù)字化工廠落地經(jīng)驗(yàn)，就化纖行業(yè)數(shù)字化建設(shè)/轉(zhuǎn)型的技術(shù)路徑進(jìn)行總結(jié)與說明。

化纖行業(yè)數(shù)字化建設(shè)的基礎(chǔ)

制造業(yè)數(shù)字化建設(shè)/轉(zhuǎn)型不是一蹴而就的，有一定的順序與積累，還要有必要的基礎(chǔ)。

（1）自動化、信息化基礎(chǔ)

對于制造業(yè)來說，通過一些“硬工具”—自動化設(shè)備、“軟工具”—IT信息化系統(tǒng)，替換重復(fù)性工作提升效率與生產(chǎn)節(jié)拍、解放勞動力等是最為基礎(chǔ)的需求。自福特汽車廠1913年引入世界首條自動化流水生產(chǎn)線，其T型車2 500萬輛的銷量至今未被打破；20世紀(jì)50年代，IBM在轉(zhuǎn)型期投資數(shù)十億美元建設(shè)了高度自動化的工廠，助力IBM成功轉(zhuǎn)型。隨著自動化逐步步入高速發(fā)展時期，為越來越多的制造業(yè)帶來便利與收益。

隨著計(jì)算機(jī)由晶體管邁入集成電路時代，通過自動化實(shí)現(xiàn)批量制造，使得PC走入千家萬戶，計(jì)算機(jī)IT技術(shù)伴隨其一起發(fā)展，為制造業(yè)提供了諸多系統(tǒng)、工具。自動化與IT信息結(jié)合成為如今現(xiàn)場成套設(shè)備的標(biāo)配，軟硬件均需滿足“安穩(wěn)長滿優(yōu)”的要求。

基礎(chǔ)部分的投入是最大的，其建設(shè)水平?jīng)Q定了智能制造、數(shù)字化的落地難度與成功率。對于設(shè)備、技術(shù)的需求方和供給方，需要統(tǒng)一意識：再先進(jìn)的設(shè)備和技術(shù)，都是為了生產(chǎn)而服務(wù)。精密、穩(wěn)定的機(jī)械是電氣精確控制的基礎(chǔ)，貼合實(shí)際的IT系統(tǒng)功能才能被需求方用戶主動接受與使用。對于需方而言，需要明確提出成套設(shè)備要滿足的生產(chǎn)量化指標(biāo)，對各項(xiàng)細(xì)節(jié)進(jìn)行明確約定，如生產(chǎn)工況詳細(xì)數(shù)據(jù)、雙方工作界區(qū)范圍、設(shè)備供貨清單（需求方提出品牌要求）、設(shè)備/系統(tǒng)功能、成套設(shè)備性能指標(biāo)、性能指標(biāo)設(shè)計(jì)依據(jù)與計(jì)算過程、驗(yàn)收方式、備品備件清單、交付資料等等。為便于采購、維護(hù)、備品備件通用、制定統(tǒng)一通信與數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)等，需求方可對PLC、電氣元器件、關(guān)鍵設(shè)備等制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。對于供給方而言，需要先深入且清晰的了解需方的實(shí)際需求，在進(jìn)行設(shè)備、系統(tǒng)等設(shè)計(jì)時緊密結(jié)合實(shí)際需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，機(jī)械部分盡可能使用標(biāo)準(zhǔn)件，避免非標(biāo)定制件過多造成供應(yīng)鏈的延時或不可控。任何一個項(xiàng)目的成功落地，都是基于雙方的緊密配合，需求未梳理清晰、需求多變?yōu)轫?xiàng)目的失敗埋下伏筆。供需雙方都要做好項(xiàng)目管理，保證項(xiàng)目按照項(xiàng)目節(jié)點(diǎn)、里程碑計(jì)劃穩(wěn)定、有序地進(jìn)行。

此部分也需要關(guān)注新技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，可逐步引入工業(yè)場景應(yīng)用，如：傳統(tǒng)堆垛機(jī)式立體庫占地面積大、出入庫效率難以進(jìn)一步提升，可關(guān)注四向穿梭車式立體庫，以48 000個貨位立體庫為例，堆垛機(jī)式立體庫高度需要27m，而同樣占地面積四向穿梭車式立體庫高度可做到24m，由于穿梭車可以在不同的庫層之間進(jìn)行調(diào)度，可以大幅提升出入庫的效率；對于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可吸收引進(jìn)，互聯(lián)網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)億次/s的高并發(fā)與處理，在工業(yè)應(yīng)用時，在UDT中可引入MapReduce思路進(jìn)行設(shè)計(jì)，中間層使用MQTT，IT系統(tǒng)中使用多線程，可在ms級內(nèi)實(shí)現(xiàn)工業(yè)萬次/s的并發(fā)與處理。工業(yè)技術(shù)環(huán)境包羅萬象，實(shí)際應(yīng)用效果是檢驗(yàn)技術(shù)是否可行的有效途徑，工業(yè)設(shè)備與軟件是需要沉淀積累的，將工業(yè)行業(yè)中的隱性知識與經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)換為顯性知識與經(jīng)驗(yàn)，再通過技術(shù)對現(xiàn)場進(jìn)行賦能，最直觀的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是此設(shè)備/系統(tǒng)是否好用。

（2）工業(yè)網(wǎng)絡(luò)

工業(yè)網(wǎng)絡(luò)是工廠的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在日益復(fù)雜的自動化、IT系統(tǒng)中，其穩(wěn)定性對生產(chǎn)有直接影響。設(shè)計(jì)一個安全、穩(wěn)定、高效、容災(zāi)、可擴(kuò)展的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)顯得尤為重要，化纖行業(yè)工廠級工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 化纖工廠工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

主網(wǎng)采用光纖環(huán)網(wǎng)，子網(wǎng)根據(jù)通信距離決定采用光纖環(huán)網(wǎng)還是網(wǎng)線環(huán)網(wǎng)，無線、5G網(wǎng)絡(luò)可在子網(wǎng)中進(jìn)行融合。為保證通信的穩(wěn)定性，建議現(xiàn)場單根網(wǎng)線的長度≤85m。網(wǎng)線環(huán)網(wǎng)中，每兩臺交換機(jī)間、重要設(shè)備與交換機(jī)間放置2根網(wǎng)線，其中一根不接入交換機(jī)中，避免數(shù)據(jù)分流造成通信丟包或延時。

工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與辦公網(wǎng)絡(luò)有著根本上的不同，在辦公中一臺服務(wù)器處理多臺設(shè)備連接，設(shè)備之間無交叉連接，多個設(shè)備同時連接服務(wù)器時會導(dǎo)致阻塞和延時。這種通信方式不能用于工業(yè)自動控制，循環(huán)執(zhí)行進(jìn)程要及時處理更新的數(shù)據(jù)并發(fā)出新的控制指令，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)必須能夠反應(yīng)靈活并在短時間內(nèi)滿足工業(yè)需求，重組必須快速而高效，如果發(fā)生延時，會導(dǎo)致發(fā)生“該運(yùn)行的不運(yùn)行，該停止的不停止”的生產(chǎn)、安全事故。

工業(yè)網(wǎng)絡(luò)必須能夠適應(yīng)如高溫、濕度高、粉塵多、振動、腐蝕性、輻射、電磁干擾等惡劣嚴(yán)酷的工業(yè)環(huán)境，工業(yè)交換機(jī)的工作溫度、工作濕度、防護(hù)等級、MTBF均有參數(shù)說明，工業(yè)交換機(jī)需要選擇工業(yè)品牌，不能用民用交換機(jī)進(jìn)行替換。

（3）工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

當(dāng)自動化系統(tǒng)到達(dá)一定的復(fù)雜度時，建立一個公司級/集團(tuán)級的DAQ平臺十分必要，一般是從現(xiàn)場設(shè)備中的控制器、專用數(shù)據(jù)采集卡等中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集或交互，如DCS、PLC、機(jī)器人控制器、各種單機(jī)設(shè)備控制器、專用通信板卡等。設(shè)備連通進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與交互是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心。對于C端而言，通信協(xié)議較為單一、獲取授權(quán)較為方便，可以輕易獲取海量數(shù)據(jù)；但對于制造業(yè)B端來說，現(xiàn)場通信協(xié)議眾多且互不兼容、工業(yè)環(huán)境復(fù)雜，尤其是有些專用/進(jìn)口/壟斷設(shè)備并不開放數(shù)據(jù)接口，如數(shù)控機(jī)床、巴馬格卷繞機(jī)等，大大增加了數(shù)據(jù)獲取的難度與成本。

目前比較成熟的做法為使用OPC軟件作為主要平臺，輔以定制開發(fā)通信接口。OPC有DA、UA之分，OPC DA只支持Windows平臺，OPC UA已成為主流方式，得益于其更多的功能、跨平臺能力、安全性更高等優(yōu)點(diǎn)。OPC在建立數(shù)據(jù)采集變量時，首先要配置采集控制器的型號驅(qū)動、IP地址等參數(shù)，其次變量是按照channel、device、tag三層建立，當(dāng)一臺設(shè)備中變量較多時，會影響采集速率，此時可將一臺設(shè)備分為多個device，在每個對應(yīng)的device下建立相應(yīng)的tags。筆者成功落地過通過一個OPC UA平臺上采集10萬點(diǎn)數(shù)據(jù)，采集周期在100ms以內(nèi)。除了OPC之外，還有其他一些也可實(shí)現(xiàn)該平臺功能，如在機(jī)床物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用較為成熟的Thingworx等。

（4）IT決策系統(tǒng)

有無IT決策系統(tǒng)是衡量一個工廠是否智能的重要指標(biāo)，其能實(shí)現(xiàn)“自動化作執(zhí)行，信息化作決策”。IT決策系統(tǒng)是指緊耦合MES/MOM，它賦予智能工廠“大腦”。ISA-95中定義了MES，最新發(fā)布的ISA-SP95中定義了MOM，為便于行文，本文還是以MES闡述。MES有松耦合、緊耦合之分，此處的耦合可以理解為MES是否參與到現(xiàn)場控制。

松耦合MES主要做數(shù)據(jù)集成、展示與相關(guān)操作，業(yè)務(wù)復(fù)雜度較低，實(shí)施難度也較低。緊耦合MES要與自動化層面緊密結(jié)合，自動化與IT之間打通可通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互通有無。簡單的示例流程如下：通過銷售系統(tǒng)下訂單，ERP對該訂單依據(jù)物料信息等進(jìn)行處理分解后下發(fā)至緊耦合MES，MES結(jié)合產(chǎn)品BOM、庫存等信息進(jìn)一步將訂單處理為現(xiàn)場可執(zhí)行的生產(chǎn)計(jì)劃，再將生產(chǎn)任務(wù)下發(fā)至物流系統(tǒng)、現(xiàn)場計(jì)劃執(zhí)行PLC中等；在原料上線生產(chǎn)過程中，每到一個工序、質(zhì)量檢查點(diǎn)等時，現(xiàn)場PLC向MES發(fā)起指令請求下一步動作、狀態(tài)等，MES根據(jù)制定的規(guī)則判斷是否允許繼續(xù)執(zhí)行、拉動現(xiàn)場物料配送等。緊耦合MES在與自動化層交互時，一般是PLC側(cè)發(fā)起請求，MES側(cè)響應(yīng)，每次請求必須有響應(yīng)，否則形成不了閉環(huán)，會導(dǎo)致現(xiàn)場停產(chǎn)事故。緊耦合MES不是一套軟件，而是在深入理解、掌握現(xiàn)場業(yè)務(wù)需求的基礎(chǔ)上才能實(shí)現(xiàn)，對于集團(tuán)型制造業(yè)，該部分為核心業(yè)務(wù)與技術(shù)，最好是自己有團(tuán)隊(duì)進(jìn)行實(shí)施與運(yùn)維，需要供應(yīng)商進(jìn)行配合實(shí)施的部分，制定供應(yīng)商側(cè)的標(biāo)準(zhǔn)并指導(dǎo)供應(yīng)商進(jìn)行配合實(shí)施。

（5）信息互通

IT信息的融合至關(guān)重要，如：CAD/CAE等產(chǎn)品研發(fā)系統(tǒng)、PLM、CRM、SCM、LIMS、WMS、ERP、MES、MDM、EAM等。要打通研發(fā)、采購、財(cái)務(wù)、物流、生產(chǎn)、售后等全流程系統(tǒng)，涉及的系統(tǒng)對接或很多，每個系統(tǒng)如果單獨(dú)開發(fā)接口進(jìn)行對接，會存在開發(fā)與調(diào)試工作量較大、接口不統(tǒng)一、運(yùn)維難度與成本高等問題，因此可以考慮采用ESB進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，當(dāng)后期系統(tǒng)迭代升級、更換、新增時，也能進(jìn)行較快的融合。

（6）數(shù)據(jù)展示

基礎(chǔ)建設(shè)過程中，通過LED、LCD等進(jìn)行數(shù)據(jù)展示是必不可少的，核心是有相關(guān)數(shù)據(jù)。展示界面需要根據(jù)實(shí)際需求而定，不同層級的人員對所展示的信息要求也不同，需求確定后可讓UI界面美觀設(shè)計(jì)。2D/3D、數(shù)字孿生、微信推送信息等是一種技術(shù)形式，關(guān)鍵點(diǎn)還是需要打通與相關(guān)數(shù)據(jù)的交互渠道。

數(shù)字化應(yīng)用實(shí)踐

數(shù)字化建設(shè)所需的基礎(chǔ)越成熟，各環(huán)節(jié)就越流暢，可獲取、積累的數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)就越多。沒有穩(wěn)定、有效與高效的數(shù)據(jù)來源，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是無源之水，數(shù)字化是空中樓閣。數(shù)據(jù)蘊(yùn)含信息，信息內(nèi)含知識，知識就可以用于實(shí)際的提升、改進(jìn)、創(chuàng)新等。制造業(yè)是實(shí)體經(jīng)濟(jì)的支柱，制造業(yè)數(shù)字化也是我國數(shù)字經(jīng)濟(jì)中重要的一環(huán)。數(shù)字化實(shí)際應(yīng)用時有幾個關(guān)鍵點(diǎn)。

（1）數(shù)據(jù)之中找真相

工業(yè)現(xiàn)場獲取積累的結(jié)構(gòu)、非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)量是很龐大的，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、梳理，從中找出有用的數(shù)據(jù)。如正常生產(chǎn)時，設(shè)備、產(chǎn)品等的數(shù)據(jù)均為正常數(shù)據(jù)，當(dāng)某臺設(shè)備運(yùn)行參數(shù)突然出現(xiàn)異常時，需要聯(lián)系上下游生產(chǎn)工況、產(chǎn)品情況等進(jìn)行分析，找出設(shè)備運(yùn)行參數(shù)異常的真相，對設(shè)備運(yùn)維、生產(chǎn)等進(jìn)行有效的指導(dǎo)與經(jīng)驗(yàn)積累；通過質(zhì)量異常數(shù)據(jù)對原料、工藝參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)、現(xiàn)場管理等進(jìn)行分析，找出異常的根源，進(jìn)行目標(biāo)明確的改進(jìn)。數(shù)據(jù)可以反應(yīng)出企業(yè)生產(chǎn)、運(yùn)營、供應(yīng)鏈、產(chǎn)品等方方面面的細(xì)節(jié)，當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，要連通異常數(shù)據(jù)的上下游進(jìn)行詳盡分析。

（2）AI

自2018年開始，多國已制定AI戰(zhàn)略發(fā)展舉措。AI在解決工業(yè)復(fù)雜場景問題時能取得較為優(yōu)秀的效果，比如化纖行業(yè)中需要對絲錠的外觀缺陷進(jìn)行分類、根據(jù)每種缺陷的嚴(yán)重程度進(jìn)行定級，產(chǎn)品批號變化時缺陷的形態(tài)也會有所變化，用AI來解決此問題可取得比人工更好更穩(wěn)定的效果。AI的能力已經(jīng)得到了廣泛的驗(yàn)證，要重視AI在工業(yè)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用與價(jià)值，但在選擇上要多加注意，避免掉入“偽AI”的坑。

（3）安全

除了HSE硬性安全要求之外，在數(shù)字化建設(shè)中必須重視網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)安全、信息安全等方面的建設(shè)，避免發(fā)生信息類安全事件影響現(xiàn)場生產(chǎn)、企業(yè)運(yùn)營等?，F(xiàn)場的設(shè)備、信息系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)的集成度較深，對于外網(wǎng)的權(quán)限、安全要嚴(yán)格管控，守護(hù)好“數(shù)據(jù)”等軟資產(chǎn)的安全。

（4）數(shù)字化應(yīng)用

“人機(jī)料法環(huán)”是制造過程的主環(huán)節(jié)，“人財(cái)物產(chǎn)銷”是供應(yīng)鏈一體化的主環(huán)節(jié)，兩個主環(huán)節(jié)融合貫通基本就實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，從中挖掘有用的數(shù)據(jù)，對生產(chǎn)經(jīng)營各環(huán)節(jié)進(jìn)行建?；蛑笇?dǎo)，能夠發(fā)現(xiàn)相應(yīng)環(huán)節(jié)的瓶頸，有針對性的進(jìn)行有效的提升。數(shù)字化的范圍很廣，幾乎涵蓋了企業(yè)的方方面面，但要想數(shù)字化成功落地，其需要很多基礎(chǔ)與數(shù)據(jù)進(jìn)行支撐。

數(shù)字化通過技術(shù)對企業(yè)賦能，既會帶來企業(yè)流程、組織架構(gòu)、崗位職責(zé)等的變化，又會對產(chǎn)品的研發(fā)、結(jié)構(gòu)、制造、銷售等帶來很大的改變。數(shù)字化建設(shè)到不同階段，為企業(yè)帶來的促進(jìn)作用不同，但企業(yè)要面對的轉(zhuǎn)變、挑戰(zhàn)也會不同。

結(jié)束語

我國是制造大國，制造業(yè)各行業(yè)工業(yè)化進(jìn)程水平有不小的差異，在數(shù)字化建設(shè)中，汽車行業(yè)由于起步早，其建設(shè)水平相對領(lǐng)先，可作為先進(jìn)行業(yè)進(jìn)行學(xué)習(xí)與借鑒。數(shù)字化的出發(fā)點(diǎn)與最終目的都是為了企業(yè)自身的發(fā)展而服務(wù)，建設(shè)過程中要打好基礎(chǔ)，多回頭總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，不要偏離方向。整體而言，數(shù)字化剛起步，但其能力已不容小覷，數(shù)字化建設(shè)道路是“路漫漫其修遠(yuǎn)兮，吾將上下而求索”，正如中國人民依靠自己的毅力與聰明才智克服艱難險(xiǎn)阻終會取得中華民族的偉大復(fù)興，我們也會克服數(shù)字化建設(shè)中的各種困難，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)的智能化、數(shù)字化。數(shù)字化的范圍很廣，本文僅對化纖行業(yè)的數(shù)字化建設(shè)技術(shù)路徑落地進(jìn)行論述，任何一個點(diǎn)展開都會較廣較深，希望能為制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型起到拋磚引玉的作用。