張任平，龔 朋

(景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403)

0 引 言

在中華名族偉大復(fù)興“中國夢(mèng)”的引領(lǐng)下，隨著“一帶一路”和“中國制造2025”等國家戰(zhàn)略的深入實(shí)施[1]，中國陶瓷行業(yè)迎來了新的發(fā)展機(jī)遇：技術(shù)創(chuàng)新、轉(zhuǎn)型升級(jí)、高端發(fā)展速度加快明顯。工廠進(jìn)行智能化改造顯得尤為迫切，陶瓷企業(yè)為擺脫同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)需要通過智能制造提供個(gè)性化的定制產(chǎn)品。陶瓷企業(yè)想要跟上智能制造的步伐，快速響應(yīng)瞬息萬變的市場(chǎng)需求，不僅需要各產(chǎn)業(yè)通力協(xié)作，而且要使得整個(gè)生產(chǎn)過程處在最優(yōu)的狀態(tài)，盡最大可能進(jìn)行節(jié)能降耗，控制生產(chǎn)成本，能引領(lǐng)整個(gè)陶瓷行業(yè)的發(fā)展方向。陶瓷企業(yè)更需要加速改變粗放型管理模式，從要素增長(zhǎng)轉(zhuǎn)向創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，推進(jìn)制度創(chuàng)新、管理創(chuàng)新、科技創(chuàng)新，在創(chuàng)新中培育和形成新的成長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)。通過利用先進(jìn)的信息化技術(shù)手段提升生產(chǎn)經(jīng)營管控力度，促進(jìn)降本增效，全面提高企業(yè)管理水平，提高企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力。因此，陶瓷企業(yè)想要在新一輪的技術(shù)革命智能制造中搶占先機(jī)，進(jìn)行智慧化改造無疑是其不二選擇。

本文依據(jù)我國陶瓷行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，將人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)植入傳統(tǒng)的陶瓷行業(yè)，創(chuàng)造性提出了智慧瓷廠的概念模型，認(rèn)為智慧瓷廠應(yīng)包括智能控制、智能化管理和智慧廠區(qū)綜合管控等系統(tǒng)，闡述了建設(shè)智慧瓷廠的初步實(shí)施方案。全面分析了智慧瓷廠在整個(gè)工程實(shí)施過程中的復(fù)雜性。認(rèn)為智慧瓷廠必將是傳統(tǒng)陶瓷企業(yè)發(fā)展的方向，也是《中國制造2025》、工業(yè) 4.0和智慧城市提出的必然要求。

1 智慧瓷廠的概念

IBM 智慧工廠是“智慧瓷廠”的理論基礎(chǔ)，物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)和設(shè)備監(jiān)控技術(shù)加信息管理和服務(wù)，構(gòu)建一個(gè)高效節(jié)能的、綠色環(huán)保的、環(huán)境舒適的人性化工廠[2-3]。

IBM 智慧工廠的四個(gè)要素包括[2-3]:

(1)預(yù)測(cè)：基于智能化傳感儀表裝置，輔以智能化流程建模，系統(tǒng)具有預(yù)測(cè)功能。

(2)可見性：將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)樯舷挛南嚓P(guān)的信息，減輕現(xiàn)場(chǎng)操作人員和工程師的采集數(shù)據(jù)的工作量，更多的時(shí)間可以用來分析數(shù)據(jù)。

(3)協(xié)同：遠(yuǎn)程專家借助智能通訊系統(tǒng)可參與解決設(shè)備運(yùn)行問題；利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提高響應(yīng)速度和降低運(yùn)行費(fèi)用。

(4)分析和優(yōu)化：優(yōu)化現(xiàn)有的分析模型，采取先進(jìn)的分析方法提高全廠設(shè)備和裝置的運(yùn)行效率。

智慧瓷廠，是以數(shù)字化、信息化、自動(dòng)化、智能化為基礎(chǔ)，通過對(duì)瓷廠的全生命周期進(jìn)行量化，并與整個(gè)陶瓷行業(yè)互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)互動(dòng)，實(shí)時(shí)進(jìn)行分析、控制和決策。智慧化瓷廠的建設(shè)是通過傳感器等智能設(shè)備應(yīng)用，使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備除了具有分析能力，同時(shí)還可以提供參考決策方案，智慧瓷廠應(yīng)具有人工智能特征。智慧瓷廠最終達(dá)到的目標(biāo)：形成人機(jī)互聯(lián)互通、智能生產(chǎn)、遠(yuǎn)程診斷、智能監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)決策、智慧經(jīng)營的“以人為本、人機(jī)和諧”高效新型智慧瓷廠。

智慧瓷廠具有“感知化、互聯(lián)化、智能化”[4]的特點(diǎn)。感知化的理解可以表述為兩點(diǎn)，一是通過智能傳感器和攝像頭等硬件設(shè)備獲知前端信息資料；二是通過大數(shù)據(jù)技術(shù)獲知工廠各方面的情況；互聯(lián)化同樣可以從兩方面進(jìn)行理解，一是借助于通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)企業(yè)的互聯(lián)互通，數(shù)據(jù)高效共享集成；二是當(dāng)前業(yè)務(wù)形態(tài)與已有的業(yè)務(wù)形態(tài)和后續(xù)的業(yè)務(wù)形態(tài)實(shí)現(xiàn)相互貫通； 智能化通過先進(jìn)的傳感技術(shù)、智能控制技術(shù)、智能分析手段和信息技術(shù)，收集工廠所有信息并進(jìn)行分析，方便管理者及時(shí)決策并適時(shí)采取措施。

2 智慧瓷廠與傳統(tǒng)瓷廠的比較

得益于物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，智慧瓷廠代表瓷廠的未來發(fā)展趨勢(shì)。智慧瓷廠作為傳統(tǒng)瓷廠進(jìn)化的高級(jí)物種，在諸多方面和傳統(tǒng)瓷廠存在相當(dāng)大的不同。表1詳細(xì)給出了智慧瓷廠和傳統(tǒng)瓷廠的區(qū)別。

3 智慧瓷廠智能控制與管理系統(tǒng)建設(shè)

3.1 智能控制系統(tǒng)

人工智能在智慧瓷廠的直接應(yīng)用最重要的體現(xiàn)就是智能型控制系統(tǒng)，瓷廠的大部分工序采用了DDC或PLC控制系統(tǒng)，通過DCS系統(tǒng)進(jìn)行集中控制。基本實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制技術(shù)。隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能的不斷發(fā)展，陶瓷廠的控制系統(tǒng)正在進(jìn)行智能化控制系統(tǒng)改造。

3.1.1 窯爐智能控制

人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的發(fā)展催生了陶瓷工業(yè)窯爐的智能化發(fā)展?；谖锫?lián)網(wǎng)的窯爐智能控制系統(tǒng)，有助于解決目前窯爐生產(chǎn)過程中智能化程度低等問題，有利于生產(chǎn)過程的遠(yuǎn)程控制及批量重復(fù)生產(chǎn)。

智能控制裝置通過窯爐內(nèi)溫度傳感器、壓力傳感器、燃?xì)夤艿揽刂颇K、助燃空氣管道和排煙控制模塊來實(shí)現(xiàn)智能生產(chǎn)控制。系統(tǒng)可以自動(dòng)記錄生產(chǎn)過程的控制參數(shù)并保存在存儲(chǔ)記憶模塊內(nèi)，如果某一生產(chǎn)過程中具有最優(yōu)生產(chǎn)質(zhì)量，則操作人員可以重復(fù)選用該存儲(chǔ)的控制過程來對(duì)新的生產(chǎn)過程進(jìn)行控制，具有可重復(fù)性[5-6]。系統(tǒng)還可以通過接入互聯(lián)網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，遠(yuǎn)程控制終端和手機(jī)可以對(duì)系統(tǒng)實(shí)施遠(yuǎn)程操作。可以向使用電腦、移動(dòng)設(shè)備或智能手機(jī)的陶瓷窯爐設(shè)備管理員，發(fā)布各種數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集到的窯爐運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，同時(shí)依照預(yù)設(shè)的程序或者大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行分析，發(fā)出預(yù)警，對(duì)窯爐的運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化。生產(chǎn)過程的信息化和智能化，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)高度個(gè)性化和智能化的服務(wù)模式，為 “智慧工廠”陶瓷行業(yè)實(shí)現(xiàn)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

遠(yuǎn)程操作還可使用于生產(chǎn)技術(shù)保密的場(chǎng)合，僅有少數(shù)幾個(gè)核心人員控制核心生產(chǎn)技術(shù)并且可以遠(yuǎn)程分布式實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)控制。

智能控制系統(tǒng)是基于大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)的陶瓷工業(yè)機(jī)械和窯爐設(shè)備自動(dòng)控制解決方案，所以它要依托大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)陶瓷工業(yè)機(jī)械和窯爐設(shè)備的智能控制、數(shù)據(jù)采集和信息的存儲(chǔ)共享。主要組成有數(shù)據(jù)采集控制服務(wù)器、云端服務(wù)器和客戶端，能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程信息的收集整理、報(bào)警記錄信息和歷史記錄的云端存儲(chǔ)等。其根本宗旨是讓用戶解放出來，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和管理陶瓷機(jī)械和窯爐設(shè)備。推動(dòng)陶瓷行業(yè)從數(shù)字化轉(zhuǎn)向智慧化。

因此陶瓷工業(yè)機(jī)械和窯爐設(shè)備的智能控制系統(tǒng)能夠自動(dòng)控制生產(chǎn)過程，自動(dòng)記錄控制過程，具有可重復(fù)性，可以滿足遠(yuǎn)程保密性遠(yuǎn)程控制及批量重復(fù)生產(chǎn)。

表1 智慧瓷廠與傳統(tǒng)瓷廠的比較Tab.1 Comparison between smart and traditional factories

3.1.2 廠級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)

廠級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)是基于分布式系統(tǒng)進(jìn)行架構(gòu)，主要建立在陶瓷廠機(jī)械設(shè)備、窯爐、門禁和各種輔助控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上。具備統(tǒng)一性和通用性的智能監(jiān)控與查詢網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，可以監(jiān)控廠內(nèi)陶瓷生產(chǎn)和管理的各個(gè)過程，實(shí)現(xiàn)在同一數(shù)據(jù)庫平臺(tái)上完成采集數(shù)據(jù)的分析和處理，同時(shí)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)任務(wù)的最優(yōu)分配和工業(yè)控制系統(tǒng)的優(yōu)化。更重要的是，陶瓷廠采用分布式架構(gòu)系統(tǒng)建立一體化廠級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)，可以方便陶瓷廠集中監(jiān)控，設(shè)立集控中心。這種方式一方面有利于企業(yè)的減員增效，另一方面針對(duì)陶瓷企業(yè)產(chǎn)能過剩問題，有利于陶瓷企業(yè)生產(chǎn)任務(wù)的分配最優(yōu)，有利于各個(gè)企業(yè)的效益最大化。

3.2 陶瓷廠智能管理系統(tǒng)

建設(shè)智慧瓷廠必不可少的部分一定是管理系統(tǒng)的智能化，智能化管理系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)銷售和生產(chǎn)的無縫對(duì)接，有效提高陶瓷企業(yè)的生產(chǎn)效率，支撐陶瓷企業(yè)的戰(zhàn)略性規(guī)劃。

陶瓷生產(chǎn)企業(yè)的資產(chǎn)一般密集度較高，管理系統(tǒng)的智能化核心是管理資產(chǎn)，基于大數(shù)據(jù)技術(shù)建立統(tǒng)一服務(wù)的數(shù)據(jù)平臺(tái)，平臺(tái)底層功能主要是生產(chǎn)經(jīng)營管理、有形和無形資產(chǎn)管理、信息數(shù)據(jù)監(jiān)察控制，平臺(tái)中間層企業(yè)的銷售管理和人力資源管理。平臺(tái)頂層通過大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用，分析預(yù)測(cè)企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營數(shù)據(jù)，為企業(yè)進(jìn)行智能決策，對(duì)企業(yè)實(shí)行一體化的管理控制，降本增效，為陶瓷企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

基于各個(gè)模塊分離的底層控制系統(tǒng)，借助于屏蔽裝置和接入終端，接入廠級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)，在廠級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)內(nèi)連接有數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)借助于路由設(shè)備和屏蔽裝置進(jìn)入上一層網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于智能管理系統(tǒng)的人工智能和大數(shù)據(jù)分析，云服務(wù)器的架設(shè)位置在頂層網(wǎng)絡(luò)，管理應(yīng)用軟件安裝在云服務(wù)器系統(tǒng)中，廣泛應(yīng)用云計(jì)算平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)虛擬服務(wù)器系統(tǒng)、云化桌面終端系統(tǒng)和企業(yè)云平臺(tái)服務(wù)系統(tǒng)。

陶瓷企業(yè)云平臺(tái)的建立對(duì)整合優(yōu)勢(shì)資源和提升有效資源利用效率非常有利；硬件服務(wù)器和應(yīng)用軟件相互隔離，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)配置資源。管理系統(tǒng)進(jìn)行多角度安全設(shè)計(jì)，保護(hù)企業(yè)的無形智力資源。實(shí)現(xiàn)企業(yè)的科學(xué)用能，綠色環(huán)保節(jié)能。

大數(shù)據(jù)分析的核心點(diǎn)就是找尋不同數(shù)據(jù)之間的相互關(guān)聯(lián)性及其對(duì)未來的趨勢(shì)提前進(jìn)行預(yù)判。陶瓷廠的大數(shù)據(jù)應(yīng)用主要涵蓋數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、關(guān)聯(lián)性分析和結(jié)果應(yīng)用。采集到的數(shù)據(jù)可區(qū)分為外部數(shù)據(jù)和內(nèi)部數(shù)據(jù)。陶瓷企業(yè)外部數(shù)據(jù)來源于建材市場(chǎng)陶瓷產(chǎn)品、消費(fèi)者反饋、所用燃料價(jià)格、相關(guān)同級(jí)別瓷廠投資建設(shè)運(yùn)營維護(hù)數(shù)據(jù)等。其內(nèi)部數(shù)據(jù)的來源包括通過光盤、移動(dòng)設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)云盤提交的設(shè)計(jì)和工程竣工驗(yàn)收數(shù)據(jù)材料以及機(jī)械和窯爐設(shè)備投產(chǎn)運(yùn)營后的維護(hù)數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)分析主要體現(xiàn)在設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的處理、各車間工作水平和習(xí)慣的數(shù)據(jù)記錄分析和內(nèi)部與外部數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性分析。應(yīng)用大數(shù)據(jù)主要進(jìn)行機(jī)械設(shè)備智能控制與優(yōu)化、多視角運(yùn)行維護(hù)、陶瓷廠智能管理決策、人力資源的績(jī)效考核管理和生產(chǎn)成本管理控制。

3.3 智慧廠區(qū)綜合管控系統(tǒng)

陶瓷廠智慧廠區(qū)綜合管控系統(tǒng)，借助于人工智能、信息技術(shù)、區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)信息接口、信息轉(zhuǎn)換和共享協(xié)議等手段將信息管理系統(tǒng)、可視化監(jiān)控系統(tǒng)、一卡通綜合管理系統(tǒng)、防盜安全報(bào)警系統(tǒng)、智能廠區(qū)燈光系統(tǒng)、弱電管理系統(tǒng)、防震減災(zāi)系統(tǒng)、視頻信息管理系統(tǒng)等整個(gè)公司全部管理系統(tǒng)連接到共享的數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)公司的智慧化的監(jiān)測(cè)、管理和控制，達(dá)到人性化、便利、安全無漏洞等目標(biāo)。

智慧廠區(qū)由集中監(jiān)控、系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)和各種供工作人員使用的系統(tǒng)。集中監(jiān)控包括一體化聯(lián)動(dòng)集中監(jiān)察控制、智慧廠區(qū)自動(dòng)無人化出入口控制、防盜安全報(bào)警和基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能控制等。系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)能實(shí)現(xiàn)安全防護(hù)聯(lián)動(dòng)、消防一體化聯(lián)動(dòng)、廠區(qū)不同場(chǎng)景智能切換和廣播信息管理等。供工作人員使用的系統(tǒng)主要有推送天氣、手機(jī)終端應(yīng)用、智慧停車、智慧通勤車、智慧停車場(chǎng)、智能參觀線路、智能會(huì)議和訪客接待引導(dǎo)等。

4 結(jié) 論

陶瓷行業(yè)正面臨著淘汰落后產(chǎn)能、重新洗牌、戰(zhàn)略調(diào)整的大變革中，陶瓷廠面臨如何改變粗放型管理模式，健全和完善企業(yè)內(nèi)部的管理制度，使企業(yè)管理水平再上一個(gè)臺(tái)階；適應(yīng)“市場(chǎng)、競(jìng)爭(zhēng)和變化”，建立快速響應(yīng)和滿足市場(chǎng)不斷變化的需求響應(yīng)機(jī)制；陶瓷企業(yè)需要借助信息化與自動(dòng)化融合，實(shí)現(xiàn)自身的價(jià)值再造。

智慧瓷廠建設(shè)應(yīng)符合信息化和工業(yè)化的高層次的深度結(jié)合和工業(yè) 4.0 的發(fā)展方向，實(shí)現(xiàn)瓷廠設(shè)備運(yùn)行、生產(chǎn)執(zhí)行、經(jīng)營管理信息的逐級(jí)上傳、輔助領(lǐng)導(dǎo)科學(xué)決策，保證決策指令在經(jīng)營管理層、生產(chǎn)執(zhí)行層和設(shè)備控制層的逐級(jí)下達(dá)落實(shí)，設(shè)備控制指令的執(zhí)行結(jié)果最終通過設(shè)備狀態(tài)信息呈現(xiàn)。信息上傳和指令下達(dá)周而復(fù)始，閉環(huán)高效循環(huán)控制，保障瓷廠擁有優(yōu)秀的感知能力、決策能力和執(zhí)行能力，全面提升企業(yè)績(jī)效。

智慧瓷廠建設(shè)要以“智能產(chǎn)瓷、智慧管理”建設(shè)為抓手，以“數(shù)字化瓷廠”為基礎(chǔ)，堅(jiān)持問題導(dǎo)向，突出風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控、實(shí)時(shí)利潤、優(yōu)化管理、遠(yuǎn)程診斷等流程，最終提升工作效率。力爭(zhēng)通過“智慧瓷廠”建設(shè)，實(shí)現(xiàn)“數(shù)據(jù)流、信息流、業(yè)務(wù)流”的一體化融合，從而實(shí)現(xiàn)可靠、安全、高效的目標(biāo)。