建材行業(yè)智能工廠標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)通用模型研究

劉霄倩，賀姣陽(yáng)（中國(guó)建筑材料工業(yè)規(guī)劃研究院 北京 100035）

韓東陽(yáng)（建筑材料工業(yè)信息中心 北京 100831）

0 引言

“十三五”是建材行業(yè)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵時(shí)期，建材企業(yè)迫切需要加快推進(jìn)智能制造，加快實(shí)現(xiàn)新一代信息技術(shù)與建材行業(yè)在裝備、工藝、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等方面的深度融合。智能制造，標(biāo)準(zhǔn)先行，以通用模型為核心內(nèi)容的建材行業(yè)智能工廠標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)是國(guó)家智能制造標(biāo)準(zhǔn)化從頂層設(shè)計(jì)邁向行業(yè)落地實(shí)施工作的重要組成，是已經(jīng)啟動(dòng)的7項(xiàng)智能制造國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)研究工作的有益補(bǔ)充。

基于建材行業(yè)長(zhǎng)期實(shí)踐，系統(tǒng)分析了建材行業(yè)智能工廠的建設(shè)需求，提煉了建材行業(yè)智能工廠標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)的通用參考模型，實(shí)現(xiàn)了建材行業(yè)智能工廠標(biāo)準(zhǔn)的重要突破，對(duì)建材企業(yè)推進(jìn)智能制造具有重要的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。

1 建材行業(yè)智能工廠建設(shè)的共性需求

建材行業(yè)是我國(guó)重要的基礎(chǔ)原材料行業(yè)，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，建材行業(yè)的生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)裝備和生產(chǎn)自動(dòng)化水平都得到了大幅度提升，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)建材行業(yè)生產(chǎn)制造總體效能仍有較大差距，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)過(guò)剩、管理和營(yíng)銷等決策缺乏系統(tǒng)支撐、資源和能源利用效率不高、安全環(huán)保壓力大等問(wèn)題凸顯，如何應(yīng)對(duì)全球化制造帶來(lái)的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)解決建材行業(yè)在經(jīng)營(yíng)決策、生產(chǎn)運(yùn)行、能效安環(huán)、信息集成等方面的瓶頸問(wèn)題，推動(dòng)建材行業(yè)實(shí)現(xiàn)“高效化、綠色化和智能化制造”的發(fā)展目標(biāo)，是實(shí)現(xiàn)建材行業(yè)智能制造的關(guān)鍵所在，也體現(xiàn)了建材行業(yè)智能工廠建設(shè)的共性需求。

在生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)設(shè)備層面，需要持續(xù)優(yōu)化生產(chǎn)工藝參數(shù)選擇、關(guān)鍵參數(shù)檢測(cè)和生產(chǎn)流程變更環(huán)節(jié)；在生產(chǎn)計(jì)劃和生產(chǎn)調(diào)度層面，需要建立全面、準(zhǔn)確和實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)獲取能力，以及更為安全、可靠的數(shù)據(jù)傳輸、融合能力，高效的數(shù)據(jù)分析方法；在生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)決策環(huán)節(jié)，需要建立快速處理多源異構(gòu)大數(shù)據(jù)及不同層次的關(guān)聯(lián)知識(shí)的能力；在信息化系統(tǒng)層面，需要加快各層級(jí)及環(huán)節(jié)的深度融合和協(xié)同。

2 建材行業(yè)智能工廠的系統(tǒng)參考模型

結(jié)合建材行業(yè)智能工廠建設(shè)的共性需求，通過(guò)調(diào)研建材行業(yè)典型企業(yè)，提出了建材智能工廠通用模型（見(jiàn)圖1）。

通用模型包括系統(tǒng)層級(jí)、智能功能、建材行業(yè)領(lǐng)域3個(gè)維度。其中系統(tǒng)層級(jí)主要包括智能管理、智能生產(chǎn)、智能控制和智能設(shè)備；智能功能是指協(xié)調(diào)企業(yè)的人員、設(shè)備、物料和能源等資源，把原材料或零件轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的活動(dòng)，主要包括制造運(yùn)行管理、設(shè)備運(yùn)維、能源管理、智能物流、感知與數(shù)據(jù)融合、協(xié)同優(yōu)化與管控集成；建材行業(yè)領(lǐng)域主要包括水泥、玻纖、陶瓷、玻璃等。該模型在3個(gè)維度上不僅與RAMI 4.0模型和國(guó)家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)模型相呼應(yīng)，同時(shí)體現(xiàn)了建材行業(yè)特點(diǎn)，涵蓋了建材行業(yè)智能制造全過(guò)程。

2.1 系統(tǒng)層級(jí)

從系統(tǒng)層級(jí)角度，面向建材行業(yè)的智能工廠系統(tǒng)參考模型主要包含智能設(shè)備、智能控制、智能生產(chǎn)和智能管理4層。

圖1 建材行業(yè)智能工廠通用模型

智能設(shè)備層級(jí)包括智能化生產(chǎn)裝備、智能化物流裝備和智能化感知裝備，如破碎機(jī)、生料磨、回轉(zhuǎn)窯、水泥窯、包裝機(jī)，一卡通、電子標(biāo)簽、計(jì)量秤，溫度傳感器、壓力傳感器、振動(dòng)傳感器、成分分析儀、粒度分析儀、熱像儀等，是整個(gè)智能化工廠建設(shè)的基石，為上層控制系統(tǒng)和信息系統(tǒng)提供真實(shí)、及時(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐；

智能控制層級(jí)包括可編程邏輯控制器（PLC）、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA）、分布式控制系統(tǒng)（DCS）和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）等，以及在傳統(tǒng)的生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)之上應(yīng)用模型、控制策略、知識(shí)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的智能控制；

智能生產(chǎn)層級(jí)包括制造運(yùn)行管理、設(shè)備運(yùn)維、協(xié)同優(yōu)化、能源管理和智能物流等；

智能管理層級(jí)實(shí)現(xiàn)面向企業(yè)的經(jīng)營(yíng)管理，包括企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)、供應(yīng)鏈管理、人力資源管理、財(cái)務(wù)與成本管理等。

2.2 智能功能

從所實(shí)現(xiàn)的智能功能角度，面向建材行業(yè)的智能工廠系統(tǒng)參考模型主要包括：制造運(yùn)行管理、設(shè)備運(yùn)維、能源管理、智能物流、感知與數(shù)據(jù)融合、協(xié)同優(yōu)化及管控集成7個(gè)方面內(nèi)容。

制造運(yùn)行管理主要包括訂單管理、生產(chǎn)控制、物料管理、能源管控、采購(gòu)管理、運(yùn)維管理、質(zhì)量管控、庫(kù)存管理、成本管理、運(yùn)輸管理等。

設(shè)備運(yùn)維主要包括生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、調(diào)度中心、總控、機(jī)房、移動(dòng)終端等全面設(shè)備管理，主要以監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)，以預(yù)警為手段，以矯正和免疫為目標(biāo)，以控制系統(tǒng)處于安全狀態(tài)為目的，在反饋機(jī)制的控制下形成一種新的具有防錯(cuò)、糾錯(cuò)、報(bào)錯(cuò)與改錯(cuò)的全面風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警職能。

能源管理主要包括生產(chǎn)過(guò)程能效在線監(jiān)測(cè)、能效評(píng)估與分析、能效優(yōu)化、能效管控綜合集成等。

智能物流主要包括供應(yīng)、生產(chǎn)和銷售等環(huán)節(jié)的物流智能化管理。

感知與數(shù)據(jù)融合主要包括兩個(gè)方面：感知方面需要針對(duì)生產(chǎn)廠區(qū)、關(guān)鍵區(qū)域等工場(chǎng)環(huán)境安全問(wèn)題設(shè)計(jì)一系列感知節(jié)點(diǎn)，同時(shí)考慮生產(chǎn)環(huán)境中的粉塵監(jiān)測(cè)需求，以及建材行業(yè)中固體物料種類繁多，且不同物料的介電常數(shù)、容重、溫度、水分含量不同的情況。數(shù)據(jù)融合方面，需要針對(duì)建材行業(yè)大數(shù)據(jù)呈現(xiàn)的實(shí)時(shí)、海量、時(shí)空復(fù)雜和強(qiáng)耦合的特點(diǎn)提出建材行業(yè)大數(shù)據(jù)采集、傳輸及融合的方法，實(shí)現(xiàn)建材行業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、業(yè)務(wù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)及其它非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的高效融合。

協(xié)同優(yōu)化主要包括建立全流程協(xié)同關(guān)系，實(shí)現(xiàn)全流程最有參數(shù)及最優(yōu)指標(biāo)，建立全流程只能協(xié)同控制及優(yōu)化平臺(tái)。

管控集成主要是實(shí)現(xiàn)制造運(yùn)行管理系統(tǒng)和企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)互聯(lián)互通。

3 結(jié)語(yǔ)

建材行業(yè)智能工廠標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)通用模型的研究與推廣，能夠有效指導(dǎo)建材企業(yè)規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的建設(shè)智能工廠，帶動(dòng)先進(jìn)技術(shù)研發(fā)和智能傳感、智能儀器儀表等先進(jìn)裝備應(yīng)用，推動(dòng)建材行業(yè)智能工廠改造轉(zhuǎn)型升級(jí)，實(shí)現(xiàn)建材行業(yè)節(jié)能降耗、節(jié)本增效，為制造業(yè)強(qiáng)國(guó)等國(guó)家戰(zhàn)略實(shí)施提供重要支撐。