一種應用在玻璃纖維行業的智能制造方案設計

于亞東 孫兆華

摘要：玻璃纖維行業應用智能制造既是應對新一輪信息技術革命挑戰的內在要求，也是重塑產業新優勢、實現轉型升級、搶占產業發展制高點的必然選擇，通過對生產裝備、工藝標準及先進控制等采用數字化的工具和系統性的整合集成，對打造信息技術背景下的新型競爭優勢（新型創新能力）具有重要意義。

關鍵詞：中國制造2025;工業4.0;物聯網大數據人工智能云計算

1.引言

制造業是國民經濟的支柱，是立國之本、興國之器、強國之基。而智能制造技術已成為世界制造業發展的客觀趨勢，世界上主要工業發達國家正在大力推廣和應用，德國最早于2014 年提出了“工業4.0”，美國提出了“工業互聯網”，我國于2015 年5 月提出《中國制造2025》戰略，提出智能制造是主攻方向，也是制造業創新驅動、轉型升級的制高點和突破口。

2.玻璃纖維行業應用智能制造的迫切性分析

2.1.玻璃纖維發展應用的迫切性

玻璃纖維是一種無機非金屬新材料，是國家重點扶持的10 大領域之一。玻璃纖維具有強度高、化學穩定性好、電絕緣性好、耐高溫等特，在新能源產業（風力葉片、太陽能支架）、高端裝備制造業（飛機、雷達罩、汽車、高速列車、游艇）、環保產業（石油管道、海水淡化系統環保處置設施和裝備）、基礎設施產業（橋梁、碼頭、高速公路設施輸水管道、墻體、屋面瓦）、健康產業（醫療設施、醫用材料、體育器械、體育設施）、電子電氣產業（輸配電設備、集成電路板）、消費品及休閑產業（游艇、家電、家具、門窗、衛浴設施、手機殼）有著非常廣泛的應用。同時玻璃纖維可替代鋼材、木材和石材，使之更輕、更強、更久。作為一種基礎材料，玻璃纖維質量的提高，必將使下游產業得到質的提升甚至的飛躍。目前玻璃纖維的應用越來越廣泛，市場需求不斷擴大，未來行業應用將進一步提升，玻璃纖維的用量、質量、個性化要求將越來越高。因此，在整個行業資源配置的效率下降、創新能力不足等情況下，玻璃纖維行業必須順應新一輪科技革命和產業變革機遇，加快智能制造、物聯網、

大數據等信息技術與制造業融合，加大機器換人及制造執行系統（MES）等應用力度，不斷提升生產流程的標準化程度，全面布局數據采集系統，構建一體化管控體系，以進一步降低生產成本，提高生產效率和生產質量，加快產業轉型升級。

2.2.玻璃纖維轉型升級的迫切性

首先玻璃纖維整體生產方式還相對較為粗放、產品同質化嚴重、行業盈利能力不均，制約中國復合材料發展，復合材料的應用能力與國際先進水平有較大差距。其次，玻璃纖維生產特點是大池窯連續化生產、產品種類繁多、工藝復雜，而近年市場及客戶的結構性需求變化越來越快，企業生產計劃與客戶和市場之間缺乏靈活、高效的信息溝通的機制，柔性制造能力有待提升。再次，隨著玻璃纖維生產全球化程度的提高，如中國巨石、山東泰安、重慶國際等國內生產企業在全球建設多條玻璃纖維生產線，全球化的發展既需要大量的制造、裝備、研發等技術人員給予快速、及時的響應和技術支持，又需要對核心裝備、控制、研發機密的保密和掌控，為此傳統意義上的現場服務和支持將不可能滿足需求。因此，綜合玻璃纖維行業的轉型升級的迫切需求，提升行業整體競爭能力，加快生產與市場的融合，探索全球化的管控模式，而智能制造的建設將是行業轉型升級的重要手段和方法。

2.3 玻璃纖維生產特點的迫切性

玻璃纖維的拉絲成型過程是將天然的礦物粉料通過在大型池窯中的燃燒形成玻璃液體，從而使玻璃熔體中的玻璃液通過漏嘴擠出到冷卻介質中（空氣中），與此同時被拉伸成纖維，然后卷取在拉絲機的繞絲筒上，因此在整個拉絲成型過程中受到一次變量、派生變量和終極變量的影響，一次變量主要受天然原料化學組成及分子結構、作業環境流變性能和其他物理性能等，過程中多變量的疊加作用，導致全流程生產過程中提升工藝標準精度非常復雜。為此玻璃纖維急需應用大數據的分析，建立多變量作用下的工藝標準、原料配方及化工配方等模型分析系統，并不斷積累數據進行模型的優化，提升玻璃纖維行業在生產過程中的智能控制和精準控制能力。

3.玻璃纖維行業對智能制造的需求分析

3.1 實現生產管理與生產控制一體化管控

建立集生產計劃、過程協同、設備控制、資源優化、質量控制、決策支持智能一體化管控平臺，實現實現玻纖生產排產調度智能化、生產過程智能化、質量管理智能化、能耗管理智能化、資源管理智能化、決策分析智能化的一體化管控。

3.2 實現工廠總體設計、工程設計、工藝流程及布局數字化建模，改善和提高生產過程通過數字建模技術實現工廠總體設計、產品設計、工藝、生產線、設備進行建模，實現對產品設計、工藝和生產線規劃、計劃與調度仿真校驗和生產執行，從而改善和提高制造企業的制造過程，為企業提供一個創新性、柔性化的制造環境。

3.3 實現虛擬制造與物理制造相結合

在數字化工廠模型建立的基礎上，可建立模擬仿真平臺，實現產品設計、工藝規劃到生產制造仿真、虛擬制造，發現產品在工藝規劃、生產過程中存在問題和偏差，在線或離線并對其進行優化提高，保障物理制造精細化、精準化、智能化。

3.4 實現生產/經營一體化管控

通過生產/經營一體化，實現生產、經營管理業務的協同統一，將生產經營業務作為一個有機整體的兩個方面，實現物資采購管理、銷售管理、財務管理、預算管理、生產管理、指標管理等業務之間相互支撐、同步、融合、控制。

3.5 實現人工智能的創新新模式

通過對工業大數據的采集和數字模型的建設，對產品設計、工藝優化、配方開發等創新過程全面引入人工智能的應用，縮短產品開發周期、降低研發費用投入，提升產品全生命周期的管理能力。加速以云計算、大數據、物聯網等信息技術與制造業融合創新，利用企業大數據進行實時或虛擬場景的模擬和分析，有效激活創新潛能、變革創新模式，高效、快速地響應市場，提升企業市場競爭力。

3.6 實現全球工廠的專家診斷與管控

通過建立統一的業務管控系統與生產執行系統，應用云、大數據、物聯網等先進信息技術，實現IT 與OT 的全面融合，構建全球統一的數據監測和運行中心，實現對全球工廠制造的遠程監控，統一協調和指揮工廠的運行和調度，保障各地工廠的安全、有序、高效的運行。同時，實現工廠間運營狀況數據的對比分析，分享和優化各工廠間運營績效，進一步協調和配置資源。

4.玻璃纖維行業智能制造建設方案

采用自上而下總體規劃、自下而上分步實施、迭代構建的建設模式。整個平臺分MES框架部署、兩化深度融合應用、智能制造三個階段建設，從計劃源頭、過程協同、設備底層、資源優化、質量控制、決策支持、持續優化等七個方面著手實現“七維”智能制造，這七個方面涵蓋了工業生產、經營的七個重要環節，實現全面的精細化、精準化、自動化、信息化、智能化管理與控制，通過底層設備的互聯互通、基于大數據分析的決策支持、可視化展現等技術手段，實現生產準備過程中的透明化協同管理、生產設備智能化的互聯互通、智能化的生產資源管理、智能化的決策支持、仿真與優化，從而全方位達到智能化的管理與控制。

4.1 智能制造技術架構

4.1.1 系統層級：實現設備及控制層級實現傳感器、測控儀表、機器人裝備、控制系統智能化改造，具有國際先進水平智能裝備。

4.1.2 車間層級：建立采集與監控系統、制造執行系統（MES）等系統，實現玻璃纖維生產過程可控制、可優化、可視化、可追溯。

4.1.3 企業層級：建立企業資源計劃系統（ERP）、供應鏈管理系統（SCM）和客戶關系管理系統（CRM）等系統，提升公司運作效率。

4.1.4 協同層級：實現產品設計、工藝、制造、管理、監測、物流等環節的系統集成優化，實現產供銷存一體化管控，提升客戶服務水平。

4.2 智能制造實施路線

4.2.1.一階段通過MES 框架部署，建設數字化工廠

對現有生產線進行智能化改造升級，并構建集團MES 系統為全球工廠的數據管理集成平臺，實現集團范圍內業務系統與生產設備的實時對接和全流程的數字化監控、分析;縱向打通管控層、業務層及生產層的業務和數據

4.2.2.二階段通過建設工業化與信息化的深度融合，形成智能制造初步體系

通過對已有系統和裝備進行深度改造和ERP 等業務系統深度整合，進一步提升和完善對已有設備的數字化管控能力，實現設備遠程故障診斷、工藝操作反向控制、能源消耗集中管控等應用從而對產品全生命周期的管理。

4.2.3.三階段進行大數據深入應用，結合虛擬/現實技術優化生產經營

建立全球大數據中心，包括市場營銷、產品研發、生產制造、產品服務、協同創新等貫穿整個產品價值鏈信息，通過大數據分析演算及模擬仿真，實現在線診斷、在線優化、預測預警、人工智能，指導生產經營及創新研發;建立產業鏈生態圈，對內實現對集團所有子公司的管控和指導，對外實現上下游重點合作伙伴的數據對接和業務協同，最終形成智能制造新模式。

5.結論

“中國制造2025”要求堅持走中國特色新型工業化道路，以加快新一代信息技術與制造業深度融合為主線，以推進智能制造為主攻方向，促進工業互聯網、云計算、大數據在企業研發設計、生產制造、經營管理、銷售服務等全流程和全產業鏈的綜合集成應用，亦是我國制造業發展從制造大國邁向制造強國的必然要求。玻璃纖維行業圍繞打造“數字化工廠”，縱向打通決策、業務和生產的信息流和數據流，橫向建設工廠間、工段間、設備間以及與客戶、供應商的協同生產、協同研發和協同創新的智能制造新模式建設，實現生產工藝數據自動數采率95%以上，工廠自控投用率90%以上，建立生產過程控制、生產管理的工業大數據與業務運行系統互通集成。企業生產效率、能源利用率有較大提升，運營成本、產品不良品率以及產品研制周期進一步降低和縮短，形成部分發明專利及企業或行業相關標準草案。綜上所述，玻璃纖維行業發展智能制造的建設方案在技術、經濟、政策等諸多方面分析的結果是可行的。

參考文獻：

[1] （德）奧拓·布勞克曼（Otto Brauckmann）著，【智能制造：未來工業模式和業態的顛覆與重構】。出版社：機械工業出版社，出版時間：2015 年09 月。

[2] 工信部裝備工業司主編，【智能制造探索與實踐46 項試點示范項目匯編】。出版社：電子工業出版社，出版時間：2016 年03 月。

[3] 陳潭著，【工業4.0：智能制造與治理革命】。出版社：中國社會科學出版社，出版時間：2016 年12 月。

[4] （美）李杰著，【工業大數據：工業4.0 時代的工業轉型與價值創造】。出版社：機械工業出版社，出版時間：2015 年07 月

（作者單位：巨石集團）