建筑陶瓷智能制造關鍵技術研究及應用

黃建平 鄧興智

摘 要：我國建筑陶瓷生產過程的機械化、自動化程度較高，但與智能制造的標準相比，仍顯偏低。在智能制造發展的大背景下，建筑陶瓷企業要在依托大數據重構建筑陶瓷產業價值鏈的過程當中，將供應鏈、銷售端和制造環節相統一，降低企業的生產運營成本，提高企業的競爭力和抗風險能力。本文通過對建筑陶瓷生產各環節的研究，日產1萬平米拋釉磚生產線生產工人降至50人，全員勞動生產率明顯提高。

關鍵詞：建筑陶瓷;智能制造;

1 前 言

智能制造的研究大致經歷了三個階段：起始于20世紀80年代人工智能在制造領域中的應用，智能制造概念正式提出;發展于20世紀90年代智能制造技術、智能制造系統的提出;成熟于21世紀新一代信息技術條件下的“智能制造”。智能制造是將物聯網、大數據、云計算等新一代信息技術與先進自動化技術、傳感技術、控制技術、數字制造技術相結合，實現工廠和企業內部、企業之間和產品全生命周期的實時管理和優化的新型制造系統[1]。

中國智能制造發展迅速，無論是技術還是規模短期內都取得了較大進步，但關鍵技術方面，其關鍵裝備與核心零部件仍不容樂觀，其重要組件的高度依賴進口，極大地限制我國智能制造發展。為實現從制造大國向制造強國的快速轉變，我國發布了中國制造2025報告，旨在通過開展新一代信息技術與制造裝備融合的集成創新和工程應用、智能產品和自主可控的智能裝置開發、智能工廠和數字化車間建設、智能制造網絡系統平臺搭建等方面的研究，力爭到2025年使我國部分制造業達到國際領先地位[2]。

我國建筑陶瓷產業的發展取得了輝煌的成績，也陷入了一定的困境。一方面，生產能耗高、物耗大、占地面積多，資源粗放利用，節能減排和污染防治壓力大，受資源、能源、環境的制約越來越嚴重;“用工荒”問題與人工成本上漲并存，導致生產成本在不斷上漲。另一方面，由于金融危機影響，國外市場蕭條，國內市場房地產不景氣，再加上從國外建筑陶瓷企業的技術壁壘到反傾銷控訴，銷量不斷下降，利潤日益減少，部分企業發展難以為繼。這些現象迫使我國的建筑陶瓷生產也必須向自動化、智能化發展[1]。

2? 智能制造中央集成系統

在公司現有自動化制造技術基礎上，結合陶瓷磚生產工藝特點及企業智能化提升需求，融合工業互聯網、云計算、人工智能等先進信息技術開展建筑陶瓷磚智能制造工廠建設。主要建設內容包括智能化陶瓷磚生產線建設、數據采集與大數據平臺建設、智能化管理系統集成與優化、智能分析和預測系統的建立等，整體規劃如圖1所示。

（1）智能化工廠建設

基于智能工廠建設的總體需求，結合前期生產線建設積累的大量技術，實現建筑陶瓷磚制造的精細化和智能化生產，有效提升了陶瓷磚制造裝備智能化程度，提高生產管理與控制水平。

為了使工廠更加智能化，設計了高可靠性及高效率的四層級（網絡接入層、網絡核心層、服務器設備、外網出口）智能連線系統，并基于分布式文件系統、分布式采集引擎、挖掘算法及組件搭建了大數據分布式處理平臺，形成統一的大數據基礎處理平臺。

（2）智能化管理系統集成與優化

通過整個廠區范圍內的局域網系統優化，以及智能化管理系統的建設、集成和優化，實現數據驅動的工藝研發、生產規劃、制造執行、設備管理、產品管控、能源管理等系統的綜合集成運行。

（3）智能化管理平臺的建立

結合陶瓷磚生產工藝流程、設備特點、能源應用狀況，建立了包含設備智能運行與維護、智能化生產工藝、產品質量智能分析和能源智能管理的智能分析和預測系統，實現關鍵設備、工藝、產品、能源的智能分析與預測。

3? 關鍵技術研究及應用

3.1原料自動配料連續球磨一體化加工系統

原料自動配料連續球磨一體化加工系統分兩段：第一段采用自動配料系統進行配料;第二段采用連續式球磨工藝。通過改變連續球磨的加料方式，從而實現原料加工的精確控制和自動化生產。

原料自動配料系統建立在自動配料設備和原料標準化的基礎上，設計了一套自動配料設備：整套設備包括供料系統、計量系統、輸送系統和控制系統，所需各種原料通過電子系統按預先設計的比例從存儲設備輸送到皮帶上，再通過皮帶輸送到球磨中，將傳統的人工取料、稱量、配料的配釉工序改為全自動配料系統，代替了現有的人工鏟車配料模式。

連續球磨系統采用PLC控制，集中控制和無人操作，實現減員60%，同時節約場地面積57%。達到持續不斷地生產，從而提高產量，降低原料制造成本。既保證了陶瓷原料的配比在球磨前后的穩定和均勻，同時又具有較高的球磨效率和較低的能耗。

3.2噴霧干燥塔聯控技術

智能制造將自動聯控系統應用到噴霧干燥中，不但能確保噴霧干燥過程的連續性和穩定性，保證了干燥后粉料的質量，而且還有利于減小工人的工作強度，減少了人工成本，提高了生產效率。實現了干燥塔進料口溫度、出風口溫度、部分主要部件溫度以及粉料水分和熱風流速的自動檢測、控制、報警、監測反饋等，智能化程度高。

3.3釉料自動配料及自動供釉系統

智能制造中，控制系統是自動配釉系統能夠運轉的“大腦”，所有的配料操作都需要通過控制系統來輸入，設備的運轉也是通過控制系統來控制的，操作人員可以通過控制系統隨時查看自動配釉系統是否在正常運行。控制界面作為人機交流的平臺，是整個控制系統完成人機交流的重要組成部分。控制界面能夠對整個配料過程起到監控的作用，同時需要給定參數和控制指令，系統才能按照人的意愿進行工作。控制界面要求工整、整潔、功能齊全，使得各個控制對象、監控對象都能夠一目了然。

在自動供釉系統中，在釉罐上安裝水位監測儀，通過多個水位探頭實現監控功能。釉罐頂部接制釉車間進行供釉，并配備電動截止閥，通過水位信號控制閥門通斷控制釉量，底部引至釉泵進水端，電機驅動釉泵將釉通過管道運送至各條釉線，管道中加裝水壓傳感器監控水壓，供排釉控制系統均通過供釉車間PLC實時自動控制，實現供釉系統的自動化和智能化控制。

3.4噴墨花機集中遠程控制系統

陶瓷磚生產是24小時不間斷，主要是體現在設備的連續性運轉，在這個過程中，突發問題和故障是存在的。為了便捷、高效的處理問題和穩定生產秩序，在規劃生產線噴墨工序時，結合線上的工藝點和車間布局，將三條線的噴墨花機規劃在一個房間內，形成統一集中管理，一方面方便員工集中管理，另一方面可實現減員增效、實時監控，穩定生產質量和生產連續性。從而做到一體化實時監控所有信息，可以通過主控制屏或者手機遠程操控系統進行操作處理，不僅提高了解決問題的效率，減少了問題軟件的處理時間。同時增加了管理員對于生產管理的機動性，為生產的穩定和連續提供了幫助。

3.5窯爐燒成智能優化控制系統

傳統窯爐燒成采用較為落后的手動控制燒成，調整溫度和窯爐傳動工作量大，人工成本高，溫度調節不精準，易造成產品質量問題。現在的窯爐燒成智能優化系統中，溫度控制表有處理熱電偶信號和控制執行器的功能，通過熱電偶把溫度轉換為電信號到控制器調整進氣量來控制溫度。操作工能在控制室電腦屏幕上看到窯爐溫度參數和壓力制度等實時顯示，當窯爐出現異常報警時，控制室面板上也會顯示，以便操作工快速做出調整，并自動記錄，可減少窯爐工記錄報表的次數;并將控制室屏幕操控系統連入手機APP，當窯爐處發現問題時，直接在手機上調整，智能化程度高。

3.6 AGV自動運轉系統

AGV是“自動導引運輸車”，屬于機器人的一個分支，主要有以下幾個特征，一是自動引導，現在有一個更時髦的說法叫無人駕駛，裝備有電磁或光學等自動導引裝置，按預先設定的導引路徑、儲運規則避讓規則行駛。同時還具有安全保護功能，能夠避讓行人及其它障礙物。AGV是立足陶瓷行業設計的無人駕駛全自動智能儲運裝備，主要用于生產過程中陶瓷磚的工序間轉運及成品的進出庫。實現了儲運裝備的革命與創新，推動工廠機械自動化作業，向打造無人工廠的目標邁出了堅實的一步[3]。其主要優點如下：

（1）自動化設備升級換代：AGV設備按系統規劃進行無人自動作業，使機器對貨物的感測、行走測量更精準可靠;AGV環保節能，無噪聲、無污染，實現清潔生產。

（2）企業現代化、信息化管理：企業通過電腦、手機隨時隨地掌握物料庫存及出入量等信息;解決用工荒和高漲的用工成本，實現瓷磚搬運、儲存、裝車的無人化、自動化。

（3）設備安全可靠，可控性高：裝有三級安全保護設置，避免貨物撞翻、人員撞傷等不良后果;通過自動手動相互轉換機構，可快捷處理機器突發事件，確保機器在作業過程中更安全。

3.7自動儲磚系統

自動儲磚系統是連接窯尾自動上下磚機與拋光線（或磨邊線）自動上磚機的中間環節，是瓷磚經過自然冷卻及連續運輸過程中的自動化系統。在陶瓷行業24小時連續生產模式下，有效地減少了工人數量、降低了勞動強度、改善了勞動環境、降低了產品破損率、避開了用電高峰期、極大提高了生產效率，實現了由人工3班輪換制向1班制的自動化生產模式轉變。特別是能夠在連續生產的情況下實現拋光線間斷生產的緩存功能，同時避免了傳統陶瓷儲磚模式存在的機動叉車燃油煙氣及運行揚塵、噪音等環保問題。

通過自動儲磚系統，生產線不僅可以連貫運轉，而且省去了3臺叉車及其維護費和油費，一年可以節約成本一百多萬。在人員配置上三個班至少可以減少17名員工，實現了智能化生產減員增效的目標，同時實現了錯峰用電，大大減少了用電量，產生了較大的經濟效益。

3.8自動包裝系統

高速全兼容自動包裝線主要用于替代人工，將成品磚按設定的瓷磚片數自動地進行疊垛、翻包、包裝、捆扎及碼包。可大幅降低人工勞動強度，提高生產效率。高速全兼容自動包裝線具有生產效率高、可靠性高、能耗低、自動化程度高、無污染等特性，符合國家重點支持的高新技術領域，符合國家產業政策導向。該生產線集機械技術、氣動技術及電子電氣技術為一體，由觸摸屏、PLC、伺服電機、步進電機、變頻器以及各種光電磁電傳感器組成的控制系統，具有人性化的操作界面、柔性的產品適應性以及可靠的控制功能等優點，是現代化陶瓷磚生產企業必不可少的生產裝備之一。

3.9陶瓷磚智能制造全流程信息化管控一體化技術

智能能源管理系統的核心目標是通過更精確的過程狀態跟蹤和獲取更完整的實時數據，獲得更豐富的信息，并在科學決策支持下對生產制造過程進行更科學的管理，以實現更加靈活與柔性的過程控制，減少對環境的污染。以新一代信息技術和人工智能等技術為支撐，將智能化信息技術融合到產品生產，從全局視角實現產品全周期的智能制造。

陶瓷磚智能制造以高度自動化、智能化工廠為目標，把智能能源管理系統作為階段性工作進行推進，設備運用自動化、智能化手段進行運營管理，對設備運行狀態實時監控，減少了機電人員巡檢頻率。設備運行情況都在線監測，數據出現異常馬上報警提示，空氣壓縮機等高能耗、重點核心能源設備實現數字化監控、提示、記錄功能，并具備遠程設備廠家云監管、維護等功能。

4? 結語

本文通過建筑陶瓷智能制造關鍵技術的研究，采用新一代信息技術將建筑陶瓷工業的裝備、工藝、生產、管理、服務等進行高度集成，建立了以智能工廠為代表的生產控制體系，以日產1萬平米拋釉磚生產線為參照標準，1條生產線生產工人降至50人。我國建筑陶瓷產品的產銷量均已達世界第一，但大而不強，迫切需要通過先進智能制造體系的構建，推動建筑陶瓷產業的轉型升級和可持續發展。

參考文獻

[1] 韓文，張柏清等，建筑陶瓷智能制造與綠色制造，中國建材工業出版社，2020

[2] 張映鋒， 張黨， 任杉. 智能制造及其關鍵技術研究現狀與趨勢綜述[J]. 機械科學與技術， 2019， 038（003）：329-338.

[3] 霍豐源、胡叢林，AGV自動儲運系統在陶瓷行業的應用及前景，佛山陶瓷，2018（11）：1-5.