基于互聯網的EPC建材行業智能一體化服務模式

馬立云，官 敏，艾曉晶，于 濤，蓋琳琳，常 鄭，盛嘉誠，胡匡藝，儲靜遠，張丹蕾

(中國建材國際工程集團有限公司，上海 200063)

0 引 言

在“工業4.0”革命、產業互聯網、人工智能等新興技術熱潮的推動下，各行制造企業都在向著智能化、數字化轉型[1-3]。美國、德國和日本等國家利用先進生產和智慧制造技術，不斷挖掘智能制造的應用[4-6]。智能制造發展戰略核心均為通過CPS(cyber-physical system)系統，將虛擬網絡空間的高級計算能力有效運用于現實世界，形成可自動操作的智能生產系統，從而實現橫向、縱向和端對端的高度集成，是典型的二元戰略[7]。20世紀90年代，我國開始普及“智能化”的概念，《中國制造2025》提出將智能制造作為發展的主攻方向[8]。智能制造必須以全局的視角來認識，它不僅是技術的轉型升級，更是企業戰略轉型需求下的核心之一[9-10]。目前，我國絕大多數制造企業還處在部分使用應用軟件的階段；少數企業實現了信息集成；極少數企業能夠實現人機的有效交互，也就是達到智能工廠的水平。

持續深化信息化與工業化融合發展，是新發展階段制造業向著數字化、網絡化和智能化發展的必由之路，“互聯網+先進制造業+現代服務業”將成為中國經濟發展的新引擎[11]。新材料作為制造業發展的“底盤”之一，以其特定的先進性、支撐性和多樣性支撐了制造強國建設[12]。中國建材國際工程集團有限公司(China Triumph International Engineering Co., Ltd.，CTIEC)圍繞玻璃新材料工程服務核心產業，拓展新能源工程、特色設施農業、智慧建筑工程、節能環保工程及“互聯網+”智能工廠等業務領域的科學研究、工程設計、設備成套供貨和工程總承包(engineering procurement construction，EPC)，形成基于互聯網的EPC建材行業智能一體化服務模式[13]。CTIEC在建材領域幾十年行業經驗和軟、硬件系統資源的基礎上，創新開展高性能玻璃開發數字化驅動和材料仿真技術、面向玻璃工廠全生命周期孿生體系等研究，推進玻璃新材料智能裝備和玻璃工廠生產過程智能化系統研發的同時，進行裝備上云及智能一體化平臺的建設，數據管理、信息融合及智能優化三個關鍵要素驅動，打造智能工廠[14]。我國智能制造發展已進入到多級推進、協同創新、示范引領的新階段，CTIEC作為國家級智能制造系統解決方案供應商肩負重任[15]。

CTIEC通過研發搭建具有自主知識產權的智能一體化服務平臺，搭建智能工廠架構體系，通過實時數據采集及監控，在智能成套裝備及系統集成、制造執行服務、經營管控服務等方面進行模式創新，形成基于互聯網的EPC建材行業智能一體化服務模式。本文對此進行系統介紹，并以近年來浮法玻璃、新能源光伏玻璃、電子信息玻璃的應用示范項目為例進行重點說明。

1 技術創新

1.1 智能一體化服務平臺

通過數據集成、業務集成和系統優化三個層次的建設，研發搭建具有自主知識產權的基于互聯網的EPC建材行業智能一體化服務平臺，采取頂層設計思路，實現智能裝備與系統深度集成。在制定面向多用戶的開發維護一體化規范的基礎上，通過標準化的微服務形態和工作流編輯工具，把分散在不同應用系統中的應用服務流程化地集成在一起，形成符合企業個性化需求的智能化生產網絡協同模式，為用戶提供各功能模塊的個性化定制服務，幫助企業建立切實有效的智能化生產新模式。

智能一體化服務平臺全程實現模塊化設計建造，平臺架構如圖1所示：邊緣計算層提供生產設備、物聯設備的泛在連接，現有平臺已滿足秒級接入能力；IaaS(infrastructure as a service)層提供主機、網絡等彈性支撐，現有平臺支持計算、存儲和網絡等基礎管理；PaaS(platform as a service)層提供業務和應用彈性擴容，基于微服務提供組件化、服務化的各類應用，向上層應用提供二次開發工具、大數據深度集成和演化算法組件；SaaS(software as a service)層提供云部署MES(manufacturing execution system)和工業APP(質量、效率、成本和能耗)，滿足生產管控應用快速集成和高效管理要求。

圖1 智能一體化服務平臺架構

服務平臺覆蓋協同辦公、生產管控、設備管理、安全環保、能源管理、供應鏈管理和輔助決策等7個方面的智能化應用，實現企業生產運營的信息化、互聯化、數字化和智能化，極大地提高了建材企業辦公效率、勞動生產率、安全運行能力、應急響應能力、風險防范能力和科學決策能力。打造面向全行業企業的價值延展，向客戶提供設備遠程運維、故障檢測和預測性維護等的生產服務，助力推進智能化服務戰略的落地。同時，通過數據積累、算法優化和模型迭代形成覆蓋建材行業領域的各類知識庫、工具庫和模型庫，將自身工業經驗知識進行提煉和封裝，打造工業互聯網平臺的核心能力與競爭優勢。

1.2 智能工廠架構

基于互聯網的EPC建材行業智能一體化服務模式以智能工廠為核心，將生產制造關鍵位置使用數控機器人、智能傳感與控制設備、智能檢測與裝配設備等，糅合玻璃訂單、生產、切割和堆垛等工序，采用優化系統以及配套的整線智能控制系統，實現車間生產過程的統一、協同管控，提高生產效率，降低產品不良率和單位產值能耗。智能工廠實現了企業經營數字化、制造資源數字化、生產過程數字化、現場運行數字化、質量管控數字化和物料管控數字化，控制流、物流和信息流得到了完整、清晰的體現，特點如圖2所示。

圖2 智能工廠特點

智能工廠建模是基于ISA-95的工廠模型，采用圖形化界面方便靈活建立生產標準模型，并定義對象間的關系，完整體現整個工廠設備的組成、產品、工藝及生產管理邏輯，構建虛擬化的智能工廠，為生產執行、模擬仿真提供基礎。

1.3 數據采集及監控

建設基于設備和過程的工業實時數據中心，通過實時數據采集系統，將生產線各工段及公用系統中的生產數據統一存儲在智能工廠數據庫中，實現生產數據實時采集、集中存儲。建立工廠、生產線及設備等模型，實現生產過程監視、趨勢分析、歷史回放、性能計算、生產看板分析、設備狀態監測、報警管理和指標管理等功能。數據采集系統與智能工廠系統主要功能模塊集成后，實現銷售訂單全過程跟蹤、生產進度全程跟蹤、生產調度優化排程和產品質量管理追溯，提高生產管理效率,改善生產質量。通過實時數據采集及監控，全面提升企業的資源配置優化、操作自動化、實時在線優化、生產管理精細化和智能決策科學化水平，同時支持瀏覽器、客戶端、智慧大屏和手機APP等多樣化展示與訪問。數據采集架構如圖3所示。

圖3 數據采集架構

1.4 智能成套裝備及系統集成

智能成套裝備是高端裝備的核心，是制造裝備的前沿和制造業的基礎，已成為當今工業先進國家的競爭目標。智能制造系統集成是以自動化、網絡化為基礎，以數字化為手段，以智能制造為目標，借助新一代信息通信技術，幫助企業實現各種智能解決方案。近年來，CTIEC不斷深耕玻璃新材料裝備技術攻關，以擁有全自主研發知識產權為目標，持續加大研發投入，提升自主創新能力，保持核心技術創新突破。CTIEC中標2020年“國家工信部智能制造系統解決方案供應商”項目(新材料領域建材行業唯一)，這充分肯定了其在玻璃新材料智能制造領域的能力和地位?？己似趦?，CTIEC完成了玻璃新材料智能工廠集成項目20個，驗收質量全部達標，順利通過驗收，并舉辦了兩場智能制造新技術交流會，具有行業示范效應。

可推廣的玻璃新材料智能制造系統解決方案主要包括：(1)智能成套裝備及系統集成高世代薄膜液晶顯示(thin film transistor-liquid crystal display，TFT-LCD)玻璃基板智能工廠集成系統解決方案；(2)大面積高效率碲化鎘發電玻璃智能工廠集成系統解決方案；(3)超薄太陽能光伏玻璃智能工廠集成系統解決方案；(4)高性能銅銦鎵硒(copper indium gallium selenium，CIGS)薄膜太陽能電池導電玻璃智能工廠集成系統解決方案；(5)高硼硅玻璃智能工廠集成系統解決方案；(6)超白浮法太陽能玻璃智能工廠集成系統解決方案；(7)第二代中國浮法玻璃高檔汽車玻璃原片智能工廠集成系統解決方案；(8)基于工業互聯網和大數據的玻璃新材料數字化車間智能生產裝備與控制系統解決方案。

目前玻璃新材料智能成套裝備接入總計3 452臺，各工段智能裝備占比如圖4所示。

圖4 各工段智能裝備占比

1.5 制造執行服務模式

制造執行服務集制造執行與工程運營于一體，將制造企業的人、機、料、法、環等生產要素有機結合在一起，實現數據互聯共享，涵蓋工藝管理、配方管理、訂單管理、計劃調度、生產管理、成本管理、績效管理、質量管理、設備管理、能源管理、物料管理和物流管理共十二個領域。根據生產線確定工序、工藝路線和生產指標等生產基礎，在智能工廠模型的基礎上，定義生產標準工藝流程及產品標準物料清單，定義每一種產品型號可采用的工藝標準及生產相關信息，覆蓋生產工序、設備、物料、人員、工藝及檢測參數等規范生產過程，整合產品生產工藝信息及生產信息，構建生產標準化體系，全面提升企業傳統要素的生產效率。同時通過過程追溯、臺賬分析、生產運行分析和生產作業指導，實現生產管理精益化、協同化、敏捷化和智能化。制造執行服務架構如圖5所示。

圖5 制造執行服務架構

以設備管理系統簡要說明制造執行服務模式,將設備資產臺賬管理作為設備維護的基礎知識庫，通過工單管理、標準工作、缺陷管理、項目管理、預防性維護和可靠性管理等模塊實現檢修和維護工作。設備管理系統具備清晰的持續改進思路，依托系統內建立的技術標準體系，實現由“設備技術標準—業務模塊—設備臺賬效果分析—設備技術標準”組成的綜合持續改進閉環。設備管理的服務模式優勢體現在：對設備超壓、超溫等超限異常進行實時預警；與生產、維修管理無縫集成，將設備動態信息與管理無縫融合，實現動、靜一體化管理；實現設備狀態監測和預防性維修，使制造執行過程中生產的穩定性和可靠性穩步提升。

1.6 經營管控服務模式

經營管控服務分為協同辦公、人力資源管理、供應鏈管理、招采平臺和電商平臺五大模塊，如圖6所示：(1)協同辦公，為日常辦公管理、公文管理、工作請示、匯報、資料等管理提供高效、暢通的信息渠道，提高工作效率，大力推動集團內部的信息系統發展；(2)人力資源管理，通過組織機構管理、員工管理、招聘選拔、勞動合同、培訓發展、考勤管理、績效考核和薪酬福利管理等模塊構建集建立、管理和維護一體的各類人事檔案，進行工資、福利、獎金考核以及考勤的管理，開展人員培訓管理，完成各類信息統計和報表工作,并上報總公司輔助領導層決策；(3)供應鏈管理，搭建集中的供應鏈管控平臺，建立集約化的供應鏈管理體系，規范供應鏈管理，并在各環節建立業務控制點，保障供應鏈管理活動有序開展；(4)招采平臺，實現從采購需求、采購方案立項、采購方案執行到交易的一個完整采購流程的處理，對供應商進行準入管理、評估管理，且供應商可以通過供應商門戶登錄訪問企業發布的采購相關信息，在平臺進行業務處理，參與投標應答、采購訂單處理等業務操作；(5)電商平臺，集合行業內優質的供應商，為企業提供行業設備、備品備件以及報價，是買家、賣家自由交易的平臺，也是信息交流中心，囊括知名品牌信息、行業內最新資訊、二手設備交易、商家信息展示、企業展會等內容。

圖6 經營管控手機端服務

2 技術成果應用

CTIEC作為國家級智能工廠集成系統解決方案供應商，基于互聯網的EPC建材行業智能一體化服務模式推廣以來，顯著提高了企業的智能化、信息化水平，提升了企業的產銷規模和盈利能力，為企業后期的穩定發展打下了良好的基礎。目前，多個智能工廠項目已經得到實際應用，起到示范效應。

2.1 中聯玻璃智能工廠項目

CTIEC為河南省中聯玻璃有限責任公司(簡稱“中聯玻璃”)建設國內首條具有完全自主知識產權的第二代浮法玻璃生產線智能工廠，該智能工廠獲評“2021年河南省智能工廠”(如圖7所示)。中聯玻璃擁有兩條在產的國內先進600 T浮法玻璃智能生產線，配套深加工一期項目，采用國際先進的冷端控制系統實現全線集成、智能匹配和全線聯動，達到生產執行精益高效和過程可視可控。該項目建設過程中解決的技術難題包括：(1)原料及配合料系統優化，減少因硅砂的水分和化學成分波動給生產和配合料質量帶來的不良影響，在硅砂的儲備過程中采取均化措施，有利于提高配合料質量；(2)針對高端浮法玻璃的要求，對原料車間、熔窯、退火和切割等玻璃生產工藝進行全面優化與改造；(3)輔助及集成控制系統優化與改造，為了實現浮法玻璃生產過程的協調操作和科學管理，浮法聯合車間熔化、成型、退火工段設置分布式計算機控制系統(DCS)，對三個工段的生產過程參數進行檢測、采集、數據處理、自動控制及統一管理；(4)概覽大屏實現展示整體生產及運營信息概況，實現數據追溯，采用“總控制，分明細”的模式，運用集中大屏總覽公司各個模塊信息，同時可通過對應模塊即時穿透至明細數，綜合大屏可實現公司層級信息到班組或設備信息的快速穿透。

圖7 中聯玻璃智能工廠項目

2.2 新能源光伏玻璃智能工廠項目

CTIEC為中建材(宜興)新能源有限公司建設太陽能玻璃生產線智能工廠(如圖8所示)，投產后太陽能光伏原片、鍍膜鋼化玻璃年生產能力達6 000萬m2，“智能在線檢測”獲評國家工信部2021年智能制造優秀場景。該項目建設過程中解決的技術難題包括：(1)采用大屏智能控制系統解決光伏玻璃深加工生產線的智能化集成的問題；(2)解決了光伏玻璃壓延線與深加工生產線的連接問題；(3)自主研制的壓延機能連續批量生產出1.5 mm超薄光伏玻璃產品，攻克了國外的技術壁壘；(4)解決了全線數字化智能控制的問題，排除了原有基礎設備易出現的不穩定的情況，切割系統應用與舊式傳輸線的匹配，以及實現與工廠生產過程執行系統智能化匹配。

圖8 新能源光伏玻璃智能工廠項目

2.3 電子信息顯示超薄基板智能工廠項目

CTIEC為蚌埠中光電科技有限公司建設8.5代TFT-LCD超薄浮法玻璃基板智能工廠(如圖9所示)，該智能工廠獲評“2022年安徽省智能工廠”。2019年9月18日中國首片高世代玻璃基板下線，可與國際先進水平并跑，全面提升了我國電子玻璃在國際市場的主動權與話語權。

圖9 電子信息顯示超薄基板智能工廠項目

該項目建設過程中解決的技術難題包括：(1)解決了玻璃成型技術、流液道流量控制和退火等技術問題，研制出滿足8.5 代TFT-LCD超薄基板玻璃成型要求的高精度智能化輕型電子玻璃拉邊機、流液道調節閘板提升裝置和退火窯等智能裝備；(2)超高分可視化大屏系統，繪制生產過程的3D 動態效果圖，開發專門數據庫，將關鍵數據寫入數據庫并顯示和記錄歸檔；(3)解決了電子信息顯示超薄玻璃基板在切割過程中產生的玻璃屑影響玻璃質量的問題，全自動控制切割系統實現了切割的穩定性和高質量；(4)解決了用光電開關檢測玻璃板偏移精度差的問題，采用攝像系統和新研發的影像處理系統，實現了玻璃邊位置的精確定位；(5)搭建全廠生產網絡，統一組網設備的地址管理并建檔，開發專門的上位接口軟件，實現了主傳動控制系統與全廠生產網絡無縫連接。

3 結 語

基于互聯網的EPC建材行業智能一體化服務模式實現了應用的網絡協同和業務系統整合，深入垂直領域，其優勢在于CTIEC擁有大量建材行業的知識庫儲備和一批懂行業、懂技術的專業運維團隊，大大提升了系統運維和迭代速度，在系統用戶和設備數量快速增長時有了強大的系統運維能力保障。同時，智能一體化服務平臺具備建材行業屬性的邊緣智能網關產品，保證了端到端的一體化解決方案，形成了端與云的無縫銜接。目前已有40個玻璃行業工業APP或平臺功能模塊，3個標桿性落地案例，服務企業數量達80家，具有示范推廣性。

CTIEC將以工業高端化、智能化支撐綠色化，持續開發應用節能新技術，包括玻璃熔窯全保溫、低溫熔化技術、配合料預熱技術、低溫余熱利用技術和全氧燃燒玻璃熔窯再生熱化學蓄熱器(TCR)技術，打造智能制造節能工廠；不斷研發推廣使用清潔能源，包括單位熱值含碳量低的一次能源、電助熔、光伏發電、風能和氫能等；開發減碳原料配方和配合料優化及窯外分解技術等，全面推廣高效節能熔窯、余熱發電和煙氣治理一體化等節能減排新技術，以工業綠色化引領高端化、智能化發展。