建陶行業數字化轉型的探索與應用

楊毓隆 李繼庚 嚴斌 華浩

課題項目：1.廣東省工業互聯網標識解析體系建設引導資金重點培養項目《綠色紙包裝工業互聯網標識解析二級節點建設》（2020）；2.廣東省重點領域研發計劃項目《面向陶瓷工業智能制造的工藝設計與生產工業軟件研發》（2021）

摘 要：當前陶瓷行業，從研發、銷售、生產、供應鏈、服務等環節，在經營過程中通過紙制化的形式收集了大量的數據，但就整個企業運營來說，數據的價值遠遠沒發揮出來，如何建立具備建陶行業特性的數據化運營平臺，幫助企業用數據指導運營決策，實現管理、思維模式、技術能力的變革，是現代陶瓷企業的戰略發展的重要組成部分。

關鍵詞：工業互聯網;數據化運營平臺;陶瓷;精益管理

1 前言

隨著“中國制造2025/2035”與“建材行業三年行動計劃”的強勢發布，雙碳的大力推進，數字化、智能化已成為企業發展的必然方向，數據也越來越成為企業的核心資產。在這個陶瓷行業下行的周期內，面對高資源消耗、高能耗、車間自動化水平偏低等制約行業的發展瓶頸，國內一線品牌的陶瓷企業都在嘗試通過數據化來進行轉型升級以尋求突破。

以智能制造為契機、建立企業的數據化運營平臺，沉淀數據，為企業未來3-5年的戰略決策、優化供應鏈、提質增效奠定數據基礎，已成為陶瓷的戰略方向。數字化轉型對于陶瓷企業來說已經不是“選擇題”，而是關乎企業生存和長遠發展的“必修課”，而在這場必修課中完成生產過程的數字化轉型是建陶行業轉型的核心與基礎。

2 建陶企業生產數字化轉型現狀

2.1國內建陶行業生產現狀

在生產環節我們面臨著高能耗、高資源消耗、生產技術相對落后、自動化水平偏低（原料）等問題，并與國際先進水平存在一定差距。

（1）高資源消耗：原料消耗27-40 kg/㎡，2021年生產瓷磚81.7億平方米，原料消耗約2.2-3.2億噸；

（2）高能耗：國內產品綜合能耗約7.0kgce/㎡，國標先進值要求低于4.0kgce/㎡；

（3）自動化水平：國內一條傳統產線平均約100人，歐洲一條生產線平均約50人；

（4）人均產值：中國業內人均產值約65-75萬元，意大利人均產值可達200萬元/人。

2.2建陶行業生產數字化現狀

（1）數據采集不完善，大部分企業僅部分關鍵設備（窯爐、壓機、噴墨機等）具備數采條件，其他設備如球磨、噴霧塔、粉料配送、拋光機等普遍存在無法采集或關鍵數據不齊全，需額外增加改造投入等問題；

（2）自動化水平偏低，配送物料、調控設備需大量人工參與；

（3）上下工序信息未打通、信息傳遞依靠紙質抄錄、微信群發、未達到生產可視化、透明化；

（4）生產調試依靠老師傅經驗傳承，缺乏數據工具支撐其分析、提升；

（5）上線各類管理系統間存在信息孤島，未能互聯互通，難以起到支撐管理層進行決策的作用；

（6）數字化人才配置不足，缺乏對數字化轉型的認知。

2.3建陶行業生產數字化轉型圍繞痛點與業務場景

生產數字化轉型是要為企業帶來價值，所有數字化的建設需要圍繞著生產痛點的解決、業務場景的優化進行，需以此為核心進行轉型規劃，實現用數據指導運營決策，驅動業務增長的目標。為此我們需要對生產運營過程中的場景進行梳理與總結，以下為梳理部分常見痛點與需優化場景。

2.3.1生產企業普遍存在共性痛點

1）生產運營執行不到位：（1）設備點檢保養執行未閉環，突發故障搶修多發，設備數量多，點巡檢有難度；（2）檢修、維修經驗得不到沉淀；（3）缺少運維實時統計分析（成本、效率、質量）與優化。

2）生產管理不透明且協同效率較低：（1）信息獲取方式傳統，時效性較差，管理精細度低（訂單生產進度、班組產能、生產效率、產品單耗、損耗率、質量指標等）；（2）生產協同配合效率較低：工序間信息不互通、無法互相監督、管控。

3）節能挖掘缺乏措施：（1）能源統計實時性、顆粒度不強；（2）缺乏可視化激勵的節能方式；（3）工藝節能挖掘方法偏弱。

4）操作調優依賴人工經驗：（1）原料配方搭配；（2）球磨、噴霧塔工藝參數調優；（3）窯爐工藝調優；（4）球磨錯峰排產、訂單排產。

2.3.2原料車間痛點與業務場景

1）質量相關-如何提升質量。

（1）原材料標準化未完善，存在均化不足、穩定性差等問題；

（2）保障配方投料穩定（上對料、上準料）；

（3）提高一次合格率、提高漿料質量與效率（減少復磨、過磨、績效到人）；

（4）噴霧塔如何提高質量控制水平：水分、顆粒度在線監測、通過管控優化（管控方法、考核模式的變革）提高粉料質量；

（5）實現噴霧塔根據質量數據自動調控；

（6）噴霧塔粉料的自動進倉庫、塔底稱重（少人化、可追溯的基礎）。

2）能效相關-如何降低能源成本。

（1）如何統計每一個球的電單耗（不同配方、不同球），用于對標分析；

（2）如何通過工藝調優，提升球磨效率、降低低單耗；

（3）如何判斷是否有錯峰潛力，通過球磨排產，來降低球磨工序的用電成本；

（4）準確統計噴霧塔制粉料單耗（小時、班次單耗），進行考核管理、能效改善。

3）盤點、損耗相關-如何統計盤點庫存、減少損耗。

（1）漿料庫存自動盤點，統計漿料到噴霧塔工序漿料的損耗；

（2）如何快速定位損耗位置、及時處理；

（3）粉料庫存盤點，統計粉料到壓機工序粉料的損耗。

4）統計、追溯、防錯、透明化。

（1）自動生產報表：減少球磨工序、粉料工序紙制報表、實現生產報表自動生成；

（2）防呆防錯：①避免球磨機漿料入錯漿池，導致物料作廢；②陳腐時長不足、頭尾料不合理搭配、粉料質量異常處理；

（3）生產追溯：可追溯各噴霧塔生產的粉料來自哪個漿池、入到哪一個粉料倉、送到哪臺壓機。

2.3.3成型車間痛點與業務場景

1）質量相關-快速發現、反饋質量異常、管控模式變革。

（1）磚面缺陷檢測：噴墨后、拋光后缺陷檢測、快速反饋；

（2）感知缺陷發生并預防：工藝參數異常告警、反饋；穩定性考核（坯溫、窯壓、壓制參數等）；

（3）釉料配送防錯、上下工序相互監督/管控；

（4）生產追溯：可追溯缺陷發生位置、物料批次、工藝參數、質量參數，并進行事故處理經驗累計、沉淀。

2）能效相關-單耗降低。

（1）統計各工序、設備小時數、班次單耗（采集、績效模式變革）；

（2）能源效率提升（供需平衡、無效生產減少、設備對標）；

（3）最佳工藝參數沉淀：各產品最佳生產參數-窯爐能耗優化。

3）磚損、釉料損耗相關。

（1）準確對釉料損耗進行統計、及時發現異常并處理；

（2）磚坯損耗統計（按班次）快速發現異常并處理。

3 生產數字化運營平臺建設基礎

為解決當前生產運營所遇到的痛點、完成新業務場景的重構，陶瓷企業需建立一套適合陶瓷行業的生產數字化運營管理平臺，輔助管理者實現生產的全面數字化轉型，逐步迭代提升達到提質、增效、降本的目標。

3.1生產數字化運營平臺整體功能架構

搭建的數字化運營平臺需具備穩定、靈活兩個特點，全面支撐我們做生產數字化建設，一個1+N的平臺：1是一個生產數據化運營平臺，N包括N個業務模塊的數字化應用，以目前企業數字化水平，我們會優先做能源、設備、生產、協同、告警這幾個模塊，后續可以逐步地把AI搭建起來，像搭房子一樣，平臺就是地基，這些應用就是一塊一塊的磚，根據企業現狀實現整體規劃、小步迭代的目的，并在單個基地完成數字化轉型后可實現快速復制推廣至整個集團。

在整體功能架構中，我們分為執行層與決策層兩個大層級，5個小層級，執行層中現場層為現場儀表、自動化設備；邊緣層為通過網關、網閘采集現場儀表和自動化設備數據，并可進行本地數據的儲存、工業網絡物理隔離；平臺基礎服務層采用阿里云的基礎設施，包括存儲、時序數據庫、中間件產品等，可實現數據清洗、接口管理等功能，為平臺的核心；工廠應用層為企業執行層使用的具體功能模塊，包含計劃排產、生產管理、質量管理、設備管理、能源管理、數據分析和數字工廠等；管理應用層為企業高層運營決策使用功能，包括工作臺、生產績效與對標等模塊。

3.2全量、全要素的采集

我們為企業規劃的數字化轉型路徑會分為6個階段，采集、展示、管理、分析、優化、預測，逐步迭代提升，其中全量、全要素的采集是完成數字化的基座。為此我們需要規劃好2點：

（1）思考清晰要解決的痛點與需優化的場景有哪些數據要采集；

舉例：要完成噴霧塔質量控制優化需采集哪些參數、哪些數據目前數采不支持需人工錄入，如現有條件不支持，要完成階段性目標僅提供管控數據、輔助分析，需優先采集哪些數據（如圖1）。

（2）做好底層數采的架構搭建：實現現場層數據的自動采集、業務數據的人工錄入、企業其他信息化辦公系統數據的互聯互通（如圖2）。

（3）數據從邊緣到云端過程：①數據從網閘/網關通過私有協議往云端傳輸；②云邊網關負責數據的傳輸；③數據到達云端后，通過DataX/FlinkX進行初步清洗與分發，分別分發給Hbase（時序）與Hive（離線計算用）；④Spark抽取Hive數據，進行復雜的大數據計算，計算中使用Redis高速緩存數據庫，計算結果存入Hive/HBase；⑤數據一方面提供給基于Spring boot開發的后端與前端服務，另一方面提供給工業AI算法訓練平臺。

3.3數據基礎---數據斷點續傳、清洗、治理

由于現場采集網絡設備、網絡、光纖、現場總線、采集對象等不可避免的會出現故障、斷電、通訊中斷以及電磁干擾的情況，從而造成數據中斷、數據清零、數據跳變等數據質量問題，市面上很多系統是直接將采集上來的數據進行數據管理的，當數據出現中斷、清零、跳變等異常情況就需要人工干預，導致數據處理工作過多，且準確性無法保障，為解決此問題我們平臺對于這種情況通過大數據分析處理，對數據進行數據斷點續傳、數據清洗、數據治理，得到準確的數據，來保障我們支撐我們的分析決策體系。

4 數字化運營對生產的變革

4.1人員意識與方法的變革：挖潛、管控、工藝優化能力的提升

（1）統計人員：減少重復統計、抄錄、傳遞工作，減少重復工作，提高效率；

（2）統計、管理層：學會使用系統進行多維度的統計分析、挖掘生產潛力；

（3）設備人員：通過知識庫沉淀、傳承、提升，形成技能提升體系；

（4）技術、過控人員：學會利用數據優化工藝、控制質量（數據工具支持、人員能力提升）；

（5）生產技術崗：掌握關聯工序數據、質量信息，通過系統追溯、把控上工序產出、質量異常的能力。

4.2管理模式的變革

（1）通過故障頻次、無效生產時長（窯爐、拋光）的統計分析，進行考核、管理；

（2）質量管控方式變革：通過質量分析工具進行穩定性、質量的考核、管理；

（3）可視化激勵：生產車間PK客觀化，內部競爭良性化（班組指標實時獲知、現場展示、員工可根據系統尋找差距、提升方向）；

（4）系統驅動管控、防錯、減少異常問題發生（如釉料配送防錯）；

（5）數字化巡廠：管理層通過系統快速巡查基地運營狀況、定位異常，通過系統隨時掌控生產。

4.3協作方式的變革

（1）生產人員通過系統拉通實時信息，提高時效性，管控力（訂單生產進度、班組產能、生產效率、產品單耗、班組損耗）；

（2）現場管控由人工定期巡檢轉變為集中監測、告警驅動（app-隨時可接受信息）；

（3）設備管理：實現任務透明管控、備件壽命管理、預防性維護、部分設備預測性維護；

（4）上下工序數據拉通，實現工序間互相監督、追溯（減少不合格品流入下道工序）；

（5）質量問題系統自動按設定反饋，提升反饋、處理的及時性、有效性。

4.4產品追溯的變革（標識解析體系應用）

利用《綠色紙包裝工業互聯網標識解析二級節點建設》項目的建設成果，將生產流程和產品接入國家工業互聯網標識解析系統，標識解析體系可以將生產流程轉化為數字標簽，實現工業全要素，各生產環節的信息互通，從而帶動行業發展，促進轉型升級。

（1）生產制造管理：將物料與生產資源實現賦碼管理，融合標識進行合理生產計劃與生產協調，結合設備的標識賦碼實現設備全生命周期管理與設備異常實時監測。在生產過程管理中實現標識貫穿的全流程管控。

（2）品質控制：利用生產物料賦碼結合標識進行上下游物料/原料供應追蹤管理，實現生產過程的全流程品質控制及上下游品質控制擴展。

（3）產品在線追溯：將標識應用至上產企業相關的上下游企業及流通過程，實現在由生產前期至生產流通的全過程追溯管理與精準定位。

（4）營銷戰略分析：滿足生產企業為不同客戶提供不同的靈活定制營銷，滿足包裝應用企業定制產品的營銷界面或宣傳界面以及進行售后服務跟蹤。

4.5持續的數據運營服務+數據運營小組建立

企業數字化轉型不是一蹴而就的，是一個自上而下推動變革、學習的過程，高層領導在數字化轉型中的處于關鍵推動性角色，在這個過程中需要外部數字化轉型供應商與企業管理團隊合力，由乙方（數字化平臺供應商）的客戶運營團隊，提供從系統上線、系統功能操作使用、系統功能用途介紹、系統運維、系統價值挖掘的培訓，賦能企業，輔助企業數據運營團隊建立、數據創造價值的賦能。

5 結論

陶瓷行業正處在劇烈的變革時期。受房地產行業下行影響，行業目前整體庫存率較高、利潤空間被大幅度壓縮；再加上“企二代”所帶來的“代際革命”，對傳統制造企業管理方式也提出新訴求。因此，企業對于數字化、智能化的內生驅動需求越來越迫切。

陶瓷行業作為傳統流程行業由一代代陶瓷從業人員不斷推進工藝與流程的創新，在生產企業智能制造升級的浪潮下，更好的運用“工業互聯網+大數據”的技術，建設具備陶瓷行業屬性、為生產賦能的生產數字化運營平臺是一個持續迭代與創新的過程，在轉型的后期，也將進行工業AI方面的實踐，在球磨工藝參數推薦、錯峰排產、噴霧塔粉料質量預測、最佳參數推薦、APS智能排產等場景中逐步展開，朝著系統指導生產，提質、增效、降本的方向不斷前進。

參考文獻

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