智慧瓷廠初步構想

張任平，龔 朋

(景德鎮陶瓷大學材料科學與工程學院，江西 景德鎮 333403)

0 引 言

在中華名族偉大復興“中國夢”的引領下，隨著“一帶一路”和“中國制造2025”等國家戰略的深入實施[1]，中國陶瓷行業迎來了新的發展機遇：技術創新、轉型升級、高端發展速度加快明顯。工廠進行智能化改造顯得尤為迫切，陶瓷企業為擺脫同質化競爭需要通過智能制造提供個性化的定制產品。陶瓷企業想要跟上智能制造的步伐，快速響應瞬息萬變的市場需求，不僅需要各產業通力協作，而且要使得整個生產過程處在最優的狀態，盡最大可能進行節能降耗，控制生產成本，能引領整個陶瓷行業的發展方向。陶瓷企業更需要加速改變粗放型管理模式，從要素增長轉向創新驅動，推進制度創新、管理創新、科技創新，在創新中培育和形成新的成長優勢。通過利用先進的信息化技術手段提升生產經營管控力度，促進降本增效，全面提高企業管理水平，提高企業核心競爭力。因此，陶瓷企業想要在新一輪的技術革命智能制造中搶占先機，進行智慧化改造無疑是其不二選擇。

本文依據我國陶瓷行業的發展現狀，將人工智能、物聯網、云計算和大數據等信息技術植入傳統的陶瓷行業，創造性提出了智慧瓷廠的概念模型，認為智慧瓷廠應包括智能控制、智能化管理和智慧廠區綜合管控等系統，闡述了建設智慧瓷廠的初步實施方案。全面分析了智慧瓷廠在整個工程實施過程中的復雜性。認為智慧瓷廠必將是傳統陶瓷企業發展的方向，也是《中國制造2025》、工業 4.0和智慧城市提出的必然要求。

1 智慧瓷廠的概念

IBM 智慧工廠是“智慧瓷廠”的理論基礎，物聯網的技術和設備監控技術加信息管理和服務，構建一個高效節能的、綠色環保的、環境舒適的人性化工廠[2-3]。

IBM 智慧工廠的四個要素包括[2-3]:

(1)預測：基于智能化傳感儀表裝置，輔以智能化流程建模，系統具有預測功能。

(2)可見性：將數據轉變為上下文相關的信息，減輕現場操作人員和工程師的采集數據的工作量，更多的時間可以用來分析數據。

(3)協同：遠程專家借助智能通訊系統可參與解決設備運行問題；利用虛擬現實技術提高響應速度和降低運行費用。

(4)分析和優化：優化現有的分析模型，采取先進的分析方法提高全廠設備和裝置的運行效率。

智慧瓷廠，是以數字化、信息化、自動化、智能化為基礎，通過對瓷廠的全生命周期進行量化，并與整個陶瓷行業互聯網互聯互動，實時進行分析、控制和決策。智慧化瓷廠的建設是通過傳感器等智能設備應用，使現場設備除了具有分析能力，同時還可以提供參考決策方案，智慧瓷廠應具有人工智能特征。智慧瓷廠最終達到的目標：形成人機互聯互通、智能生產、遠程診斷、智能監測、實時決策、智慧經營的“以人為本、人機和諧”高效新型智慧瓷廠。

智慧瓷廠具有“感知化、互聯化、智能化”[4]的特點。感知化的理解可以表述為兩點，一是通過智能傳感器和攝像頭等硬件設備獲知前端信息資料；二是通過大數據技術獲知工廠各方面的情況；互聯化同樣可以從兩方面進行理解，一是借助于通信網絡技術實現企業的互聯互通，數據高效共享集成；二是當前業務形態與已有的業務形態和后續的業務形態實現相互貫通； 智能化通過先進的傳感技術、智能控制技術、智能分析手段和信息技術，收集工廠所有信息并進行分析，方便管理者及時決策并適時采取措施。

2 智慧瓷廠與傳統瓷廠的比較

得益于物聯網、人工智能和大數據技術的發展，智慧瓷廠代表瓷廠的未來發展趨勢。智慧瓷廠作為傳統瓷廠進化的高級物種，在諸多方面和傳統瓷廠存在相當大的不同。表1詳細給出了智慧瓷廠和傳統瓷廠的區別。

3 智慧瓷廠智能控制與管理系統建設

3.1 智能控制系統

人工智能在智慧瓷廠的直接應用最重要的體現就是智能型控制系統，瓷廠的大部分工序采用了DDC或PLC控制系統，通過DCS系統進行集中控制。基本實現數字化控制技術。隨著大數據、物聯網和人工智能的不斷發展，陶瓷廠的控制系統正在進行智能化控制系統改造。

3.1.1 窯爐智能控制

人工智能、大數據、云計算、物聯網等新技術的發展催生了陶瓷工業窯爐的智能化發展。基于物聯網的窯爐智能控制系統，有助于解決目前窯爐生產過程中智能化程度低等問題，有利于生產過程的遠程控制及批量重復生產。

智能控制裝置通過窯爐內溫度傳感器、壓力傳感器、燃氣管道控制模塊、助燃空氣管道和排煙控制模塊來實現智能生產控制。系統可以自動記錄生產過程的控制參數并保存在存儲記憶模塊內，如果某一生產過程中具有最優生產質量，則操作人員可以重復選用該存儲的控制過程來對新的生產過程進行控制，具有可重復性[5-6]。系統還可以通過接入互聯網來實現遠程控制，遠程控制終端和手機可以對系統實施遠程操作。可以向使用電腦、移動設備或智能手機的陶瓷窯爐設備管理員，發布各種數據采集設備采集到的窯爐運行狀態數據，同時依照預設的程序或者大數據技術進行分析，發出預警，對窯爐的運行進行優化。生產過程的信息化和智能化，可以實現一個高度個性化和智能化的服務模式，為 “智慧工廠”陶瓷行業實現打下堅實的基礎。

遠程操作還可使用于生產技術保密的場合，僅有少數幾個核心人員控制核心生產技術并且可以遠程分布式實現生產控制。

智能控制系統是基于大數據和人工智能技術的陶瓷工業機械和窯爐設備自動控制解決方案，所以它要依托大數據和人工智能技術來實現對陶瓷工業機械和窯爐設備的智能控制、數據采集和信息的存儲共享。主要組成有數據采集控制服務器、云端服務器和客戶端，能實現生產過程信息的收集整理、報警記錄信息和歷史記錄的云端存儲等。其根本宗旨是讓用戶解放出來，可實現遠程控制和管理陶瓷機械和窯爐設備。推動陶瓷行業從數字化轉向智慧化。

因此陶瓷工業機械和窯爐設備的智能控制系統能夠自動控制生產過程，自動記錄控制過程，具有可重復性，可以滿足遠程保密性遠程控制及批量重復生產。

表1 智慧瓷廠與傳統瓷廠的比較Tab.1 Comparison between smart and traditional factories

3.1.2 廠級監控系統

廠級監控系統是基于分布式系統進行架構，主要建立在陶瓷廠機械設備、窯爐、門禁和各種輔助控制系統基礎上。具備統一性和通用性的智能監控與查詢網絡平臺，可以監控廠內陶瓷生產和管理的各個過程，實現在同一數據庫平臺上完成采集數據的分析和處理，同時實現生產任務的最優分配和工業控制系統的優化。更重要的是，陶瓷廠采用分布式架構系統建立一體化廠級監控系統，可以方便陶瓷廠集中監控，設立集控中心。這種方式一方面有利于企業的減員增效，另一方面針對陶瓷企業產能過剩問題，有利于陶瓷企業生產任務的分配最優，有利于各個企業的效益最大化。

3.2 陶瓷廠智能管理系統

建設智慧瓷廠必不可少的部分一定是管理系統的智能化，智能化管理系統能實現銷售和生產的無縫對接，有效提高陶瓷企業的生產效率，支撐陶瓷企業的戰略性規劃。

陶瓷生產企業的資產一般密集度較高，管理系統的智能化核心是管理資產，基于大數據技術建立統一服務的數據平臺，平臺底層功能主要是生產經營管理、有形和無形資產管理、信息數據監察控制，平臺中間層企業的銷售管理和人力資源管理。平臺頂層通過大數據技術的應用，分析預測企業的生產經營數據，為企業進行智能決策，對企業實行一體化的管理控制，降本增效，為陶瓷企業的可持續發展打下堅實的基礎。

基于各個模塊分離的底層控制系統，借助于屏蔽裝置和接入終端，接入廠級監控信息系統，在廠級監控信息系統內連接有數據庫管理系統，生產過程的實時數據借助于路由設備和屏蔽裝置進入上一層網絡。對于智能管理系統的人工智能和大數據分析，云服務器的架設位置在頂層網絡，管理應用軟件安裝在云服務器系統中，廣泛應用云計算平臺，實現虛擬服務器系統、云化桌面終端系統和企業云平臺服務系統。

陶瓷企業云平臺的建立對整合優勢資源和提升有效資源利用效率非常有利；硬件服務器和應用軟件相互隔離，可實現動態配置資源。管理系統進行多角度安全設計，保護企業的無形智力資源。實現企業的科學用能，綠色環保節能。

大數據分析的核心點就是找尋不同數據之間的相互關聯性及其對未來的趨勢提前進行預判。陶瓷廠的大數據應用主要涵蓋數據采集、數據處理、關聯性分析和結果應用。采集到的數據可區分為外部數據和內部數據。陶瓷企業外部數據來源于建材市場陶瓷產品、消費者反饋、所用燃料價格、相關同級別瓷廠投資建設運營維護數據等。其內部數據的來源包括通過光盤、移動設備或網絡云盤提交的設計和工程竣工驗收數據材料以及機械和窯爐設備投產運營后的維護數據。大數據分析主要體現在設備運行數據的處理、各車間工作水平和習慣的數據記錄分析和內部與外部數據的關聯性分析。應用大數據主要進行機械設備智能控制與優化、多視角運行維護、陶瓷廠智能管理決策、人力資源的績效考核管理和生產成本管理控制。

3.3 智慧廠區綜合管控系統

陶瓷廠智慧廠區綜合管控系統，借助于人工智能、信息技術、區塊鏈、大數據和物聯網技術，通過關聯數據信息接口、信息轉換和共享協議等手段將信息管理系統、可視化監控系統、一卡通綜合管理系統、防盜安全報警系統、智能廠區燈光系統、弱電管理系統、防震減災系統、視頻信息管理系統等整個公司全部管理系統連接到共享的數據平臺，實現整個公司的智慧化的監測、管理和控制，達到人性化、便利、安全無漏洞等目標。

智慧廠區由集中監控、系統聯動和各種供工作人員使用的系統。集中監控包括一體化聯動集中監察控制、智慧廠區自動無人化出入口控制、防盜安全報警和基于物聯網技術的智能控制等。系統聯動能實現安全防護聯動、消防一體化聯動、廠區不同場景智能切換和廣播信息管理等。供工作人員使用的系統主要有推送天氣、手機終端應用、智慧停車、智慧通勤車、智慧停車場、智能參觀線路、智能會議和訪客接待引導等。

4 結 論

陶瓷行業正面臨著淘汰落后產能、重新洗牌、戰略調整的大變革中，陶瓷廠面臨如何改變粗放型管理模式，健全和完善企業內部的管理制度，使企業管理水平再上一個臺階；適應“市場、競爭和變化”，建立快速響應和滿足市場不斷變化的需求響應機制；陶瓷企業需要借助信息化與自動化融合，實現自身的價值再造。

智慧瓷廠建設應符合信息化和工業化的高層次的深度結合和工業 4.0 的發展方向，實現瓷廠設備運行、生產執行、經營管理信息的逐級上傳、輔助領導科學決策，保證決策指令在經營管理層、生產執行層和設備控制層的逐級下達落實，設備控制指令的執行結果最終通過設備狀態信息呈現。信息上傳和指令下達周而復始，閉環高效循環控制，保障瓷廠擁有優秀的感知能力、決策能力和執行能力，全面提升企業績效。

智慧瓷廠建設要以“智能產瓷、智慧管理”建設為抓手，以“數字化瓷廠”為基礎，堅持問題導向，突出風險預控、實時利潤、優化管理、遠程診斷等流程，最終提升工作效率。力爭通過“智慧瓷廠”建設，實現“數據流、信息流、業務流”的一體化融合，從而實現可靠、安全、高效的目標。