建材行業智能工廠標準化建設通用模型研究

劉霄倩，賀姣陽（中國建筑材料工業規劃研究院 北京 100035）

韓東陽（建筑材料工業信息中心 北京 100831）

0 引言

“十三五”是建材行業實現轉型升級的關鍵時期，建材企業迫切需要加快推進智能制造，加快實現新一代信息技術與建材行業在裝備、工藝、生產、管理、服務等方面的深度融合。智能制造，標準先行，以通用模型為核心內容的建材行業智能工廠標準建設是國家智能制造標準化從頂層設計邁向行業落地實施工作的重要組成，是已經啟動的7項智能制造國家標準及行業標準研究工作的有益補充。

基于建材行業長期實踐，系統分析了建材行業智能工廠的建設需求，提煉了建材行業智能工廠標準化建設的通用參考模型，實現了建材行業智能工廠標準的重要突破，對建材企業推進智能制造具有重要的參考價值和指導意義。

1 建材行業智能工廠建設的共性需求

建材行業是我國重要的基礎原材料行業，經過幾十年的發展，建材行業的生產工藝、生產裝備和生產自動化水平都得到了大幅度提升，但與發達國家相比，我國建材行業生產制造總體效能仍有較大差距，產品結構過剩、管理和營銷等決策缺乏系統支撐、資源和能源利用效率不高、安全環保壓力大等問題凸顯，如何應對全球化制造帶來的機遇和挑戰，充分利用現代信息技術解決建材行業在經營決策、生產運行、能效安環、信息集成等方面的瓶頸問題，推動建材行業實現“高效化、綠色化和智能化制造”的發展目標，是實現建材行業智能制造的關鍵所在，也體現了建材行業智能工廠建設的共性需求。

在生產工藝和生產設備層面，需要持續優化生產工藝參數選擇、關鍵參數檢測和生產流程變更環節；在生產計劃和生產調度層面，需要建立全面、準確和實時的數據獲取能力，以及更為安全、可靠的數據傳輸、融合能力，高效的數據分析方法；在生產經營決策環節，需要建立快速處理多源異構大數據及不同層次的關聯知識的能力；在信息化系統層面，需要加快各層級及環節的深度融合和協同。

2 建材行業智能工廠的系統參考模型

結合建材行業智能工廠建設的共性需求，通過調研建材行業典型企業，提出了建材智能工廠通用模型（見圖1）。

通用模型包括系統層級、智能功能、建材行業領域3個維度。其中系統層級主要包括智能管理、智能生產、智能控制和智能設備；智能功能是指協調企業的人員、設備、物料和能源等資源，把原材料或零件轉化為產品的活動，主要包括制造運行管理、設備運維、能源管理、智能物流、感知與數據融合、協同優化與管控集成；建材行業領域主要包括水泥、玻纖、陶瓷、玻璃等。該模型在3個維度上不僅與RAMI 4.0模型和國家智能制造標準體系結構模型相呼應，同時體現了建材行業特點，涵蓋了建材行業智能制造全過程。

2.1 系統層級

從系統層級角度，面向建材行業的智能工廠系統參考模型主要包含智能設備、智能控制、智能生產和智能管理4層。

圖1 建材行業智能工廠通用模型

智能設備層級包括智能化生產裝備、智能化物流裝備和智能化感知裝備，如破碎機、生料磨、回轉窯、水泥窯、包裝機，一卡通、電子標簽、計量秤，溫度傳感器、壓力傳感器、振動傳感器、成分分析儀、粒度分析儀、熱像儀等，是整個智能化工廠建設的基石，為上層控制系統和信息系統提供真實、及時、準確的數據支撐；

智能控制層級包括可編程邏輯控制器（PLC）、數據采集與監視控制系統（SCADA）、分布式控制系統（DCS）和現場總線控制系統（FCS）等，以及在傳統的生產過程控制系統之上應用模型、控制策略、知識庫，實現對生產過程的智能控制；

智能生產層級包括制造運行管理、設備運維、協同優化、能源管理和智能物流等；

智能管理層級實現面向企業的經營管理，包括企業資源計劃系統、供應鏈管理、人力資源管理、財務與成本管理等。

2.2 智能功能

從所實現的智能功能角度，面向建材行業的智能工廠系統參考模型主要包括：制造運行管理、設備運維、能源管理、智能物流、感知與數據融合、協同優化及管控集成7個方面內容。

制造運行管理主要包括訂單管理、生產控制、物料管理、能源管控、采購管理、運維管理、質量管控、庫存管理、成本管理、運輸管理等。

設備運維主要包括生產現場、調度中心、總控、機房、移動終端等全面設備管理，主要以監測為基礎，以預警為手段，以矯正和免疫為目標，以控制系統處于安全狀態為目的，在反饋機制的控制下形成一種新的具有防錯、糾錯、報錯與改錯的全面風險預警職能。

能源管理主要包括生產過程能效在線監測、能效評估與分析、能效優化、能效管控綜合集成等。

智能物流主要包括供應、生產和銷售等環節的物流智能化管理。

感知與數據融合主要包括兩個方面：感知方面需要針對生產廠區、關鍵區域等工場環境安全問題設計一系列感知節點，同時考慮生產環境中的粉塵監測需求，以及建材行業中固體物料種類繁多，且不同物料的介電常數、容重、溫度、水分含量不同的情況。數據融合方面，需要針對建材行業大數據呈現的實時、海量、時空復雜和強耦合的特點提出建材行業大數據采集、傳輸及融合的方法，實現建材行業生產現場實時數據、視頻監控數據、業務系統結構化數據及其它非結構化數據的高效融合。

協同優化主要包括建立全流程協同關系，實現全流程最有參數及最優指標，建立全流程只能協同控制及優化平臺。

管控集成主要是實現制造運行管理系統和企業資源計劃系統互聯互通。

3 結語

建材行業智能工廠標準化建設通用模型的研究與推廣，能夠有效指導建材企業規范化、標準化的建設智能工廠，帶動先進技術研發和智能傳感、智能儀器儀表等先進裝備應用，推動建材行業智能工廠改造轉型升級，實現建材行業節能降耗、節本增效，為制造業強國等國家戰略實施提供重要支撐。