中樞轉(zhuǎn)千機 籌算應(yīng)萬變
——為玻璃工廠注入智能制造的靈魂

王健 李勇

（秦皇島玻璃工業(yè)研究設(shè)計院有限公司 秦皇島 066001）

人類世界最早的玻璃出現(xiàn)于古埃及和美索不達(dá)米亞，而近100年來玻璃工業(yè)最重要的事件是1952年英國皮爾金頓（PILKINGTON）發(fā)明了浮法工藝，玻璃工業(yè)自此進入規(guī)模經(jīng)濟、成本大幅降低的時代。新中國成立后，由于海外技術(shù)封鎖，中國“洛陽浮法玻璃工藝”于1981年正式研發(fā)成功，與英國皮爾金頓浮法、美國PPG浮法工藝齊名為世界公認(rèn)的三大浮法工藝。皮爾金頓的“浮法工藝”改變了世界玻璃工業(yè)發(fā)展史，而中國“洛陽浮法玻璃工藝”令我國玻璃進入工業(yè)化時代。

今年是中國“洛陽浮法玻璃工藝”誕生50周年，商海浮沉，皮爾金頓已經(jīng)成為板硝子的全資子公司?；诟》üに嚨氖澜绮ＡЧI(yè)產(chǎn)能格局，已經(jīng)被中國企業(yè)所重塑。就浮法工藝而言，中國的玻璃企業(yè)已經(jīng)具備明顯的國際比較優(yōu)勢，這離不開老一輩玻璃科研專家們嘔心瀝血的付出，也得益于50年來中國龐大市場的培養(yǎng)。50年來，浮法工藝的電氣自動化控制水平，也伴隨著產(chǎn)能升級、市場需求和技術(shù)發(fā)展飛速的提升。

中國“洛陽浮法玻璃工藝”誕生伊始，玻璃工廠的電氣自動化控制還是以現(xiàn)場模擬檢測儀表+繼電器控制裝置的“原始”平臺為主。配料系統(tǒng)普遍采用機械秤或者電機械秤，稱量傳感器主要由壓敏電阻和放大回路組成，用電繼電器和可控硅組成控制回路。80年代初，國外玻璃工廠已經(jīng)開始使用電子計算機參與熱工控制，并配置工業(yè)電視。受皮爾金頓浮法玻璃生產(chǎn)線的影響，我國浮法線熱工測量、記錄主要采用智能儀表、無紙記錄儀等。熱工工藝參數(shù)調(diào)節(jié)以人工干預(yù)為主，嚴(yán)重依賴于工程師的個人經(jīng)驗。冷端生產(chǎn)線則仍以機械化輔以電機傳動的方式，僅能將玻璃板簡單輸送至堆垛位，輸送、堆垛精度、效率都較為低下。

皮爾金頓公司在圣海倫斯的GREENGATE玻璃廠的浮法玻璃生產(chǎn)線，就是采用綜合計算機系統(tǒng)進行高度自動化生產(chǎn)的例子。從配料車間到自動堆垛工段的計算機系統(tǒng)均采用DECPDP11或LS111處理機，所采用的軟件則為皮爾金頓工藝語言。該系統(tǒng)采用分布式計算機原理，涉及計算機控制和PLC到層次的信息系統(tǒng)和工廠管理。同時期PPG公司也已經(jīng)采用現(xiàn)代化計算機應(yīng)用和可編程程序過程控制器相結(jié)合的方式，形成熱工流程的局部過程控制系統(tǒng)。德國格林策巴赫已經(jīng)開始設(shè)計、制造基于計算機算法的優(yōu)化切割、輸送、堆垛自動化冷端生產(chǎn)線。

1982年，由秦皇島院設(shè)計的通遼玻璃廠經(jīng)八年探索成功點火投產(chǎn)，第一次實現(xiàn)了中國“洛陽浮法玻璃工藝”的量化生產(chǎn)。1992年，通遼玻璃廠引進美國貝利公司（后被ABB收購）的INFI90集散控制系統(tǒng)（DCS），為我國浮法玻璃企業(yè)首次引進DCS。該系統(tǒng)能滿足生產(chǎn)安全、穩(wěn)定、長周期運行的要求，發(fā)揮了DCS的基本功能，促進了工藝管理的改進，采用了先進的控制策略，取得了良好的經(jīng)濟效益，為工藝裝置達(dá)標(biāo)發(fā)揮了積極作用。之后，ABB的Infi90/Freelance 2000/IndustrialIT等、國產(chǎn)的和利時HSIO00/HS2000/MACS/MACSSmartpro（FCS）等、Honeywell的TDC3000/TPS等、Emerson的DeltaV等、Foxboro的I/ASeries等、Siemens的SimaticPCS7等DCS被陸續(xù)應(yīng)用在浮法玻璃熱工控制上。冷端生產(chǎn)線控制由直流驅(qū)動升級為變頻驅(qū)動，個別關(guān)鍵環(huán)節(jié)如切割機、分片機采用計算機通過接口的數(shù)模轉(zhuǎn)換器直接控制伺服驅(qū)動。

時至今日，隨著工業(yè)4.0時代來臨和智能制造大潮，浮法玻璃的自動化控制也在向全廠自動化、數(shù)字化和智能化迅速升級轉(zhuǎn)型。2015年5月，國務(wù)院印發(fā)《中國制造2025》白皮書，計劃通過“三步走”實現(xiàn)制造強國戰(zhàn)略目標(biāo)。秦皇島院通過多年技術(shù)積累和數(shù)字化、智能化工廠建設(shè)實踐，探索出適合中國浮法玻璃行業(yè)發(fā)展的智能化工廠思路。

一體化的數(shù)字平臺使得優(yōu)化設(shè)計、合理排產(chǎn)、生產(chǎn)管控、設(shè)備管理及維護、KPI管理、數(shù)據(jù)可視化以及借助云平臺與產(chǎn)業(yè)鏈上企業(yè)交流得以實現(xiàn)，并能夠?qū)崿F(xiàn)對產(chǎn)品及設(shè)備的全生命周期的管理，可以理解為數(shù)字化工程、數(shù)字化生產(chǎn)、數(shù)字化質(zhì)量、數(shù)字化物流。而智能化工廠是在數(shù)字化方案的基礎(chǔ)上利用信息化和數(shù)據(jù)處理技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的挖掘和賦能，并與智能系統(tǒng)新興技術(shù)相結(jié)合構(gòu)建智慧化、高效節(jié)能、綠色環(huán)保的人性化工廠。

設(shè)計階段決定了整個工廠項目的質(zhì)量。數(shù)字工程設(shè)計平臺可以從始至終地管控工廠工程設(shè)計，使整個流程更快速、更精益、更經(jīng)濟。數(shù)字化平臺下的工程設(shè)計與CAM及CAD無縫對接，工廠的每一臺設(shè)備及元器件甚至控制系統(tǒng)都有唯一的標(biāo)簽，相關(guān)數(shù)據(jù)及參數(shù)直接在系統(tǒng)中得以記錄和保留，便于實現(xiàn)數(shù)字化運營及維護。同時，數(shù)字化設(shè)計平臺的精益設(shè)計可以實現(xiàn)流程優(yōu)化，尋找最優(yōu)管線路徑，避免傳統(tǒng)設(shè)計各專業(yè)之間信息不透明導(dǎo)致的錯、漏、碰現(xiàn)象，為提高效率、降低投資成本、縮短工程建設(shè)周期提供了有效保障。西門子的COMOS（數(shù)字化工廠工程設(shè)計平臺）、BIM（建筑信息模型軟件）等已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于玻璃工廠的數(shù)字化設(shè)計中。

面向工業(yè)企業(yè)推出的能效管理（EMS）解決方案，從現(xiàn)場層直至管理層的全面一體化能源管理，對生產(chǎn)過程進行監(jiān)測分析，準(zhǔn)確識別各種耗能環(huán)節(jié)，量身定制專業(yè)優(yōu)化方案，旨在優(yōu)化資源利用率，顯著提高生產(chǎn)能力以及減少生產(chǎn)浪費和碳排放量。

智能礦山整體解決方案以資源品質(zhì)控制為主線，集“數(shù)字采礦軟件平臺、生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)平臺、三維可視化管控平臺、卡車調(diào)度系統(tǒng)、質(zhì)量控制系統(tǒng)、安全環(huán)保監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)和礦山數(shù)據(jù)中心”為一體，在協(xié)同作業(yè)平臺和礦山數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)上，革新礦山生產(chǎn)組織方式。實現(xiàn)礦山資源精細(xì)化開發(fā)利用、生產(chǎn)過程智能管控、達(dá)到礦山開采綠色環(huán)保和經(jīng)濟高效。

一體化數(shù)字平臺下的智能原料系統(tǒng)能夠?qū)λ羞M廠的原、燃料進行記錄及跟蹤，自動分配倉儲，確保物料按照時間及質(zhì)量標(biāo)簽合理出庫，并按照設(shè)定庫存進行補料提醒。智能配料系統(tǒng)可對玻璃企業(yè)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行可靠的采集和監(jiān)控，以確保稱重過程中保持精確度和可追溯性。系統(tǒng)自動進行料方校核及智能調(diào)整稱量方法，以確保不同物料稱重的動態(tài)精度和過程數(shù)據(jù)的可追溯性。數(shù)據(jù)化也使得所有原料的設(shè)備運行和維護更加智能便捷。

DCS已經(jīng)成為每個工廠的數(shù)據(jù)和控制核心，包括生產(chǎn)節(jié)拍、所有工廠過程的監(jiān)控以及直至現(xiàn)場層的數(shù)字化。智能熱工流程控制遵循無縫工廠和自動化規(guī)劃的完全集成解決方案。為行業(yè)特殊工藝的需要而定制的開創(chuàng)性專家級過程控制技術(shù)，提高了靈活性、安全性和效率。智能過程儀表也適合與更大范圍的工業(yè)自動化與控制系統(tǒng)無縫集成，從而實現(xiàn)更高過程透明度。

窯爐優(yōu)化仿真系統(tǒng)以大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)采用復(fù)雜的多參數(shù)交叉作用算法，加入人工經(jīng)驗及自動學(xué)習(xí)功能替代傳統(tǒng)的單一PID算法，針對PID難以解決的多變量、非線性、大慣性、大滯后特點，尋找最優(yōu)控制參數(shù)，減少人工干預(yù)，使傳統(tǒng)的窯爐工藝管理由開環(huán)控制、經(jīng)驗?zāi)Ｊ降暮诤凶庸芾砟Ｊ剑兂筛】?、更科學(xué)的從預(yù)警到預(yù)調(diào)的自判斷、自學(xué)習(xí)的智能模式。

數(shù)字化窯爐環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，自動接收光學(xué)非接觸式感應(yīng)設(shè)備采集的大量真實場景圖像數(shù)據(jù)，并進行智能化分析處理，不僅能夠為窯爐內(nèi)部環(huán)境提供實時監(jiān)測，也能智能分析爐體運行狀況。

通過熱工流程三維仿真平臺，可進行虛擬調(diào)試、虛擬測試和操作人員培訓(xùn)，實現(xiàn)過程優(yōu)化和專有技術(shù)保護。

基于全廠一體化概念的智能化冷端數(shù)字生產(chǎn)線，配置數(shù)據(jù)自感知、參數(shù)自整定、設(shè)備自適配、設(shè)備自投入的專家智能數(shù)字化控制技術(shù)，系統(tǒng)以工業(yè)以太網(wǎng)為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將冷端設(shè)備與自動控制系統(tǒng)形成數(shù)據(jù)鏈路，先進的控制軟件能夠精準(zhǔn)實現(xiàn)物流跟蹤，準(zhǔn)確識別產(chǎn)品類別并自動按質(zhì)取片。冷端的數(shù)字孿生系統(tǒng)在虛擬空間中完成了對物理實體的映射，調(diào)試階段即可模擬設(shè)備的運轉(zhuǎn)，測試參數(shù)調(diào)整帶來的變化，生產(chǎn)階段被賦以實時數(shù)據(jù)即可作為現(xiàn)場運行的狀態(tài)監(jiān)控。數(shù)字孿生系統(tǒng)能夠有效提升冷端系統(tǒng)的可靠性和運轉(zhuǎn)效率。

智能化冷端數(shù)字生產(chǎn)線可實現(xiàn)冷端生產(chǎn)線多規(guī)格生產(chǎn)、訂單式生產(chǎn)、集中控制、無人值守，提高生產(chǎn)效率、降低人力成本、最大化利用產(chǎn)量，實現(xiàn)柔性化生產(chǎn)，為業(yè)主創(chuàng)造更高的經(jīng)濟效益和社會效益。

數(shù)字化的成品倉庫及物流管理系統(tǒng)，從傳統(tǒng)的依賴倉管人員經(jīng)驗變成依靠精準(zhǔn)數(shù)據(jù)進行實時精細(xì)化管理，使現(xiàn)場作業(yè)在線化，倉庫透明化，有效提高公司運作效率、提升管理水平。

智能生產(chǎn)運營平臺的開發(fā)框架，可用于數(shù)據(jù)統(tǒng)計、集成、分析，以及展現(xiàn)來自多個底層數(shù)據(jù)源的各種信息。智能生產(chǎn)運營賦能給現(xiàn)場操作和生產(chǎn)運營人員以及高級管理者通過從分布在企業(yè)內(nèi)的各個數(shù)據(jù)源中提取關(guān)鍵企業(yè)經(jīng)營和生產(chǎn)運營數(shù)據(jù)，實時監(jiān)控生產(chǎn)表現(xiàn)是否符合業(yè)務(wù)目標(biāo)，及時地做出可執(zhí)行的決策意見。

作為中國“洛陽浮法玻璃工藝”的主要研發(fā)者，中國玻璃行業(yè)的先驅(qū)者——秦皇島院肩負(fù)著推動行業(yè)進步的歷史使命。推動玻璃行業(yè)的進步和高質(zhì)量發(fā)展，除了調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、增加行業(yè)集中度，更迫切需要提高數(shù)字化、智能化水平，提高產(chǎn)品質(zhì)量，增強企業(yè)競爭能力。構(gòu)建、實現(xiàn)契合玻璃行業(yè)的智能制造系統(tǒng)，為玻璃企業(yè)智能化賦能，是行業(yè)發(fā)展的必需，也是秦皇島院多年來關(guān)于數(shù)字化、智能化技術(shù)儲備的應(yīng)用實踐。為已經(jīng)具備“服從力”的機器，賦予智慧化的“靈魂”，并參與到工業(yè)企業(yè)的管理和決策中。數(shù)字化、智能化的玻璃工廠，人、機器和資源自然，無障礙地相互溝通協(xié)作，隨處可控、一觸即達(dá)。中樞轉(zhuǎn)千機，籌算應(yīng)萬變！