“工業(yè)4.0”時(shí)代卷煙工廠智能安全體系的建立

王明佳，李 碩，楊天行，孫 濤，周立群

(1.甘肅煙草工業(yè)有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730050； 2.蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

1 概述

“工業(yè)4.0” 是由德國(guó)政府提出的一項(xiàng)高科技戰(zhàn)略計(jì)劃，旨在提升制造業(yè)的智能化水平，建立具有適應(yīng)性、資源效率及人因工程學(xué)的智慧工廠。中德兩國(guó)在2014年共同簽署了《中德合作行動(dòng)綱要：共塑創(chuàng)新》，包括政治、經(jīng)濟(jì)、文化、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，綱要中明確指出兩國(guó)要在“工業(yè)4.0”方面近一步加強(qiáng)合作[1]。

“工業(yè)4.0”的核心是融合實(shí)體系統(tǒng)和虛擬系統(tǒng)，建立一個(gè)信息物理系統(tǒng)(Cyber-Phyiscal System，CPS)，打造一個(gè)智能工廠，將生產(chǎn)過程智能化，達(dá)到傳統(tǒng)制造向智能制造轉(zhuǎn)型升級(jí)的終極目標(biāo)。其中，智能工廠的建立關(guān)鍵在于工廠生產(chǎn)設(shè)備中智能傳感器的植入，傳感器可以自主采取生產(chǎn)數(shù)據(jù)使得生產(chǎn)設(shè)備變?yōu)橹悄芑墓ぞ撸瑢?duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行智能監(jiān)測(cè)和智能操控。智能工廠的所有產(chǎn)品部件也將擁有各自對(duì)應(yīng)的信息，在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互后，各部件能夠根據(jù)信息與生產(chǎn)設(shè)備建立溝通，根據(jù)生產(chǎn)需求自動(dòng)發(fā)出生產(chǎn)操作指令，從而順利完成產(chǎn)品的自動(dòng)生產(chǎn)，圖1對(duì)比了傳統(tǒng)制造業(yè)與“工業(yè)4.0”制造業(yè)體系。智能工廠實(shí)質(zhì)上是對(duì)工業(yè)化和信息化的完美融合，構(gòu)建出一個(gè)高效率、高靈活度的生產(chǎn)空間。基于“工業(yè)4.0”，并結(jié)合我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，工信部提出了《中國(guó)制造2025》規(guī)劃，明確指出要將智能制造作為我國(guó)未來工業(yè)的主攻方向，堅(jiān)持創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、智能轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)從制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變[2]。

隨著智能制造逐步付諸實(shí)踐，使得生產(chǎn)裝置的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，功能越來越完善，自動(dòng)化程度也越來越高，但相應(yīng)的安全問題也日益嚴(yán)重，導(dǎo)致災(zāi)難性事故發(fā)生。生產(chǎn)活動(dòng)中的危險(xiǎn)源和安全事故導(dǎo)致的員工生命健康損失，不僅侵害員工的生命健康權(quán)利，而且減損人力資本，影響經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。涂善東院士提出了智能安全的理念，認(rèn)為智能安全是“工業(yè)4.0”時(shí)代保障智能制造健康發(fā)展的基礎(chǔ)。智能安全的提出為工廠智能制造系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行提供了安全保護(hù)，可以實(shí)現(xiàn)人員的安全與健康，在提升我國(guó)制造業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力方面有顯著的作用[3]。

卷煙工廠一直致力于提升企業(yè)科技水平，其在“工業(yè)4.0”時(shí)代擁有著顯著的潛力，可以充分體現(xiàn)智能制造。從卷煙工業(yè)的特點(diǎn)來看，該行業(yè)發(fā)生安全事故的概率較低，不屬于高危性行業(yè)。但是，由于卷煙的價(jià)值高，一旦發(fā)生事故將會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。本文在分析卷煙制造行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，探討安全管理技術(shù)如何匹配智能制造的升級(jí)。

2 卷煙工業(yè)智能制造的現(xiàn)狀與趨勢(shì)

卷煙制造是典型的流程型生產(chǎn)，主要包括制絲、卷接和包裝三大工藝過程，它們分別承擔(dān)原料加工、卷制成形和包裝成品的各項(xiàng)加工任務(wù)。各工序間物料的流動(dòng)是連續(xù)的，單向無循環(huán)，生產(chǎn)節(jié)奏均勻[4]。一般而言，卷煙企業(yè)的設(shè)備自動(dòng)化程度、數(shù)字化建設(shè)以及員工技術(shù)素養(yǎng)，相比于其他行業(yè)處于領(lǐng)先水平，這些構(gòu)成了實(shí)現(xiàn)智能制造的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。此外，國(guó)家煙草專賣局也在積極探索并著力推動(dòng)卷煙企業(yè)發(fā)展智能制造，為國(guó)家制造業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)一份力量。在此背景下，一批卷煙企業(yè)進(jìn)行了積極實(shí)踐并取得了一定的成績(jī)。從當(dāng)前的實(shí)際發(fā)展情況來看，煙草行業(yè)已經(jīng)具備了一定的智能制造應(yīng)用基礎(chǔ)，比如生產(chǎn)過程及物流配送自動(dòng)化、管理決策信息化等,但仍然缺乏自主學(xué)習(xí)、自我完善及自主決策的能力。

在卷煙生產(chǎn)流程中，煙葉初烤、打葉復(fù)烤、煙葉發(fā)酵、卷煙配方、卷煙制絲、煙支制卷、卷煙包裝等生產(chǎn)工藝都實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化生產(chǎn)，而智能制造技術(shù)可以為卷煙制造業(yè)提供更加有力的技術(shù)支撐。MES制造執(zhí)行系統(tǒng)、生產(chǎn)者延伸責(zé)任(EPR)系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)(DCS)等一系列智能制造系統(tǒng)架構(gòu)中的重要組成部分，在卷煙制造領(lǐng)域都有著十分廣闊的應(yīng)用前景[5]。智能化下的卷煙制造業(yè)將產(chǎn)生較大改變，由直線流程式改為各環(huán)節(jié)互動(dòng)的環(huán)式結(jié)構(gòu)，向一體化的組織單位發(fā)生轉(zhuǎn)變，信息實(shí)時(shí)反饋與工藝、研發(fā)之間呈雙向往來關(guān)系，更利于生產(chǎn)研發(fā)部門根據(jù)市場(chǎng)需求定義產(chǎn)品特性，實(shí)現(xiàn)“對(duì)癥下藥”[6]。在“工業(yè)4.0”時(shí)代，智能制造是卷煙工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

3 卷煙工廠的安全現(xiàn)狀

由于煙草行業(yè)本身的特殊性，以及煙草加工環(huán)節(jié)的復(fù)雜性。無論哪一個(gè)環(huán)節(jié)存在疏忽，都容易引發(fā)安全事故，從而導(dǎo)致企業(yè)巨大損失。目前，卷煙工廠存在的安全問題主要體現(xiàn)在以下方面。

1)傳統(tǒng)卷煙工廠對(duì)于安全生產(chǎn)的管理手段比較單一，主要以例行檢查、教育培訓(xùn)和定期評(píng)估為主。但這種方式容易受到時(shí)間效率、人力資源等各類成本項(xiàng)的制約，管理效率不高，精細(xì)化水平有限。而且，風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)評(píng)估不全面，日常管理工作依靠人工紙質(zhì)單據(jù)記錄，信息收集不規(guī)范、查找統(tǒng)計(jì)不便，導(dǎo)致安全管理效率低下，管控過程無法有效追溯和落實(shí)。

2)盡管嘗試引進(jìn)了部分監(jiān)控?cái)z像頭、物聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)的技術(shù)產(chǎn)品，由于智能化程度不高，無法覆蓋生產(chǎn)的主要風(fēng)險(xiǎn)，能夠采集到的生產(chǎn)數(shù)據(jù)有限，數(shù)據(jù)分析、監(jiān)測(cè)預(yù)警等智能化應(yīng)用尚未開展。同時(shí)，傳統(tǒng)的攝像頭監(jiān)控只能由人工進(jìn)行實(shí)時(shí)查看，或者在事后進(jìn)行回溯，效率極其低下且無法做到有效預(yù)防和及時(shí)報(bào)警。現(xiàn)有的集散控制系統(tǒng)(DCS)、可編程邏輯控制器(PLC)、安全儀表系統(tǒng)(SIS)、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(SCADA)、危險(xiǎn)品倉(cāng)儲(chǔ)、消毒及可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等信息孤島嚴(yán)重，更缺乏工藝異常分析、設(shè)備預(yù)測(cè)維護(hù)、數(shù)據(jù)趨勢(shì)預(yù)警等能力，信息不能融合共享與聯(lián)動(dòng)處置。

4 卷煙工廠智能安全體系的建立

智慧工廠是繼數(shù)字化、精益化之后工廠的發(fā)展模式，是智能制造的基礎(chǔ)與關(guān)鍵技術(shù)之一。在煙草企業(yè)的積極探索下，我國(guó)煙草工業(yè)的智能制造水平正在逐步提升。智慧工廠的發(fā)展對(duì)于安全問題也帶來了新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的安全管理模式及技術(shù)顯然無法滿足智慧工廠的需求，如果忽視安全系統(tǒng)的智能建設(shè)，將對(duì)企業(yè)帶來不可估量的生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)[7]。因此，需要在進(jìn)行智能工廠頂層設(shè)計(jì)的時(shí)候就對(duì)安全體系進(jìn)行全面的規(guī)劃。項(xiàng)目建設(shè)中后期再進(jìn)行安全系統(tǒng)的補(bǔ)救，會(huì)給企業(yè)帶來更多的經(jīng)濟(jì)投入和安全隱患。

智能工廠的所有產(chǎn)品部件擁有各自對(duì)應(yīng)的信息，在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互后，各部件能夠根據(jù)信息與生產(chǎn)設(shè)備建立溝通，根據(jù)生產(chǎn)需求自動(dòng)發(fā)出生產(chǎn)操作指令，從而順利完成產(chǎn)品的自動(dòng)生產(chǎn)[8]。所以，要想確保智能工廠的安全，需要匹配適合的智能安全體系[9]。對(duì)于卷煙制造業(yè)而言，智能安全體系應(yīng)將移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用到安全生產(chǎn)監(jiān)督管理業(yè)務(wù)中，通過感知數(shù)據(jù)的統(tǒng)一集中管理構(gòu)建一個(gè)面向服務(wù)的智慧安全監(jiān)管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)全要素實(shí)時(shí)監(jiān)控、事故隱患智能分析、智慧安全管理、應(yīng)急協(xié)同指揮、培訓(xùn)教育考核一體化的“互聯(lián)網(wǎng)+”大數(shù)據(jù)管理創(chuàng)新模式，為企業(yè)安全生產(chǎn)和安監(jiān)部門的監(jiān)督管理提供高效實(shí)時(shí)的智能應(yīng)用與服務(wù)，其基本架構(gòu)如圖2所示。智能安全系統(tǒng)應(yīng)基于統(tǒng)一架構(gòu)，由重大危險(xiǎn)源監(jiān)測(cè)預(yù)警、企業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)分區(qū)管理、人員在崗在位及企業(yè)安全生產(chǎn)全流程管理功能模塊組成，為企業(yè)構(gòu)建HSE管控一體化體系。以下從人員安全管理、生產(chǎn)安全管理、危機(jī)處理3個(gè)方面進(jìn)行介紹。

圖2 智能安全體系基本架構(gòu)

1)據(jù)統(tǒng)計(jì)，大約96%的事故是由于人員的疏忽引起，智能安全系統(tǒng)能夠提供全面的安全生產(chǎn)監(jiān)控方案，基于攝像頭采集的圖像，監(jiān)測(cè)職工是否符合安全著裝規(guī)范、作業(yè)規(guī)范。如果存在人員安全隱患，系統(tǒng)可以自動(dòng)進(jìn)行識(shí)別，并將信息及時(shí)傳輸至一體化平臺(tái)，幫助企業(yè)安全管理部門、公司領(lǐng)導(dǎo)及時(shí)全面、精準(zhǔn)地掌握企業(yè)員工的工作狀態(tài)，從而針對(duì)性對(duì)員工進(jìn)行培訓(xùn)，以提高員工的培訓(xùn)效果，從源頭上消除因?yàn)槿说牟灰?guī)范行為和習(xí)慣而導(dǎo)致的事故隱患。

2)在生產(chǎn)階段，設(shè)備管理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀況的在線診斷、故障預(yù)警以及預(yù)測(cè)性維護(hù)指導(dǎo)，提高企業(yè)維護(hù)效率，降低維護(hù)成本，避免由于設(shè)備故障導(dǎo)致的安全事故。此外，企業(yè)內(nèi)部所有的設(shè)備設(shè)施要進(jìn)行全生命周期的系統(tǒng)化管理，從采購(gòu)、安裝、調(diào)試，到使用過程中的維護(hù)、維修、變動(dòng)，再到設(shè)備報(bào)廢、拆除，隨時(shí)、全面、準(zhǔn)確的了解各設(shè)備、設(shè)施的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)信息，實(shí)時(shí)掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

3)在危機(jī)處理方面，基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(TDM)，利用大數(shù)據(jù)分析、人工智能、專家系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷。同時(shí)建設(shè)安全數(shù)據(jù)中心，將各類安全數(shù)據(jù)匯集，實(shí)現(xiàn)各階段與各業(yè)務(wù)

功能的互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)全要素的風(fēng)險(xiǎn)管控。通過一體化平臺(tái)的應(yīng)急管控模塊，輔助危險(xiǎn)事件發(fā)生后的應(yīng)急救援決策，實(shí)現(xiàn)安全應(yīng)急指揮，并實(shí)現(xiàn)工廠安全應(yīng)急聯(lián)動(dòng)。

可以看出，智能安全體系的建立基于實(shí)時(shí)監(jiān)控、物聯(lián)網(wǎng)、三維可視化、智能信息處理等技術(shù)手段，將卷煙企業(yè)被動(dòng)式的安全生產(chǎn)管理升級(jí)為全方位、全過程、全天的立體管控。無論是在復(fù)雜的室內(nèi)建筑物環(huán)境，還是在室外環(huán)境，系統(tǒng)都能完成精準(zhǔn)的生產(chǎn)管理追蹤和監(jiān)控，緊盯“人機(jī)環(huán)管”，阻斷致禍因素。另外，安全系統(tǒng)結(jié)合三維精細(xì)化建模、AI視頻分析、移動(dòng)應(yīng)用、人員實(shí)時(shí)定位、智能進(jìn)出控制以及物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)等新技術(shù)，采用B/S架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)輕量快捷Web應(yīng)用，功能設(shè)計(jì)盡顯科學(xué)人性化，助力企業(yè)生產(chǎn)管理者全面、高效監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)過程，保障了企業(yè)生產(chǎn)作業(yè)全流程本質(zhì)安全。

5 結(jié)語(yǔ)

卷煙制造業(yè)正逐步向“工業(yè)4.0”時(shí)代邁進(jìn)，同時(shí)也帶來了新形勢(shì)下實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的全新挑戰(zhàn)。在分析卷煙制造業(yè)智能制造的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，為與智能制造的安全新需求相匹配，提出了卷煙工廠的智能安全體系的建立進(jìn)行探討。