建材行业智能工厂标准化建设通用模型研究

时间：2024-04-24

刘霄倩，贺姣阳（中国建筑材料工业规划研究院北京 100035）

韩东阳（建筑材料工业信息中心北京 100831）

0 引言

“十三五”是建材行业实现转型升级的关键时期，建材企业迫切需要加快推进智能制造，加快实现新一代信息技术与建材行业在装备、工艺、生产、管理、服务等方面的深度融合。智能制造，标准先行，以通用模型为核心内容的建材行业智能工厂标准建设是国家智能制造标准化从顶层设计迈向行业落地实施工作的重要组成，是已经启动的7项智能制造国家标准及行业标准研究工作的有益补充。

基于建材行业长期实践，系统分析了建材行业智能工厂的建设需求，提炼了建材行业智能工厂标准化建设的通用参考模型，实现了建材行业智能工厂标准的重要突破，对建材企业推进智能制造具有重要的参考价值和指导意义。

1 建材行业智能工厂建设的共性需求

建材行业是我国重要的基础原材料行业，经过几十年的发展，建材行业的生产工艺、生产装备和生产自动化水平都得到了大幅度提升，但与发达国家相比，我国建材行业生产制造总体效能仍有较大差距，产品结构过剩、管理和营销等决策缺乏系统支撑、资源和能源利用效率不高、安全环保压力大等问题凸显，如何应对全球化制造带来的机遇和挑战，充分利用现代信息技术解决建材行业在经营决策、生产运行、能效安环、信息集成等方面的瓶颈问题，推动建材行业实现“高效化、绿色化和智能化制造”的发展目标，是实现建材行业智能制造的关键所在，也体现了建材行业智能工厂建设的共性需求。

在生产工艺和生产设备层面，需要持续优化生产工艺参数选择、关键参数检测和生产流程变更环节；在生产计划和生产调度层面，需要建立全面、准确和实时的数据获取能力，以及更为安全、可靠的数据传输、融合能力，高效的数据分析方法；在生产经营决策环节，需要建立快速处理多源异构大数据及不同层次的关联知识的能力；在信息化系统层面，需要加快各层级及环节的深度融合和协同。

2 建材行业智能工厂的系统参考模型

结合建材行业智能工厂建设的共性需求，通过调研建材行业典型企业，提出了建材智能工厂通用模型（见图1）。

通用模型包括系统层级、智能功能、建材行业领域3个维度。其中系统层级主要包括智能管理、智能生产、智能控制和智能设备；智能功能是指协调企业的人员、设备、物料和能源等资源，把原材料或零件转化为产品的活动，主要包括制造运行管理、设备运维、能源管理、智能物流、感知与数据融合、协同优化与管控集成；建材行业领域主要包括水泥、玻纤、陶瓷、玻璃等。该模型在3个维度上不仅与RAMI 4.0模型和国家智能制造标准体系结构模型相呼应，同时体现了建材行业特点，涵盖了建材行业智能制造全过程。

2.1 系统层级

从系统层级角度，面向建材行业的智能工厂系统参考模型主要包含智能设备、智能控制、智能生产和智能管理4层。

图1 建材行业智能工厂通用模型

智能设备层级包括智能化生产装备、智能化物流装备和智能化感知装备，如破碎机、生料磨、回转窑、水泥窑、包装机，一卡通、电子标签、计量秤，温度传感器、压力传感器、振动传感器、成分分析仪、粒度分析仪、热像仪等，是整个智能化工厂建设的基石，为上层控制系统和信息系统提供真实、及时、准确的数据支撑；

智能控制层级包括可编程逻辑控制器（PLC）、数据采集与监视控制系统（SCADA）、分布式控制系统（DCS）和现场总线控制系统（FCS）等，以及在传统的生产过程控制系统之上应用模型、控制策略、知识库，实现对生产过程的智能控制；

智能生产层级包括制造运行管理、设备运维、协同优化、能源管理和智能物流等；

智能管理层级实现面向企业的经营管理，包括企业资源计划系统、供应链管理、人力资源管理、财务与成本管理等。

2.2 智能功能

从所实现的智能功能角度，面向建材行业的智能工厂系统参考模型主要包括：制造运行管理、设备运维、能源管理、智能物流、感知与数据融合、协同优化及管控集成7个方面内容。

制造运行管理主要包括订单管理、生产控制、物料管理、能源管控、采购管理、运维管理、质量管控、库存管理、成本管理、运输管理等。

设备运维主要包括生产现场、调度中心、总控、机房、移动终端等全面设备管理，主要以监测为基础，以预警为手段，以矫正和免疫为目标，以控制系统处于安全状态为目的，在反馈机制的控制下形成一种新的具有防错、纠错、报错与改错的全面风险预警职能。

能源管理主要包括生产过程能效在线监测、能效评估与分析、能效优化、能效管控综合集成等。

智能物流主要包括供应、生产和销售等环节的物流智能化管理。

感知与数据融合主要包括两个方面：感知方面需要针对生产厂区、关键区域等工场环境安全问题设计一系列感知节点，同时考虑生产环境中的粉尘监测需求，以及建材行业中固体物料种类繁多，且不同物料的介电常数、容重、温度、水分含量不同的情况。数据融合方面，需要针对建材行业大数据呈现的实时、海量、时空复杂和强耦合的特点提出建材行业大数据采集、传输及融合的方法，实现建材行业生产现场实时数据、视频监控数据、业务系统结构化数据及其它非结构化数据的高效融合。

协同优化主要包括建立全流程协同关系，实现全流程最有参数及最优指标，建立全流程只能协同控制及优化平台。

管控集成主要是实现制造运行管理系统和企业资源计划系统互联互通。