建筑陶瓷智能制造关键技术研究及应用

黄建平 邓兴智

摘 要：我国建筑陶瓷生产过程的机械化、自动化程度较高，但与智能制造的标准相比，仍显偏低。在智能制造发展的大背景下，建筑陶瓷企业要在依托大数据重构建筑陶瓷产业价值链的过程当中，将供应链、销售端和制造环节相统一，降低企业的生产运营成本，提高企业的竞争力和抗风险能力。本文通过对建筑陶瓷生产各环节的研究，日产1万平米抛釉砖生产线生产工人降至50人，全员劳动生产率明显提高。

关键词：建筑陶瓷;智能制造;

1 前 言

智能制造的研究大致经历了三个阶段：起始于20世纪80年代人工智能在制造领域中的应用，智能制造概念正式提出;发展于20世纪90年代智能制造技术、智能制造系统的提出;成熟于21世纪新一代信息技术条件下的“智能制造”。智能制造是将物联网、大数据、云计算等新一代信息技术与先进自动化技术、传感技术、控制技术、数字制造技术相结合，实现工厂和企业内部、企业之间和产品全生命周期的实时管理和优化的新型制造系统[1]。

中国智能制造发展迅速，无论是技术还是规模短期内都取得了较大进步，但关键技术方面，其关键装备与核心零部件仍不容乐观，其重要组件的高度依赖进口，极大地限制我国智能制造发展。为实现从制造大国向制造强国的快速转变，我国发布了中国制造2025报告，旨在通过开展新一代信息技术与制造装备融合的集成创新和工程应用、智能产品和自主可控的智能装置开发、智能工厂和数字化车间建设、智能制造网络系统平台搭建等方面的研究，力争到2025年使我国部分制造业达到国际领先地位[2]。

我国建筑陶瓷产业的发展取得了辉煌的成绩，也陷入了一定的困境。一方面，生产能耗高、物耗大、占地面积多，资源粗放利用，节能减排和污染防治压力大，受资源、能源、环境的制约越来越严重;“用工荒”问题与人工成本上涨并存，导致生产成本在不断上涨。另一方面，由于金融危机影響，国外市场萧条，国内市场房地产不景气，再加上从国外建筑陶瓷企业的技术壁垒到反倾销控诉，销量不断下降，利润日益减少，部分企业发展难以为继。这些现象迫使我国的建筑陶瓷生产也必须向自动化、智能化发展[1]。

2  智能制造中央集成系统

在公司现有自动化制造技术基础上，结合陶瓷砖生产工艺特点及企业智能化提升需求，融合工业互联网、云计算、人工智能等先进信息技术开展建筑陶瓷砖智能制造工厂建设。主要建设内容包括智能化陶瓷砖生产线建设、数据采集与大数据平台建设、智能化管理系统集成与优化、智能分析和预测系统的建立等，整体规划如图1所示。

（1）智能化工厂建设

基于智能工厂建设的总体需求，结合前期生产线建设积累的大量技术，实现建筑陶瓷砖制造的精细化和智能化生产，有效提升了陶瓷砖制造装备智能化程度，提高生产管理与控制水平。

为了使工厂更加智能化，设计了高可靠性及高效率的四层级（网络接入层、网络核心层、服务器设备、外网出口）智能连线系统，并基于分布式文件系统、分布式采集引擎、挖掘算法及组件搭建了大数据分布式处理平台，形成统一的大数据基础处理平台。

（2）智能化管理系统集成与优化

通过整个厂区范围内的局域网系统优化，以及智能化管理系统的建设、集成和优化，实现数据驱动的工艺研发、生产规划、制造执行、设备管理、产品管控、能源管理等系统的综合集成运行。

（3）智能化管理平台的建立

结合陶瓷砖生产工艺流程、设备特点、能源应用状况，建立了包含设备智能运行与维护、智能化生产工艺、产品质量智能分析和能源智能管理的智能分析和预测系统，实现关键设备、工艺、产品、能源的智能分析与预测。

3  关键技术研究及应用

3.1原料自动配料连续球磨一体化加工系统

原料自动配料连续球磨一体化加工系统分两段：第一段采用自动配料系统进行配料;第二段采用连续式球磨工艺。通过改变连续球磨的加料方式，从而实现原料加工的精确控制和自动化生产。

原料自动配料系统建立在自动配料设备和原料标准化的基础上，设计了一套自动配料设备：整套设备包括供料系统、计量系统、输送系统和控制系统，所需各种原料通过电子系统按预先设计的比例从存储设备输送到皮带上，再通过皮带输送到球磨中，将传统的人工取料、称量、配料的配釉工序改为全自动配料系统，代替了现有的人工铲车配料模式。

连续球磨系统采用PLC控制，集中控制和无人操作，实现减员60%，同时节约场地面积57%。达到持续不断地生产，从而提高产量，降低原料制造成本。既保证了陶瓷原料的配比在球磨前后的稳定和均匀，同时又具有较高的球磨效率和较低的能耗。

3.2喷雾干燥塔联控技术

智能制造将自动联控系统应用到喷雾干燥中，不但能确保喷雾干燥过程的连续性和稳定性，保证了干燥后粉料的质量，而且还有利于减小工人的工作强度，减少了人工成本，提高了生产效率。实现了干燥塔进料口温度、出风口温度、部分主要部件温度以及粉料水分和热风流速的自动检测、控制、报警、监测反馈等，智能化程度高。

3.3釉料自动配料及自动供釉系统

智能制造中，控制系统是自动配釉系统能够运转的“大脑”，所有的配料操作都需要通过控制系统来输入，设备的运转也是通过控制系统来控制的，操作人员可以通过控制系统随时查看自动配釉系统是否在正常运行。控制界面作为人机交流的平台，是整个控制系统完成人机交流的重要组成部分。控制界面能够对整个配料过程起到监控的作用，同时需要给定参数和控制指令，系统才能按照人的意愿进行工作。控制界面要求工整、整洁、功能齐全，使得各个控制对象、监控对象都能够一目了然。

在自动供釉系统中，在釉罐上安装水位监测仪，通过多个水位探头实现监控功能。釉罐顶部接制釉车间进行供釉，并配备电动截止阀，通过水位信号控制阀门通断控制釉量，底部引至釉泵进水端，电机驱动釉泵将釉通过管道运送至各条釉线，管道中加装水压传感器监控水压，供排釉控制系统均通过供釉车间PLC实时自动控制，实现供釉系统的自动化和智能化控制。

3.4喷墨花机集中远程控制系统

陶瓷砖生产是24小时不间断，主要是体现在设备的连续性运转，在这个过程中，突发问题和故障是存在的。为了便捷、高效的处理问题和稳定生产秩序，在规划生产线喷墨工序时，结合线上的工艺点和车间布局，将三条线的喷墨花机规划在一个房间内，形成统一集中管理，一方面方便员工集中管理，另一方面可实现减员增效、实时监控，稳定生产质量和生产连续性。从而做到一体化实时监控所有信息，可以通过主控制屏或者手机远程操控系统进行操作处理，不仅提高了解决问题的效率，减少了问题软件的处理时间。同时增加了管理员对于生产管理的机动性，为生产的稳定和连续提供了帮助。

3.5窑炉烧成智能优化控制系统

传统窑炉烧成采用较为落后的手动控制烧成，调整温度和窑炉传动工作量大，人工成本高，温度调节不精准，易造成产品质量问题。现在的窑炉烧成智能优化系统中，温度控制表有处理热电偶信号和控制执行器的功能，通过热电偶把温度转换为电信号到控制器调整进气量来控制温度。操作工能在控制室电脑屏幕上看到窑炉温度参数和压力制度等实时显示，当窑炉出现异常报警时，控制室面板上也会显示，以便操作工快速做出调整，并自动记录，可减少窑炉工记录报表的次数;并将控制室屏幕操控系统连入手机APP，当窑炉处发现问题时，直接在手机上调整，智能化程度高。

3.6 AGV自动运转系统

AGV是“自动导引运输车”，属于机器人的一个分支，主要有以下几个特征，一是自动引导，现在有一个更时髦的说法叫无人驾驶，装备有电磁或光学等自动导引装置，按预先设定的导引路径、储运规则避让规则行驶。同时还具有安全保护功能，能够避让行人及其它障碍物。AGV是立足陶瓷行业设计的无人驾驶全自动智能储运装备，主要用于生产过程中陶瓷砖的工序间转运及成品的进出库。实现了储运装备的革命与创新，推动工厂机械自动化作业，向打造无人工厂的目标迈出了坚实的一步[3]。其主要优点如下：

（1）自动化设备升级换代：AGV设备按系统规划进行无人自动作业，使机器对货物的感测、行走测量更精准可靠;AGV环保节能，无噪声、无污染，实现清洁生产。

（2）企业现代化、信息化管理：企业通过电脑、手机随时随地掌握物料库存及出入量等信息;解决用工荒和高涨的用工成本，实现瓷砖搬运、储存、装车的无人化、自动化。

（3）设备安全可靠，可控性高：装有三级安全保护设置，避免货物撞翻、人员撞伤等不良后果;通过自动手动相互转换机构，可快捷处理机器突发事件，确保机器在作业过程中更安全。

3.7自动储砖系统

自动储砖系统是连接窑尾自动上下砖机与抛光线（或磨边线）自动上砖机的中间环节，是瓷砖经过自然冷却及连续运输过程中的自动化系统。在陶瓷行业24小时连续生产模式下，有效地減少了工人数量、降低了劳动强度、改善了劳动环境、降低了产品破损率、避开了用电高峰期、极大提高了生产效率，实现了由人工3班轮换制向1班制的自动化生产模式转变。特别是能够在连续生产的情况下实现抛光线间断生产的缓存功能，同时避免了传统陶瓷储砖模式存在的机动叉车燃油烟气及运行扬尘、噪音等环保问题。

通过自动储砖系统，生产线不仅可以连贯运转，而且省去了3台叉车及其维护费和油费，一年可以节约成本一百多万。在人员配置上三个班至少可以减少17名员工，实现了智能化生产减员增效的目标，同时实现了错峰用电，大大减少了用电量，产生了较大的经济效益。

3.8自动包装系统

高速全兼容自动包装线主要用于替代人工，将成品砖按设定的瓷砖片数自动地进行叠垛、翻包、包装、捆扎及码包。可大幅降低人工劳动强度，提高生产效率。高速全兼容自动包装线具有生产效率高、可靠性高、能耗低、自动化程度高、无污染等特性，符合国家重点支持的高新技术领域，符合国家产业政策导向。该生产线集机械技术、气动技术及电子电气技术为一体，由触摸屏、PLC、伺服电机、步进电机、变频器以及各种光电磁电传感器组成的控制系统，具有人性化的操作界面、柔性的产品适应性以及可靠的控制功能等优点，是现代化陶瓷砖生产企业必不可少的生产装备之一。

3.9陶瓷砖智能制造全流程信息化管控一体化技术

智能能源管理系统的核心目标是通过更精确的过程状态跟踪和获取更完整的实时数据，获得更丰富的信息，并在科学决策支持下对生产制造过程进行更科学的管理，以实现更加灵活与柔性的过程控制，减少对环境的污染。以新一代信息技术和人工智能等技术为支撑，将智能化信息技术融合到产品生产，从全局视角实现产品全周期的智能制造。

陶瓷砖智能制造以高度自动化、智能化工厂为目标，把智能能源管理系统作为阶段性工作进行推进，设备运用自动化、智能化手段进行运营管理，对设备运行状态实时监控，减少了机电人员巡检频率。设备运行情况都在线监测，数据出现异常马上报警提示，空气压缩机等高能耗、重点核心能源设备实现数字化监控、提示、记录功能，并具备远程设备厂家云监管、维护等功能。

4  结语

本文通过建筑陶瓷智能制造关键技术的研究，采用新一代信息技术将建筑陶瓷工业的装备、工艺、生产、管理、服务等进行高度集成，建立了以智能工厂为代表的生产控制体系，以日产1万平米抛釉砖生产线为参照标准，1条生产线生产工人降至50人。我国建筑陶瓷产品的产销量均已达世界第一，但大而不强，迫切需要通过先进智能制造体系的构建，推动建筑陶瓷产业的转型升级和可持续发展。

参考文献

[1] 韩文，张柏清等，建筑陶瓷智能制造与绿色制造，中国建材工业出版社，2020

[2] 张映锋， 张党， 任杉. 智能制造及其关键技术研究现状与趋势综述[J]. 机械科学与技术， 2019， 038（003）：329-338.

[3] 霍丰源、胡丛林，AGV自动储运系统在陶瓷行业的应用及前景，佛山陶瓷，2018（11）：1-5.