基于互联网的EPC建材行业智能一体化服务模式

马立云，官 敏，艾晓晶，于 涛，盖琳琳，常 郑，盛嘉诚，胡匡艺，储静远，张丹蕾

(中国建材国际工程集团有限公司，上海 200063)

0 引 言

在“工业4.0”革命、产业互联网、人工智能等新兴技术热潮的推动下，各行制造企业都在向着智能化、数字化转型[1-3]。美国、德国和日本等国家利用先进生产和智慧制造技术，不断挖掘智能制造的应用[4-6]。智能制造发展战略核心均为通过CPS(cyber-physical system)系统，将虚拟网络空间的高级计算能力有效运用于现实世界，形成可自动操作的智能生产系统，从而实现横向、纵向和端对端的高度集成，是典型的二元战略[7]。20世纪90年代，我国开始普及“智能化”的概念，《中国制造2025》提出将智能制造作为发展的主攻方向[8]。智能制造必须以全局的视角来认识，它不仅是技术的转型升级，更是企业战略转型需求下的核心之一[9-10]。目前，我国绝大多数制造企业还处在部分使用应用软件的阶段；少数企业实现了信息集成；极少数企业能够实现人机的有效交互，也就是达到智能工厂的水平。

持续深化信息化与工业化融合发展，是新发展阶段制造业向着数字化、网络化和智能化发展的必由之路，“互联网+先进制造业+现代服务业”将成为中国经济发展的新引擎[11]。新材料作为制造业发展的“底盘”之一，以其特定的先进性、支撑性和多样性支撑了制造强国建设[12]。中国建材国际工程集团有限公司(China Triumph International Engineering Co., Ltd.，CTIEC)围绕玻璃新材料工程服务核心产业，拓展新能源工程、特色设施农业、智慧建筑工程、节能环保工程及“互联网+”智能工厂等业务领域的科学研究、工程设计、设备成套供货和工程总承包(engineering procurement construction，EPC)，形成基于互联网的EPC建材行业智能一体化服务模式[13]。CTIEC在建材领域几十年行业经验和软、硬件系统资源的基础上，创新开展高性能玻璃开发数字化驱动和材料仿真技术、面向玻璃工厂全生命周期孪生体系等研究，推进玻璃新材料智能装备和玻璃工厂生产过程智能化系统研发的同时，进行装备上云及智能一体化平台的建设，数据管理、信息融合及智能优化三个关键要素驱动，打造智能工厂[14]。我国智能制造发展已进入到多级推进、协同创新、示范引领的新阶段，CTIEC作为国家级智能制造系统解决方案供应商肩负重任[15]。

CTIEC通过研发搭建具有自主知识产权的智能一体化服务平台，搭建智能工厂架构体系，通过实时数据采集及监控，在智能成套装备及系统集成、制造执行服务、经营管控服务等方面进行模式创新，形成基于互联网的EPC建材行业智能一体化服务模式。本文对此进行系统介绍，并以近年来浮法玻璃、新能源光伏玻璃、电子信息玻璃的应用示范项目为例进行重点说明。

1 技术创新

1.1 智能一体化服务平台

通过数据集成、业务集成和系统优化三个层次的建设，研发搭建具有自主知识产权的基于互联网的EPC建材行业智能一体化服务平台，采取顶层设计思路，实现智能装备与系统深度集成。在制定面向多用户的开发维护一体化规范的基础上，通过标准化的微服务形态和工作流编辑工具，把分散在不同应用系统中的应用服务流程化地集成在一起，形成符合企业个性化需求的智能化生产网络协同模式，为用户提供各功能模块的个性化定制服务，帮助企业建立切实有效的智能化生产新模式。

智能一体化服务平台全程实现模块化设计建造，平台架构如图1所示：边缘计算层提供生产设备、物联设备的泛在连接，现有平台已满足秒级接入能力；IaaS(infrastructure as a service)层提供主机、网络等弹性支撑，现有平台支持计算、存储和网络等基础管理；PaaS(platform as a service)层提供业务和应用弹性扩容，基于微服务提供组件化、服务化的各类应用，向上层应用提供二次开发工具、大数据深度集成和演化算法组件；SaaS(software as a service)层提供云部署MES(manufacturing execution system)和工业APP(质量、效率、成本和能耗)，满足生产管控应用快速集成和高效管理要求。

图1 智能一体化服务平台架构

服务平台覆盖协同办公、生产管控、设备管理、安全环保、能源管理、供应链管理和辅助决策等7个方面的智能化应用，实现企业生产运营的信息化、互联化、数字化和智能化，极大地提高了建材企业办公效率、劳动生产率、安全运行能力、应急响应能力、风险防范能力和科学决策能力。打造面向全行业企业的价值延展，向客户提供设备远程运维、故障检测和预测性维护等的生产服务，助力推进智能化服务战略的落地。同时，通过数据积累、算法优化和模型迭代形成覆盖建材行业领域的各类知识库、工具库和模型库，将自身工业经验知识进行提炼和封装，打造工业互联网平台的核心能力与竞争优势。

1.2 智能工厂架构

基于互联网的EPC建材行业智能一体化服务模式以智能工厂为核心，将生产制造关键位置使用数控机器人、智能传感与控制设备、智能检测与装配设备等，糅合玻璃订单、生产、切割和堆垛等工序，采用优化系统以及配套的整线智能控制系统，实现车间生产过程的统一、协同管控，提高生产效率，降低产品不良率和单位产值能耗。智能工厂实现了企业经营数字化、制造资源数字化、生产过程数字化、现场运行数字化、质量管控数字化和物料管控数字化，控制流、物流和信息流得到了完整、清晰的体现，特点如图2所示。

图2 智能工厂特点

智能工厂建模是基于ISA-95的工厂模型，采用图形化界面方便灵活建立生产标准模型，并定义对象间的关系，完整体现整个工厂设备的组成、产品、工艺及生产管理逻辑，构建虚拟化的智能工厂，为生产执行、模拟仿真提供基础。

1.3 数据采集及监控

建设基于设备和过程的工业实时数据中心，通过实时数据采集系统，将生产线各工段及公用系统中的生产数据统一存储在智能工厂数据库中，实现生产数据实时采集、集中存储。建立工厂、生产线及设备等模型，实现生产过程监视、趋势分析、历史回放、性能计算、生产看板分析、设备状态监测、报警管理和指标管理等功能。数据采集系统与智能工厂系统主要功能模块集成后，实现销售订单全过程跟踪、生产进度全程跟踪、生产调度优化排程和产品质量管理追溯，提高生产管理效率,改善生产质量。通过实时数据采集及监控，全面提升企业的资源配置优化、操作自动化、实时在线优化、生产管理精细化和智能决策科学化水平，同时支持浏览器、客户端、智慧大屏和手机APP等多样化展示与访问。数据采集架构如图3所示。

图3 数据采集架构

1.4 智能成套装备及系统集成

智能成套装备是高端装备的核心，是制造装备的前沿和制造业的基础，已成为当今工业先进国家的竞争目标。智能制造系统集成是以自动化、网络化为基础，以数字化为手段，以智能制造为目标，借助新一代信息通信技术，帮助企业实现各种智能解决方案。近年来，CTIEC不断深耕玻璃新材料装备技术攻关，以拥有全自主研发知识产权为目标，持续加大研发投入，提升自主创新能力，保持核心技术创新突破。CTIEC中标2020年“国家工信部智能制造系统解决方案供应商”项目(新材料领域建材行业唯一)，这充分肯定了其在玻璃新材料智能制造领域的能力和地位。考核期内，CTIEC完成了玻璃新材料智能工厂集成项目20个，验收质量全部达标，顺利通过验收，并举办了两场智能制造新技术交流会，具有行业示范效应。

可推广的玻璃新材料智能制造系统解决方案主要包括：(1)智能成套装备及系统集成高世代薄膜液晶显示(thin film transistor-liquid crystal display，TFT-LCD)玻璃基板智能工厂集成系统解决方案；(2)大面积高效率碲化镉发电玻璃智能工厂集成系统解决方案；(3)超薄太阳能光伏玻璃智能工厂集成系统解决方案；(4)高性能铜铟镓硒(copper indium gallium selenium，CIGS)薄膜太阳能电池导电玻璃智能工厂集成系统解决方案；(5)高硼硅玻璃智能工厂集成系统解决方案；(6)超白浮法太阳能玻璃智能工厂集成系统解决方案；(7)第二代中国浮法玻璃高档汽车玻璃原片智能工厂集成系统解决方案；(8)基于工业互联网和大数据的玻璃新材料数字化车间智能生产装备与控制系统解决方案。

目前玻璃新材料智能成套装备接入总计3 452台，各工段智能装备占比如图4所示。

图4 各工段智能装备占比

1.5 制造执行服务模式

制造执行服务集制造执行与工程运营于一体，将制造企业的人、机、料、法、环等生产要素有机结合在一起，实现数据互联共享，涵盖工艺管理、配方管理、订单管理、计划调度、生产管理、成本管理、绩效管理、质量管理、设备管理、能源管理、物料管理和物流管理共十二个领域。根据生产线确定工序、工艺路线和生产指标等生产基础，在智能工厂模型的基础上，定义生产标准工艺流程及产品标准物料清单，定义每一种产品型号可采用的工艺标准及生产相关信息，覆盖生产工序、设备、物料、人员、工艺及检测参数等规范生产过程，整合产品生产工艺信息及生产信息，构建生产标准化体系，全面提升企业传统要素的生产效率。同时通过过程追溯、台账分析、生产运行分析和生产作业指导，实现生产管理精益化、协同化、敏捷化和智能化。制造执行服务架构如图5所示。

图5 制造执行服务架构

以设备管理系统简要说明制造执行服务模式,将设备资产台账管理作为设备维护的基础知识库，通过工单管理、标准工作、缺陷管理、项目管理、预防性维护和可靠性管理等模块实现检修和维护工作。设备管理系统具备清晰的持续改进思路，依托系统内建立的技术标准体系，实现由“设备技术标准—业务模块—设备台账效果分析—设备技术标准”组成的综合持续改进闭环。设备管理的服务模式优势体现在：对设备超压、超温等超限异常进行实时预警；与生产、维修管理无缝集成，将设备动态信息与管理无缝融合，实现动、静一体化管理；实现设备状态监测和预防性维修，使制造执行过程中生产的稳定性和可靠性稳步提升。

1.6 经营管控服务模式

经营管控服务分为协同办公、人力资源管理、供应链管理、招采平台和电商平台五大模块，如图6所示：(1)协同办公，为日常办公管理、公文管理、工作请示、汇报、资料等管理提供高效、畅通的信息渠道，提高工作效率，大力推动集团内部的信息系统发展；(2)人力资源管理，通过组织机构管理、员工管理、招聘选拔、劳动合同、培训发展、考勤管理、绩效考核和薪酬福利管理等模块构建集建立、管理和维护一体的各类人事档案，进行工资、福利、奖金考核以及考勤的管理，开展人员培训管理，完成各类信息统计和报表工作,并上报总公司辅助领导层决策；(3)供应链管理，搭建集中的供应链管控平台，建立集约化的供应链管理体系，规范供应链管理，并在各环节建立业务控制点，保障供应链管理活动有序开展；(4)招采平台，实现从采购需求、采购方案立项、采购方案执行到交易的一个完整采购流程的处理，对供应商进行准入管理、评估管理，且供应商可以通过供应商门户登录访问企业发布的采购相关信息，在平台进行业务处理，参与投标应答、采购订单处理等业务操作；(5)电商平台，集合行业内优质的供应商，为企业提供行业设备、备品备件以及报价，是买家、卖家自由交易的平台，也是信息交流中心，囊括知名品牌信息、行业内最新资讯、二手设备交易、商家信息展示、企业展会等内容。

图6 经营管控手机端服务

2 技术成果应用

CTIEC作为国家级智能工厂集成系统解决方案供应商，基于互联网的EPC建材行业智能一体化服务模式推广以来，显著提高了企业的智能化、信息化水平，提升了企业的产销规模和盈利能力，为企业后期的稳定发展打下了良好的基础。目前，多个智能工厂项目已经得到实际应用，起到示范效应。

2.1 中联玻璃智能工厂项目

CTIEC为河南省中联玻璃有限责任公司(简称“中联玻璃”)建设国内首条具有完全自主知识产权的第二代浮法玻璃生产线智能工厂，该智能工厂获评“2021年河南省智能工厂”(如图7所示)。中联玻璃拥有两条在产的国内先进600 T浮法玻璃智能生产线，配套深加工一期项目，采用国际先进的冷端控制系统实现全线集成、智能匹配和全线联动，达到生产执行精益高效和过程可视可控。该项目建设过程中解决的技术难题包括：(1)原料及配合料系统优化，减少因硅砂的水分和化学成分波动给生产和配合料质量带来的不良影响，在硅砂的储备过程中采取均化措施，有利于提高配合料质量；(2)针对高端浮法玻璃的要求，对原料车间、熔窑、退火和切割等玻璃生产工艺进行全面优化与改造；(3)辅助及集成控制系统优化与改造，为了实现浮法玻璃生产过程的协调操作和科学管理，浮法联合车间熔化、成型、退火工段设置分布式计算机控制系统(DCS)，对三个工段的生产过程参数进行检测、采集、数据处理、自动控制及统一管理；(4)概览大屏实现展示整体生产及运营信息概况，实现数据追溯，采用“总控制，分明细”的模式，运用集中大屏总览公司各个模块信息，同时可通过对应模块即时穿透至明细数，综合大屏可实现公司层级信息到班组或设备信息的快速穿透。

图7 中联玻璃智能工厂项目

2.2 新能源光伏玻璃智能工厂项目

CTIEC为中建材(宜兴)新能源有限公司建设太阳能玻璃生产线智能工厂(如图8所示)，投产后太阳能光伏原片、镀膜钢化玻璃年生产能力达6 000万m2，“智能在线检测”获评国家工信部2021年智能制造优秀场景。该项目建设过程中解决的技术难题包括：(1)采用大屏智能控制系统解决光伏玻璃深加工生产线的智能化集成的问题；(2)解决了光伏玻璃压延线与深加工生产线的连接问题；(3)自主研制的压延机能连续批量生产出1.5 mm超薄光伏玻璃产品，攻克了国外的技术壁垒；(4)解决了全线数字化智能控制的问题，排除了原有基础设备易出现的不稳定的情况，切割系统应用与旧式传输线的匹配，以及实现与工厂生产过程执行系统智能化匹配。

图8 新能源光伏玻璃智能工厂项目

2.3 电子信息显示超薄基板智能工厂项目

CTIEC为蚌埠中光电科技有限公司建设8.5代TFT-LCD超薄浮法玻璃基板智能工厂(如图9所示)，该智能工厂获评“2022年安徽省智能工厂”。2019年9月18日中国首片高世代玻璃基板下线，可与国际先进水平并跑，全面提升了我国电子玻璃在国际市场的主动权与话语权。

图9 电子信息显示超薄基板智能工厂项目

该项目建设过程中解决的技术难题包括：(1)解决了玻璃成型技术、流液道流量控制和退火等技术问题，研制出满足8.5 代TFT-LCD超薄基板玻璃成型要求的高精度智能化轻型电子玻璃拉边机、流液道调节闸板提升装置和退火窑等智能装备；(2)超高分可视化大屏系统，绘制生产过程的3D 动态效果图，开发专门数据库，将关键数据写入数据库并显示和记录归档；(3)解决了电子信息显示超薄玻璃基板在切割过程中产生的玻璃屑影响玻璃质量的问题，全自动控制切割系统实现了切割的稳定性和高质量；(4)解决了用光电开关检测玻璃板偏移精度差的问题，采用摄像系统和新研发的影像处理系统，实现了玻璃边位置的精确定位；(5)搭建全厂生产网络，统一组网设备的地址管理并建档，开发专门的上位接口软件，实现了主传动控制系统与全厂生产网络无缝连接。

3 结 语

基于互联网的EPC建材行业智能一体化服务模式实现了应用的网络协同和业务系统整合，深入垂直领域，其优势在于CTIEC拥有大量建材行业的知识库储备和一批懂行业、懂技术的专业运维团队，大大提升了系统运维和迭代速度，在系统用户和设备数量快速增长时有了强大的系统运维能力保障。同时，智能一体化服务平台具备建材行业属性的边缘智能网关产品，保证了端到端的一体化解决方案，形成了端与云的无缝衔接。目前已有40个玻璃行业工业APP或平台功能模块，3个标杆性落地案例，服务企业数量达80家，具有示范推广性。

CTIEC将以工业高端化、智能化支撑绿色化，持续开发应用节能新技术，包括玻璃熔窑全保温、低温熔化技术、配合料预热技术、低温余热利用技术和全氧燃烧玻璃熔窑再生热化学蓄热器(TCR)技术，打造智能制造节能工厂；不断研发推广使用清洁能源，包括单位热值含碳量低的一次能源、电助熔、光伏发电、风能和氢能等；开发减碳原料配方和配合料优化及窑外分解技术等，全面推广高效节能熔窑、余热发电和烟气治理一体化等节能减排新技术，以工业绿色化引领高端化、智能化发展。