基于MES 系统的浮法玻璃生产模式优化实践研究

王中亮 侯英男

（中建材佳星玻璃（黑龙江）有限公司，黑龙江佳木斯 154000）

近年来，随着国内制造业技术水平的不断发展与提升，数字化建设的飞速发展，各企业逐渐建立起有利于自身发展的执行系统，如ERP、MES 等，系统之间的紧密结合能够较好地迎合时代发展趋势，一方面能够企业提升企业工作效率，另一方面也能给企业带来直观的经济效益，解决企业管理价值的现实问题。MES系统能够以管理层、执行层的身份融入协同管理体系中，整个系统兼顾计划排产、订单管理、生产执行、过程跟踪、设备管理、提出预警、决策分析等多项功能。经过对相关数据的采集与实践分析，本文发现浮法玻璃企业同样能够通过MES 等系统间的配合来实现高效率的生产制造。

一、浮法玻璃与MES 系统相关理论综述

（一）浮法玻璃

玻璃制造至少有3000 多年的历史，早在古罗马时代人们便开始将熔融的玻璃倾倒在平面上，然后用简单的工具将其铺平，这也是最原始的浇筑法。经过技术的不断提升，人工吹制法、垂直引上法的先后出现，才实现了平板玻璃的量化生产。但是这种玻璃生产方式存在一定的缺点与不足，即玻璃玻筋重，透过玻璃看事物会产生一定的扭曲、变形，做成镜子后会有明显的成像缺陷[1]。

半个世纪后，浮法玻璃的出现引起了玻璃制造的重大变革。浮法玻璃生产巧妙地运用了玻璃的重力以及玻璃的表面张力，成形让后的玻璃板足够平整，如同被机械拋光一样，光亮透明，而且大幅度地提高了生产效率，成为玻璃制造领域的一项重大发明。浮法玻璃的生产过程：首先利用高温将石英石、精砂、石灰石、纯碱、芒硝等原材料熔化，使其形成玻璃液，再根据锡液与玻璃液之间不溶的特点进行分割铺展，随后利用退火窑将高温玻璃液进行冷却退火，最终形成干净、透明的浮法玻璃原片[2]。

（二）MES 系统

MES 系统即生产制造执行系统，是面向生产制造的一种管理工具、管理思想，涉及生产计划、生产进度、质量管理、成本管理、设备管理等多个方面，是当下非常适用于制造业生产的一种辅助工具。起初美国先进制造研究机构将MES 系统定义为“位于上层计划管理系统和底层工业控制之间的面向生产层面的管理信息系统”。制造执行系统协会对MES 的定义：“MES 能通过信息交互传递从客户下达订单到产品完成的整个生产过程进行优化管理。在此过程中发生不确定事件时，MES 可以及时发出预警及报告，并以相对准确的数据给予回复和处理”[3]。MES 系统的不断提升与发展，也为制造业产品质量的提升和产品合格率的增加提供了有力保障。对于浮法玻璃而言，MES 系统能够更加高效地进行数字化管理。

二、传统浮法玻璃生产模式与特点

（一）浮法玻璃生产的主要流程

浮法玻璃生产主要分为4 个工段，即原料工段、熔化工段、成型工段、退火工段。原料工段是按照玻璃成分及熔化需求，将粒度及成分符合标准的各种原料，如石英石、精砂、纯碱、芒硝等通过科学的配比称量、混合，为玻璃生产提供合格的配合料，是玻璃生产4 个工段中最重要的部分[4]。熔化工段是将混合好的配合料经1600℃的高温熔化，获得符合成型要求的优质玻璃液。熔窑也被称为浮法玻璃生产的“心脏”，是原料高温燃烧的关键场所。成型工段是将经过高温燃烧形成的玻璃液通过锡槽漂浮在锡液表面上，配合拉边机，完成玻璃液的成型工作。此过程需要部分人员进行现场巡视，确保锡槽各区域设备的良好运行。退火工段是将成型的玻璃原片在辊道上传送，通过斯坦因热风工艺，来最大限度地消除玻璃板上的应力，实现退火、成型工作。虽然在此过程中能够实现生产的自动化控制，但是数据采集汇总仍较为局限，没能形成统一的规范管理[5]。

（二）传统浮法玻璃生产中的痛点与不足

1.传统手工生产模式下数据管理不到位

传统的玻璃生产基本采用手工生产模式，工作人员根据经验对原材料、设备等进行统筹安排，且形成的生产数据一般情况下也是依靠人工进行记录、反馈，整体工作效率不高，容易出现生产信息的疏漏，造成生产数据的不准确。这主要是因为没有高级排产算法，造成工序计划编制不科学；任务没有合理分派到班组，管理不够精细；生产过程存在盲目性，生产负荷不均衡；计划透明性差，易发生工作延误。

2.传统生产中设备管理不透明

传统浮法玻璃生产过程存在“黑箱化”：一是现场管理不透明，订单下发、配方下发、生产报工主要靠人工经验完成，对一些重要工艺环节的控制不精确。二是设备管理不透明。设备维修保养与生产协同困难，计划排产无法考虑设备维护计划，且多厂模式下无法有效监控每个工厂的设备运行情况。这些都直接导致现场管理不到位、设备维护不协同等问题，不能有效地对厂区生产情况进行监测。

3.传统玻璃生产质量控制滞后

玻璃生产企业主要以传统生产工艺为主，实行粗放管理，对生产工艺调节、产品质量控制还主要靠“老师傅”经验。玻璃缺陷种类和数量很难得到控制，良品率无法得到保障，高端玻璃生产装备不得不依赖进口，导致玻璃成本居高不下，严重影响我国玻璃产品国际市场竞争力和客户满意度。究其原因，主要是质量控制滞后、质量标准体系缺失。

4.传统生产设备管理效率低

随着玻璃制造行业自动化程度的提高，以设备为主体进行玻璃制造的浮法玻璃企业的设备管理水平将直接影响生产以及备品备件的更换频率和成本。虽然企业的自动化程度在逐渐提升，但仍存有一些不足，主要集中在以下方面：设备台账管理效率低；设备维修保养与生产协同困难，计划排产无法考虑设备维护计划；多厂模式下，不能有效监控每个工厂设备运行情况等方面。

5.传统生产以人工为主，未对数据进行集中管理

玻璃工厂传统的生产工艺、粗放的管理严重地阻碍了智能制造的发展，表现在各信息系统之间没有实现集成，订单下发、配方下放、生产报工主要依靠人工完成；生产操作主要依靠人工经验，容易出错；生产设备无法集中精准控制，一些重要的工艺环节无法实现协同控制。

6.各工段数据未能充分集成，容易形成“信息孤岛”

近年来，玻璃生产总体水平大幅提升，机械化、自动化、智能化程度显著提高，生产能力不断增强。而玻璃仓储系统作为玻璃加工生产系统中的重要组成部分，与玻璃生产的其他装备相比，发展相对滞后。主要问题有：厂内物流运输由人工驾驶叉车完成，人工情绪、车辆视觉盲区等容易造成人身伤害和财产损失；玻璃包装、仓储管理依靠手工记录数据，导致数据错误率高、及时性差、统计成品率和仓储管理先进先出不受控，无法为工艺优化决策提供支持；各工序独自开展，彼此之间脱节。各流程间的任务状况不能实行数据共享，也未能实现数据闭环控制，造成无效等待和资源浪费。

三、数字化建设MES 系统在浮法玻璃生产中的应用分析

随着时代的发展，浮法玻璃技术也随之得到发展，生产线也引入了缺陷检测仪、优化切割等数字化设备。这些设备尽管在各工段都能够很好地运作，但相互间尚未形成协同管理。这种情况容易出现生产数据的断层，对后续工作执行会产生相应影响。MES 系统介入浮法玻璃生产中，能够更加精准地对生产计划进行定位，可以从公司级的角度传达业务需求，同时也会更加准确地定位生产状态。

（一）MES 系统在玻璃生产中的应用分析

1.完成产品全生命周期数字一体化建设，实现降本增效

浮法玻璃生产企业围绕着产品设计、工艺设计、工艺流程开发，建立了数字化平台，构建从产品数字化定义到智能制造、智慧运维的全生命周期数字化管理体系，充分利用计算建模、实时传感、仿真技术等手段实现玻璃工厂在虚拟空间中的映射，以数字化纽带贯穿整个产品生命周期，实现对生产制造全过程的监管，如图1 所示。生产企业依据虚拟车间的变化及时调整生产工艺、优化生产参数，提升生产效率，实现数字化、智能化的设备管理，以及玻璃生产线设备生命周期数字化管理。同时，依托于现场数据收集与数字化平台分析，减少相应的运维成本，能够完成高质量的浮法玻璃生产。

图1 数据管理平台结构图

2.打造数字化工厂的大数据应用，打通“信息孤岛”

浮法玻璃生产企业应用MES 系统，可以打通“信息孤岛”。企业通过生产工艺和设备运行数据的互联互通，对生产设备、生产过程、产品运行数据进行采集、加工、分析与应用，并辅助应用机器学习和专家系统，最终实现产品生产制造的高质量运行。

3.实现产品全生命周期的可追溯，提升产品质量管控能力

浮法玻璃生产企业围绕玻璃品控，探索形成了以质量管控为核心的产品全生命周期可追溯模式。MES 系统利用数据采集技术，通过产品赋码、读码、信息关联，形成从原料、原片到销售终端的全链条“端到端”互联互通。同时，系统可根据每日的动态业务数据按照管理的需求生成各类质量管理综合报表，实现质量追溯与质量预测，为质量管理与质量改进提供分析的手段和工具。

4.打造以MES 系统为中心的企业管理模式，实现生产集中管控

浮法玻璃生产企业应用MES 系统，可积极打造以MES 系统为核心的数字化、智能化工厂，实现智能生产与生产控制的一体化管控。企业基于工业互联网实现设备和MES 的互联互通，实现生产管理与生产控制的一体化管控。MES系统通过设备状态感知、实时分析、自主决策、精准执行，实现智能生产排产调度、智能生产、智能质量管控、智能物料管理、智能监控分析，进而实现全面的精细化、精准化、自动化、信息化、智能化的管理与控制。

（二）浮法玻璃生产线MES 系统应用的管理模式与方向

1.构建云边协同的玻璃数字化工厂

浮法玻璃生产企业以企业私有云接入行业公有云的云边协同为基本架构理念，在工厂边缘云提供工控系统、制造设备、传感仪器、工业网关等设备的互联，以及包括数据采集、过滤、汇聚、共享等数据的互通，在行业中心云提供业务和应用弹性扩容，基于数字化应用提供建模工具、开发模型、组态工具，运用沉淀的工厂基建模型和数据（如工程设计图纸资料、设备资料、安装调试等资料和数据）进行玻璃工厂数字化建模。工厂模型是基于ISA-95 的工厂模型，采用图形化界面以方便灵活地建立生产标准模型，并定义对象之间的关系。工厂模型由实体模型、产品模型、工艺模型组合形成，可完整体现整个工厂设备、产品、工艺及生产管理逻辑，构建虚拟化的数字工厂，为生产执行、生产管理奠定基础。

2.构建平台化、中心化、集中化的数据管理模式

浮法玻璃生产企业用数据为企业经济“造影”，通过搭建数据治理架构、建立数据治理体系、形成数据标准、开展分类分级、管理元数据、提升数据质量、控制数据安全，让数据发挥出最大的效益；通过建立行业级的统一数据中心，实现数据资产的最大化利用。

在工厂建模完成的基础上，企业可建立数据监控平台，连接各个生产运行设备进行实时的数据采集和监控，并与设备管理、检修管理、运行管理、安全管理融合，及时反映设备运行趋势，为设备运行维护提供重要依据。在生产执行方面，将玻璃工厂MES 系统与ERP 系统、条码系统、质量系统、销售管理平台进行集成，协同进行数据监控，以生产供应链管理为核心，对市场、需求、订单、原材料采购、生产、库存、供应、分销发货等进行管理，实现对设备、人员、物流、工艺、质量、安全、环保等生产运行情况的集中调度和优化配置。

3.建立玻璃工厂数字化协同新模式

浮法玻璃生产企业可构建模块化、模型驱动的玻璃工厂研发设计体系，建立以知识工程和导航式研发为核心的研发技术支撑体系，建立多专业协同研发模式，借助设计仿真分析一体化工具和设计环境，有效提升设计质量，提高研发设计工作的创新能力和创新效率，完成关键设计部分的数字化建设。同时，完成业务板块之间数据协同的验证及协同数据平台的建设，实现施工、采购、供应链的业务系统集成和业务协同，实现基于KPI的核心数据分析报表，并实时展示基于物项的追踪、管控，如图2 所示。

图2 数字化基础模型架构

四、MES 系统在浮法玻璃应用后的实践效果

（一）生产排产柔性化

利用MES 系统的有效介入，可以建立生产计划与排产系统，该系统通过可视化数据完成对材料、设备、人员的跟踪，通过智能算法达成浮法玻璃的柔性化生产。这主要体现在通过对生产计划的快速分解，做出浮法玻璃设备能力限度内的排产计划。一方面能够完成车间生产管理的任务下达，达到快速响应、协同制造的目的；另一方面通过对浮法生产线生产数据的提取，为相关管理人员提供数据分析，最终使其摆脱了生产中各类手工统计报表的局限性，在系统中随时进行各类数据的统计、分析，为管理层做决策提供依据。

（二）生产作业数字化

生产作业数字化能够全面、及时地反映整个公司的生产运营状况，与数据采集与监视控制系统（SCADA）、安防监视系统（VSCS）、分布式集散控制系统（DCS）等高度集成，有助于企业管理层通过系统可对关键业务进行管理分析，进而做出正确的预测与判断。此过程中生产所需的相关数据报表可自动生成，能够实现信息采集应用后的分析跨越。

MES 系统可对重要的经济指标与历史数据、计算目标进行比较分析，进而得到综合评价指标，并以管理中央控制室BI 大屏的形式加以展现。对上可以宏观展示公司整体运营情况，对下可以为生产班组开展生产工作提供实时指导数据。同时，生产绩效、质量等情况展示让生产变得更加透明高效，从而为员工激励提供有效的依据。

（三）过程质量可追溯

浮法玻璃生产企业通过对研发设计、工程施工、生产制造及智慧运维全流程的质量管控，使质量管理从结果导向模式转型为事前有计划、事中有控制、事后有分析的全过程管理控制模式。通过系统对玻璃生产各工序的生产质量、工艺数据进行收集，并做进一步分析，形成指导各部门工作的指令，进而将其作为质量管理考核的依据。

浮法玻璃生产企业通过建立以质量指标控制为核心的质量控制体系；建立质量标准体系，将质量标准、质量管理标准融入质量管理过程，有效控制玻璃了缺陷种类及数量，显著提高了良品率。

实现质量事中控制可解决质量控制的滞后性问题。MES 系统可对质量控制过程指标偏差进行自动预警，提示生产管理人员及时调整工艺配比，提高了生产质量过程控制的及时性、准确性。系统利用生产过程质量偏差分析相关影响因素，通过对产品质量关键指标进行趋势分析、偏差分析、预测，实现对质量的全过程追溯、分析、预测。

玻璃智能工厂质量管理解决方案落地实施，打破了研发设计、工程建造、生产制造、智慧运维及智能仓储之间的“数据壁垒”，通过协同创新，实现了质量的全过程追溯、分析、预测，实现了生产工艺优化，创造了质量效益，对玻璃行业质量管理具有很强的引领示范作用。

（四）生产设备自我管理

浮法玻璃相关企业通过全过程、全方位、全生命周期的设备管理手段以及先进规范的设备管理理念，最终形成了一套完善的玻璃生产设备自管理系统。主要取得的成效有：通过应用MES 系统建立了完善的设备台账，实现了精确的设备分级分层管理；建立了体系化的设备维修、保养策略，从而保障设备的顺利使用，降低了设备故障率和事故率，避免人为原因造成的损失；通过建设管理系统，合理降低维修保养成本、能耗和其他各种损耗，从而降低整体运营成本，提高经济效益。

（五）生产管理透明化

浮法玻璃生产企业通过物联网平台实现设备和MES 系统的互联互通，实现生产管理与生产控制的一体化管控。通过设备状态感知、实时分析、自主决策、精准执行的自组织生产，实现智能生产排产调度、智能生产、智能质量管控、智能物料管理、智能监控分析，进而实现全面的精细化、精准化、自动化、信息化、智能化的管理与控制。在信息技术的支撑下，打造标杆智能工厂，并且总结推广可复制的经验、做法，为行业企业建设智能工厂提供示范和参考，推进行业数字化转型与健康有序发展。

（六）包装物流智能化

工业机器人，集成了高度的机械化、自动化、网络化技术（图3）。一方面，通过定制化设计抓手夹具、工件操作台等实现玻璃加工工艺中的抓取、上料、下料、移位、翻转等工序；另一方面，不断更新各种接口与外部集成，如视觉、MES、节能、安全等。浮法玻璃生产企业以工业机器人代替人工，不仅自动化程度高，安全性能强，还可以极大提高产品品质与生产效率。

图3 智能机械手抓取玻璃

同时，也能通过智能化生产，明确批次生产任务所需求的资源，协助指导生产人员组织、生产原材料准备、生产机器准备，使生产组织有序，资源安排合理，降低安全事故风险。此外，机器人可监控生产过程，实时反馈设备状态、生产进度、监控的过程参数，对可能出现的故障进行预警，对已经发生的故障进行有效应对。该数字化、智能化技术的应用有效保证了货物包装、仓库管理各个环节数据输入的效率和准确性，合理控制企业库存，对库存货物的批次、保质期等方面进行有效管理。

（七）经营管理服务高效化

为了实现经营管理服务的高效化，玻璃企业按照“顶层规划、目标导向、分步实施、价值可视”的建设思路，采取“规划设计自上而下、数据汇聚自下而上”的方法，搭建了公司运营管理大数据平台，通过数据智能化应用，创新管理模式，提升管理效率与效益，用数据辅助决策，具体管理包括以下两个方面。

1.系统全面集成，实现产供销一体化高效协同

结合企业资源计划（ERP）、产品全生命周期管理（PLM）及高级计划与排产（APS）等各个业务管理系统，通过对应的平台建设，实现对原有的数据获取、转化、核对等往复性工作的智能化分析整理，使管理者能够了解更多的生产数据。

搭建一体化智能BI 分析平台，实现数据的统一接入、分析、输出；构建统一的数据管理平台，基于数字化建设标准体系实现底层模型建设；建设多级业务层，实现多场景分析；对接目前所有业务系统的预留接口，衔接构建综合、全面的驾驶舱分析平台，作为业务报表查询、输入输出、数据补录的统一口径，实现管理条线中心化。管理思路通过平台系统无障碍落地。

建立统一的指标体系。在一个平台的基础上，统一数据仓库以及统一报表规范，将现有的收入成本数据、客户数据、供应商数据、资金数据等内容按照规范统一接入数据仓库平台中，按照规范性标准建设统一模型，搭建可扩展、高性能的基础层。同时，建立分析体系的报表规范，将分析指标、计算逻辑标准化，实现跨部门、跨业务主题的分析语言统一化，实现呈现方式、报表UI 风格的统一化，查看与分析平台的统一化，并基于业务的分析实现一体化应用标准，保障企业的数字化分析得到高效应用。

规划3 个功能层级（图4）。决策层以管理中央控制室为平台进行核心指标监控，用数据驱动业务方向，为领导提供决策支持；业务层以自动化报表和固定报表为工具满足日常数据的快速查询，支持钻取穿透以实现部门报表数据的分析，为业务层人员提供数据分析及预警支撑；IT 层以敏捷报表及完整数据仓库为工具，支持快速开发、自主维护，实现报表的自动化出具，满足需求的灵活变化。

图4 层级结构

2.借助人工智能及专家系统，助力快速、精准决策

数据标准定义（数据层）：统一对接各业务系统数据，对分析层指标规范内容进行定义，搭建标准化数据仓库。驾驶舱预警场景建设（功能层）：基于管理业务规划，选择可视化展现工具，为前端可视化预警分析场景提供基础。业务分析场景建设（应用层）：基于管理单元与业务模块对分析场景进行规划，通过各类可视化方式进行展现。

多层级的分析设计能够为领导层或监管层提供决策支持，为管理层提供数据分析和挖掘，为业务层提供个性化的数据支持服务。在数据分析呈现后，可以进一步识别各层级的异常点，再通过局部探索的方式找到问题并解决问题。

五、结语

综上所述，MES 系统在优质浮法玻璃生产企业的应用中具有一定成效，不仅在生产协同、质量管理、成本管理方面有所帮助，同时也能够提高玻璃生产效率，提升企业管理能力，增强生产的透明度，提高执行与分析能力，对浮法玻璃生产线的集中管理起到了促进作用。伴随我国产业转型升级进程的不断加快，智能化、数字化建设已经成为各大产业的发展趋势，以MES 系统建设为基础，积极使用制造业先进的生产控制技术，提升数字化建设水平，能够为浮法玻璃生产企业的长远发展提供支持，也能为玻璃产业的持续推进提供帮助。