智慧瓷厂初步构想

张任平，龚 朋

(景德镇陶瓷大学材料科学与工程学院，江西 景德镇 333403)

0 引 言

在中华名族伟大复兴“中国梦”的引领下，随着“一带一路”和“中国制造2025”等国家战略的深入实施[1]，中国陶瓷行业迎来了新的发展机遇：技术创新、转型升级、高端发展速度加快明显。工厂进行智能化改造显得尤为迫切，陶瓷企业为摆脱同质化竞争需要通过智能制造提供个性化的定制产品。陶瓷企业想要跟上智能制造的步伐，快速响应瞬息万变的市场需求，不仅需要各产业通力协作，而且要使得整个生产过程处在最优的状态，尽最大可能进行节能降耗，控制生产成本，能引领整个陶瓷行业的发展方向。陶瓷企业更需要加速改变粗放型管理模式，从要素增长转向创新驱动，推进制度创新、管理创新、科技创新，在创新中培育和形成新的成长优势。通过利用先进的信息化技术手段提升生产经营管控力度，促进降本增效，全面提高企业管理水平，提高企业核心竞争力。因此，陶瓷企业想要在新一轮的技术革命智能制造中抢占先机，进行智慧化改造无疑是其不二选择。

本文依据我国陶瓷行业的发展现状，将人工智能、物联网、云计算和大数据等信息技术植入传统的陶瓷行业，创造性提出了智慧瓷厂的概念模型，认为智慧瓷厂应包括智能控制、智能化管理和智慧厂区综合管控等系统，阐述了建设智慧瓷厂的初步实施方案。全面分析了智慧瓷厂在整个工程实施过程中的复杂性。认为智慧瓷厂必将是传统陶瓷企业发展的方向，也是《中国制造2025》、工业 4.0和智慧城市提出的必然要求。

1 智慧瓷厂的概念

IBM 智慧工厂是“智慧瓷厂”的理论基础，物联网的技术和设备监控技术加信息管理和服务，构建一个高效节能的、绿色环保的、环境舒适的人性化工厂[2-3]。

IBM 智慧工厂的四个要素包括[2-3]:

(1)预测：基于智能化传感仪表装置，辅以智能化流程建模，系统具有预测功能。

(2)可见性：将数据转变为上下文相关的信息，减轻现场操作人员和工程师的采集数据的工作量，更多的时间可以用来分析数据。

(3)协同：远程专家借助智能通讯系统可参与解决设备运行问题；利用虚拟现实技术提高响应速度和降低运行费用。

(4)分析和优化：优化现有的分析模型，采取先进的分析方法提高全厂设备和装置的运行效率。

智慧瓷厂，是以数字化、信息化、自动化、智能化为基础，通过对瓷厂的全生命周期进行量化，并与整个陶瓷行业互联网互联互动，实时进行分析、控制和决策。智慧化瓷厂的建设是通过传感器等智能设备应用，使现场设备除了具有分析能力，同时还可以提供参考决策方案，智慧瓷厂应具有人工智能特征。智慧瓷厂最终达到的目标：形成人机互联互通、智能生产、远程诊断、智能监测、实时决策、智慧经营的“以人为本、人机和谐”高效新型智慧瓷厂。

智慧瓷厂具有“感知化、互联化、智能化”[4]的特点。感知化的理解可以表述为两点，一是通过智能传感器和摄像头等硬件设备获知前端信息资料；二是通过大数据技术获知工厂各方面的情况；互联化同样可以从两方面进行理解，一是借助于通信网络技术实现企业的互联互通，数据高效共享集成；二是当前业务形态与已有的业务形态和后续的业务形态实现相互贯通； 智能化通过先进的传感技术、智能控制技术、智能分析手段和信息技术，收集工厂所有信息并进行分析，方便管理者及时决策并适时采取措施。

2 智慧瓷厂与传统瓷厂的比较

得益于物联网、人工智能和大数据技术的发展，智慧瓷厂代表瓷厂的未来发展趋势。智慧瓷厂作为传统瓷厂进化的高级物种，在诸多方面和传统瓷厂存在相当大的不同。表1详细给出了智慧瓷厂和传统瓷厂的区别。

3 智慧瓷厂智能控制与管理系统建设

3.1 智能控制系统

人工智能在智慧瓷厂的直接应用最重要的体现就是智能型控制系统，瓷厂的大部分工序采用了DDC或PLC控制系统，通过DCS系统进行集中控制。基本实现数字化控制技术。随着大数据、物联网和人工智能的不断发展，陶瓷厂的控制系统正在进行智能化控制系统改造。

3.1.1 窑炉智能控制

人工智能、大数据、云计算、物联网等新技术的发展催生了陶瓷工业窑炉的智能化发展。基于物联网的窑炉智能控制系统，有助于解决目前窑炉生产过程中智能化程度低等问题，有利于生产过程的远程控制及批量重复生产。

智能控制装置通过窑炉内温度传感器、压力传感器、燃气管道控制模块、助燃空气管道和排烟控制模块来实现智能生产控制。系统可以自动记录生产过程的控制参数并保存在存储记忆模块内，如果某一生产过程中具有最优生产质量，则操作人员可以重复选用该存储的控制过程来对新的生产过程进行控制，具有可重复性[5-6]。系统还可以通过接入互联网来实现远程控制，远程控制终端和手机可以对系统实施远程操作。可以向使用电脑、移动设备或智能手机的陶瓷窑炉设备管理员，发布各种数据采集设备采集到的窑炉运行状态数据，同时依照预设的程序或者大数据技术进行分析，发出预警，对窑炉的运行进行优化。生产过程的信息化和智能化，可以实现一个高度个性化和智能化的服务模式，为 “智慧工厂”陶瓷行业实现打下坚实的基础。

远程操作还可使用于生产技术保密的场合，仅有少数几个核心人员控制核心生产技术并且可以远程分布式实现生产控制。

智能控制系统是基于大数据和人工智能技术的陶瓷工业机械和窑炉设备自动控制解决方案，所以它要依托大数据和人工智能技术来实现对陶瓷工业机械和窑炉设备的智能控制、数据采集和信息的存储共享。主要组成有数据采集控制服务器、云端服务器和客户端，能实现生产过程信息的收集整理、报警记录信息和历史记录的云端存储等。其根本宗旨是让用户解放出来，可实现远程控制和管理陶瓷机械和窑炉设备。推动陶瓷行业从数字化转向智慧化。

因此陶瓷工业机械和窑炉设备的智能控制系统能够自动控制生产过程，自动记录控制过程，具有可重复性，可以满足远程保密性远程控制及批量重复生产。

表1 智慧瓷厂与传统瓷厂的比较Tab.1 Comparison between smart and traditional factories

3.1.2 厂级监控系统

厂级监控系统是基于分布式系统进行架构，主要建立在陶瓷厂机械设备、窑炉、门禁和各种辅助控制系统基础上。具备统一性和通用性的智能监控与查询网络平台，可以监控厂内陶瓷生产和管理的各个过程，实现在同一数据库平台上完成采集数据的分析和处理，同时实现生产任务的最优分配和工业控制系统的优化。更重要的是，陶瓷厂采用分布式架构系统建立一体化厂级监控系统，可以方便陶瓷厂集中监控，设立集控中心。这种方式一方面有利于企业的减员增效，另一方面针对陶瓷企业产能过剩问题，有利于陶瓷企业生产任务的分配最优，有利于各个企业的效益最大化。

3.2 陶瓷厂智能管理系统

建设智慧瓷厂必不可少的部分一定是管理系统的智能化，智能化管理系统能实现销售和生产的无缝对接，有效提高陶瓷企业的生产效率，支撑陶瓷企业的战略性规划。

陶瓷生产企业的资产一般密集度较高，管理系统的智能化核心是管理资产，基于大数据技术建立统一服务的数据平台，平台底层功能主要是生产经营管理、有形和无形资产管理、信息数据监察控制，平台中间层企业的销售管理和人力资源管理。平台顶层通过大数据技术的应用，分析预测企业的生产经营数据，为企业进行智能决策，对企业实行一体化的管理控制，降本增效，为陶瓷企业的可持续发展打下坚实的基础。

基于各个模块分离的底层控制系统，借助于屏蔽装置和接入终端，接入厂级监控信息系统，在厂级监控信息系统内连接有数据库管理系统，生产过程的实时数据借助于路由设备和屏蔽装置进入上一层网络。对于智能管理系统的人工智能和大数据分析，云服务器的架设位置在顶层网络，管理应用软件安装在云服务器系统中，广泛应用云计算平台，实现虚拟服务器系统、云化桌面终端系统和企业云平台服务系统。

陶瓷企业云平台的建立对整合优势资源和提升有效资源利用效率非常有利；硬件服务器和应用软件相互隔离，可实现动态配置资源。管理系统进行多角度安全设计，保护企业的无形智力资源。实现企业的科学用能，绿色环保节能。

大数据分析的核心点就是找寻不同数据之间的相互关联性及其对未来的趋势提前进行预判。陶瓷厂的大数据应用主要涵盖数据采集、数据处理、关联性分析和结果应用。采集到的数据可区分为外部数据和内部数据。陶瓷企业外部数据来源于建材市场陶瓷产品、消费者反馈、所用燃料价格、相关同级别瓷厂投资建设运营维护数据等。其内部数据的来源包括通过光盘、移动设备或网络云盘提交的设计和工程竣工验收数据材料以及机械和窑炉设备投产运营后的维护数据。大数据分析主要体现在设备运行数据的处理、各车间工作水平和习惯的数据记录分析和内部与外部数据的关联性分析。应用大数据主要进行机械设备智能控制与优化、多视角运行维护、陶瓷厂智能管理决策、人力资源的绩效考核管理和生产成本管理控制。

3.3 智慧厂区综合管控系统

陶瓷厂智慧厂区综合管控系统，借助于人工智能、信息技术、区块链、大数据和物联网技术，通过关联数据信息接口、信息转换和共享协议等手段将信息管理系统、可视化监控系统、一卡通综合管理系统、防盗安全报警系统、智能厂区灯光系统、弱电管理系统、防震减灾系统、视频信息管理系统等整个公司全部管理系统连接到共享的数据平台，实现整个公司的智慧化的监测、管理和控制，达到人性化、便利、安全无漏洞等目标。

智慧厂区由集中监控、系统联动和各种供工作人员使用的系统。集中监控包括一体化联动集中监察控制、智慧厂区自动无人化出入口控制、防盗安全报警和基于物联网技术的智能控制等。系统联动能实现安全防护联动、消防一体化联动、厂区不同场景智能切换和广播信息管理等。供工作人员使用的系统主要有推送天气、手机终端应用、智慧停车、智慧通勤车、智慧停车场、智能参观线路、智能会议和访客接待引导等。

4 结 论

陶瓷行业正面临着淘汰落后产能、重新洗牌、战略调整的大变革中，陶瓷厂面临如何改变粗放型管理模式，健全和完善企业内部的管理制度，使企业管理水平再上一个台阶；适应“市场、竞争和变化”，建立快速响应和满足市场不断变化的需求响应机制；陶瓷企业需要借助信息化与自动化融合，实现自身的价值再造。

智慧瓷厂建设应符合信息化和工业化的高层次的深度结合和工业 4.0 的发展方向，实现瓷厂设备运行、生产执行、经营管理信息的逐级上传、辅助领导科学决策，保证决策指令在经营管理层、生产执行层和设备控制层的逐级下达落实，设备控制指令的执行结果最终通过设备状态信息呈现。信息上传和指令下达周而复始，闭环高效循环控制，保障瓷厂拥有优秀的感知能力、决策能力和执行能力，全面提升企业绩效。

智慧瓷厂建设要以“智能产瓷、智慧管理”建设为抓手，以“数字化瓷厂”为基础，坚持问题导向，突出风险预控、实时利润、优化管理、远程诊断等流程，最终提升工作效率。力争通过“智慧瓷厂”建设，实现“数据流、信息流、业务流”的一体化融合，从而实现可靠、安全、高效的目标。