中枢转千机 筹算应万变——为玻璃工厂注入智能制造的灵魂

王健 李勇

（秦皇岛玻璃工业研究设计院有限公司 秦皇岛 066001）

人类世界最早的玻璃出现于古埃及和美索不达米亚，而近100年来玻璃工业最重要的事件是1952年英国皮尔金顿（PILKINGTON）发明了浮法工艺，玻璃工业自此进入规模经济、成本大幅降低的时代。新中国成立后，由于海外技术封锁，中国“洛阳浮法玻璃工艺”于1981年正式研发成功，与英国皮尔金顿浮法、美国PPG浮法工艺齐名为世界公认的三大浮法工艺。皮尔金顿的“浮法工艺”改变了世界玻璃工业发展史，而中国“洛阳浮法玻璃工艺”令我国玻璃进入工业化时代。

今年是中国“洛阳浮法玻璃工艺”诞生50周年，商海浮沉，皮尔金顿已经成为板硝子的全资子公司。基于浮法工艺的世界玻璃工业产能格局，已经被中国企业所重塑。就浮法工艺而言，中国的玻璃企业已经具备明显的国际比较优势，这离不开老一辈玻璃科研专家们呕心沥血的付出，也得益于50年来中国庞大市场的培养。50年来，浮法工艺的电气自动化控制水平，也伴随着产能升级、市场需求和技术发展飞速的提升。

中国“洛阳浮法玻璃工艺”诞生伊始，玻璃工厂的电气自动化控制还是以现场模拟检测仪表+继电器控制装置的“原始”平台为主。配料系统普遍采用机械秤或者电机械秤，称量传感器主要由压敏电阻和放大回路组成，用电继电器和可控硅组成控制回路。80年代初，国外玻璃工厂已经开始使用电子计算机参与热工控制，并配置工业电视。受皮尔金顿浮法玻璃生产线的影响，我国浮法线热工测量、记录主要采用智能仪表、无纸记录仪等。热工工艺参数调节以人工干预为主，严重依赖于工程师的个人经验。冷端生产线则仍以机械化辅以电机传动的方式，仅能将玻璃板简单输送至堆垛位，输送、堆垛精度、效率都较为低下。

皮尔金顿公司在圣海伦斯的GREENGATE玻璃厂的浮法玻璃生产线，就是采用综合计算机系统进行高度自动化生产的例子。从配料车间到自动堆垛工段的计算机系统均采用DECPDP11或LS111处理机，所采用的软件则为皮尔金顿工艺语言。该系统采用分布式计算机原理，涉及计算机控制和PLC到层次的信息系统和工厂管理。同时期PPG公司也已经采用现代化计算机应用和可编程程序过程控制器相结合的方式，形成热工流程的局部过程控制系统。德国格林策巴赫已经开始设计、制造基于计算机算法的优化切割、输送、堆垛自动化冷端生产线。

1982年，由秦皇岛院设计的通辽玻璃厂经八年探索成功点火投产，第一次实现了中国“洛阳浮法玻璃工艺”的量化生产。1992年，通辽玻璃厂引进美国贝利公司（后被ABB收购）的INFI90集散控制系统（DCS），为我国浮法玻璃企业首次引进DCS。该系统能满足生产安全、稳定、长周期运行的要求，发挥了DCS的基本功能，促进了工艺管理的改进，采用了先进的控制策略，取得了良好的经济效益，为工艺装置达标发挥了积极作用。之后，ABB的Infi90/Freelance 2000/IndustrialIT等、国产的和利时HSIO00/HS2000/MACS/MACSSmartpro（FCS）等、Honeywell的TDC3000/TPS等、Emerson的DeltaV等、Foxboro的I/ASeries等、Siemens的SimaticPCS7等DCS被陆续应用在浮法玻璃热工控制上。冷端生产线控制由直流驱动升级为变频驱动，个别关键环节如切割机、分片机采用计算机通过接口的数模转换器直接控制伺服驱动。

时至今日，随着工业4.0时代来临和智能制造大潮，浮法玻璃的自动化控制也在向全厂自动化、数字化和智能化迅速升级转型。2015年5月，国务院印发《中国制造2025》白皮书，计划通过“三步走”实现制造强国战略目标。秦皇岛院通过多年技术积累和数字化、智能化工厂建设实践，探索出适合中国浮法玻璃行业发展的智能化工厂思路。

一体化的数字平台使得优化设计、合理排产、生产管控、设备管理及维护、KPI管理、数据可视化以及借助云平台与产业链上企业交流得以实现，并能够实现对产品及设备的全生命周期的管理，可以理解为数字化工程、数字化生产、数字化质量、数字化物流。而智能化工厂是在数字化方案的基础上利用信息化和数据处理技术实现数据的挖掘和赋能，并与智能系统新兴技术相结合构建智慧化、高效节能、绿色环保的人性化工厂。

设计阶段决定了整个工厂项目的质量。数字工程设计平台可以从始至终地管控工厂工程设计，使整个流程更快速、更精益、更经济。数字化平台下的工程设计与CAM及CAD无缝对接，工厂的每一台设备及元器件甚至控制系统都有唯一的标签，相关数据及参数直接在系统中得以记录和保留，便于实现数字化运营及维护。同时，数字化设计平台的精益设计可以实现流程优化，寻找最优管线路径，避免传统设计各专业之间信息不透明导致的错、漏、碰现象，为提高效率、降低投资成本、缩短工程建设周期提供了有效保障。西门子的COMOS（数字化工厂工程设计平台）、BIM（建筑信息模型软件）等已经被广泛应用于玻璃工厂的数字化设计中。

面向工业企业推出的能效管理（EMS）解决方案，从现场层直至管理层的全面一体化能源管理，对生产过程进行监测分析，准确识别各种耗能环节，量身定制专业优化方案，旨在优化资源利用率，显著提高生产能力以及减少生产浪费和碳排放量。

智能矿山整体解决方案以资源品质控制为主线，集“数字采矿软件平台、生产执行系统平台、三维可视化管控平台、卡车调度系统、质量控制系统、安全环保监测监控系统和矿山数据中心”为一体，在协同作业平台和矿山数据中心的基础上，革新矿山生产组织方式。实现矿山资源精细化开发利用、生产过程智能管控、达到矿山开采绿色环保和经济高效。

一体化数字平台下的智能原料系统能够对所有进厂的原、燃料进行记录及跟踪，自动分配仓储，确保物料按照时间及质量标签合理出库，并按照设定库存进行补料提醒。智能配料系统可对玻璃企业的生产数据进行可靠的采集和监控，以确保称重过程中保持精确度和可追溯性。系统自动进行料方校核及智能调整称量方法，以确保不同物料称重的动态精度和过程数据的可追溯性。数据化也使得所有原料的设备运行和维护更加智能便捷。

DCS已经成为每个工厂的数据和控制核心，包括生产节拍、所有工厂过程的监控以及直至现场层的数字化。智能热工流程控制遵循无缝工厂和自动化规划的完全集成解决方案。为行业特殊工艺的需要而定制的开创性专家级过程控制技术，提高了灵活性、安全性和效率。智能过程仪表也适合与更大范围的工业自动化与控制系统无缝集成，从而实现更高过程透明度。

窑炉优化仿真系统以大数据为基础采用复杂的多参数交叉作用算法，加入人工经验及自动学习功能替代传统的单一PID算法，针对PID难以解决的多变量、非线性、大惯性、大滞后特点，寻找最优控制参数，减少人工干预，使传统的窑炉工艺管理由开环控制、经验模式的黑盒子管理模式，变成更健康、更科学的从预警到预调的自判断、自学习的智能模式。

数字化窑炉环境监测系统，自动接收光学非接触式感应设备采集的大量真实场景图像数据，并进行智能化分析处理，不仅能够为窑炉内部环境提供实时监测，也能智能分析炉体运行状况。

通过热工流程三维仿真平台，可进行虚拟调试、虚拟测试和操作人员培训，实现过程优化和专有技术保护。

基于全厂一体化概念的智能化冷端数字生产线，配置数据自感知、参数自整定、设备自适配、设备自投入的专家智能数字化控制技术，系统以工业以太网为拓扑结构将冷端设备与自动控制系统形成数据链路，先进的控制软件能够精准实现物流跟踪，准确识别产品类别并自动按质取片。冷端的数字孪生系统在虚拟空间中完成了对物理实体的映射，调试阶段即可模拟设备的运转，测试参数调整带来的变化，生产阶段被赋以实时数据即可作为现场运行的状态监控。数字孪生系统能够有效提升冷端系统的可靠性和运转效率。

智能化冷端数字生产线可实现冷端生产线多规格生产、订单式生产、集中控制、无人值守，提高生产效率、降低人力成本、最大化利用产量，实现柔性化生产，为业主创造更高的经济效益和社会效益。

数字化的成品仓库及物流管理系统，从传统的依赖仓管人员经验变成依靠精准数据进行实时精细化管理，使现场作业在线化，仓库透明化，有效提高公司运作效率、提升管理水平。

智能生产运营平台的开发框架，可用于数据统计、集成、分析，以及展现来自多个底层数据源的各种信息。智能生产运营赋能给现场操作和生产运营人员以及高级管理者通过从分布在企业内的各个数据源中提取关键企业经营和生产运营数据，实时监控生产表现是否符合业务目标，及时地做出可执行的决策意见。

作为中国“洛阳浮法玻璃工艺”的主要研发者，中国玻璃行业的先驱者——秦皇岛院肩负着推动行业进步的历史使命。推动玻璃行业的进步和高质量发展，除了调整产品结构、增加行业集中度，更迫切需要提高数字化、智能化水平，提高产品质量，增强企业竞争能力。构建、实现契合玻璃行业的智能制造系统，为玻璃企业智能化赋能，是行业发展的必需，也是秦皇岛院多年来关于数字化、智能化技术储备的应用实践。为已经具备“服从力”的机器，赋予智慧化的“灵魂”，并参与到工业企业的管理和决策中。数字化、智能化的玻璃工厂，人、机器和资源自然，无障碍地相互沟通协作，随处可控、一触即达。中枢转千机，筹算应万变！