玻璃纤维行业工业互联网平台建设与实践探索

于亚东 李潇潇

（巨石集团有限公司，浙江桐乡 314500）

玻璃纤维行业是一个重要的工业领域，其产品广泛应用于建筑、汽车、航空航天、电子、环保等诸多领域。随着行业的快速发展，其生产和管理方式也在不断变革，工业互联网的出现为玻璃纤维行业提供了革命性的发展途径。

玻璃纤维行业工业互联网的发展是一个复杂而多维的过程，涉及数字化转型、智能化生产、供应链协同、创新驱动、环保和可持续发展等多个方面和层次。我国于2021 年1 月出台《工业互联网创新发展行动计划（2021—2023 年）》，旨在推动企业积极引入新技术、新模式。大量企业聚焦工业互联网平台应用加强内部管理和外部合作，不断提高自身的竞争力和可持续发展能力。

一、玻璃纤维行业工业互联网平台发展需求

（一）市场发展需求

玻璃纤维是一种无机非金属新材料，是国家重点扶持的10 大领域之一。玻璃纤维具有强度高、化学稳定性好、电绝缘性好、耐高温等特点，在新能源产业（风力叶片、太阳能支架）、高端装备制造业（飞机、雷达罩、汽车、高速列车、游艇）、环保产业（石油管道、海水淡化系统环保处置设施和装备）、基础设施产业（桥梁、码头、高速公路设施输水管道、墙体、屋面瓦）、健康产业（医疗设施、医用材料、体育器械、体育设施）、电子电气产业（输配电设备、集成电路板）、消费品及休闲产业（游艇、家电、家具、门窗、卫浴设施、手机壳）有着非常广泛的应用。目前，玻璃纤维的应用越来越广泛，市场需求不断扩大，行业应用进一步提升，促使其用量、质量、个性化要求越来越高。近年来，国内外玻纤市场及客户的结构性需求变化呈现越来越快的趋势，玻璃纤维大池窑连续化生产、产品种类繁多、工艺复杂的特点，对产业链跨企业合作的柔性制造能力提出了新的需求。同时，玻璃纤维行业本身由于其生产模式特点，对玻纤生产工艺流程的要求较高，大量中小企业由于技术储备、智能化创新能力弱、设备运转分散、“系统孤岛”林立等问题，造成生产效率难以提升、数据无法有效支撑生产运营和决策，也反映了对先进工业协同生产模式的需求。工业互联网平台可以通过数字化连接生产各链条，提高生产效率和产品质量，降低制造成本以应对市场需求。

（二）行业智能化转型升级的需求

首先，玻璃纤维整体生产方式相对较为粗放、产品同质化严重、行业盈利能力不均，制约了我国复合材料的发展，造成复合材料的应用能力与国际先进水平有较大差距。其次，玻璃纤维的生产特点是大池窑连续化生产、产品种类繁多、工艺复杂，且近年来市场及客户的结构性需求变化越来越快，使企业生产计划与客户、市场之间缺乏灵活、高效的信息沟通的机制，因此柔性制造能力有待提升。再次，随着玻璃纤维生产全球化程度的提高，促使其发展既需要大量的制造、装备、研发技术人员给予快速、及时的响应和技术支持，又需要对核心装备、控制、研发机密的保密和掌控，为此传统意义上的现场服务和支持将难以满足实际需求。工业互联网平台以安全互联的技术架构开展企业互联，建立客户需求与企业制造之间的数据桥梁，建立包含需求、研发、生产、质检的高效服务体系。

（三）生产工艺特点的需求

玻璃纤维的拉丝成型过程是将天然的矿物粉料在大型池窑中燃烧形成玻璃液体，从而使玻璃熔体中的玻璃液通过漏嘴挤到冷却介质中（空气）中，与此同时被拉伸成纤维，然后卷曲在拉丝机的绕丝筒上（图1）。因此，玻璃纤维在整个拉丝成型过程中受到一次变量、派生变量和终极变量的影响，一次变量主要受天然原料化学组成及分子结构、作业环境流变性能和其他物理性能等，过程中多变量的叠加作用，导致了生产全流程中提升工艺标准精度非常复杂。工业互联网平台在链接各环节的基础上拥有大量数据基础，可以利用这些数据建立工业模型，以模型匹配即时数据开展基于自主优化、自主决策等人工智能方面的能力探索，优化工艺执行过程。

图1 玻纤生产流程示意

二、基于需求的玻璃纤维行业工业互联网平台的建设内容

对玻璃纤维行业市场发展、智能转型、工艺特点的需求分析反映出行业在先进工业协同生产模式、智能化柔性生产、多变量产品工艺研发等方面的需求。由此我们提出可以采用工业互联网平台探索全新的生产运营模式[1]，汇聚上下游产业的多源异构数据来满足玻璃纤维行业的发展需要。例如，整合风电、半导体等玻纤产业链的优势下游行业，建立以新产品、新标准为目标的工艺、原料及化工配方机理模型的联合研发，以智能互联提升玻璃纤维质量从而满足上下游产业需求[2]。以下将玻纤行业工业互联网平台建设依次分为6 个步骤进行介绍（图2）。

图2 玻璃纤维行业工业互联网平台建设内容

（一）IT/OT 融合的一体化建设

从制造业本身属性出发，玻纤行业工业互联网平台建设高度依赖于生产与经营的数字化程度[3]。业务与数据作为工业互联网平台的基础，需要建立集生产计划、过程协同、设备控制、资源优化、质量控制、决策支持智能一体化平台。从信息化与工业化融合出发，企业需要部署ERP 实现资源管理，部署MES 实现生产执行，部署SCADA 实现生产数据采集，部署DCS 工控自动化、部署LIMS 实现全链路质量管理，部署PLM 实现研发过程控制。此时，工业互联网平台建设才能开始，即建立玻纤自适应排产、生产过程智能控制、质量全流程追溯、能耗动态管理、资源智能调度、AI 决策分析等多场景应用。

（二）渗透各层级的集成控制

信息化与工业化的实现过程伴随着数据的产生，而玻纤行业工业互联网平台的价值实现绝大部分也以数据为起点。平台实施过程中结合ERP、BPM 等信息化系统产生的数据与DCS、SCADA 等工业控制系统产生的数据，以数据驱动流程，流程优化业务，配合无人AGV、机械臂、自动配料机、拉丝机等终端设备，将原本割裂的单元控制转变为（人、机、系统）互联、感知、适配的大型统一控制系统，从而达到数据的开发利用基础。

（三）基于多源数据的决策中心

工业互联网平台通过系统集成控制，汇聚了大量的经营和生产数据，这些数据除了运用于流程端到端驱动外，还可以利用大数据分析展现其综合优势。此时，应建立多源异构数据的处理架构，按照不同数据的维度和节拍开展清洗梳理，最终形成开箱即用的数据中台。依赖数据中台规范的数据对象格式与关联方法，即可发展以多维度数据支撑的专家决策平台，而企业的核心装备、工艺、经营、管理专家可以在工业互联网平台中以统一的数据图表开展决策。多地多工厂的大型企业可以构建全球统一的运行控制中心，由稀缺的行业专家共同协调和管控生产经营，分享和优化创新场景和效益绩效，不断优化专业能力和资源配置。

（四）工业APP 生态互联

达到第四要素时，企业工业互联网平台的内部建设已经卓有成效，此时需要转变方向，以串联外部需求为新的起点。企业可以投入资源成立开发团队或引入具备定制化能力的服务商，专门开展玻纤行业与上下游关联业务的APP 建设，形成公共可用的行业APP 组件库。对接的行业如玻纤下游的风电、上游的矿石粉料等，以APP 作为业务切入点，可以避免直接集成各企业系统出现的资源投入扩大问题。APP以其功能驱动流程和数据，可以分为公共类和业务类。公共类是指在不同企业具备泛用性的APP，例如进销存、流程审批、海关单证、税企银企直连等；业务类是指按需进行点对点开发的APP，例如PDA 上开发质量库存APP，下游企业可以扫码玻纤产品读取生产全流程质量数据，同时进行入库操作。正是以这些APP 为抓手，工业互联网平台才能逐步完成上下游协同生态的总体构建。

（五）模拟仿真优化现实制造

完成前四要素后，玻纤行业工业互联网平台从内部和外部获得的数据已经可以实现高比例的价值再造。此时，可以探索创新技术的应用，获得优势竞争力。例如，通过数字建模将工厂、生产线、设备等实体转化为数字模型，建立模拟仿真平台，开展设计与工艺的虚拟执行，根据客户需求快速提供解决方案，加速现实研发与生产节奏，创造一个具备高度进化机制的制造环境。

（六）数字建模结合人工智能

工业互联网平台通过设备、工段、产线、工厂逐级实现数字孪生后，企业已经开始从数字驱动转向模型驱动，而openAI 的引入正好提供了虚拟模型输入、决策、输出的模式优化。企业可以通过对各虚拟模型建立人工智能指令集，覆盖从产品设计到生产质检的全生命周期。以AI 算力取代人工判断缩短产品研发周期，降低研发投入，提升产品质量，保障生产运行，最终激活一种面向未来变革的全新生产模式。

三、玻璃纤维行业工业互联网平台技术架构研究

玻纤行业工业互联网平台建设内容，从生产经营、数据采集、专家共享、工业互联、数字建模、模拟仿真、人工智能，展现了平台发展的主要过程阶段，而以此指导平台建设，还需要与行业适配的技术方案。本文提供一种玻纤行业工业互联网平台的技术架构参考，该架构以多层分级搭配行业自研技术实现了完整的联动控制体系。

（一）工业互联网平台多层分级架构

工业互联网平台构架（图3）分为数据采集层、数据传输层、技术平台层、用户操作层。

图3 工业互联网架构

（1）数据采集层以采集玻纤行业本身工业数据为主，核心是窑炉、拉丝两道工序，可运用PLC、SCADA、RTDB 等技术进行实时数据采集。窑炉监测温度、压力、氧气、天然气、喷口等属性，拉丝监测通路玻璃液、漏板温度、涂油线速等属性，以获得生产各部分、组件、设备、系统的多源异构数据。

（2）数据传输层是工业互联网平台数据传递的主要渠道。此时，一方面需要建立工控网与办公网完全隔离；另一方面需要通过物理专线、VPN、加密数据等手段汇聚多企业的数据。该层以上游采购供应数据、下游成品数据为主要口径，串联质量监测、生产工艺、物资需求等数据，建立工业互联网层面的数据传输总线。

（3）平台技术层是利用云平台、专业技术软件等开展数据汇总后的处理利用层级，可以将Spark、HDFS、ES 等技术作为主要软件技术手段，对数据传输层汇聚的上下游企业数据进行清洗利用，例如可以利用下游客户的采购需求，直接生成销售计划，进而转化成生产计划和物资采购需求；可以利用出库产品二维码直接串联玻纤生产工艺、质量监测信息数据，免除下游客户的入厂检验成本；可以发散多种多样的工业互联网应用场景。

（4）数据的展示层是引入数据中台作为有效数据展示的数据开发利用层面。该层以可视化形式，根据平台技术层已经梳理的上下游数据，结合智能调度、数字看板、自动阈值指令等开展预测性维护、工艺调优、新产品研发等数据价值再造。

（二）工业互联网平台协同系统架构

行业自研技术需要从各企业自身的特点出发，探索建立基于软件层面的主动式数据解决方案。

玻纤行业工业互联网平台的实施过程，主要以各信息系统代表各业务板块作为数字化能力的实体，此时必然包含多个以服务商为代表的乙方合作对象（图4）。传统工业互联网只论述过程和结果，对此种现象和解决方法缺少论述。现实情况中多系统环境下必然由于数据串联和功能需求造成各信息系统业务修改，此时需求端的业务系统将会以网状结构扩散影响，系统集成度越高影响面就越广泛。因工业互联网需求造成的系统联动修改，必然涉及多个乙方实施商，而由于各系统建成时间不同和多流程联动情况，就会出现多向业务、时间阻滞、流程嵌套上的多重困难。

图4 玻纤行业典型集成

此处提出一种多个管理系统的协同系统以及协同架构方案（图5），在数据采集层建立一个中间件，与多个系统建立连接，通过拦截器监听系统日志，并在监听到预定变化的情况下，以日志作为源头推送预定消息。在数据传输层建立统一消息控制中心，由控制中心进行调控，将消息发送至其他应用系统或利用其数据库开发的基站系统，调用目标系统功能。基于以上的逻辑链，当发生业务需求时，无须对多个管理系统的源程序进行更改，只要配置对应日志拦截，即可实现对多系统应用层功能的调用。解决工业互联网环境下集成的系统包含了大量非开源系统，以及因集成复杂而出现的多向业务、时间阻滞和流程嵌套问题。如此，在工业互联网整体架构下，所有调整都解耦成面向应用的单例功能，可降低多系统协同环境的修改成本和复杂度。

图5 多个管理系统的协同系统以及协同架构

四、玻璃纤维企业工业互联网平台建设实例

下面以某玻纤行业龙头企业的工业互联网实践为例。该企业从顶层规划确定供应链生态圈打造的发展需求，结合当地的风电产业链企业集群现状，分别通过“内生集成、自主优化和产业互联”3 种能力打造玻纤工业互联网平台。

通过“内生集成”串联企业内部信息系统，利用工业互联网平台的“数据采集层”采集生产各部分、组件、设备、系统的多源异构数据，从数据层面建立集成模式。“内生集成”能力建设旨在全线贯通内部生产制造与企业经营的数据链，并横向复制、扩展、覆盖所有生产基地与经营实体，实现产品全生命周期、经营管控全领域的数字化转型，进而在企业内部实现效率、质量、成本、效益的优势打造，探索企业全要素信息集成环境下数据价值的实现途径。

通过“自主优化”建立工业APP 开发体系，利用多个管理系统的协同系统以及协同架构解决各企业信息系统快速集成和独立建设的需求。“自主优化”能力建设是结合玻纤产业实际特点，从上游供应商和下游客户的关联流程入手，结合信息技术自研开发能力，打造基于上下游需求的玻纤能力场景；建立解决上下游实际需求的快速反应能力，为供应链伙伴提供共性难题的解决方案。

通过“产业互联”建立上下游产品研发、工艺迭代、质量改进的联合体系，利用工业互联网平台的“数据采集层”和“平台技术层”，将获得的数据进行开发利用，嵌入上下游企业流程，实现业务功能的创新提升。“产业互联”能力建设是在后续环节上采取跨企业的供需前置、灵活营销价格管理、产品协同研发、质量检测共享等模式，结合为上下游企业定制化二开、改造和建立APP 等手段，建立基于采购、销售、生产、质量、成本优化的“产业互联”服务体系，为上下游企业提供研发创新、成果转化、协同制造、检测检验、快捷金融、专家咨询、行业分析、技术标准、资源需求、信息服务等服务。

目前，该玻纤企业的工业互联网平台运营建立了工业APP 38 个，服务上下游企业1980 家，在各自应用的场景开展数据整合，向上延伸至矿石磨粉、化工、能源、包材等加工产业，向下辐射到风电、热塑（TP）、电子（IT）、汽车、建筑、轨道交通等领域，贯通产业链上下游各环节，推动玻璃纤维产业及其上下游协同发展[4]；实现研发效率、订单量、库存周转率、资金回款效率、生产效率、生产成本等指标的不同程度的提升。此外，利用该互联网平台，推动了玻璃纤维产业链中小企业上云，助力了行业中小企业数字化转型，利用产业集群优势实现区域“资源共享，产能共享”，科学合理地解决行业“原料价格波动大、能源成本高”的问题。同时，其供应链流程互通模式有效带动了区域协同制造的能力，也以所在地风电产业集群为核心，辐射了周边协同配套能力，实现产业链关联企业的整体的智能化和绿色化提升，最终推动产业质量变革、效率变革、动力变革，为制造强省、强国建设提供引领和示范。

五、结论

工业互联网是加快新一代信息技术与制造业深度融合的主要途径，它在结合智能制造的同时，在产业链与供应链上下游扩展研发设计、生产制造、经营管理、销售服务等能力。工业互联网平台纵向打通决策、业务和生产，横向联通企业、工厂、工段、设备，以数据流为线索，开展协同生产、协同研发，缩短产品研制周期；建立生产过程控制、生产管理的跨企业业务互通，极大提升了产能控制、生产效率、能源利用，有效降低运营成本、不良品率；并在此过程中形成一批发明专利及企业、行业的相关标准。

综上所述，本文从行业需求、建设内容、技术架构、企业案例四项内容开展论述，提供了一种玻璃纤维行业发展工业互联网的有效借鉴，可以引导同类企业开展协同创新、成果转化、协同制造、检测检验、专家智库、数字贸易、行业数据、人才服务等能力建设，共同强化玻璃纤维行业优势。