工業4.0中---玻璃深加工工廠

一、 對於工業4.0的介紹

2015年5月18日，國務院正式發佈了《中國製造2025》規劃，這是中國版“工業4.0計劃”，也是我國實施製造強國戰略第一個十年行動綱領。那麼中國的《中國製造2025》和目前熱炒的德國工業4.0到底有什麼關聯呢？

首先我們來解釋一下關於德國工業4.0的概念。

其次我們來解讀一下兩者相似點和不同點，如果說德國的工業4.0是德國在面對美國的信息產業和中國的製造成本侵襲下，試圖摸索未來工業生產的途徑，重建產業優勢的戰略選擇，那麼“中國製造2025”，則代表了中國在由製造大國向製造強國轉型過程中的頂層設計和路徑選擇。

中國大力倡導的數控系統技術，早已成為德國製造業的標配。德國在高端生產設備上擁有全球競爭力。“中國製造2025”明確以德為師，舉行了雙方官員，院士的聯席會，借鑑了工業4.0的部分內容。

中國製造2025與德國工業4.0的比較

而德國現在基本上實現了3.0，現在正在從3.0向4.0發展，也就是生產的自動化向網絡信息化這方面去邁進。而中國，企業之間存在很大差距，有的企業還要補2.0到3.0這一課，即從電氣化到自動化這一課，所以說兩者的基礎不同，而中國需要的利用此次機會實現“彎道超車”。

二、工業4.0如何在玻璃深加工行業中落地

我們大致瞭解了工業4.0的和中國製造2025，所以目前通俗的工業4.0的叫法在中國應稱之為“中國製造2025”。那麼，且不論名字怎麼叫法，對於玻璃深加工行業，如何應對才是關鍵。

筆者認為，未來的智能玻璃深加工工廠應有以下幾個方面組成：智能的加工設備，先進的物流體系和自動倉庫，將前者統一管理的智能管理系統（ERP+MES）,以及高素質的人才。

2.1 智能設備

如果想建造一個智能工廠，並採用智能生產的模式來進行玻璃深加工產品的生產，首先要具有智能化的單機設備。

隨著這些年國內玻璃深加工設備的不斷髮展，深加工設備供應商提供的設備自動化程度已經都很高了，PLC和變頻技術，伺服技術在設備上的普遍應用，玻璃深加工設備已經向自動化程度大步邁進，某些設備上已經接近國外品牌的功能和質量，但還遠不能說是智能化設備。

大部份國產和進口設備因為價格的問題還是存在一定的差距，這不能說是設備供應商的問題，而主要體現在工廠管理者的經營管理理念上。比如LISEC的中空玻璃生產設備，在中空玻璃的生產過程中，對於玻璃厚度，鋁條的厚度等參數進行自動測量，將測量信息傳送給注膠機器人，進行二次封膠。而國產設備由於性價比的因素，對於前期的參數基本採用的是參數人工設置而非測量的方法。這樣，在本應可以實現的閉環控制中就引入了人為因素的干擾，而不能形成完全的自動化，更不用提智能化了。

再以鋼化設備為例，隨著LOW-E玻璃的普及，從單銀，雙銀到三銀，對於鋼化爐的要求越來越高，鋼化的加熱模式已經進行了翻天覆地的改變，加熱效率越來越高，溫控水平也趨於完善，但我們不能說這是智能化的設備。

那如何在鋼化爐上實現智能化呢，關鍵是設備要具備自主學習能力。例如在使用初期，將一些認可的鋼化經驗及不同廠家對應的參數輸入到計算機的數據倉庫中，形成一個小型的知識庫，通過在加熱爐前段增加尺寸和厚度的傳感測量裝置（激光掃描，光柵光纖傳感），計算機會根據知識庫中的經驗挑選合適的參數，根據測量玻璃在上片臺的分佈狀態進行分區加熱冷卻，在配合出爐掃描裝置（如I-LOOK），將玻璃的物理狀態（翹邊，變形）反饋給控制計算機，計算機在下一爐時進行溫度和時間，功率分佈狀態的調整，調整後生產的玻璃再經過出爐檢測裝置檢驗調整結果，記錄工藝參數和質量的關係，通過知識庫中的數學收斂模型，自主學習，記錄下最優的參數結果。形成新的知識和工藝經驗值。

同樣的當四季變化時，環境溫度不同，冬季和夏季的加熱時間，吹風功率等都要進行調整，傳統的鋼化設備都是需要操作工根據經驗進行調整。當我們在鋼化知識庫中將環境溫度作為變量通過傳感器自動導入後，同樣可以形成新的知識記錄在數據庫中。以減少外界的環境干擾，自動生產出優質的鋼化玻璃。

傳統玻璃深加工企業培養出一個熟練的鋼化爐操作工所花費的成本是相當高昂的，而且隨著人員的流動，這些花費企業大量資源而形成的知識也流失了，對於企業是不公平的。目前已經有鋼化廠家在做此方面的研究，但也只是知識庫的雛形，如（I-CONTROL），但還沒有能力進行自主學習的能力。

2.2 先進的物流體系

在一般的工廠中，產品追溯方面主要利用了條形碼的手段，但涉及到玻璃深加工過程的工藝特殊性，如需要經過鋼化，清洗等工藝，一般可以追溯到工裝架，而非單片玻璃。而最好的方法是在每一片玻璃上標註唯一信息，這樣就不會產生少片，多片，找不到玻璃，玻璃尺寸差異等諸多困擾工廠的老大難問題。

目前的解決方法，充滿了國人的智慧。對玻璃進行分類處理，規格整齊的按整架控制，規格雜亂或異形玻璃逐片貼碼，在後續處理時通過二次貼碼來保證可追溯性。但這不能從根本解決問題，因為是人為操作，還會發生出現錯誤的機率。

目前看來，LISEC的方案可以完全解決這個問題但代價昂貴。在玻璃進行切割分片後，切割程序顯示在看板上，自動或由工人按順序將玻璃傳送到翻轉檯，經過伺服測量機構的尺寸核實，賦予此片玻璃一個唯一編碼，此編碼隨玻璃傳送。但由於編碼沒有在玻璃外觀上予以體現，所以這種方法只適合LISEC本身的系統。

但我們借用一下LISEC的思路，如果在切割分片後，按照切割優化軟件的要求由人工順序讓玻璃通過一個測量裝置後，尺寸測量準確的進入激光打碼機在玻璃角部蝕刻出條碼，就可以很直觀的在玻璃表面做標記了。當尺寸錯誤時進行報警，人工干預。當然對於異形玻璃，只能手工進行測量了後進行激光打碼了。之後將玻璃下到工裝架後生成工裝架條碼流轉即可。

2.2.1 玻璃的傳輸

大部分的玻璃深加工工廠採用的廠內物流方法是工裝架流轉，一個工裝架上裝有幾十片玻璃，帶條碼定義的轉交單隨架子流轉。架子的流轉依靠人力或叉車運輸。目前還沒有看到AGV在玻璃深加工行業的應用，隨著勞動力成本的不斷上漲，AGV拖帶工裝架的方式將會出現。AGV小車裝備有電磁或光學等自動導引裝置，能夠沿規定的導引路徑行駛，不需人員干預，以可充電之蓄電池為其動力來源。一般可通過電腦來控制其行進路線以及行為，或利用電磁軌道(electromagnetic path-following system)來設立其行進路線，電磁軌道黏貼地板上，AGV則依靠電磁軌道所帶來的訊息進行移動與動作。

如切割完的玻璃要從切割1線運往磨邊3線，在AGV上設定後，工裝架在小車的拖帶下可以送至對應的磨邊機工位。

而玻璃深加工行業現在最成功的廠內物流方式是線上流轉。以LISEC系統為例，單片玻璃在傳輸設備上進行流轉，玻璃不用落架，自然就解決了人力勞動和玻璃在搬運過程中造成的破損和劃傷。且像前文描述的一樣，由於在流轉過程中每片玻璃都已經在系統中定義了編碼，且每片玻璃尺寸經過了伺服尺寸檢驗系統的驗證，所以，自然不會出現玻璃的丟失和差片。但線上流轉最好要配合智能倉庫的使用。

由於玻璃深加工的獨特性，在切割工序需要將各種不同的尺寸進行組合優化才可以提高玻璃的切裁率，而在磨邊工序又希望尺寸儘量規整以提高雙邊磨邊機的效率；也需要用到智能倉庫。

2.2.2 智能倉庫以及柔性生產系統

上圖為LISEC的智能倉庫系統，包含原片和半成品倉庫。由於有了原片智能倉庫的出現，在生產工程中可以任意將加急訂單從系統中加入而不會影響生產效率。

而有了切割半成品倉庫的出現，就解決了我們上述糾結的問題，切割可任意混切，之後切割後的半成品玻璃進入智能倉庫（BUFFER）,WMS 系統對於玻璃服務器程序中按照事先設定好的原則進行入庫，如事先定義此批玻璃要求雙邊磨邊，在玻璃入庫時入庫機器人將同一尺寸玻璃分配到相鄰的區域，在磨邊機開始工作時，出庫機器人將尺寸同一的玻璃出庫，傳輸給雙邊磨邊機，這樣明顯較少了磨邊機尺寸調整的頻率，提高了磨邊效率。

而有了中空原片倉庫系統，在WMS的控制下，出庫機器人按照事先設定好的產成品包裝原則將中空玻璃的內外片傳輸給中空生產線。解決了中空配片的老大難問題。有智能倉庫參與到生產系統中，通過半成品的進出庫，實現了柔性生產。

但在生產系統中數據是如何傳輸以實現設備與設備之間的交互呢？

以LISEC系統為例，系統有著強勁的大腦在控制，服務器在後端控制著所有的數據，如下圖。設備與設備之間的交互是通過服務器進行的，在服務器中ERP系統和MES系統集成起來，形成了LISEC自己的簡易版CPS系統。通俗點講，CPS（信息物理系統）就是通過工業網絡與實體物件之間的相互連接，使用相同的語言進行溝通並相互理解。在玻璃深加工產品的生產過程中，最重要的是產品與機器之間的信息互聯和溝通，由產品上所帶的信息告訴機器設備應該進行什麼操作。而LISEC系統中，玻璃產品得信息是由驗證過的位置信息“告知”機器的，而沒有通過條碼或RFID（無線射頻識別）的技術將加工信息“告知”機器的，出於成本的考慮，也沒有必要。

2.3 智能管理系統

假設工廠在組建時購買了昂貴的智能化設備，那可以說我們就構建了智能化的工廠了嗎？答案是否定的。智能化深加工設備是構建智能化工廠的基礎，但還遠遠不夠。

玻璃深加工行業與浮法玻璃生產是完全不同的兩種生產模式，前者是典型的離散式生產模式，而後者是流程式生產模式。這點必須要搞清楚，因為管理的側重點有明顯的不同。因為流程企業注重的是工藝和質量穩定性；而離散行業更注重的是數據，交貨期，設備利用率等指標。

目前大部分的玻璃深加工企業都已經實施了自己的ERP 系統，由於玻璃深加工行業的特殊性，很少有企業使用通用型ERP產品（如用友或SAP），大多使用的是玻璃行業自主開發的專用型ERP。

但目前的ERP產品注重的是產品的物流管理，從原片的收發存，半成品的收發存和產品的收發存都管理的不錯。

通過ERP系統可以輕鬆實現我們關於產品數量追溯的願景，但目前大部分企業只是追蹤到工裝架（單片玻璃還追蹤不到），且對於工藝和設備狀態的追溯是無法掌控的。

國產的玻璃專用ERP系統的服務對象是企業管理的上層，一般對車間層的管理流程不提供直接和詳細的支持。而現場自動化系統的功能主要在於設備主控電腦上，本身並非真正意義上的管理系統。所以，ERP系統和現場設備自動化系統之間出現了管理信息方面的“斷層”，對於用戶車間層面的調度和管理要求，無法實現。

當玻璃深加工產品發到客戶處引發客戶投訴時，按現在的ERP管理手段，我們可以根據玻璃上所粘貼的條碼標籤輕鬆的找到此批訂單的合同，工藝要求，生產日期，生產班組，但產品得的原料供應商、操作機臺、操作人員、經過的工序、關鍵的工藝參數是無從追溯的。

而在生產管理過程中我們還要需要大量的有用的信息，如目前倉庫以及前工序、中工序、後工序線上的每種產品數量各是多少，要分別供應給哪些客戶？能否即使交貨？生產線和加工設備有多少時間在生產，多少時間在停轉和空轉？能否將生產，工藝，質量，設備的參數在特定時間段導出進行分析。

實現以上的這些功能，就必須需要引進MES系統。MES的定位，是處於計劃層和現場自動化系統之間的執行層，主要負責車間生產管理和調度執行。一個設計良好的MES系統可以在統一平臺上集成諸如生產調度、產品跟蹤、質量控制、設備故障分析、網絡報表等管理功能，使用統一的數據庫和通過網絡聯接可以同時為生產部門、質檢部門、工藝部門、物流部門等提供車間管理信息服務。

通過MES系統，可以將ERP系統中的計劃直接傳輸給現場生產設備，在設備層面構成生產任務，雖然目前國產的系統還達不到LISEC系統那樣的完善，但我們可以設想，但玻璃隨AGV送至磨邊機前時，實際生產任務已經由服務器通過網絡告知了磨邊機，在單片玻璃送上機臺後，隨著條碼的掃描，磨邊機得知玻璃尺寸和加工要求，對應到服務器的任務列表，核實無誤後開始根據磨邊知識庫調出對應參數自動調整工作。當工作一個週期後，磨邊機將提示要更換磨輪，這時磨邊機將會停止工作，磨邊機會與服務器產生通訊，在MES系統中生成發送給設備管理部門的一份工作任務，當設備管理人員確認磨輪已經更換後，授權磨邊機繼續工作。而磨邊機的磨輪電機電流狀態會在MES系統中記錄，形成設備故障預測。

通過MES系統，我們可以監控關鍵設備，如鋼化爐的運行狀態和鋼化的工藝參數，通過鋼化上片時條碼的記錄對應到每片玻璃，真正可以建立每一片玻璃的檔案信息。

所以MES是一套對生產現場綜合管理的集成系統。MES用集成的思想替代原來的設備管理、質量管理、生產排程，數據採集軟件等車間需要使用的孤立軟件系統。MES在信息化系統中具有承上啟下的作用，是一個信息樞紐，強調信息的實時性。MES從生產計劃的執行、生產過程的追溯、設備的正常高效使用、保證產品質量、進行工人排班及合理激勵等多個維度對生產現場進行集成管理。

以上論述的是在深加工工廠內的縱向集成，將所有資源整合在一起，形成統一的管理。進行工廠內核心業務之間的作業交換，實現信息集成和可視化。

如再進一步將最終客戶進行的各種業務往來（如詢價、諮詢、跟蹤、定貨、服務、維修、投訴）的信息集成在一起，並使之與企業的相關部門溝通共享，就需要CRM(客戶關係管理系統)。如果把更多層次的供應商，合作伙伴以及各節點的運輸，倉儲等信息集成進來，就形成了SCM（供應鏈關係系統）。這樣我們就形成了內部的縱向集成和橫向的社會集成，這就是玻璃深加工行業得互聯網+。

2.4 智能工廠不代表無人工廠

在工業4.0的環境下，要更深入的研究即將發生的人與技術，人與環境的互動，即使是工業4.0時代的智能工廠也不可能沒有人員的參與。智能工廠有可能甚至已經到達“黑燈車間”的狀態，但在其運作的背後需要少量的但更高素質的人。在智能工廠裡對於企業工作者的工作分工將更加模糊，普通員工和工程師或經理的界限將不再清晰。智能工廠要求企業工作者擁有不斷更新的知識和技能。

在工業4.0時代，技術融合度越高，靈活度，激烈度越高且信息世界與自己的傳統經驗越衝突，那結果就是企業工作者將逐漸失去處理事務的能力，由於工作的去實物化，業務與工作流程的信息化，將使得工作者對自己的工作日漸陌生。

所以在工業4.0時代，企業工作者應對於未來有更清醒的認識，對於靈活度，問題解決能力，獨立處理能力，溝通能力和自我組織能力都要提升，除了接受傳統的培訓外還要強化與崗位相關的自主式培訓，在未來，終身學習的必要性將比現在更突出。