基于MES 系統的浮法玻璃生產模式優化實踐研究

王中亮 侯英男

（中建材佳星玻璃（黑龍江）有限公司，黑龍江佳木斯 154000）

近年來，隨著國內制造業技術水平的不斷發展與提升，數字化建設的飛速發展，各企業逐漸建立起有利于自身發展的執行系統，如ERP、MES 等，系統之間的緊密結合能夠較好地迎合時代發展趨勢，一方面能夠企業提升企業工作效率，另一方面也能給企業帶來直觀的經濟效益，解決企業管理價值的現實問題。MES系統能夠以管理層、執行層的身份融入協同管理體系中，整個系統兼顧計劃排產、訂單管理、生產執行、過程跟蹤、設備管理、提出預警、決策分析等多項功能。經過對相關數據的采集與實踐分析，本文發現浮法玻璃企業同樣能夠通過MES 等系統間的配合來實現高效率的生產制造。

一、浮法玻璃與MES 系統相關理論綜述

（一）浮法玻璃

玻璃制造至少有3000 多年的歷史，早在古羅馬時代人們便開始將熔融的玻璃傾倒在平面上，然后用簡單的工具將其鋪平，這也是最原始的澆筑法。經過技術的不斷提升，人工吹制法、垂直引上法的先后出現，才實現了平板玻璃的量化生產。但是這種玻璃生產方式存在一定的缺點與不足，即玻璃玻筋重，透過玻璃看事物會產生一定的扭曲、變形，做成鏡子后會有明顯的成像缺陷[1]。

半個世紀后，浮法玻璃的出現引起了玻璃制造的重大變革。浮法玻璃生產巧妙地運用了玻璃的重力以及玻璃的表面張力，成形讓后的玻璃板足夠平整，如同被機械拋光一樣，光亮透明，而且大幅度地提高了生產效率，成為玻璃制造領域的一項重大發明。浮法玻璃的生產過程：首先利用高溫將石英石、精砂、石灰石、純堿、芒硝等原材料熔化，使其形成玻璃液，再根據錫液與玻璃液之間不溶的特點進行分割鋪展，隨后利用退火窯將高溫玻璃液進行冷卻退火，最終形成干凈、透明的浮法玻璃原片[2]。

（二）MES 系統

MES 系統即生產制造執行系統，是面向生產制造的一種管理工具、管理思想，涉及生產計劃、生產進度、質量管理、成本管理、設備管理等多個方面，是當下非常適用于制造業生產的一種輔助工具。起初美國先進制造研究機構將MES 系統定義為“位于上層計劃管理系統和底層工業控制之間的面向生產層面的管理信息系統”。制造執行系統協會對MES 的定義：“MES 能通過信息交互傳遞從客戶下達訂單到產品完成的整個生產過程進行優化管理。在此過程中發生不確定事件時，MES 可以及時發出預警及報告，并以相對準確的數據給予回復和處理”[3]。MES 系統的不斷提升與發展，也為制造業產品質量的提升和產品合格率的增加提供了有力保障。對于浮法玻璃而言，MES 系統能夠更加高效地進行數字化管理。

二、傳統浮法玻璃生產模式與特點

（一）浮法玻璃生產的主要流程

浮法玻璃生產主要分為4 個工段，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，將粒度及成分符合標準的各種原料，如石英石、精砂、純堿、芒硝等通過科學的配比稱量、混合，為玻璃生產提供合格的配合料，是玻璃生產4 個工段中最重要的部分[4]。熔化工段是將混合好的配合料經1600℃的高溫熔化，獲得符合成型要求的優質玻璃液。熔窯也被稱為浮法玻璃生產的“心臟”，是原料高溫燃燒的關鍵場所。成型工段是將經過高溫燃燒形成的玻璃液通過錫槽漂浮在錫液表面上，配合拉邊機，完成玻璃液的成型工作。此過程需要部分人員進行現場巡視，確保錫槽各區域設備的良好運行。退火工段是將成型的玻璃原片在輥道上傳送，通過斯坦因熱風工藝，來最大限度地消除玻璃板上的應力，實現退火、成型工作。雖然在此過程中能夠實現生產的自動化控制，但是數據采集匯總仍較為局限，沒能形成統一的規范管理[5]。

（二）傳統浮法玻璃生產中的痛點與不足

1.傳統手工生產模式下數據管理不到位

傳統的玻璃生產基本采用手工生產模式，工作人員根據經驗對原材料、設備等進行統籌安排，且形成的生產數據一般情況下也是依靠人工進行記錄、反饋，整體工作效率不高，容易出現生產信息的疏漏，造成生產數據的不準確。這主要是因為沒有高級排產算法，造成工序計劃編制不科學；任務沒有合理分派到班組，管理不夠精細；生產過程存在盲目性，生產負荷不均衡；計劃透明性差，易發生工作延誤。

2.傳統生產中設備管理不透明

傳統浮法玻璃生產過程存在“黑箱化”：一是現場管理不透明，訂單下發、配方下發、生產報工主要靠人工經驗完成，對一些重要工藝環節的控制不精確。二是設備管理不透明。設備維修保養與生產協同困難，計劃排產無法考慮設備維護計劃，且多廠模式下無法有效監控每個工廠的設備運行情況。這些都直接導致現場管理不到位、設備維護不協同等問題，不能有效地對廠區生產情況進行監測。

3.傳統玻璃生產質量控制滯后

玻璃生產企業主要以傳統生產工藝為主，實行粗放管理，對生產工藝調節、產品質量控制還主要靠“老師傅”經驗。玻璃缺陷種類和數量很難得到控制，良品率無法得到保障，高端玻璃生產裝備不得不依賴進口，導致玻璃成本居高不下，嚴重影響我國玻璃產品國際市場競爭力和客戶滿意度。究其原因，主要是質量控制滯后、質量標準體系缺失。

4.傳統生產設備管理效率低

隨著玻璃制造行業自動化程度的提高，以設備為主體進行玻璃制造的浮法玻璃企業的設備管理水平將直接影響生產以及備品備件的更換頻率和成本。雖然企業的自動化程度在逐漸提升，但仍存有一些不足，主要集中在以下方面：設備臺賬管理效率低；設備維修保養與生產協同困難，計劃排產無法考慮設備維護計劃；多廠模式下，不能有效監控每個工廠設備運行情況等方面。

5.傳統生產以人工為主，未對數據進行集中管理

玻璃工廠傳統的生產工藝、粗放的管理嚴重地阻礙了智能制造的發展，表現在各信息系統之間沒有實現集成，訂單下發、配方下放、生產報工主要依靠人工完成；生產操作主要依靠人工經驗，容易出錯；生產設備無法集中精準控制，一些重要的工藝環節無法實現協同控制。

6.各工段數據未能充分集成，容易形成“信息孤島”

近年來，玻璃生產總體水平大幅提升，機械化、自動化、智能化程度顯著提高，生產能力不斷增強。而玻璃倉儲系統作為玻璃加工生產系統中的重要組成部分，與玻璃生產的其他裝備相比，發展相對滯后。主要問題有：廠內物流運輸由人工駕駛叉車完成，人工情緒、車輛視覺盲區等容易造成人身傷害和財產損失；玻璃包裝、倉儲管理依靠手工記錄數據，導致數據錯誤率高、及時性差、統計成品率和倉儲管理先進先出不受控，無法為工藝優化決策提供支持；各工序獨自開展，彼此之間脫節。各流程間的任務狀況不能實行數據共享，也未能實現數據閉環控制，造成無效等待和資源浪費。

三、數字化建設MES 系統在浮法玻璃生產中的應用分析

隨著時代的發展，浮法玻璃技術也隨之得到發展，生產線也引入了缺陷檢測儀、優化切割等數字化設備。這些設備盡管在各工段都能夠很好地運作，但相互間尚未形成協同管理。這種情況容易出現生產數據的斷層，對后續工作執行會產生相應影響。MES 系統介入浮法玻璃生產中，能夠更加精準地對生產計劃進行定位，可以從公司級的角度傳達業務需求，同時也會更加準確地定位生產狀態。

（一）MES 系統在玻璃生產中的應用分析

1.完成產品全生命周期數字一體化建設，實現降本增效

浮法玻璃生產企業圍繞著產品設計、工藝設計、工藝流程開發，建立了數字化平臺，構建從產品數字化定義到智能制造、智慧運維的全生命周期數字化管理體系，充分利用計算建模、實時傳感、仿真技術等手段實現玻璃工廠在虛擬空間中的映射，以數字化紐帶貫穿整個產品生命周期，實現對生產制造全過程的監管，如圖1 所示。生產企業依據虛擬車間的變化及時調整生產工藝、優化生產參數，提升生產效率，實現數字化、智能化的設備管理，以及玻璃生產線設備生命周期數字化管理。同時，依托于現場數據收集與數字化平臺分析，減少相應的運維成本，能夠完成高質量的浮法玻璃生產。

圖1 數據管理平臺結構圖

2.打造數字化工廠的大數據應用，打通“信息孤島”

浮法玻璃生產企業應用MES 系統，可以打通“信息孤島”。企業通過生產工藝和設備運行數據的互聯互通，對生產設備、生產過程、產品運行數據進行采集、加工、分析與應用，并輔助應用機器學習和專家系統，最終實現產品生產制造的高質量運行。

3.實現產品全生命周期的可追溯，提升產品質量管控能力

浮法玻璃生產企業圍繞玻璃品控，探索形成了以質量管控為核心的產品全生命周期可追溯模式。MES 系統利用數據采集技術，通過產品賦碼、讀碼、信息關聯，形成從原料、原片到銷售終端的全鏈條“端到端”互聯互通。同時，系統可根據每日的動態業務數據按照管理的需求生成各類質量管理綜合報表，實現質量追溯與質量預測，為質量管理與質量改進提供分析的手段和工具。

4.打造以MES 系統為中心的企業管理模式，實現生產集中管控

浮法玻璃生產企業應用MES 系統，可積極打造以MES 系統為核心的數字化、智能化工廠，實現智能生產與生產控制的一體化管控。企業基于工業互聯網實現設備和MES 的互聯互通，實現生產管理與生產控制的一體化管控。MES系統通過設備狀態感知、實時分析、自主決策、精準執行，實現智能生產排產調度、智能生產、智能質量管控、智能物料管理、智能監控分析，進而實現全面的精細化、精準化、自動化、信息化、智能化的管理與控制。

（二）浮法玻璃生產線MES 系統應用的管理模式與方向

1.構建云邊協同的玻璃數字化工廠

浮法玻璃生產企業以企業私有云接入行業公有云的云邊協同為基本架構理念，在工廠邊緣云提供工控系統、制造設備、傳感儀器、工業網關等設備的互聯，以及包括數據采集、過濾、匯聚、共享等數據的互通，在行業中心云提供業務和應用彈性擴容，基于數字化應用提供建模工具、開發模型、組態工具，運用沉淀的工廠基建模型和數據（如工程設計圖紙資料、設備資料、安裝調試等資料和數據）進行玻璃工廠數字化建模。工廠模型是基于ISA-95 的工廠模型，采用圖形化界面以方便靈活地建立生產標準模型，并定義對象之間的關系。工廠模型由實體模型、產品模型、工藝模型組合形成，可完整體現整個工廠設備、產品、工藝及生產管理邏輯，構建虛擬化的數字工廠，為生產執行、生產管理奠定基礎。

2.構建平臺化、中心化、集中化的數據管理模式

浮法玻璃生產企業用數據為企業經濟“造影”，通過搭建數據治理架構、建立數據治理體系、形成數據標準、開展分類分級、管理元數據、提升數據質量、控制數據安全，讓數據發揮出最大的效益；通過建立行業級的統一數據中心，實現數據資產的最大化利用。

在工廠建模完成的基礎上，企業可建立數據監控平臺，連接各個生產運行設備進行實時的數據采集和監控，并與設備管理、檢修管理、運行管理、安全管理融合，及時反映設備運行趨勢，為設備運行維護提供重要依據。在生產執行方面，將玻璃工廠MES 系統與ERP 系統、條碼系統、質量系統、銷售管理平臺進行集成，協同進行數據監控，以生產供應鏈管理為核心，對市場、需求、訂單、原材料采購、生產、庫存、供應、分銷發貨等進行管理，實現對設備、人員、物流、工藝、質量、安全、環保等生產運行情況的集中調度和優化配置。

3.建立玻璃工廠數字化協同新模式

浮法玻璃生產企業可構建模塊化、模型驅動的玻璃工廠研發設計體系，建立以知識工程和導航式研發為核心的研發技術支撐體系，建立多專業協同研發模式，借助設計仿真分析一體化工具和設計環境，有效提升設計質量，提高研發設計工作的創新能力和創新效率，完成關鍵設計部分的數字化建設。同時，完成業務板塊之間數據協同的驗證及協同數據平臺的建設，實現施工、采購、供應鏈的業務系統集成和業務協同，實現基于KPI的核心數據分析報表，并實時展示基于物項的追蹤、管控，如圖2 所示。

圖2 數字化基礎模型架構

四、MES 系統在浮法玻璃應用后的實踐效果

（一）生產排產柔性化

利用MES 系統的有效介入，可以建立生產計劃與排產系統，該系統通過可視化數據完成對材料、設備、人員的跟蹤，通過智能算法達成浮法玻璃的柔性化生產。這主要體現在通過對生產計劃的快速分解，做出浮法玻璃設備能力限度內的排產計劃。一方面能夠完成車間生產管理的任務下達，達到快速響應、協同制造的目的；另一方面通過對浮法生產線生產數據的提取，為相關管理人員提供數據分析，最終使其擺脫了生產中各類手工統計報表的局限性，在系統中隨時進行各類數據的統計、分析，為管理層做決策提供依據。

（二）生產作業數字化

生產作業數字化能夠全面、及時地反映整個公司的生產運營狀況，與數據采集與監視控制系統（SCADA）、安防監視系統（VSCS）、分布式集散控制系統（DCS）等高度集成，有助于企業管理層通過系統可對關鍵業務進行管理分析，進而做出正確的預測與判斷。此過程中生產所需的相關數據報表可自動生成，能夠實現信息采集應用后的分析跨越。

MES 系統可對重要的經濟指標與歷史數據、計算目標進行比較分析，進而得到綜合評價指標，并以管理中央控制室BI 大屏的形式加以展現。對上可以宏觀展示公司整體運營情況，對下可以為生產班組開展生產工作提供實時指導數據。同時，生產績效、質量等情況展示讓生產變得更加透明高效，從而為員工激勵提供有效的依據。

（三）過程質量可追溯

浮法玻璃生產企業通過對研發設計、工程施工、生產制造及智慧運維全流程的質量管控，使質量管理從結果導向模式轉型為事前有計劃、事中有控制、事后有分析的全過程管理控制模式。通過系統對玻璃生產各工序的生產質量、工藝數據進行收集，并做進一步分析，形成指導各部門工作的指令，進而將其作為質量管理考核的依據。

浮法玻璃生產企業通過建立以質量指標控制為核心的質量控制體系；建立質量標準體系，將質量標準、質量管理標準融入質量管理過程，有效控制玻璃了缺陷種類及數量，顯著提高了良品率。

實現質量事中控制可解決質量控制的滯后性問題。MES 系統可對質量控制過程指標偏差進行自動預警，提示生產管理人員及時調整工藝配比，提高了生產質量過程控制的及時性、準確性。系統利用生產過程質量偏差分析相關影響因素，通過對產品質量關鍵指標進行趨勢分析、偏差分析、預測，實現對質量的全過程追溯、分析、預測。

玻璃智能工廠質量管理解決方案落地實施，打破了研發設計、工程建造、生產制造、智慧運維及智能倉儲之間的“數據壁壘”，通過協同創新，實現了質量的全過程追溯、分析、預測，實現了生產工藝優化，創造了質量效益，對玻璃行業質量管理具有很強的引領示范作用。

（四）生產設備自我管理

浮法玻璃相關企業通過全過程、全方位、全生命周期的設備管理手段以及先進規范的設備管理理念，最終形成了一套完善的玻璃生產設備自管理系統。主要取得的成效有：通過應用MES 系統建立了完善的設備臺賬，實現了精確的設備分級分層管理；建立了體系化的設備維修、保養策略，從而保障設備的順利使用，降低了設備故障率和事故率，避免人為原因造成的損失；通過建設管理系統，合理降低維修保養成本、能耗和其他各種損耗，從而降低整體運營成本，提高經濟效益。

（五）生產管理透明化

浮法玻璃生產企業通過物聯網平臺實現設備和MES 系統的互聯互通，實現生產管理與生產控制的一體化管控。通過設備狀態感知、實時分析、自主決策、精準執行的自組織生產，實現智能生產排產調度、智能生產、智能質量管控、智能物料管理、智能監控分析，進而實現全面的精細化、精準化、自動化、信息化、智能化的管理與控制。在信息技術的支撐下，打造標桿智能工廠，并且總結推廣可復制的經驗、做法，為行業企業建設智能工廠提供示范和參考，推進行業數字化轉型與健康有序發展。

（六）包裝物流智能化

工業機器人，集成了高度的機械化、自動化、網絡化技術（圖3）。一方面，通過定制化設計抓手夾具、工件操作臺等實現玻璃加工工藝中的抓取、上料、下料、移位、翻轉等工序；另一方面，不斷更新各種接口與外部集成，如視覺、MES、節能、安全等。浮法玻璃生產企業以工業機器人代替人工，不僅自動化程度高，安全性能強，還可以極大提高產品品質與生產效率。

圖3 智能機械手抓取玻璃

同時，也能通過智能化生產，明確批次生產任務所需求的資源，協助指導生產人員組織、生產原材料準備、生產機器準備，使生產組織有序，資源安排合理，降低安全事故風險。此外，機器人可監控生產過程，實時反饋設備狀態、生產進度、監控的過程參數，對可能出現的故障進行預警，對已經發生的故障進行有效應對。該數字化、智能化技術的應用有效保證了貨物包裝、倉庫管理各個環節數據輸入的效率和準確性，合理控制企業庫存，對庫存貨物的批次、保質期等方面進行有效管理。

（七）經營管理服務高效化

為了實現經營管理服務的高效化，玻璃企業按照“頂層規劃、目標導向、分步實施、價值可視”的建設思路，采取“規劃設計自上而下、數據匯聚自下而上”的方法，搭建了公司運營管理大數據平臺，通過數據智能化應用，創新管理模式，提升管理效率與效益，用數據輔助決策，具體管理包括以下兩個方面。

1.系統全面集成，實現產供銷一體化高效協同

結合企業資源計劃（ERP）、產品全生命周期管理（PLM）及高級計劃與排產（APS）等各個業務管理系統，通過對應的平臺建設，實現對原有的數據獲取、轉化、核對等往復性工作的智能化分析整理，使管理者能夠了解更多的生產數據。

搭建一體化智能BI 分析平臺，實現數據的統一接入、分析、輸出；構建統一的數據管理平臺，基于數字化建設標準體系實現底層模型建設；建設多級業務層，實現多場景分析；對接目前所有業務系統的預留接口，銜接構建綜合、全面的駕駛艙分析平臺，作為業務報表查詢、輸入輸出、數據補錄的統一口徑，實現管理條線中心化。管理思路通過平臺系統無障礙落地。

建立統一的指標體系。在一個平臺的基礎上，統一數據倉庫以及統一報表規范，將現有的收入成本數據、客戶數據、供應商數據、資金數據等內容按照規范統一接入數據倉庫平臺中，按照規范性標準建設統一模型，搭建可擴展、高性能的基礎層。同時，建立分析體系的報表規范，將分析指標、計算邏輯標準化，實現跨部門、跨業務主題的分析語言統一化，實現呈現方式、報表UI 風格的統一化，查看與分析平臺的統一化，并基于業務的分析實現一體化應用標準，保障企業的數字化分析得到高效應用。

規劃3 個功能層級（圖4）。決策層以管理中央控制室為平臺進行核心指標監控，用數據驅動業務方向，為領導提供決策支持；業務層以自動化報表和固定報表為工具滿足日常數據的快速查詢，支持鉆取穿透以實現部門報表數據的分析，為業務層人員提供數據分析及預警支撐；IT 層以敏捷報表及完整數據倉庫為工具，支持快速開發、自主維護，實現報表的自動化出具，滿足需求的靈活變化。

圖4 層級結構

2.借助人工智能及專家系統，助力快速、精準決策

數據標準定義（數據層）：統一對接各業務系統數據，對分析層指標規范內容進行定義，搭建標準化數據倉庫。駕駛艙預警場景建設（功能層）：基于管理業務規劃，選擇可視化展現工具，為前端可視化預警分析場景提供基礎。業務分析場景建設（應用層）：基于管理單元與業務模塊對分析場景進行規劃，通過各類可視化方式進行展現。

多層級的分析設計能夠為領導層或監管層提供決策支持，為管理層提供數據分析和挖掘，為業務層提供個性化的數據支持服務。在數據分析呈現后，可以進一步識別各層級的異常點，再通過局部探索的方式找到問題并解決問題。

五、結語

綜上所述，MES 系統在優質浮法玻璃生產企業的應用中具有一定成效，不僅在生產協同、質量管理、成本管理方面有所幫助，同時也能夠提高玻璃生產效率，提升企業管理能力，增強生產的透明度，提高執行與分析能力，對浮法玻璃生產線的集中管理起到了促進作用。伴隨我國產業轉型升級進程的不斷加快，智能化、數字化建設已經成為各大產業的發展趨勢，以MES 系統建設為基礎，積極使用制造業先進的生產控制技術，提升數字化建設水平，能夠為浮法玻璃生產企業的長遠發展提供支持，也能為玻璃產業的持續推進提供幫助。