建材工业智能制造数字转型大家谈|智能冷端实现玻璃工厂的柔性生产

■常郑 盛嘉诚玻璃不仅是人类生活的必需品，更是推动工业发展、社会进步和军事强国的重要材料。
进入21世纪以来，随着科技的飞速发展，玻璃应用场景不断延伸，玻璃发展成为新一代信息显示、新能源、航空航天、国防军工、核工业、生物医药、绿色建筑和海洋工程等高新技术领域的基础和导引材料，成为国民经济发展、国防工业建设的重要基石，对产业链、供应链的安全稳定至关重要。
近期，中国建材国际工程集团有限公司（以下简称国际工程）“玻璃行业智能化冷端”成功入选工业和信息化部原材料工业司2022年60个建材工业智能制造数字转型典型案例中单项应用案例。
大连智能冷端生产线 国际工程/供图国际工程从优质浮法玻璃生产线中的冷端入手，结合多年玻璃生产的实践经验，对冷端生产线进行智能化改造，以达到降低故障风险、减少人力成本、提高工作效率的目的。
本项目研发的优质浮法玻璃生产线智能冷端技术及装备提升了国内优质浮法玻璃智能装备的研究、设计、制造和全线的智能化能力和水平，并达到核心部件、核心算法和核心技术全部国产化，打破了国外垄断，填补了国内空白，解决了“卡脖子”难题，使该技术从跟跑发展至领跑。
目前该技术成果已成功应用于河南商丘中联一线、河南洛阳龙昊650吨生产线、河南商丘中联二线等数十个项目，实现了生产过程高效透明管理，生产故障风险率降低了50%，员工工作效率提高了20%，人力成本降低了25%，极大提升了企业生产智能化水平和企业竞争力。
后续该成果将在沙特生产线和卢森堡生产线上进行使用，这也将成为发达国家玻璃工业巨头应用该技术成果的典型案例。
以优化切割为核心玻璃原片生产过程中难免存在原片含有杂质存在缺陷的现象。
在普通浮法冷端中，玻璃切割方式固定，当玻璃表面出现缺陷时，整片玻璃都需要进行落板破碎，浪费严重。
而智能浮法冷端是根据缺陷在玻璃表面的位置，进行多订单优化切割，将废品玻璃面积尽量减少，从而提高玻璃的成品率。
浮法玻璃的玻璃带是一条近似于无限长的玻璃板，最理想的状态是在该无限长的玻璃板上根据缺陷的位置和订单尺寸及等级要求，将最优的切裁方案排出来。
由于生产线布局限制，实际优化计算的距离是有限的。
在生产线上，通常会根据技术要求，布置5～20米的优化排板距离。
因此浮法玻璃在线优化可以转化为有限长度和宽度下求最优解问题。
将玻璃板面的缺陷分布、玻璃订单尺寸、玻璃等级定义、原板净板宽等因素进行综合考量，规划出多种切割排布策略，计算每一种排布策略下的可行解，得到最优化的方案， 综合设计出基于缺陷信息的二维度玻璃优化系统。
优质浮法玻璃冷端玻璃来片周期普遍较快，系统需要在短时间内检测出玻璃板拉引速度，保证玻璃板切割时机的准确性。
冷端测速系统由自主研发的自适应测速算法，以及两套双轮测速装置与增量型编码器构成，通过分析板面横向切长误差，对自适应环境温度进行测速。
由于加工、安装等误差，编码器读取速度难以反映实际玻璃速度，接触轮和测量轮的偏心会在实际速度中叠加两个频率耦合的波动信号。
该系统采用窗口可自适应变化的滑动平均滤波器，达到获取真实速度的情况下兼顾稳态和动态性能。
为了消除滤波后的相位滞后，使用先进先出（FIFO）原则, 把队列中的N个数据进行算术平均运算, 获得新的滤波结果,并将结果存入滤波后的数组中，经过分析测算可以得到自适应变滑动窗口速度滤波。
智能浮法冷端和关键技术对切割系统的精度和稳定性要求都比普通浮法玻璃冷端高。
理想的切割伺服系统仅考虑电机和变流器内部的电气模型，通过建模以获得良好的响应特性。
实际系统考虑到负载及电机和负载间的连接耦合方式，与理想系统存在较大差异，需要对切割系统负载进行匹配和调整，使得切割精度和稳定性达到智能冷端装备的要求。
该系统通过采用前馈方法与考虑负载特性的控制方式对控制器进行优化，获得了良好的动态和稳态性能，有效提升了横切机的切割精度和稳定性。
优化系统、测速系统与切割系统三大部分共同构成浮法玻璃冷端核心的优化切割系统。
多系统协同制造在浮法玻璃冷端中，生产企业的迫切需求是对冷端装备进行智能化升级，改变目前生产线普遍存在的生产形式单一的局面。
国际工程对优质浮法玻璃生产线的智能冷端改造中，除了引入核心的优化切割系统，还创新性引入多项子系统协同配合玻璃工厂冷端制造。
开发多通路智能路由的玻璃立体输送技术，放大玻璃来片周期，再通过成组配合，让玻璃来片周期放大至开始的四倍，从而解决节拍时间快的问题。
由于浮法玻璃冷端所切割的玻璃原片大小不一，为了实现分片目的，研发人员设计了长度不同分片辊道，每段辊道用独立的电机控制。
针对不同长度、不同数量的玻璃采用不同参数的控制流程，达到对成组玻璃分片和拉开距离的目的，使得后续机械手取片位能够有足够的空间和时间取走相应的玻璃。
研发基于三层拓扑的冷端系统网络结构，采用网络分层技术，将复杂的系统进行条例化和模块化处理，有效提高系统的稳定性并有利于系统的维护。
打通缺陷检测系统与优化系统之间网络通讯，实现缺陷检测系统与优化系统的数据交换，优化系统可以完全接收到缺陷检测系统检测到的所有玻璃表面缺陷，缺陷检测系统可以接受优化系统的优化刀痕线，辅助缺陷系统精确地进行缺陷位置的校正。
（作者单位：中国建材国际工程集团有限公司）本文原载于《中国建材报》11月28日5版责编：丁涛校对：和新龙监审：贺丹