如(rú)何打造工業4.0時(shí)代的智能(néng)工廠
近年來(lái)，智能(néng)制造熱潮席卷神州大地，成為(wèi)推進“中國制造2025”國家戰略最重要的舉措。其中，智能(néng)工廠（Smart Factory）作(zuò)為(wèi)智能(néng)制造重要的實踐領域，已引起了(le)制造企業的廣泛關(guān)注和各級政府的高度重視(shì)。
本文将分(fēn)析國内外智能(néng)工廠建設的現(xiàn)狀與問題，智能(néng)工廠的内涵，以及推進智能(néng)工廠建設的成功之道。
一(yī)、國内外智能(néng)工廠建設的現(xiàn)狀分(fēn)析
近年來(lái)，全球各主要經濟體(tǐ)都在大力推進制造業的複興。在工業4.0、工業互聯網、物聯網、雲計算(suàn)等熱潮下(xià)，全球衆多優秀制造企業都開展了(le)智能(néng)工廠建設實踐。
例如(rú)，西(xī)門子(zǐ)安貝格電子(zǐ)工廠實現(xiàn)了(le)多品種工控機的混線生(shēng)産；FANUC公司實現(xiàn)了(le)機器(qì)人(rén)和伺服電機生(shēng)産過程的高度自動化(huà)和智能(néng)化(huà)，并利用自動化(huà)立體(tǐ)倉庫在車間(jiān)内的各個(gè)智能(néng)制造單元之間(jiān)傳遞物料，實現(xiàn)了(le)最高720小時(shí)無人(rén)值守；施耐德電氣實現(xiàn)了(le)電氣開關(guān)制造和包裝過程的全自動化(huà)；美國哈雷戴維森公司廣泛利用以加工中心和機器(qì)人(rén)構成的智能(néng)制造單元，實現(xiàn)大批量定制；三菱電機名古屋制作(zuò)所采用人(rén)機結合的新(xīn)型機器(qì)人(rén)裝配産線，實現(xiàn)從自動化(huà)到智能(néng)化(huà)的轉變，顯著提高了(le)單位生(shēng)産面積的産量；全球重卡巨頭MAN公司搭建了(le)完備的廠内物流體(tǐ)系，利用AGV裝載進行裝配的部件和整車，便于靈活調整裝配線，并建立了(le)物料超市(shì)，取得明顯成效。
當前，我國制造企業面臨着巨大的轉型壓力。一(yī)方面，勞動力成本迅速攀升、産能(néng)過剩、競争激烈、客戶個(gè)性化(huà)需求日益增長等因素，迫使制造企業從低(dī)成本競争策略轉向建立差異化(huà)競争優勢。在工廠層面，制造企業面臨着招工難，以及缺乏專業技師的巨大壓力，必須實現(xiàn)減員(yuán)增效，迫切需要推進智能(néng)工廠建設。另一(yī)方面，物聯網、協作(zuò)機器(qì)人(rén)、增材制造、預測性維護、機器(qì)視(shì)覺等新(xīn)興技術迅速興起，為(wèi)制造企業推進智能(néng)工廠建設提供了(le)良好(hǎo)(hǎo)的技術支撐。再加上(shàng)國家和地方政府的大力扶持，使各行業越來(lái)越多的大中型企業開啓了(le)智能(néng)工廠建設的征程。
我國汽車、家電、軌道交通、食品飲料、制藥、裝備制造、家居等行業的企業對生(shēng)産和裝配線進行自動化(huà)、智能(néng)化(huà)改造，以及建立全新(xīn)的智能(néng)工廠的需求十分(fēn)旺盛，湧現(xiàn)出海爾、美的、東莞勁勝、尚品宅配等智能(néng)工廠建設的樣闆。
例如(rú)，海爾佛山滾筒洗衣機工廠可以實現(xiàn)按訂單配置、生(shēng)産和裝配，采用高柔性的自動無人(rén)生(shēng)産線，廣泛應用精密裝配機器(qì)人(rén)，采用MES系統全程訂單執行管理(lǐ)系統，通過RFID進行全程追溯，實現(xiàn)了(le)機機互聯、機物互聯和人(rén)機互聯；尚品宅配實現(xiàn)了(le)從款式設計到構造尺寸的全方位個(gè)性定制，建立了(le)高度智能(néng)化(huà)的生(shēng)産加工控制系統，能(néng)夠滿足消費者個(gè)性化(huà)定制所産生(shēng)的特殊尺寸與構造闆材的切削加工需求；東莞勁勝全面采用國産加工中心、國産數控系統和國産工業軟件，實現(xiàn)了(le)設備數據的自動采集和車間(jiān)聯網，建立了(le)工廠的數字映射模型（Digital Twin），構建了(le)手機殼加工的智能(néng)工廠。
但(dàn)是，我國制造企業在推進智能(néng)工廠建設方面，還存在諸多問題與誤區：
① 盲目購(gòu)買自動化(huà)設備和自動化(huà)産線。很多制造企業仍然認為(wèi)推進智能(néng)工廠就(jiù)是自動化(huà)和機器(qì)人(rén)化(huà)，盲目追求“黑燈工廠”，推進單工位的機器(qì)人(rén)改造，推行機器(qì)換人(rén)，上(shàng)馬隻能(néng)加工或裝配單一(yī)産品的剛性自動化(huà)生(shēng)産線。隻注重購(gòu)買高端數控設備，但(dàn)卻沒有配備相應的軟件系統。
② 尚未實現(xiàn)設備數據的自動采集和車間(jiān)聯網。企業在購(gòu)買設備時(shí)沒有要求開放(fàng)數據接口，大部分(fēn)設備還不能(néng)自動采集數據，沒有實現(xiàn)車間(jiān)聯網。目前，各大自動化(huà)廠商(shāng)都有自己的工業總線和通信協議(yì)，OPC UA标準的應用還不普及。
③ 工廠運營層還是黑箱。在工廠運營方面還缺乏信息系統支撐，車間(jiān)仍然是一(yī)個(gè)黑箱，生(shēng)産過程還難以實現(xiàn)全程追溯，與生(shēng)産管理(lǐ)息息相關(guān)的制造BOM數據、工時(shí)數據也(yě)不準确。
④ 設備績效不高。生(shēng)産設備沒有得到充分(fēn)利用，設備的健康狀态未進行有效管理(lǐ)，常常由于設備故障造成非計劃性停機，影響生(shēng)産。
⑤ 依然存在大量信息化(huà)孤島和自動化(huà)孤島。智能(néng)工廠建設涉及到智能(néng)裝備、自動化(huà)控制、傳感器(qì)、工業軟件等領域的供應商(shāng)，集成難度很大。很多企業不僅存在諸多信息孤島，也(yě)存在很多自動化(huà)孤島，自動化(huà)生(shēng)産線沒有進行統一(yī)規劃，生(shēng)産線之間(jiān)還需要中轉庫轉運。
究其原因，是智能(néng)制造和智能(néng)工廠涵蓋領域很多，系統極其複雜，企業還缺乏深刻理(lǐ)解。在這(zhè)種狀況下(xià)，制造企業不能(néng)貿然推進，搞“大躍進”，以免造成企業的投資打水漂。應當依托有實戰經驗的咨詢服務(wù)機構，結合企業内部的IT、自動化(huà)和精益團隊，高層積極參與，根據企業的産品和生(shēng)産工藝，做好(hǎo)(hǎo)需求分(fēn)析和整體(tǐ)規劃，在此基礎上(shàng)穩妥推進，才能(néng)取得實效。
二、何謂智能(néng)工廠？
究竟何謂智能(néng)工廠？智能(néng)工廠具有以下(xià)六個(gè)顯著特征：
① 設備互聯。能(néng)夠實現(xiàn)設備與設備互聯（M2M），通過與設備控制系統集成，以及外接傳感器(qì)等方式，由SCADA（數據采集與監控系統）實時(shí)采集設備的狀态，生(shēng)産完工的信息、質量信息，并通過應用RFID（無線射頻技術）、條碼（一(yī)維和二維）等技術，實現(xiàn)生(shēng)産過程的可追溯。
② 廣泛應用工業軟件。廣泛應用MES（制造執行系統）、APS（先進生(shēng)産排程）、能(néng)源管理(lǐ)、質量管理(lǐ)等工業軟件，實現(xiàn)生(shēng)産現(xiàn)場(chǎng)的可視(shì)化(huà)和透明化(huà)。在新(xīn)建工廠時(shí)，可以通過數字化(huà)工廠仿真軟件，進行設備和産線布局、工廠物流、人(rén)機工程等仿真，确保工廠結構合理(lǐ)。在推進數字化(huà)轉型的過程中，必須确保工廠的數據安全和設備和自動化(huà)系統安全。在通過專業檢測設備檢出次品時(shí)，不僅要能(néng)夠自動與合格品分(fēn)流，而且能(néng)夠通過SPC（統計過程控制）等軟件，分(fēn)析出現(xiàn)質量問題的原因。
③ 充分(fēn)結合精益生(shēng)産理(lǐ)念。充分(fēn)體(tǐ)現(xiàn)工業工程和精益生(shēng)産的理(lǐ)念，能(néng)夠實現(xiàn)按訂單驅動，拉動式生(shēng)産，盡量減少在制品庫存，消除浪費。推進智能(néng)工廠建設要充分(fēn)結合企業産品和工藝特點。在研發階段也(yě)需要大力推進标準化(huà)、模塊化(huà)和系列化(huà)，奠定推進精益生(shēng)産的基礎。
④ 實現(xiàn)柔性自動化(huà)。結合企業的産品和生(shēng)産特點，持續提升生(shēng)産、檢測和工廠物流的自動化(huà)程度。産品品種少、生(shēng)産批量大的企業可以實現(xiàn)高度自動化(huà)，乃至建立黑燈工廠；小批量、多品種的企業則應當注重少人(rén)化(huà)、人(rén)機結合，不要盲目推進自動化(huà)，應當特别注重建立智能(néng)制造單元。工廠的自動化(huà)生(shēng)産線和裝配線應當适當考慮冗餘，避免由于關(guān)鍵設備故障而停線；同時(shí)，應當充分(fēn)考慮如(rú)何快(kuài)速換模，能(néng)夠适應多品種的混線生(shēng)産。物流自動化(huà)對于實現(xiàn)智能(néng)工廠至關(guān)重要，企業可以通過AGV、行架式機械手、懸挂式輸送鏈等物流設備實現(xiàn)工序之間(jiān)的物料傳遞，并配置物料超市(shì)，盡量将物料配送到線邊。質量檢測的自動化(huà)也(yě)非常重要，機器(qì)視(shì)覺在智能(néng)工廠的應用将會越來(lái)越廣泛。此外，還需要仔細考慮如(rú)何使用助力設備，減輕工人(rén)勞動強度。
⑤ 注重環境友好(hǎo)(hǎo)，實現(xiàn)綠(lǜ)色制造。能(néng)夠及時(shí)采集設備和産線的能(néng)源消耗，實現(xiàn)能(néng)源高效利用。在危險和存在污染的環節，優先用機器(qì)人(rén)替代人(rén)工，能(néng)夠實現(xiàn)廢料的回收和再利用。
⑥ 可以實現(xiàn)實時(shí)洞察。從生(shēng)産排産指令的下(xià)達到完工信息的反饋，實現(xiàn)閉環。通過建立生(shēng)産指揮系統，實時(shí)洞察工廠的生(shēng)産、質量、能(néng)耗和設備狀态信息，避免非計劃性停機。通過建立工廠的Digital Twin（數字映射），方便地洞察生(shēng)産現(xiàn)場(chǎng)的狀态，輔助各級管理(lǐ)人(rén)員(yuán)做出正确決策。
僅有自動化(huà)生(shēng)産線和工業機器(qì)人(rén)的工廠，還不能(néng)稱為(wèi)智能(néng)工廠。智能(néng)工廠不僅生(shēng)産過程應實現(xiàn)自動化(huà)、透明化(huà)、可視(shì)化(huà)、精益化(huà)，而且，在産品檢測、質量檢驗和分(fēn)析、生(shēng)産物流等環節也(yě)應當與生(shēng)産過程實現(xiàn)閉環集成。一(yī)個(gè)工廠的多個(gè)車間(jiān)之間(jiān)也(yě)要實現(xiàn)信息共享、準時(shí)配送和協同作(zuò)業。
智能(néng)工廠的建設充分(fēn)融合了(le)信息技術、先進制造技術、自動化(huà)技術、通信技術和人(rén)工智能(néng)技術。每個(gè)企業在建設智能(néng)工廠時(shí)，都應該考慮如(rú)何能(néng)夠有效融合這(zhè)五大領域的新(xīn)興技術，與企業的産品特點和制造工藝緊密結合，确定自身(shēn)的智能(néng)工廠推進方案。
三、智能(néng)工廠的體(tǐ)系架構
著名業務(wù)流程管理(lǐ)專家August-Wilhelm Scheer教授提出的智能(néng)工廠框架強調了(le)MES系統在智能(néng)工廠建設中的樞紐作(zuò)用。
智能(néng)工廠可以分(fēn)為(wèi)基礎設施層、智能(néng)裝備層、智能(néng)産線層、智能(néng)車間(jiān)層和工廠管控層五個(gè)層級：
① 基礎設施層
企業首先應當建立有線或者無線的工廠網絡，實現(xiàn)生(shēng)産指令的自動下(xià)達和設備與産線信息的自動采集；形成集成化(huà)的車間(jiān)聯網環境，解決不同通訊協議(yì)的設備之間(jiān)，以及PLC、CNC、機器(qì)人(rén)、儀表/傳感器(qì)和工控/IT系統之間(jiān)的聯網問題；利用視(shì)頻監控系統對車間(jiān)的環境，人(rén)員(yuán)行為(wèi)進行監控、識别與報(bào)警；此外，工廠應當在溫度、濕度、潔淨度的控制和工業安全（包括工業自動化(huà)系統的安全、生(shēng)産環境的安全和人(rén)員(yuán)安全）等方面達到智能(néng)化(huà)水平。
② 智能(néng)裝備層
智能(néng)裝備是智能(néng)工廠運作(zuò)的重要手段和工具。智能(néng)裝備主要包含智能(néng)生(shēng)産設備、智能(néng)檢測設備和智能(néng)物流設備。制造裝備在經曆了(le)機械裝備到數控裝備後，目前正在逐步向智能(néng)裝備發展。智能(néng)化(huà)的加工中心具有誤差補償、溫度補償等功能(néng)，能(néng)夠實現(xiàn)邊檢測、邊加工。工業機器(qì)人(rén)通過集成視(shì)覺、力覺等傳感器(qì)，能(néng)夠準确識别工件，自主進行裝配，自動避讓人(rén)，實現(xiàn)人(rén)機協作(zuò)。金(jīn)屬增材制造設備可以直接制造零件，DMG MORI已開發出能(néng)夠實現(xiàn)同時(shí)實現(xiàn)增材制造和切削加工的混合制造加工中心。智能(néng)物流設備則包括自動化(huà)立體(tǐ)倉庫、智能(néng)夾具、AGV、桁架式機械手、懸挂式輸送鏈等。例如(rú)，Fanuc工廠就(jiù)應用了(le)自動化(huà)立體(tǐ)倉庫作(zuò)為(wèi)智能(néng)加工單元之間(jiān)的物料傳遞工具。
③ 智能(néng)産線層
智能(néng)産線的特點是，在生(shēng)産和裝配的過程中，能(néng)夠通過傳感器(qì)、數控系統或RFID自動進行生(shēng)産、質量、能(néng)耗、設備績效（OEE）等數據采集，并通過電子(zǐ)看闆顯示實時(shí)的生(shēng)産狀态；通過安燈系統實現(xiàn)工序之間(jiān)的協作(zuò)；生(shēng)産線能(néng)夠實現(xiàn)快(kuài)速換模，實現(xiàn)柔性自動化(huà)；能(néng)夠支持多種相似産品的混線生(shēng)産和裝配，靈活調整工藝，适應小批量、多品種的生(shēng)産模式；具有一(yī)定冗餘，如(rú)果生(shēng)産線上(shàng)有設備出現(xiàn)故障，能(néng)夠調整到其他設備生(shēng)産；針對人(rén)工操作(zuò)的工位，能(néng)夠給予智能(néng)的提示。
④ 智能(néng)車間(jiān)層
要實現(xiàn)對生(shēng)産過程進行有效管控，需要在設備聯網的基礎上(shàng)，利用制造執行系統（MES）、先進生(shēng)産排産（APS）、勞動力管理(lǐ)等軟件進行高效的生(shēng)産排産和合理(lǐ)的人(rén)員(yuán)排班，提高設備利用率（OEE），實現(xiàn)生(shēng)産過程的追溯，減少在制品庫存，應用人(rén)機界面（HMI），以及工業平闆等移動終端，實現(xiàn)生(shēng)産過程的無紙化(huà)。另外，還可以利用Digital Twin(數字映射)技術将MES系統采集到的數據在虛拟的三維車間(jiān)模型中實時(shí)地展現(xiàn)出來(lái)，不僅提供車間(jiān)的VR（虛拟現(xiàn)實）環境，而且還可以顯示設備的實際狀态，實現(xiàn)虛實融合。
車間(jiān)物流的智能(néng)化(huà)對于實現(xiàn)智能(néng)工廠至關(guān)重要。企業需要充分(fēn)利用智能(néng)物流裝備實現(xiàn)生(shēng)産過程中所需物料的及時(shí)配送。企業可以用DPS系統(Digital Picking System)實現(xiàn)物料揀選的自動化(huà)。
⑤ 工廠管控層
工廠管控層主要是實現(xiàn)對生(shēng)産過程的監控，通過生(shēng)産指揮系統實時(shí)洞察工廠的運營，實現(xiàn)多個(gè)車間(jiān)之間(jiān)的協作(zuò)和資源的調度。流程制造企業已廣泛應用DCS或PLC控制系統進行生(shēng)産管控，近年來(lái)，離散制造企業也(yě)開始建立中央控制室，實時(shí)顯示工廠的運營數據和圖表，展示設備的運行狀态，并可以通過圖像識别技術對視(shì)頻監控中發現(xiàn)的問題進行自動報(bào)警。
四、智能(néng)工廠的成功之道
① 進行智能(néng)工廠整體(tǐ)規劃
智能(néng)工廠的建設需要實現(xiàn)IT系統與自動化(huà)系統的信息集成；處理(lǐ)來(lái)源多樣的異構數據，包括設備、生(shēng)産、物料、質量、能(néng)耗等海量數據；應當進行科學的廠房(fáng)布局規劃，在滿足生(shēng)産工藝要求，優化(huà)業務(wù)流程的基礎上(shàng)，提升物流效率，提高工人(rén)工作(zuò)的舒适程度。智能(néng)工廠的推進需要企業的IT部門、自動化(huà)部門、精益推進部門和業務(wù)部門的通力合作(zuò)。制造企業應當做好(hǎo)(hǎo)智能(néng)工廠相關(guān)技術的培訓，選擇有實戰經驗的智能(néng)制造咨詢服務(wù)機構，共同規劃推進智能(néng)工廠建設的藍圖。在規劃時(shí)應注意行業差異性，因為(wèi)不同行業的産品制造工藝差别很大，智能(néng)工廠建設的目标和重點也(yě)有顯著差異。
② 建立明确的智能(néng)工廠标準
在智能(néng)工廠的建設中，企業往往會忽視(shì)管理(lǐ)與技術标準的建立，容易造成缺少數據标準，一(yī)物多碼；作(zuò)業标準執行不到位；缺失設備管理(lǐ)标準，不同的設備采用不同的通訊協議(yì)，造成設備集成難度大；管理(lǐ)流程複雜，職權利不匹配；質檢标準執行不到位，導緻批次質量問題多等問題。因此，需要建立明确的智能(néng)工廠标準，例如(rú)，業務(wù)流程管理(lǐ)規範、設備點檢維護标準和智能(néng)工廠評估标準等管理(lǐ)規範，智能(néng)裝備标準、智能(néng)工廠系統集成标準、工業互聯網标準以及主數據管理(lǐ)标準等技術标準。
③ 重視(shì)智能(néng)加工單元建設
目前，智能(néng)加工單元在我國制造企業的應用還處于起步階段，但(dàn)必然是發展的方向。智能(néng)加工單元可以利用智能(néng)技術将CNC、工業機器(qì)人(rén)、加工中心以及自動化(huà)程度較低(dī)的設備集成起來(lái)，使其具有更高的柔性，提高生(shēng)産效率。
④ 強調人(rén)機協作(zuò)而不是機器(qì)換人(rén)
智能(néng)工廠的終極目标并不是要建設成無人(rén)工廠，而應追求在合理(lǐ)成本的前提下(xià)，滿足市(shì)場(chǎng)個(gè)性化(huà)定制的需求。因此，人(rén)機協作(zuò)将成為(wèi)智能(néng)工廠未來(lái)發展的主要趨勢。人(rén)機協作(zuò)的最大特點是可以充分(fēn)利用人(rén)的靈活性完成複雜多變的工作(zuò)任務(wù)，在關(guān)鍵崗位上(shàng)，更需要人(rén)的判斷能(néng)力和決策能(néng)力顯得更為(wèi)重要，而機器(qì)人(rén)則擅長重複勞動。
⑤ 積極應用新(xīn)興技術
未來(lái)，AR（Augmented Reality，增強現(xiàn)實）技術将被大量應用到工廠的設備維護和人(rén)員(yuán)培訓中。工人(rén)帶上(shàng)AR眼鏡，就(jiù)可以“看到”需要操作(zuò)的工作(zuò)位置。例如(rú)，需要擰緊螺栓的地方，當擰到位時(shí)，會有相應提示，從而提高作(zuò)業人(rén)員(yuán)的工作(zuò)效率；維修人(rén)員(yuán)可以通過實物掃碼，使虛拟模型與實物模型重合疊加，同時(shí)在虛拟模型中顯示出設備型号、工作(zuò)參數等信息，并根據AR中的提示進行維修操作(zuò)；AR技術還可以幫助設備維修人(rén)員(yuán)将實物運行參數與數字模型進行對比，盡快(kuài)定位問題，并給予可能(néng)的故障原因分(fēn)析。此外，數字工廠仿真技術可以基于離散事(shì)件建模、3D幾何建模、可視(shì)化(huà)仿真與優化(huà)等技術實現(xiàn)對工廠靜态布局、動态物流過程等綜合仿真和分(fēn)析，從而能(néng)夠先建立數字化(huà)的生(shēng)産系統甚至全部工廠，依據既定工藝進行運行仿真。
五、總結
在智能(néng)制造的熱潮下(xià)，企業不宜盲目跟風(fēng)。建設智能(néng)工廠，應圍繞企業的中長期發展戰略，根據自身(shēn)産品、工藝、設備和訂單的特點，合理(lǐ)規劃智能(néng)工廠的建設藍圖。在推進規範化(huà)、标準化(huà)的基礎上(shàng)，從最緊迫需要解決的問題入手，務(wù)實推進智能(néng)工廠的建設。
上(shàng)海先予工業自動化(huà)設備有限公司是一(yī)家集非标制定、研發、生(shēng)産、銷售、工程服務(wù)為(wèi)一(yī)體(tǐ)的工業裝備制造企業。公司以自主核心技術和系統集成優勢為(wèi)依托，針對企業用戶在生(shēng)産過程控制中的各種複雜控制要求，采用DCS和PLC等控制系統為(wèi)企業量身(shēn)定制技術先進、可靠性高、經濟實用的電控和自動化(huà)生(shēng)産、裝配、輸送、清洗、包裝系統，提供完整的自動化(huà)生(shēng)産解決方案，從而有效為(wèi)企業降低(dī)勞動力成本、提高品質、提升效率。
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