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我國智能工廠（chǎng）發展趨勢分析

2016-1-25 來源：中國兩化融合網作（zuò）者：

當（dāng）前，智能製造熱度高（gāo）企，石化、鋼鐵、機械裝備製造、汽車製造、航空航天、飛機（jī）製（zhì）造等行業紛紛開始探索建設智能工廠。《中國製造2025》明確提出要推（tuī）進製造過程智能化，在重點領域試點建設（shè）智能工廠/數字化車間，這（zhè）必將加速智能工廠在工業行業（yè）領域的應用推廣。預計未來3-5年，全國將湧現出一批智能工廠。

　　智（zhì）能工廠的內涵及（jí）建設重點

　　智（zhì）能（néng）工廠是實現智能製造（zào）的重（chóng）要載體，主要通過構建智能化生產係統、網絡化分布生（shēng）產設施，實現生產過程的（de）智（zhì）能化。企業（yè）基於CPS和工業互聯（lián）網構建（jiàn）的智能工廠原型（xíng），主要包括物（wù）理層、信息（xī）層、大數據層、工業雲層、決策層。其中，物理層包含工廠內不同層級的硬件設備，從最小的嵌入設備和（hé）基礎元器件開始，到感知設備、製（zhì）造設備、製造單元和生產（chǎn）線，相互間均實現（xiàn）互聯互通。以此為基礎，構建（jiàn）了一個“可（kě）測可控、可（kě）產可管”的縱向集成環（huán）境。信息層涵蓋企業（yè）經（jīng）營業務各個（gè）環節（jiē），包含研發設計（jì）、生產製造、營銷服務（wù）、物流配送等各類經營管理活動，以及由（yóu）此產生的眾創、個性化定製、電子商務、可（kě）視追蹤等相關業務。在此基礎上，形成了（le）企業內部價值鏈的橫（héng）向集成環境，實現數據和信息的流通和交換。縱向集成和橫向集成均以CPS和工業互聯網（wǎng）為基礎（chǔ），產品、設備（bèi）、製造單元、生產線、車間、工廠等製造係統的互聯（lián）互（hù）通，及其與企（qǐ）業不同環節業務的集成統一，則（zé）是通過數據（jù）應用和工業雲服務實現（xiàn），並在（zài）決（jué）策層基於產品、服務、設備管理支撐企業最高決（jué）策。這些共同構建了（le）一（yī）個智能工廠完整的價值網絡體係（xì），為用（yòng）戶提供端到端（duān）的解決方案。

　　由於產品製造工藝過程的明顯差（chà）異，離散製造業和流程製（zhì）造業在（zài）智能工廠建設的重點（diǎn）內容有所不同。對於離散製造（zào）業而（ér）言，產品（pǐn）往往由多個零部件經過（guò）一係列不連續的工序裝配而成，其（qí）過程包含很多變化和不確定（dìng）因（yīn）素，在一定程度上增加了離散型（xíng）製造生產組織的難度和配套複雜性。企業常常按照主要的工藝流程安排生產設備的位置，以使物料的傳輸距離最小。麵向訂單的離散型製造企業具有多品種、小批量（liàng）的特點，其工藝路線和（hé）設備的使用較靈活，因此，離散製造型企業更加重視生產的柔性，其智能工廠建設的重點是智能製造生（shēng）產（chǎn）線。

　　流程型製造業的特點是管道式（shì）物料輸送，生產連續性強，流程比較規範，工藝柔性比較小，產品（pǐn）比（bǐ）較（jiào）單一，原（yuán）料比較穩定。對於（yú）流程製造業而言，由於原材料在（zài）整個物質轉化過程中進行的是物理化學過程，難以實現數字化，而工序的連續性使得上一個工序對下（xià）一個工序的影響（xiǎng）具有傳導作用（yòng），即如果第（dì）一道（dào）工序（xù）的原料不可用，就會影響第二道工序。因此（cǐ），流程型製（zhì）造業智能工廠建（jiàn）設的重點在於實（shí）現生（shēng）產工藝的智能優化和生產全流程的智能優化，即智能感知生產條件變化，自主決策係統控製指令，自動控製設備，在出現異常工況時，即時預測（cè）和進行自愈控製，排除異常、實現安全優化運行；在此基礎上，智能感（gǎn）知物流、能源流（liú）和信息流的狀（zhuàng）況，自主學習和主動響應，實現自動決策。

　　智能工廠主要建設模式

　　由於（yú）各個行業生產流程不同，加上各（gè）個行業智能化情況不同，智能（néng）工廠（chǎng）有以下幾個不同的建設模式（shì）。

　　第一種模（mó）式是（shì）從生產過程數字化到智能工廠（chǎng）。在石化、鋼鐵、冶（yě）金、建材、紡織、造（zào）紙、醫藥、食品等流程製造（zào）領域，企（qǐ）業發展智（zhì）能製造的內在動力（lì）在於（yú）產（chǎn）品品質可控，側重從生產數字化建設起步，基於品控需求（qiú）從產品末端控製向全流程（chéng）控（kòng）製轉變。因此其智能工（gōng）廠建（jiàn）設模式為：一是推（tuī）進生產過程數字化（huà），在生產製造、過程管理等單個（gè）環節信息化係統建設的基礎上，構建覆蓋（gài）全流程的動態（tài）透（tòu）明可追溯體係，基於統一的可視（shì）化平台實現產品生（shēng）產全過程跨部門協同控製；二是推進生產管理一體（tǐ）化（huà），搭建企業CPS係統（tǒng），深化生產製造與運營管理、采購銷售等核心業務係統集成，促進企業內部資源和信（xìn）息的（de）整合和共享；三是推進供應鏈協同化（huà），基於原材料采購（gòu）和（hé）配送需求，將CPS係統拓展至（zhì）供（gòng）應商和物流企業，橫向集成供應商和物料配送協同資源（yuán）和網絡，實現外部原材料供應和內部生產配（pèi）送（sòng）的係統化、流程化，提高工廠內外供應鏈運行效率；四是整體打造大數（shù）據化智能（néng）工廠，推進端到端集（jí）成，開展個性化定製業（yè）務。

　　第二種模式是從智能（néng）製造生產單元（yuán）（裝備和產品）到智能工廠。在機（jī）械、汽車、航空、船舶、輕工、家（jiā）用電器和電子信息等離散製造領域，企業發展智能製造（zào）的核心目的是拓（tuò）展產（chǎn）品價（jià）值（zhí）空（kōng）間，側重從單台設備自動化（huà）和產品智能化入手，基於生產效率和產品效（xiào）能的提升實現價（jià）值增長（zhǎng）。因此其智能工廠建設模式為（wéi）：一是推進生（shēng）產設備（生（shēng）產線）智能化，通過引進各（gè）類符合生產所需的智能（néng）裝備（bèi），建立（lì）基於（yú）CPS係統的車間級智能生產單元，提高（gāo）精準（zhǔn）製造、敏捷製（zhì）造能力。二是拓展（zhǎn）基（jī）於產品智（zhì）能化的（de）增值服務，利用產品的智能裝置實現與CPS係統的互聯互通，支持產品的遠程故障診斷和實時診斷等服務；三是推進（jìn）車間級與企業級係統集成，實現生產和經營的無縫（féng）集成和上下遊（yóu）企業間的信息共享，開展基於橫向價值網絡的協（xié）同創新。四是（shì）推進（jìn）生產與服務的集成，基於智能工廠實（shí）現服務化轉型，提高產業效率（lǜ）和核心（xīn）競爭力。

　　例如，廣州數控通過利用工業以太網（wǎng）將（jiāng）單元級的傳感器、工業機器人、數控機床，以及各類機械設備與車間級的柔性生產線總控製（zhì）台相（xiàng）連，利用以太（tài）網將總控台與企業管（guǎn）理級的各（gè）類服務器相連，再（zài）通過互聯網將企業管理係統與產業鏈上下遊企業相連，打通了產品全生命（mìng）周期各環節的數據通道，實現了生產（chǎn）過（guò）程的（de）遠程數據采集分析（xī）和故障監測診斷。三（sān）一重工的18號廠（chǎng）房是總裝車間（jiān），有混凝土機械（xiè）、路麵機械、港口機械等多條裝配線，通過在生產車間建立“部件（jiàn）工（gōng）作中心島”，即單（dān）元化生產，將每一類部件從生產到下線所有工（gōng）藝集中在一個區域內，猶如在一個獨立（lì）的“島嶼”內完成全部生產。這種組織方式，打破了傳（chuán）統流（liú）程（chéng）化生產線呈直線布置的弊端，在保證（zhèng）結構件製造工藝不改（gǎi）變（biàn）、生產人員不增加的情況下，實現了減少占地（dì）麵積、提高生產效率、降低運行成本的目的。目前（qián），三（sān）一重工已建成車間（jiān）智能監控網絡（luò）和刀具（jù）管理係統、公共（gòng）製造資源（yuán）定（dìng）位與物料跟蹤管理（lǐ）係統、計劃、物流、質量（liàng）管控係統、生產（chǎn）控製中心（PCC）中央控製係統等智能係統，還與（yǔ）其（qí）他（tā）單位共同研發了智能上下料機（jī）械手、基於DNC係統的（de）車間設備智能監控網（wǎng）絡、智能化立體倉庫與（yǔ）AGV運輸軟硬件係（xì）統、基於RFID設備及無線傳感網絡的物料和資源跟蹤定位係統（tǒng）、高級計劃（huá）排程係統（APS）、製造執行係統（MES）、物流執行係統（LES）、在線質量檢測係統（SPC）、生產控（kòng）製中心管理決策係統等（děng）關鍵核心智能裝置（zhì），實現了對製造資源跟蹤、生產過程監控，計劃、物流、質量集成化管控下（xià）的均衡（héng）化混流生產。

　　第三種模式是從個性化定製到互聯工廠。在家電、服裝、家居等距離用戶最近的消費品製造領域，企（qǐ）業發展智能製（zhì）造的重點在於充分滿足消費者多元化（huà）需求的同時實現規模經濟（jì）生（shēng）產，側重通過互聯網平台開展大規模個性定製模式創新。因此其智能工廠建設模式（shì）為：一是推進個性化定製生產，引入（rù）柔性化生產線，搭建（jiàn）互聯網平台，促進企業與用戶深度交互、廣（guǎng）泛征（zhēng）集需求，基於需求數據模型開展精益生產；二是推進設計虛擬化，依（yī）托互聯網逆向整合設計環節（jiē），打通設計、生（shēng）產、服務數據鏈，采用（yòng）虛擬仿真（zhēn）技術優化生產工藝；三是推進製造網絡協同化，變革傳統垂直組織模式，以扁平化、虛擬化新型製造平台為紐（niǔ）帶集聚產業鏈上下遊資源，發展遠程（chéng）定製、異地設計、當地生產（chǎn）的網絡協同（tóng）製造新（xīn）模（mó）式。

　　智能工廠（chǎng）發（fā）展重點環節

　　隨著（zhe）未來智（zhì）能工（gōng）廠（chǎng）發展浪潮的逼近。未來，將有幾個行業或者領域迎來發展高（gāo）潮。

　　首（shǒu）先是（shì）虛擬仿真設計。隨著三（sān）維數字化技術的發展，傳統的以經驗為主的模擬（nǐ）設計模式逐（zhú）漸轉變為基（jī）於三（sān）維建模和仿真的虛擬設計模式，使（shǐ）未來（lái）的（de）智能工廠能夠通過三維數字建模、工藝虛擬仿真、三維可（kě）視化工藝現場應用，避免傳統的“三維設計模型→二維紙質圖（tú）紙→三維工藝模型”研製過程中信息傳遞鏈條的斷裂（liè），摒棄（qì）二維、三維之間轉換，提高（gāo）產品研發設計效率（lǜ），保證產品（pǐn）研發設計質量。

　　隨著仿真技術的發展，原有的對工件幾何參數及幹涉進行（háng）校驗的幾（jǐ）何仿真逐漸轉變成（chéng）產品加工、裝（zhuāng）配、拆卸、切削和成（chéng）型過程（chéng）的物理仿真，使未來的智能工廠實現在複雜虛擬環境下對產品運行生產效果（guǒ）進（jìn）行仿真（zhēn）分（fèn）析和驗證（zhèng），以達到產品開（kāi）發周（zhōu）期和成本的最低化、產品設計質量的最優化和生產效率的最高化，增強企業的競爭（zhēng）能力。

　　未來我國應（yīng）著重突破（pò）MBD技術、物理仿真引擎（qíng）係統架構（gòu）、仿真模（mó）型三個環節。

　　其次是網（wǎng）絡化智能設備。生產（chǎn）設備的智能化程度將在網絡化條件下得到快速提升，傳統製造（zào）模式出現顛覆性的變革，具體（tǐ）表（biǎo）現高度密集的生產設備、生產設備智能化和柔性化製造方式這三個方麵。

　　隨著技術的進步以及人工成本的逐漸上（shàng）升，未（wèi）來工（gōng）廠內所有工作逐漸由係統控製的核心生產設備來實現，工作人員不直接參（cān）與生產第一線工作（zuò），隻是從事（shì）一些（xiē）新產品開發、生產工藝改進、新機器（qì）設備發明創新等高質量複雜勞動。高（gāo）度密集的生產設備（bèi）將使未來智能工廠的生產成本逐漸降低，產品質量將得到大（dà）幅提升。

　　在生產設備（bèi）智能化方麵，生產（chǎn）設備聯網助力未來（lái）工廠日益智能化。生產（chǎn）設備依（yī）托安全的生產網絡和係（xì）統能夠實現智能（néng）校（xiào）正（zhèng）、智能診斷、智能控製、智能（néng）管理等功能和生產（chǎn）設備之間的智能化信息交換，協同性和開放性明（míng）顯提（tí）升。智（zhì）能化生產設（shè）備的應用，使未來智能工（gōng）廠生產過程更加（jiā）靈活、高效並（bìng）具有可持續發展性。

　　在柔性化製造方式方（fāng）麵，增（zēng）材製造方式促進智能工廠日漸綠色化和柔性化。傳統的材料去除加工方法將逐漸被低耗能、低汙染甚至無汙染的增材製造方式所取代，這種製造方式尤其適合動力設備、航空航天、汽（qì）車等高端（duān）產品上的關（guān）鍵零部件的生產。

　　再次是模塊化定製生產。多批次、小產量的生產盈（yíng）利（lì）能力（lì）在模塊化生產方式下逐漸得到提升，產品日益滿（mǎn）足消（xiāo）費者個性化需求，具體表現在模塊（kuài）生產和模塊組裝這（zhè）兩個方（fāng）麵。

　　在模塊生產方麵，生產可自由組合的模塊助力智能工廠日益集約化。傳統的固定生產線將無法滿足客戶定製化需求而（ér）逐漸消失，可動（dòng）態組合的模塊化生產方式將成為主流。在模塊化生產方式下，產（chǎn）品被分解成無（wú）數個具有不同用途或性能的（de）模塊。每個模塊將通（tōng）過製造執行係統被生產出（chū）來（lái），杜（dù）絕（jué）未（wèi）來智能（néng）工廠的浪（làng）費環節，保證（zhèng）質（zhì）量、優化成本、縮短周期。

　　在（zài）模塊組裝方麵，標準化、通用化模塊之間（jiān）的組合提（tí）升智能工廠定製化生產盈利能力。根據產品的性能、結（jié）構選擇滿足需（xū）求的模塊，通過模塊結構的標準化（huà），將選取出的各模塊自由組裝出滿足客戶個性化需求的（de）產品，使未來智能工廠產品（pǐn）的品種更豐富（fù）、功能更齊全、性能更穩定。

　　大數據化精益管理。產品的研發、生（shēng）產（chǎn）和管理方式通過工業大數據挖掘和分析逐漸得到創新，工（gōng）廠管理日趨精益化。具（jù）體表現在客戶價值管理、精益生產和精益供應鏈這三個方麵。

　　在客戶價值管理方麵，基於大數據的（de）客戶價值提升趨勢明顯。隨著移動互聯、物聯網等新一（yī）代信息技術逐漸滲透到產品生產的各個環節，大（dà）數據（jù）配套軟硬件的日（rì）益完善，安全性（xìng）和標準化程度的逐步提（tí）升，通過對（duì）客戶與工業企業之間的交互和交易行為方麵大數據的分析，產品的研發設計（jì）呈現出眾包化發（fā）展趨勢，同時產品（pǐn）售（shòu）後服務得到不斷改進（jìn）和完善。

　　在精益生（shēng）產方麵，基於大數據的生產製造日益（yì）精益化。製造企業通過實時收（shōu）集生產過程中所產生的大數據，對生（shēng）產設（shè）備診（zhěn）斷、用電量、能耗（hào）、質量事（shì）故等方（fāng）麵進行分析與預（yù）測，能夠及（jí）時發（fā）現（xiàn）生產過程中的錯（cuò）誤（wù）與瓶頸並進行優化。通過運用大數據技術，未來智能工廠實現生產（chǎn）製造的精益化（huà），提升生產過程的透明度、綠色性（xìng）、安全性和產品的質（zhì）量。

　　在精益供應鏈（liàn）方麵，基於大數據的供應鏈優化趨勢顯著（zhe）。隨著大數據基礎條件的日益成（chéng）熟，製造企業能夠獲得完整的產品供應鏈方麵的大數據，通（tōng）過對這些大數據的分析，預測零（líng）配件價格走勢、庫存等情況，克服傳統供應鏈中缺乏協（xié）調和信息共（gòng）享等問題，避免牛鞭效應的發生，實現供應鏈的優化。基於大數據的精益供應（yīng）鏈管理消減了智能工廠整個供應鏈條（tiáo）中成本和浪費情況，提（tí）升了倉（cāng）儲和（hé）配送效率，實現了無庫存或庫存達到極小。

最後是柔（róu）性化（huà）新型人機交互。人與機器的信息交（jiāo）換（huàn）方式隨著技術融合步伐的加快向更高層次邁進，新型（xíng）人（rén）機交互方式（shì）被（bèi）逐漸應用於生產製造領域。具體表現在智能交互設備柔性化和智能交互（hù）設備工（gōng）業領域應（yīng）用這兩個方麵。

　　在智能交互設（shè）備柔性化方麵，技術和硬件的不斷更新有利於智（zhì）能交互（hù）設（shè）備日益柔（róu）性化（huà）優勢的形成。隨著移動互聯、物聯（lián）網、雲計算、人機交互（hù）和識別技術等核心技術的發展，交互設備硬件（jiàn）日趨柔性化，智能交互設備逐漸（jiàn）呈現出設計自由新穎（yǐng）、低功耗、經摔耐用、貼近人體等優勢，這就為未來智能工廠新型人機交互的實現提供了基礎。

　　在智能交互設備工業領域應用方麵，柔性化智能（néng）交互設備助力智（zhì）能工廠新型人機交互方式的實現。隨著技術融合步伐的加（jiā）快（kuài），柔性化智能交（jiāo）互設備從個人消（xiāo）費（fèi）領域被逐漸（jiàn）引入到製造業，作為生產線裝配及特殊環節工作人員的技術輔助工具，使工作人員（yuán）與周邊的智能設備進行語音、體感等新型交互（hù）。智能交（jiāo）互設（shè）備工業領域的應用，提升了未來智能工廠的透（tòu）明度和靈活（huó）性。（來源：中國兩化融合網）

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