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我國智能工廠發展趨勢分（fèn）析

2016-1-25 來源：中國兩化融合網作者：

當前（qián），智能製造熱度高（gāo）企，石化（huà）、鋼鐵、機械裝（zhuāng）備（bèi）製造、汽車製造、航空航天、飛機製造等行業紛紛開始探索（suǒ）建設智能工廠。《中國製造2025》明確提出要推進製造過程智（zhì）能化，在（zài）重點領（lǐng）域試點建（jiàn）設（shè）智能工廠/數字化車間，這必將加速智能（néng）工廠（chǎng）在工業行業領域的應用推廣。預計未來3-5年，全國將湧現出一批智能工廠。

　　智能工廠的內（nèi）涵及建設重點

　　智能工廠是實現智能製造的重要載體，主要通過構建智能化（huà）生產（chǎn）係統、網絡化（huà）分布生產設施，實現生產過程的智能化。企業（yè）基於CPS和工業互聯網（wǎng）構建的智能工廠原（yuán）型，主要包括物理層、信息層、大數據層、工業雲層、決（jué）策層。其中，物理層包含工廠內不同層級的硬（yìng）件設備，從最小的（de）嵌入設備（bèi）和基礎元器件開始，到感知設備、製造設備（bèi）、製造單元和生產線，相互間均實現互聯互通。以此為基礎，構（gòu）建（jiàn）了一個“可測可控、可產可管”的縱向集成環境。信息（xī）層涵蓋企業經營業務各個環節，包含研發設計（jì）、生產製造、營銷服務、物流配送等各類經營管理活動，以及由此產生的眾創（chuàng）、個性化定製、電子（zǐ）商務、可（kě）視追蹤等相關（guān）業（yè）務。在此基礎上，形成了企業內部價值鏈的橫向集成環（huán）境，實現數據和信息的流通和交換。縱向集成（chéng）和橫向集（jí）成（chéng）均以CPS和工業互聯（lián）網為基礎，產（chǎn）品（pǐn）、設備、製造單元、生產線、車間、工廠（chǎng）等製造係統的互聯互通，及其與企（qǐ）業不同環節業務的集成統一，則是通（tōng）過數據（jù）應用和工業雲服務（wù）實現，並在決策層基於產品、服務、設備管理支撐企業最高決策。這些共同構建了一個智能（néng）工廠完整的價值網絡體係，為用戶提供端到端的解決方案。

　　由於產品製造工藝過程（chéng）的明顯差異（yì），離散製造業和流程製造業在智能工（gōng）廠建設的重點（diǎn）內容有所不同。對（duì）於離散製造業而言，產（chǎn）品往（wǎng）往（wǎng）由多個零部件經過一係列不連續的工序裝配而成，其過程（chéng）包含很多變化和不確定因素，在一定（dìng）程度上增加了離散型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（liào）的傳輸距離最小。麵向訂單的離（lí）散型製造（zào）企業具有多品種、小（xiǎo）批量的特點，其工藝路線和設（shè）備（bèi）的使用較靈活，因（yīn）此，離散製造型企業更加（jiā）重視生產（chǎn）的柔性（xìng），其智能工廠建設的重點是智能製（zhì）造生產（chǎn）線（xiàn）。

　　流程型製造業的特點是管道式物料（liào）輸送，生產連續性強，流程比較規範，工藝柔性比較小，產品比較單一，原料比較穩定。對於流程製造業而言，由於原材料在整個物質轉（zhuǎn）化過程中進行的是物理化學（xué）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一（yī）個工序的影響具有傳導作用，即如果（guǒ）第一道工序的原料不可用，就會影響（xiǎng）第（dì）二道工序。因此，流程型製造業智能工（gōng）廠建設的重點（diǎn）在（zài）於實現生產（chǎn）工藝的智能優化和（hé）生產全流程的智能優化，即智能感知生產條件（jiàn）變化，自主決策係統控製指令，自動（dòng）控製設備，在出現異常工況時，即（jí）時預測和進（jìn）行自愈控製，排除異常、實現安全優化運行；在此基礎（chǔ）上，智（zhì）能感知物流、能（néng）源流和信息流的狀況，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

　　由於各個行業生產流程不同，加上各個行業智能化情況不同，智能工廠有以下幾個不同的建設模式。

　　第一種模（mó）式是（shì）從生產過程數字化到智能工廠。在石化、鋼鐵、冶（yě）金、建材、紡織、造紙、醫藥、食品等流程製造領域，企業發展智能製造的內在動力在於產品品質可控，側（cè）重從生產數（shù）字化建（jiàn）設起步，基於品（pǐn）控需求從（cóng）產品末端控製（zhì）向全流程控製轉變。因此其智能工廠建設模式為：一是推進（jìn）生產過程數字化，在生產製造、過程管理等單個環節信息（xī）化（huà）係（xì）統建設的基礎上，構（gòu）建覆蓋全流程的動態透明可追溯體係，基於統一（yī）的可視化平台實現產品生產全過程跨部門協同控製（zhì）；二是推進生產（chǎn）管理一體化，搭建企業CPS係統（tǒng），深化生產製造與運營管（guǎn）理、采購銷（xiāo）售等（děng）核心業務係統集成（chéng），促進企業內部資源和信息的整合和共享；三是推進供應鏈協同化（huà），基於原材料采購和配送需求，將CPS係統拓展至供應商和物流企業，橫向集成供應商和物料配送協同（tóng）資源和網絡，實現外部原材料供應和內部（bù）生產配送的係統化、流程化，提高工廠內（nèi）外（wài）供應鏈運行效率（lǜ）；四是整體打造大（dà）數據（jù）化智能工廠，推進（jìn）端到端集成，開展（zhǎn）個性化（huà）定製業務。

　　第二種（zhǒng）模式是從智能製（zhì）造生產單元（裝備和產品（pǐn））到智能工廠。在機械、汽車、航空、船舶、輕工、家用電器和電子信（xìn）息等離散製（zhì）造領域，企業發展智能製造的核心目的是拓展產品價值空間，側重從單台設備自動化和產品智能化入手，基於生（shēng）產效率和產（chǎn）品效能的提升實現價值增長。因此其智能工廠建設模（mó）式為：一是推進生產設備（生產線）智能化，通過引進各類符合生產所需的智能裝備，建立基於CPS係統的車間級智能（néng）生產單元，提高精準製造（zào）、敏（mǐn）捷製造能力。二是拓展基於產（chǎn）品智能化的增值服務，利用產品的智（zhì）能裝置實現（xiàn）與CPS係統的互聯互通，支持產（chǎn）品的遠（yuǎn）程故障診斷和實時診斷等服（fú）務；三是推進車間級與企業級係統集成，實現生產和經營的無縫集成和上下遊企業間的（de）信息共享，開展基於橫向價值網絡的協同（tóng）創新（xīn）。四是推進生產與服務的集（jí）成，基於智能工廠實現服務（wù）化轉型，提高產業效率和核心競爭力。

　　例如，廣州數控通過利用工業以太網將單元級的（de）傳感器、工（gōng）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台相連，利用以太網將總控台與企業管理（lǐ）級的各類服務器相連，再通過互（hù）聯網將企業管理（lǐ）係統與產業鏈上下遊企業相連，打通了產品全生（shēng）命周期各環節的數據通道，實現了生產過程的遠程數據采集分析和故障監測診斷。三一重工（gōng）的18號廠房是（shì）總裝（zhuāng）車間，有混凝土機械、路麵機械（xiè）、港口機械等多條裝配線，通過在生產車間建立“部件工作中（zhōng）心島”，即單元（yuán）化生產，將每（měi）一類部件從生產到下線所有工藝集（jí）中在一個區域內，猶（yóu）如在一個獨（dú）立的（de）“島嶼”內（nèi）完成全部生產（chǎn）。這種組織方（fāng）式（shì），打破了傳統流程化生產線呈（chéng）直線布置的弊端，在保證結構件（jiàn）製造（zào）工藝不（bú）改變（biàn）、生產人（rén）員不增加的情況下，實現（xiàn）了（le）減（jiǎn）少占地麵積、提高生產效率（lǜ）、降低運行成本的目（mù）的。目前，三一重工已建成車間智能監控網絡和刀具管理係（xì）統（tǒng）、公共製造資源定（dìng）位與物料跟蹤管理係（xì）統、計劃、物流、質量管控係統、生產控製（zhì）中心（PCC）中央控製係統等智能係統，還與其他單位共同研發（fā）了智能上下（xià）料機（jī）械手、基於DNC係統的車間設備智能監控網絡、智能化立體（tǐ）倉庫（kù）與AGV運輸軟硬件（jiàn）係統、基於RFID設備及無（wú）線傳感網絡的物料和資源跟蹤定位係統、高級計劃排程係統（APS）、製造執行（háng）係統（MES）、物（wù）流執行係（xì）統（LES）、在線質量檢測係統（SPC）、生（shēng）產控（kòng）製中心管理決策係統等（děng）關鍵核心智能裝置，實現了對製（zhì）造資源跟蹤、生產過程監控，計劃、物流、質量集成化管控下的均衡化混流生產。

　　第三種模（mó）式是從個性化定製到互聯工廠。在家電、服（fú）裝、家居等距離用戶最近的消費品製造領域，企業發展智能製造的重點在於充分滿足消費者（zhě）多元化需求的（de）同時實現規模經濟生產，側重通過互聯網平台開展大規模個性（xìng）定製模式創新。因此其智能工廠（chǎng）建設模式（shì）為（wéi）：一（yī）是推進個性化定製生產（chǎn），引入柔性化生產線，搭建（jiàn）互聯網平台，促（cù）進企（qǐ）業與（yǔ）用戶深度交互、廣泛征集（jí）需求，基於（yú）需求數據模型開展精益生（shēng）產；二是（shì）推進設計虛擬化，依（yī）托互聯網逆向整合設計（jì）環節，打通設計（jì）、生產、服務數（shù）據鏈，采用虛擬仿真技術優（yōu）化生產工藝；三是推進製（zhì）造（zào）網（wǎng）絡協同（tóng）化，變革傳統垂直組織模式，以扁平化、虛擬化（huà）新型製造（zào）平台為紐帶（dài）集聚產業鏈上下遊（yóu）資源，發展遠程定製、異地（dì）設計、當地生產的網（wǎng）絡協同製（zhì）造新模式。

　　智能工（gōng）廠發展重點環節

　　隨著未來智能工廠發展浪潮的逼近。未來，將有幾個行業或者領域迎來發展高潮。

　　首先是虛擬仿真設計。隨著三維數字化技術的發展，傳統的以經驗為主的模擬設計模式逐漸（jiàn）轉變為基於三維建模和仿真的（de）虛擬（nǐ）設計模式（shì），使未來的（de）智能工廠能夠通過三維數字建模、工（gōng）藝虛擬仿真、三維（wéi）可視化工藝（yì）現場應用，避免傳統的“三維設計模型→二維紙質圖紙→三維工藝模型”研製過程中信息傳遞鏈條的斷裂，摒棄二維、三（sān）維之間轉換，提（tí）高產品（pǐn）研發設計效率，保證產品研發設計質量。

　　隨著仿真技術的發展，原有的對工件幾何參數及幹涉進行校驗的幾何仿（fǎng）真逐漸轉變成產品加工、裝配、拆卸、切削和成型過程的物理仿真，使未來的智能工（gōng）廠實現在複雜（zá）虛擬（nǐ）環境下對產品運行生產（chǎn）效果進行仿真分析和驗證，以達到產品開發周（zhōu）期和成本的最低化、產品設計質（zhì）量的最優化和生產（chǎn）效率的最高化，增強企業的競爭能力。

　　未來（lái）我國應（yīng）著重突（tū）破MBD技術、物理仿真引擎（qíng）係統架（jià）構、仿真模型三個環（huán）節。

　　其次是網絡化智能設（shè）備。生產設備的智能化程度（dù）將在（zài）網絡化條（tiáo）件下得到快速提升，傳統製造模式出現顛（diān）覆性的變革，具體表現高度密集的生產（chǎn）設備、生產設（shè）備智能化（huà）和（hé）柔性化製造方式這三個方（fāng）麵。

　　隨（suí）著技術的進步以及人工成本的逐漸上升，未來工（gōng）廠內所有工作逐漸由係統控製（zhì）的核心（xīn）生產設備來實現，工作人員不直接參與生產（chǎn）第一線（xiàn）工作，隻是從事一些新產品（pǐn）開發、生產工藝改（gǎi）進、新（xīn）機器（qì）設備發（fā）明（míng）創新（xīn）等高質量複（fù）雜勞（láo）動。高（gāo）度密集的生產（chǎn）設備（bèi）將使未來（lái）智能工廠的生產成本逐（zhú）漸降低，產品質量將得到大幅提升。

　　在生產設備智能化方麵，生產設（shè）備聯網（wǎng）助（zhù）力未來工（gōng）廠日益智能化。生產設備依托安全的生產（chǎn）網絡和（hé）係統能夠實現（xiàn）智能校正、智能診斷、智能控製、智能管理等功能和生產設備之間的智能化信息交換（huàn），協同性和開放性明顯提升。智能（néng）化生產設（shè）備的應用，使未來智能工廠生產過程更加靈活、高效並具有可持續發展性。

　　在柔（róu）性化製造方式方麵，增材製造方式促進智能工廠日（rì）漸（jiàn）綠色化和（hé）柔性化。傳統的材料去（qù）除加（jiā）工方（fāng）法將逐漸被低耗能、低汙染甚至無（wú）汙染的增材製造方式（shì）所取代，這種製造方式尤其適合動力設備、航空航天、汽車等高端產（chǎn）品上的關鍵零部件的生產（chǎn）。

　　再次（cì）是模塊化定（dìng）製（zhì）生產。多批次、小產量的生產盈利能力在（zài）模塊（kuài）化生產方（fāng）式下逐漸得到提升，產品日益（yì）滿足消費者個（gè）性化（huà）需求（qiú），具體表現在模塊生產和（hé）模塊組裝這兩個方麵。

　　在模（mó）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（dìng）生產（chǎn）線將（jiāng）無法滿足（zú）客戶（hù）定製化需求而逐漸消失，可動（dòng）態組合的模塊化（huà）生產方式將成為主流。在模塊化生產方式下，產品（pǐn）被（bèi）分解成無數個具有不同用途（tú）或性能的模塊。每個模塊將通過製造執行係統被生產出來，杜絕未來智能工廠的浪費環節，保證質量、優化成本、縮短周期。

　　在模塊組裝方麵，標準（zhǔn）化、通用化模塊之間的組合（hé）提（tí）升智能工廠定製化（huà）生產盈利能力。根據產品的性能（néng）、結構選擇滿足需求的模塊，通過模塊結構的標準化，將選取出的各模塊自（zì）由組裝出滿足客戶個性化需求的產品，使未來智能工廠產品的品種（zhǒng）更豐富（fù）、功能更（gèng）齊全、性能更穩定。

　　大數據化精益管理。產品的研發、生產和管（guǎn）理（lǐ）方式通過工業大數（shù）據挖掘和分析逐漸得到（dào）創新，工廠管（guǎn）理日趨精益化。具體表現在客（kè）戶價值管理、精益生產（chǎn）和精（jīng）益供應鏈（liàn）這三個方麵。

　　在客戶價值管理方麵，基於大數據的客戶價值提升趨勢（shì）明顯（xiǎn）。隨著移動互（hù）聯、物聯網等（děng）新一代信息（xī）技術逐漸滲透到產品生產的各個環節，大（dà）數據配套軟硬件的日益完善，安全性和標準化程（chéng）度的逐步（bù）提升，通過對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，產品的研發設計呈現出眾包化（huà）發展趨勢，同時產品售後服（fú）務得到不斷改進和完善。

　　在精益生產方麵，基於大數據（jù）的生產製（zhì）造日益精益化。製造企業通過實時收集生（shēng）產過程中所產生的大數據，對生產設備（bèi）診斷、用電量、能耗、質量事故等方麵進行分析與預（yù）測，能夠及時發現生產過程中的錯誤與（yǔ）瓶頸並進行優化。通過運用大數據技術，未來（lái）智能工廠實現生產製造的精益化，提升（shēng）生產過程的透（tòu）明度、綠色性、安全性和產品的質量。

　　在（zài）精益供應鏈方麵，基於大數據（jù）的供應鏈優化趨勢顯著。隨著大數據基礎條件（jiàn）的日益成熟，製（zhì）造企業能（néng）夠獲得完整的產品供應鏈方麵的大數據，通過對這些大數據的分析（xī），預測（cè）零（líng）配件價格走勢、庫存等情況，克服傳統（tǒng）供應（yīng）鏈中缺乏協調和信息共享等（děng）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（yì）供應鏈管理消減了（le）智能工廠整個供應鏈條中成本和浪費情（qíng）況，提升了倉儲和配送效率，實現了（le）無庫存或庫存達到極小。

最後是柔性化新型人機交互。人與機器的信息交換方式（shì）隨著技術融合步伐的加快向更高層次邁進，新型人機交互方式（shì）被逐漸應用（yòng）於生（shēng）產製造領域。具體表（biǎo）現在智能交互設備柔性化和智能交互設（shè）備工業領（lǐng）域應用這（zhè）兩個方麵。

　　在智能交互（hù）設備柔性化方麵（miàn），技術和硬件（jiàn）的不斷更新有利（lì）於智（zhì）能交互設（shè）備日益柔性化優（yōu）勢的形成。隨著移動互聯、物聯網、雲計算、人機交互和識別技術等核心技術的發展（zhǎn），交互設備硬件日（rì）趨柔性（xìng）化，智能交互設備逐漸呈（chéng）現出設計（jì）自由新穎、低功耗（hào）、經摔耐用、貼近人體（tǐ）等優勢（shì），這（zhè）就為未來智能工廠新型人機交互（hù）的實現提供了基礎。

　　在智能交互設備工業領域應用方麵，柔性化智能交互設備助力智能工廠新（xīn）型人機交互方式的實現。隨著技術融合步伐的（de）加快，柔性化智能交互設備從個人消費領域被逐漸引入到製造業，作為生（shēng）產線裝（zhuāng）配及特殊（shū）環（huán）節工作人員的技術輔助工具，使工（gōng）作人員（yuán）與周邊的智能設備進行語音、體感（gǎn）等新型交（jiāo）互。智能交互設備工業領域的應用，提升了未來智（zhì）能工廠的透明度和靈活性。（來源：中國兩化融合網）

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