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我國智能工廠發（fā）展趨勢分（fèn）析

2016-1-25 來源：中國兩化融合網（wǎng）作者：

當前，智能製造熱度高企，石化、鋼鐵、機械裝備製造、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（tuī）進製造過程智能化，在重點領域試點建設智能工廠/數字化車間，這必將加（jiā）速智能工廠在工（gōng）業行業領域的應用（yòng）推廣。預計未來3-5年，全國將湧現出一批智能工廠。

　　智能工廠的內涵及建設重（chóng）點

　　智能工廠是實現智能製（zhì）造的重要載（zǎi）體，主要（yào）通過構建智能化生產係統、網絡化分布生產設施（shī），實（shí）現生（shēng）產過程的智能化。企業基於CPS和工業互聯網構建的（de）智能工廠原型，主要包括物理層、信息層、大數據層、工業雲層、決策層。其中，物理（lǐ）層包含工廠內不同（tóng）層級的硬件設備，從最小的嵌入（rù）設備和基礎元器件（jiàn）開始，到感知設備、製造設備、製（zhì）造單元和生產線，相互間均實現互聯互（hù）通。以（yǐ）此為基（jī）礎，構建了一個“可測可控、可產可管”的縱向集成環境。信息層（céng）涵（hán）蓋企業經營業務各個環節，包含研發（fā）設計、生產製造、營銷服務（wù）、物流配送等各類經營管理活動（dòng），以及由此產生的眾創、個性化定（dìng）製、電子商務、可視追蹤等相關業務。在此基（jī）礎上，形成了企業內部價值鏈（liàn）的橫向（xiàng）集成環（huán）境，實現數據和信息的流通和交換。縱向集成和（hé）橫向集成均以CPS和工業互聯網為基礎，產品、設備、製造（zào）單（dān）元、生產線、車間、工廠等（děng）製造係統的互聯互通，及其與企業不同（tóng）環節業務的集成統一（yī），則是通過（guò）數據（jù）應用和工業雲服務實現（xiàn），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工廠完整的價值網絡體係，為用（yòng）戶提供端到端的（de）解決方案。

　　由於產品製造工藝過程的明顯差異，離（lí）散製（zhì）造業和流程製造業在智能工廠建設的重點內容有所不同。對於離散製造業而言（yán），產品往（wǎng）往由多個零部（bù）件經（jīng）過一係列（liè）不連續的工序裝配而（ér）成，其過程包含很多變（biàn）化和不確（què）定因素，在一定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（yè）常（cháng）常按照主要的工藝流程安（ān）排生產設備的位置，以使物料的傳輸距離最小（xiǎo）。麵向訂單的離散（sàn）型製造企業具有多品種、小批量的特點，其工藝（yì）路線和設備的使（shǐ）用較靈活，因此，離散製造型（xíng）企業更加重視生產的柔性，其智能工廠建設的重（chóng）點是智能製造（zào）生產線。

　　流程型製造業的特點是管道式物料輸送，生產連續性強，流程比較規（guī）範，工藝柔性比較小（xiǎo），產（chǎn）品比較單（dān）一，原料比較穩定。對於流程製造（zào）業而言，由於原材料在整個物質（zhì）轉化（huà）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一個（gè）工序的影響具有傳（chuán）導作（zuò）用，即如果第一道工序的原（yuán）料不可用，就會影響（xiǎng）第二道（dào）工序。因此，流程型製造業智能工廠建（jiàn）設的重點在於實現生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（jué）策係統控製指令，自動控製設備，在出現異常工況時，即時預測和進行自愈控製，排除異常、實現安全優化運行；在此（cǐ）基礎上，智能感知物流、能源流和信息流（liú）的狀況，自（zì）主學習和主（zhǔ）動響應，實（shí）現（xiàn）自（zì）動決策。

　　智能（néng）工廠主要建設模式

　　由於各個行業（yè）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。

　　第一種模式是從生產過程數字化到（dào）智能工廠。在石化、鋼鐵（tiě）、冶金、建材、紡織（zhī）、造紙、醫藥、食品等流程製造領域，企（qǐ）業發展智能製造的內在動力在於產品品質可控，側重從生產數（shù）字（zì）化建（jiàn）設起步，基（jī）於品控需求從產品（pǐn）末端控製向全流程控製轉變（biàn）。因（yīn）此其智能工廠（chǎng）建設模式為：一是推進（jìn）生（shēng）產過程數字化，在生產製造、過程管理等單個環節信息化係統（tǒng）建設的基礎（chǔ）上，構建（jiàn）覆蓋全流程（chéng）的動態透明可追（zhuī）溯體係，基於統一的可視化平台實現產品生產全過程跨部門協同控製（zhì）；二是推進生產管理一體化，搭建企業CPS係（xì）統，深化生產製造與運營（yíng）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息的整合和共享（xiǎng）；三是（shì）推進供應鏈協同化，基於原材料采購和配送（sòng）需求，將CPS係統拓展至供應商和物流（liú）企業，橫向集成（chéng）供應商和物料（liào）配送協（xié）同資源和網絡（luò），實現外部原材料供應和內部（bù）生產配送的係統化、流程化，提高工廠內外供應鏈運行效率；四是整體打造大數據化智（zhì）能工（gōng）廠，推進端到端集成，開展個性化定製（zhì）業務。

　　第二種模（mó）式（shì）是從智能製造生產單元（裝備和產品）到智能工廠。在機械、汽車、航空、船舶、輕工、家用電器和（hé）電子信息等離散製造領域，企業發（fā）展（zhǎn）智（zhì）能製造的核心目的是拓（tuò）展產品價值空間，側重（chóng）從（cóng）單台設備自動化和產品智能化入手，基於生產效率和產品效能的（de）提升實現價值增（zēng）長（zhǎng）。因此其智能工廠建設模式為：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（tǒng）的車間級智能生產單（dān）元，提高精準製造、敏捷製造能力。二是拓展基於產品智能化的增值服務（wù），利用產品的智能裝置實現與（yǔ）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（tuī）進車（chē）間級與企（qǐ）業（yè）級係統集成，實現生產和經營的無縫集成和上下遊企（qǐ）業間的信息共享，開展基於橫向價值網絡的協（xié）同創新。四（sì）是（shì）推進生產與服務的集成，基於智能（néng）工廠實現服務化轉型，提高產業效率和核心競爭力。

　　例如，廣州數（shù）控通過利用工業以太（tài）網將單元級的傳感器、工（gōng）業機器人、數控機床，以及各類機械設備與車間（jiān）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級的各類服務器相連，再通過互聯網將（jiāng）企業管理係統與產業鏈上（shàng）下遊企業（yè）相連，打通了產品全生命周期（qī）各環節（jiē）的數據通道，實現（xiàn）了生產過程的遠程數據采集分析和（hé）故障監測（cè）診斷。三一重工的18號廠房是總裝車間，有混凝土（tǔ）機械、路麵機械、港口機械等多條裝配線，通過在（zài）生產車間（jiān）建立“部件工作中（zhōng）心島”，即（jí）單元化生產，將每（měi）一類部件從生產到下線所有工藝集中在一個區域內，猶如在一個獨立的“島嶼”內完成全部生產。這種組織方式，打破了傳統流程化生（shēng）產線呈直線布置的（de）弊端，在保證結構件（jiàn）製造工藝不改變（biàn）、生（shēng）產（chǎn）人（rén）員不增加的（de）情況下，實現了減（jiǎn）少占地麵積、提高生產（chǎn）效率、降低運行成本的目的。目前，三（sān）一重工已建成車間智能監控網絡和刀具管理（lǐ）係統、公共製造資源定位與物料跟蹤管理係統、計劃、物流（liú）、質量管控係統、生產控製中心（xīn）（PCC）中央控製（zhì）係（xì）統等智能係統，還與其他單位共（gòng）同研發了智能上下料機械手、基於DNC係統的車（chē）間設備智能（néng）監控網絡（luò）、智能（néng）化立（lì）體倉庫與AGV運輸軟硬件（jiàn）係統、基於RFID設備及無線傳感網絡的物料和資源跟蹤（zōng）定位係統、高級計劃排程係統（APS）、製造執（zhí）行係統（tǒng）（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關鍵核心（xīn）智能裝置，實現了對（duì）製造資源（yuán）跟蹤、生產過程監控，計劃（huá）、物流（liú）、質量集成化管控下的均衡化（huà）混流生產。

　　第三種模式是從（cóng）個性化定製到互聯工廠。在家電、服裝、家居（jū）等距離用戶最近的消費品（pǐn）製造領域，企業發展智能製造的重點在於充分滿足消費者多元化需求的同（tóng）時實現規模經濟（jì）生產，側重通過互聯網平台（tái）開展大規模個性定製模式創新。因（yīn）此其智（zhì）能工廠建設（shè）模式為：一是推進個性化定製生產，引入柔性化生產（chǎn）線，搭建互（hù）聯網平台，促進企業與用戶深度交互、廣泛征集需求，基於需求（qiú）數據模型（xíng）開展精益生產；二是推進設計虛擬化，依（yī）托（tuō）互聯網逆向整合（hé）設計環（huán）節，打通設計、生產、服務數據鏈，采用虛擬仿（fǎng）真（zhēn）技術優化生產工藝；三是推進製造網絡（luò）協同化，變革傳（chuán）統垂直組織模式，以扁平化、虛擬（nǐ）化新型製造平台為紐帶（dài）集聚產業（yè）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（xié）同（tóng）製造新模式。

　　智能工廠發展重點環節

　　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（lái）發展（zhǎn）高潮。

　　首先是虛擬仿真設計（jì）。隨（suí）著三維數字（zì）化技術的發展，傳統的以經驗為主的模擬設計模式逐漸轉變為（wéi）基於三維建模和仿真（zhēn）的虛擬（nǐ）設計模式，使未來的智能工廠（chǎng）能夠通過三維數字建模、工藝虛擬仿真、三維（wéi）可視化工藝現場應用，避免傳統（tǒng）的（de）“三維設計模型→二維紙質圖紙→三維工藝模型”研（yán）製過程（chéng）中信息傳遞鏈條的斷裂，摒棄二（èr）維、三維之間轉換，提高（gāo）產品研（yán）發設計效率，保（bǎo）證產品研發設計質量。

　　隨著仿真技（jì）術的發（fā）展，原有的對工件（jiàn）幾何參數及幹涉進行校驗的幾（jǐ）何仿真逐（zhú）漸轉（zhuǎn）變成產品加工（gōng）、裝配、拆卸、切削和成型過程的物理仿真，使未來的智能工廠實現在複雜虛擬環境下對（duì）產品運行（háng）生產效果進行仿（fǎng）真分析和驗證，以達（dá）到產品開發周期和成本的最低化、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（de）競爭能力。

　　未來我國應著重突破MBD技術、物理（lǐ）仿真引擎係統架構（gòu）、仿真模型三個環節。

　　其次是網絡化智能設備。生產設備的智能化程度將在網絡化條件下得到快速（sù）提升，傳統製造模式出現顛覆性的變（biàn）革，具體表現高度密集的（de）生產（chǎn）設（shè）備、生產設備智能化和柔性化製造方式這三（sān）個方麵。

　　隨著技術的進步以及人工成（chéng）本的逐漸（jiàn）上升，未來（lái）工廠內所（suǒ）有工作逐漸由係統控製（zhì）的核心生產（chǎn）設備來實現，工作人（rén）員不直接參與生產第一線（xiàn）工作，隻（zhī）是從事一些新產品（pǐn）開發、生產工藝（yì）改進（jìn）、新機器設備發明創新（xīn）等高質量複雜勞動。高度（dù）密集的生產設備將使（shǐ）未來智能工廠的生產成本（běn）逐漸降低，產品質（zhì）量將得到大幅提升。

　　在生產設備（bèi）智能化方麵，生產設備聯網助力未（wèi）來工廠日（rì）益智能化。生產設備依托安全的生產網絡和係統能夠實現智能校（xiào）正、智能診斷、智能控製、智（zhì）能管理等功能和生產設備之間的智能化信息交換，協同性和（hé）開（kāi）放性（xìng）明顯提升。智能化生產設備的應用（yòng），使未來（lái）智能工廠生產過程更加靈活、高效（xiào）並（bìng）具有（yǒu）可持續發展性。

　　在柔性化製造（zào）方式方麵，增材製造（zào）方式促進（jìn）智能工廠日漸綠色化和柔性化。傳統的材（cái）料去除加工方法將逐漸被低耗能、低汙（wū）染（rǎn）甚至無汙染（rǎn）的增（zēng）材製造方式（shì）所取代，這種製造方（fāng）式尤其適合動（dòng）力設備、航空航（háng）天、汽車等高端產品（pǐn）上的關鍵零部（bù）件的生產。

　　再次（cì）是模塊化定製生（shēng）產。多批次、小產量的生產盈利能力在模塊化生產（chǎn）方式下逐漸得到提升，產品日益滿足消費者個性化需求，具體表現在（zài）模（mó）塊生產和模塊組裝這兩個方麵。

　　在模塊生產方（fāng）麵（miàn），生產可自由組合的模塊助力智能工廠日益集約化。傳統的（de）固定生產線將無法滿足客戶（hù）定製化需求而逐漸消失，可動（dòng）態（tài）組合的模塊化生產方式將成為主流。在模塊化生產方式下，產品被分解成無數個具（jù）有不同用途或性能的模塊。每個模塊將通過製造執行係統被生（shēng）產出來（lái），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（zǔ）裝方麵，標準（zhǔn）化、通用化模塊之間的組合（hé）提升（shēng）智能工廠定（dìng）製化生產盈利能力。根據產品的性能（néng）、結（jié）構選擇滿足需求的模塊，通（tōng）過模塊結構的標準化，將選（xuǎn）取出的各模塊自由組裝出（chū）滿足客戶個性化需求（qiú）的產品，使未來智能工廠（chǎng）產品的品種更（gèng）豐富、功能更齊全、性能更穩定。

　　大數（shù）據化精益管理。產品的研發（fā）、生產（chǎn）和管理方式通（tōng）過工業大數據挖掘和分（fèn）析逐漸得到創新（xīn），工廠管理日趨精（jīng）益化。具體表現（xiàn）在客戶價值管理、精益生產和精（jīng）益供應（yīng）鏈這（zhè）三個方（fāng）麵。

　　在（zài）客戶價值（zhí）管理方（fāng）麵，基於大數據的客戶價值提升趨勢明顯（xiǎn）。隨著移（yí）動互聯、物聯網等新一代信息技術逐漸（jiàn）滲透到產品生產的各個環節，大數據配套軟硬件的日益完善，安全（quán）性和標準化程度的逐步（bù）提升，通過對客戶與工業企業之間（jiān）的交互和交易行為方麵大數據的（de）分析（xī），產品的（de）研發設計呈現出眾包化（huà）發展趨勢，同時產品售後服務得到不斷改進和完善。

　　在（zài）精益生產方麵（miàn），基於大數據的生產製造日益精益化（huà）。製（zhì）造企（qǐ）業通過實時收（shōu）集生（shēng）產過程中所（suǒ）產生的大數據，對生產設備診斷、用電量、能耗、質量事故等方麵進行分析與預測，能夠及時發現生產（chǎn）過程中（zhōng）的錯誤與瓶（píng）頸並進（jìn）行優化。通過運用大數據技術，未來智能工廠實現生產製（zhì）造的精益化，提升生產過程的透明度、綠色（sè）性（xìng）、安全（quán）性和產品的（de）質量。

　　在精益供應（yīng）鏈方麵，基（jī）於大數據（jù）的供應（yīng）鏈優化趨勢顯著。隨（suí）著大數據（jù）基礎條件的日益成熟，製造企業能夠獲得完整的產品供（gòng）應鏈方麵的大數據，通過對這些（xiē）大數據的分析，預測零配件（jiàn）價格走勢、庫存（cún）等情況，克服傳統供應（yīng）鏈中（zhōng）缺乏（fá）協調和信息共享等問題，避免牛鞭效應的發生，實現供應鏈（liàn）的優（yōu）化。基於大數據的精益供應鏈管理消減了智能工廠（chǎng）整個供（gòng）應鏈條中成本和浪費情況，提升了倉儲和配送效率，實現了無庫存或（huò）庫存達（dá）到極小。

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

　　在智能交互設備柔性化方麵，技術和硬件的不斷更新有利於智（zhì）能交互設備日益柔性（xìng）化（huà）優勢的形成。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（shù）的發展，交互設（shè）備硬件（jiàn）日趨柔性化（huà），智（zhì）能交互設備逐（zhú）漸呈現出設計自由（yóu）新穎、低功（gōng）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（jī）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（gōng）廠新型人機交互方式的實現。隨著技術融合步伐的加快，柔性（xìng）化智能交互設備從個人（rén）消費領域被逐漸引入到製造業，作為生產線裝配及特殊環節工（gōng）作人員的技（jì）術輔助工具，使工作人員與周（zhōu）邊的智能設備進行語音、體感等新型交（jiāo）互（hù）。智能交互設備工業領域的應用，提升了未（wèi）來智（zhì）能工廠的透明度和靈活（huó）性（xìng）。（來源：中國兩化（huà）融合（hé）網）

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