淺析智能工廠主要建設(shè)模式和國內(nèi)外建設(shè)現(xiàn)狀

智能工廠是實(shí)現(xiàn)智能制造的重要載體，主要通過構(gòu)建智能化生產(chǎn)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)化分布生產(chǎn)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的智能化。智能工廠已經(jīng)具有了自主能力，可采集、分析、判斷、規(guī)劃；通過整體可視技術(shù)進(jìn)行推理預(yù)測，利用仿真及多媒體技術(shù)，將實(shí)境擴(kuò)增展示設(shè)計與制造過程。系統(tǒng)中各組成部分可自行組成最佳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具備協(xié)調(diào)、重組及擴(kuò)充特性。已系統(tǒng)具備了自我學(xué)習(xí)、自行維護(hù)能力。因此，智能工廠實(shí)現(xiàn)了人與機(jī)器的相互協(xié)調(diào)合作，其本質(zhì)是人機(jī)交互。

一、智能工廠主要建設(shè)模式

由于各個行業(yè)生產(chǎn)流程不同，加上各個行業(yè)智能化情況不同，智能工廠有以下幾個不同的建設(shè)模式。

第一種模式是從生產(chǎn)過程數(shù)字化到智能工廠。在石化、鋼鐵、冶金、建材、紡織、造紙、醫(yī)藥、食品等流程制造領(lǐng)域，企業(yè)發(fā)展智能制造的內(nèi)在動力在于產(chǎn)品品質(zhì)可控，側(cè)重從生產(chǎn)數(shù)字化建設(shè)起步，基于品控需求從產(chǎn)品末端控制向全流程控制轉(zhuǎn)變。因此其智能工廠建設(shè)模式為：一是推進(jìn)生產(chǎn)過程數(shù)字化，在生產(chǎn)制造、過程管理等單個環(huán)節(jié)信息化系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建覆蓋全流程的動態(tài)透明可追溯體系，基于統(tǒng)一的可視化平臺實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)全過程跨部門協(xié)同控制；二是推進(jìn)生產(chǎn)管理一體化，搭建企業(yè)CPS系統(tǒng)，深化生產(chǎn)制造與運(yùn)營管理、采購銷售等核心業(yè)務(wù)系統(tǒng)集成，促進(jìn)企業(yè)內(nèi)部資源和信息的整合和共享；三是推進(jìn)供應(yīng)鏈協(xié)同化，基于原材料采購和配送需求，將CPS系統(tǒng)拓展至供應(yīng)商和物流企業(yè)，橫向集成供應(yīng)商和物料配送協(xié)同資源和網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)外部原材料供應(yīng)和內(nèi)部生產(chǎn)配送的系統(tǒng)化、流程化，提高工廠內(nèi)外供應(yīng)鏈運(yùn)行效率；四是整體打造大數(shù)據(jù)化智能工廠，推進(jìn)端到端集成，開展個性化定制業(yè)務(wù)。

第二種模式是從智能制造生產(chǎn)單元（裝備和產(chǎn)品）到智能工廠。在機(jī)械、汽車、航空、船舶、輕工、家用電器和電子信息等離散制造領(lǐng)域，企業(yè)發(fā)展智能制造的核心目的是拓展產(chǎn)品價值空間，側(cè)重從單臺設(shè)備自動化和產(chǎn)品智能化入手，基于生產(chǎn)效率和產(chǎn)品效能的提升實(shí)現(xiàn)價值增長。因此其智能工廠建設(shè)模式為：一是推進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備（生產(chǎn)線）智能化，通過引進(jìn)各類符合生產(chǎn)所需的智能裝備，建立基于CPS系統(tǒng)的車間級智能生產(chǎn)單元，提高精準(zhǔn)制造、敏捷制造能力。二是拓展基于產(chǎn)品智能化的增值服務(wù)，利用產(chǎn)品的智能裝置實(shí)現(xiàn)與CPS系統(tǒng)的互聯(lián)互通，支持產(chǎn)品的遠(yuǎn)程故障診斷和實(shí)時診斷等服務(wù)；三是推進(jìn)車間級與企業(yè)級系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)和經(jīng)營的無縫集成和上下游企業(yè)間的信息共享，開展基于橫向價值網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同創(chuàng)新。四是推進(jìn)生產(chǎn)與服務(wù)的集成，基于智能工廠實(shí)現(xiàn)服務(wù)化轉(zhuǎn)型，提高產(chǎn)業(yè)效率和核心競爭力。

例如，廣州數(shù)控通過利用工業(yè)以太網(wǎng)將單元級的傳感器、工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床，以及各類機(jī)械設(shè)備與車間級的柔性生產(chǎn)線總控制臺相連，利用以太網(wǎng)將總控臺與企業(yè)管理級的各類服務(wù)器相連，再通過互聯(lián)網(wǎng)將企業(yè)管理系統(tǒng)與產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)相連，打通了產(chǎn)品全生命周期各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)通道，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集分析和故障監(jiān)測診斷。三一重工的18號廠房是總裝車間，有混凝土機(jī)械、路面機(jī)械、港口機(jī)械等多條裝配線，通過在生產(chǎn)車間建立“部件工作中心島”，即單元化生產(chǎn)，將每一類部件從生產(chǎn)到下線所有工藝集中在一個區(qū)域內(nèi)，猶如在一個獨(dú)立的“島嶼”內(nèi)完成全部生產(chǎn)。這種組織方式，打破了傳統(tǒng)流程化生產(chǎn)線呈直線布置的弊端，在保證結(jié)構(gòu)件制造工藝不改變、生產(chǎn)人員不增加的情況下，實(shí)現(xiàn)了減少占地面積、提高生產(chǎn)效率、降低運(yùn)行成本的目的。目前，三一重工已建成車間智能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和刀具管理系統(tǒng)、公共制造資源定位與物料跟蹤管理系統(tǒng)、計劃、物流、質(zhì)量管控系統(tǒng)、生產(chǎn)控制中心（PCC）中央控制系統(tǒng)等智能系統(tǒng)，還與其他單位共同研發(fā)了智能上下料機(jī)械手、基于DNC系統(tǒng)的車間設(shè)備智能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)、智能化立體倉庫與AGV運(yùn)輸軟硬件系統(tǒng)、基于RFID設(shè)備及無線傳感網(wǎng)絡(luò)的物料和資源跟蹤定位系統(tǒng)、高級計劃排程系統(tǒng)（APS）、制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、物流執(zhí)行系統(tǒng)（LES）、在線質(zhì)量檢測系統(tǒng)（SPC）、生產(chǎn)控制中心管理決策系統(tǒng)等關(guān)鍵核心智能裝置，實(shí)現(xiàn)了對制造資源跟蹤、生產(chǎn)過程監(jiān)控，計劃、物流、質(zhì)量集成化管控下的均衡化混流生產(chǎn)。

第三種模式是從個性化定制到互聯(lián)工廠。在家電、服裝、家居等距離用戶最近的消費(fèi)品制造領(lǐng)域，企業(yè)發(fā)展智能制造的重點(diǎn)在于充分滿足消費(fèi)者多元化需求的同時實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)，側(cè)重通過互聯(lián)網(wǎng)平臺開展大規(guī)模個性定制模式創(chuàng)新。因此其智能工廠建設(shè)模式為：一是推進(jìn)個性化定制生產(chǎn)，引入柔性化生產(chǎn)線，搭建互聯(lián)網(wǎng)平臺，促進(jìn)企業(yè)與用戶深度交互、廣泛征集需求，基于需求數(shù)據(jù)模型開展精益生產(chǎn)；二是推進(jìn)設(shè)計虛擬化，依托互聯(lián)網(wǎng)逆向整合設(shè)計環(huán)節(jié)，打通設(shè)計、生產(chǎn)、服務(wù)數(shù)據(jù)鏈，采用虛擬仿真技術(shù)優(yōu)化生產(chǎn)工藝；三是推進(jìn)制造網(wǎng)絡(luò)協(xié)同化，變革傳統(tǒng)垂直組織模式，以扁平化、虛擬化新型制造平臺為紐帶集聚產(chǎn)業(yè)鏈上下游資源，發(fā)展遠(yuǎn)程定制、異地設(shè)計、當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造新模式。

二、國內(nèi)外智能工廠建設(shè)的現(xiàn)狀

近年來，全球各主要經(jīng)濟(jì)體都在大力推進(jìn)制造業(yè)的復(fù)興。在工業(yè)4.0、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等熱潮下，全球眾多優(yōu)秀制造企業(yè)都開展了智能工廠建設(shè)實(shí)踐。

例如，西門子安貝格電子工廠實(shí)現(xiàn)了多品種工控機(jī)的混線生產(chǎn)；FANUC公司實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人和伺服電機(jī)生產(chǎn)過程的高度自動化和智能化，并利用自動化立體倉庫在車間內(nèi)的各個智能制造單元之間傳遞物料，實(shí)現(xiàn)了最高720小時無人值守；施耐德電氣實(shí)現(xiàn)了電氣開關(guān)制造和包裝過程的全自動化；美國哈雷戴維森公司廣泛利用以加工中心和機(jī)器人構(gòu)成的智能制造單元，實(shí)現(xiàn)大批量定制；三菱電機(jī)名古屋制作所采用人機(jī)結(jié)合的新型機(jī)器人裝配產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)從自動化到智能化的轉(zhuǎn)變，顯著提高了單位生產(chǎn)面積的產(chǎn)量；全球重卡巨頭MAN公司搭建了完備的廠內(nèi)物流體系，利用AGV裝載進(jìn)行裝配的部件和整車，便于靈活調(diào)整裝配線，并建立了物料超市，取得明顯成效。

當(dāng)前，我國制造企業(yè)面臨著巨大的轉(zhuǎn)型壓力。一方面，勞動力成本迅速攀升、產(chǎn)能過剩、競爭激烈、客戶個性化需求日益增長等因素，迫使制造企業(yè)從低成本競爭策略轉(zhuǎn)向建立差異化競爭優(yōu)勢。在工廠層面，制造企業(yè)面臨著招工難，以及缺乏專業(yè)技師的巨大壓力，必須實(shí)現(xiàn)減員增效，迫切需要推進(jìn)智能工廠建設(shè)。另一方面，物聯(lián)網(wǎng)、協(xié)作機(jī)器人、增材制造、預(yù)測性維護(hù)、機(jī)器視覺等新興技術(shù)迅速興起，為制造企業(yè)推進(jìn)智能工廠建設(shè)提供了良好的技術(shù)支撐。再加上國家和地方政府的大力扶持，使各行業(yè)越來越多的大中型企業(yè)開啟了智能工廠建設(shè)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(yè)的企業(yè)對生產(chǎn)和裝配線進(jìn)行自動化、智能化改造，以及建立全新的智能工廠的需求十分旺盛，涌現(xiàn)出海爾、美的、東莞勁勝、尚品宅配等智能工廠建設(shè)的樣板。

例如，海爾佛山滾筒洗衣機(jī)工廠可以實(shí)現(xiàn)按訂單配置、生產(chǎn)和裝配，采用高柔性的自動無人生產(chǎn)線，廣泛應(yīng)用精密裝配機(jī)器人，采用MES系統(tǒng)全程訂單執(zhí)行管理系統(tǒng)，通過RFID進(jìn)行全程追溯，實(shí)現(xiàn)了機(jī)機(jī)互聯(lián)、機(jī)物互聯(lián)和人機(jī)互聯(lián)；尚品宅配實(shí)現(xiàn)了從款式設(shè)計到構(gòu)造尺寸的全方位個性定制，建立了高度智能化的生產(chǎn)加工控制系統(tǒng)，能夠滿足消費(fèi)者個性化定制所產(chǎn)生的特殊尺寸與構(gòu)造板材的切削加工需求；東莞勁勝全面采用國產(chǎn)加工中心、國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)和國產(chǎn)工業(yè)軟件，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備數(shù)據(jù)的自動采集和車間聯(lián)網(wǎng)，建立了工廠的數(shù)字映射模型（Digital Twin），構(gòu)建了手機(jī)殼加工的智能工廠。

但是，我國制造企業(yè)在推進(jìn)智能工廠建設(shè)方面，還存在諸多問題與誤區(qū)：

① 盲目購買自動化設(shè)備和自動化產(chǎn)線。很多制造企業(yè)仍然認(rèn)為推進(jìn)智能工廠就是自動化和機(jī)器人化，盲目追求“黑燈工廠”，推進(jìn)單工位的機(jī)器人改造，推行機(jī)器換人，上馬只能加工或裝配單一產(chǎn)品的剛性自動化生產(chǎn)線。只注重購買高端數(shù)控設(shè)備，但卻沒有配備相應(yīng)的軟件系統(tǒng)。

② 尚未實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)的自動采集和車間聯(lián)網(wǎng)。企業(yè)在購買設(shè)備時沒有要求開放數(shù)據(jù)接口，大部分設(shè)備還不能自動采集數(shù)據(jù)，沒有實(shí)現(xiàn)車間聯(lián)網(wǎng)。目前，各大自動化廠商都有自己的工業(yè)總線和通信協(xié)議，OPC UA標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用還不普及。

③ 工廠運(yùn)營層還是黑箱。在工廠運(yùn)營方面還缺乏信息系統(tǒng)支撐，車間仍然是一個黑箱，生產(chǎn)過程還難以實(shí)現(xiàn)全程追溯，與生產(chǎn)管理息息相關(guān)的制造BOM數(shù)據(jù)、工時數(shù)據(jù)也不準(zhǔn)確。

④ 設(shè)備績效不高。生產(chǎn)設(shè)備沒有得到充分利用，設(shè)備的健康狀態(tài)未進(jìn)行有效管理，常常由于設(shè)備故障造成非計劃性停機(jī)，影響生產(chǎn)。

⑤ 依然存在大量信息化孤島和自動化孤島。智能工廠建設(shè)涉及到智能裝備、自動化控制、傳感器、工業(yè)軟件等領(lǐng)域的供應(yīng)商，集成難度很大。很多企業(yè)不僅存在諸多信息孤島，也存在很多自動化孤島，自動化生產(chǎn)線沒有進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，生產(chǎn)線之間還需要中轉(zhuǎn)庫轉(zhuǎn)運(yùn)。

究其原因，是智能制造和智能工廠涵蓋領(lǐng)域很多，系統(tǒng)極其復(fù)雜，企業(yè)還缺乏深刻理解。在這種狀況下，制造企業(yè)不能貿(mào)然推進(jìn)，搞“大躍進(jìn)”，以免造成企業(yè)的投資打水漂。應(yīng)當(dāng)依托有實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)的咨詢服務(wù)機(jī)構(gòu)，結(jié)合企業(yè)內(nèi)部的IT、自動化和精益團(tuán)隊，高層積極參與，根據(jù)企業(yè)的產(chǎn)品和生產(chǎn)工藝，做好需求分析和整體規(guī)劃，在此基礎(chǔ)上穩(wěn)妥推進(jìn)，才能取得實(shí)效。