一、智能工廠主要建設模式

 

由于各個行業(yè)生產流程不同，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模式。

 

第一種模式是從生產過程數(shù)字化到智能工廠。在石化、鋼鐵、冶金、建材、紡織、造紙、醫(yī)藥、食品等流程制造領域，企業(yè)發(fā)展智能制造的內在動力在于產品品質可控，側重從生產數(shù)字化建設起步，基于品控需求從產品末端控制向全流程控制轉變。因此其智能工廠建設模式為：一是推進生產過程數(shù)字化，在生產制造、過程管理等單個環(huán)節(jié)信息化系統(tǒng)建設的基礎上，構建覆蓋全流程的動態(tài)透明可追溯體系，基于統(tǒng)一的可視化平臺實現(xiàn)產品生產全過程跨部門協(xié)同控制；二是推進生產管理一體化，搭建企業(yè)CPS系統(tǒng)，深化生產制造與運營管理、采購銷售等核心業(yè)務系統(tǒng)集成，促進企業(yè)內部資源和信息的整合和共享；三是推進供應鏈協(xié)同化，基于原材料采購和配送需求，將CPS系統(tǒng)拓展至供應商和物流企業(yè)，橫向集成供應商和物料配送協(xié)同資源和網絡，實現(xiàn)外部原材料供應和內部生產配送的系統(tǒng)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)據化智能工廠，推進端到端集成，開展個性化定制業(yè)務。

 

第二種模式是從智能制造生產單元（裝備和產品）到智能工廠。在機械、汽車、航空、船舶、輕工、家用電器和電子信息等離散制造領域，企業(yè)發(fā)展智能制造的核心目的是拓展產品價值空間，側重從單臺設備自動化和產品智能化入手，基于生產效率和產品效能的提升實現(xiàn)價值增長。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，建立基于CPS系統(tǒng)的車間級智能生產單元，提高精準制造、敏捷制造能力。二是拓展基于產品智能化的增值服務，利用產品的智能裝置實現(xiàn)與CPS系統(tǒng)的互聯(lián)互通，支持產品的遠程故障診斷和實時診斷等服務；三是推進車間級與企業(yè)級系統(tǒng)集成，實現(xiàn)生產和經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絡的協(xié)同創(chuàng)新。四是推進生產與服務的集成，基于智能工廠實現(xiàn)服務化轉型，提高產業(yè)效率和核心競爭力。

 

例如，廣州數(shù)控通過利用工業(yè)以太網將單元級的傳感器、工業(yè)機器人、數(shù)控機床，以及各類機械設備與車間級的柔性生產線總控制臺相連，利用以太網將總控臺與企業(yè)管理級的各類服務器相連，再通過互聯(lián)網將企業(yè)管理系統(tǒng)與產業(yè)鏈上下游企業(yè)相連，打通了產品全生命周期各環(huán)節(jié)的數(shù)據通道，實現(xiàn)了生產過程的遠程數(shù)據采集分析和故障監(jiān)測診斷。三一重工的18號廠房是總裝車間，有混凝土機械、路面機械、港口機械等多條裝配線，通過在生產車間建立“部件工作中心島”，即單元化生產，將每一類部件從生產到下線所有工藝集中在一個區(qū)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(tǒng)流程化生產線呈直線布置的弊端，在保證結構件制造工藝不改變、生產人員不增加的情況下，實現(xiàn)了減少占地面積、提高生產效率、降低運行成本的目的。目前，三一重工已建成車間智能監(jiān)控網絡和刀具管理系統(tǒng)、公共制造資源定位與物料跟蹤管理系統(tǒng)、計劃、物流、質量管控系統(tǒng)、生產控制中心（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)了智能上下料機械手、基于DNC系統(tǒng)的車間設備智能監(jiān)控網絡、智能化立體倉庫與AGV運輸軟硬件系統(tǒng)、基于RFID設備及無線傳感網絡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）、在線質量檢測系統(tǒng)（SPC）、生產控制中心管理決策系統(tǒng)等關鍵核心智能裝置，實現(xiàn)了對制造資源跟蹤、生產過程監(jiān)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品制造領域，企業(yè)發(fā)展智能制造的重點在于充分滿足消費者多元化需求的同時實現(xiàn)規(guī)模經濟生產，側重通過互聯(lián)網平臺開展大規(guī)模個性定制模式創(chuàng)新。因此其智能工廠建設模式為：一是推進個性化定制生產，引入柔性化生產線，搭建互聯(lián)網平臺，促進企業(yè)與用戶深度交互、廣泛征集需求，基于需求數(shù)據模型開展精益生產；二是推進設計虛擬化，依托互聯(lián)網逆向整合設計環(huán)節(jié)，打通設計、生產、服務數(shù)據鏈，采用虛擬仿真技術優(yōu)化生產工藝；三是推進制造網絡協(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業(yè)鏈上下游資源，發(fā)展遠程定制、異地設計、當?shù)厣a的網絡協(xié)同制造新模式。

 

近年來，全球各主要經濟體都在大力推進制造業(yè)的復興。在工業(yè)4.0、工業(yè)互聯(lián)網、物聯(lián)網、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實踐。

 

例如，西門子安貝格電子工廠實現(xiàn)了多品種工控機的混線生產；FANUC公司實現(xiàn)了機器人和伺服電機生產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的各個智能制造單元之間傳遞物料，實現(xiàn)了最高720小時無人值守；施耐德電氣實現(xiàn)了電氣開關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器人構成的智能制造單元，實現(xiàn)大批量定制；三菱電機名古屋制作所采用人機結合的新型機器人裝配產線，實現(xiàn)從自動化到智能化的轉變，顯著提高了單位生產面積的產量；全球重卡巨頭MAN公司搭建了完備的廠內物流體系，利用AGV裝載進行裝配的部件和整車，便于靈活調整裝配線，并建立了物料超市，取得明顯成效。

 

當前，我國制造企業(yè)面臨著巨大的轉型壓力。一方面，勞動力成本迅速攀升、產能過剩、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，必須實現(xiàn)減員增效，迫切需要推進智能工廠建設。另一方面，物聯(lián)網、協(xié)作機器人、增材制造、預測性維護、機器視覺等新興技術迅速興起，為制造企業(yè)推進智能工廠建設提供了良好的技術支撐。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)對生產和裝配線進行自動化、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的樣板。

 

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

 

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

 

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

 

② 尚未實現(xiàn)設備數(shù)據的自動采集和車間聯(lián)網。企業(yè)在購買設備時沒有要求開放數(shù)據接口，大部分設備還不能自動采集數(shù)據，沒有實現(xiàn)車間聯(lián)網。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(tǒng)支撐，車間仍然是一個黑箱，生產過程還難以實現(xiàn)全程追溯，與生產管理息息相關的制造BOM數(shù)據、工時數(shù)據也不準確。

 

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

 

⑤ 依然存在大量信息化孤島和自動化孤島。智能工廠建設涉及到智能裝備、自動化控制、傳感器、工業(yè)軟件等領域的供應商，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，自動化生產線沒有進行統(tǒng)一規(guī)劃，生產線之間還需要中轉庫轉運。

 

究其原因，是智能制造和智能工廠涵蓋領域很多，系統(tǒng)極其復雜，企業(yè)還缺乏深刻理解。在這種狀況下，制造企業(yè)不能貿然推進，搞“大躍進”，以免造成企業(yè)的投資打水漂。應當依托有實戰(zhàn)經驗的咨詢服務機構，結合企業(yè)內部的IT、自動化和精益團隊，高層積極參與，根據企業(yè)的產品和生產工藝，做好需求分析和整體規(guī)劃，在此基礎上穩(wěn)妥推進，才能取得實效。