智能工廠系統(tǒng)集成解決方案

作者：機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司智能制造院 院長(zhǎng) 劉俊

二十大報(bào)告中明確提出，高質(zhì)量發(fā)展是全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國(guó)家的首要任務(wù)，以智能制造為主攻方向，提升制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展水平?！笆奈濉敝悄苤圃彀l(fā)展規(guī)劃中也明確提出了智能制造示范工廠領(lǐng)航行動(dòng)。近期工信部等七部門(mén)聯(lián)合發(fā)布的《機(jī)械行業(yè)穩(wěn)增長(zhǎng)工作方案（2023—2024 年）》亦提到要系統(tǒng)深入推進(jìn)智能制造，加快制造業(yè)數(shù)字化智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)，促進(jìn)機(jī)械行業(yè)穩(wěn)增長(zhǎng)、提質(zhì)量、促升級(jí)、保安全，這些均為高端制造業(yè)發(fā)展提供了巨大機(jī)遇。同時(shí)，由于目前智能制造已經(jīng)進(jìn)入深水區(qū)，大多數(shù)制造業(yè)企業(yè)對(duì)智能制造已經(jīng)有了一定的認(rèn)識(shí)和了解。 但在智能工廠具體推進(jìn)和實(shí)施時(shí)，尤其是針對(duì)多品種、多規(guī)格，批量或小批量生產(chǎn)性質(zhì)的離散型制造企業(yè)，依然面臨無(wú)從下手的情況，缺乏系統(tǒng)性地可指導(dǎo)智能工廠實(shí)施落地的方法和指南，從而導(dǎo)致在建設(shè)過(guò)程中出現(xiàn)工廠建設(shè)周期延長(zhǎng)、投資超支等問(wèn)題。進(jìn)度、質(zhì)量和費(fèi)用不能得到有效控制，無(wú)法達(dá)到預(yù)期的實(shí)施效果。

一、智能工廠涵蓋的內(nèi)容

智能工廠作為智能制造的載體，涵蓋精益改善、工藝流程再造、智能物流倉(cāng)儲(chǔ)、自動(dòng)化提升、工廠物聯(lián)網(wǎng)、信息化應(yīng)用系統(tǒng)、土建公用基礎(chǔ)配套設(shè)施、建模仿真和數(shù)字孿生等建設(shè)內(nèi)容，需要多專(zhuān)業(yè)、多學(xué)科交叉，投資大、周期長(zhǎng)，是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。智能工廠建設(shè)到底需涵蓋哪些內(nèi)容，我們?cè)谛戮幹频膰?guó)家標(biāo)準(zhǔn)里對(duì)其架構(gòu)和內(nèi)容進(jìn)行了定義。

圖 1 智能工廠總體架構(gòu) 如圖 1 所示，包括物理工廠和虛擬工廠兩部分，其中物理工廠，包括實(shí)體工廠和信息化系統(tǒng)。右側(cè)是虛擬工廠，包括與實(shí)體工廠一一映射的三維信息實(shí)體模型和包含工廠實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行機(jī)制的仿真模型，通過(guò)與物理工廠的不斷迭代和交互，最終形成工廠數(shù)字孿生體，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)集成。同時(shí)以智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系和安全體系為兩翼，通過(guò)規(guī)范接口、協(xié)議和規(guī)則等，有力支撐智能工廠的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

二、智能工廠系統(tǒng)集成解決方案

二十大報(bào)告中明確提出，高質(zhì)量發(fā)展是全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國(guó)家的首要任務(wù)，以智能制造為主攻方向，提升制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展水平。“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃中也明確提出了智能制造示范工廠領(lǐng)航行動(dòng)。近期工信部等七部門(mén)聯(lián)合發(fā)布的《機(jī)械行業(yè)穩(wěn)增長(zhǎng)工作方案（2023—2024 年）》亦提到要系統(tǒng)深入推進(jìn)智能制造，加快制造業(yè)數(shù)字化智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)，促進(jìn)機(jī)械行業(yè)穩(wěn)增長(zhǎng)、提質(zhì)量、促升級(jí)、保安全，這些均為高端制造業(yè)發(fā)展提供了巨大機(jī)遇。

同時(shí)，由于目前智能制造已經(jīng)進(jìn)入深水區(qū)，大多數(shù)制造業(yè)企業(yè)對(duì)智能制造已經(jīng)有了一定的認(rèn)識(shí)和了解。但在智能工廠具體推進(jìn)和實(shí)施時(shí)，尤其是針對(duì)多品種、多規(guī)格，批量或小批量生產(chǎn)性質(zhì)的離散型制造企業(yè)，依然面臨無(wú)從下手的情況，缺乏系統(tǒng)性地可指導(dǎo)智能工廠實(shí)施落地的方法和指南，從而導(dǎo)致在建設(shè)過(guò)程中出現(xiàn)工廠建設(shè)周期延長(zhǎng)、投資超支等問(wèn)題。進(jìn)度、質(zhì)量和費(fèi)用不能得到有效控制，無(wú)法達(dá)到預(yù)期的實(shí)施效果。 智能工廠總體架構(gòu)確定后，針對(duì)典型的離散型制造企業(yè)，在實(shí)施智能制造時(shí)該如何做或者從哪里切入，之前工信部在推行智能制造綜合標(biāo)準(zhǔn)化和新模式應(yīng)用時(shí)，提出了五種智能制造新模式，并針對(duì)每種新模式給出了相應(yīng)的指南，給早期實(shí)施智能化改造的企業(yè)提供了一定的依據(jù)。與燈塔工廠建設(shè)提出的用例類(lèi)似，近兩年工信部又陸續(xù)發(fā)布了《智能制造典型場(chǎng)景參考指引》，以 2022 年發(fā)布的指引為例，共包括 16 個(gè)環(huán)節(jié) 45 個(gè)智能制造典型場(chǎng)景，涵蓋從研發(fā)、生產(chǎn)到銷(xiāo)售等全流程各個(gè)環(huán)節(jié)。企業(yè)實(shí)施時(shí)最重要的是要根據(jù)每個(gè)企業(yè)自身的產(chǎn)品特點(diǎn)和生產(chǎn)組織模式，梳理出切合自身發(fā)展的典型場(chǎng)景，并在此基礎(chǔ)上總體規(guī)劃，分步實(shí)施，最終實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。

1）實(shí)施路徑

一條相對(duì)合適的實(shí)施路徑是在診斷和總體規(guī)劃的基礎(chǔ)上，進(jìn)行精益工藝布局優(yōu)化，智能倉(cāng)儲(chǔ)物流的有序銜接和自動(dòng)化的提升，同時(shí)輔之以綠色低碳的設(shè)施和手段，最后進(jìn)行信息系統(tǒng)的實(shí)施和整體集成，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)工廠的智能化生產(chǎn)、低碳化運(yùn)營(yíng)。如圖 2 所示。

圖 2 智能工廠實(shí)施路徑

2）實(shí)施內(nèi)容

①診斷 通過(guò)調(diào)查企業(yè)基本情況、產(chǎn)品產(chǎn)量、設(shè)備與自動(dòng)化水平、信息化軟件、網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、質(zhì)量管理等方面現(xiàn)狀，運(yùn)用智能制造成熟度模型，評(píng)估企業(yè)智能制造水平。對(duì)標(biāo)行業(yè)先進(jìn)，分析差距原因。并在此基礎(chǔ)上，提出企業(yè)進(jìn)行智能化改造的頂層設(shè)計(jì)方案和實(shí)施建議。

②智能工廠總體規(guī)劃 確定企業(yè)智能制造的目標(biāo)和典型應(yīng)用場(chǎng)景，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行工藝優(yōu)化、自動(dòng)化規(guī)劃、智能倉(cāng)儲(chǔ)及物流規(guī)劃等，并確定企業(yè)信息化規(guī)劃的應(yīng)用架構(gòu)、集成架構(gòu)和技術(shù)架構(gòu)。最后給出企業(yè)實(shí)施智能制造的總體技術(shù)路線，包括實(shí)施進(jìn)度、實(shí)施費(fèi)用、相應(yīng)關(guān)鍵點(diǎn)和保障措施分析等。

③基于精益的工藝和物流優(yōu)化。 從產(chǎn)品分析入手，按照產(chǎn)品生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，分別梳理工藝流、物流、信息流及業(yè)務(wù)流，最終形成布局合理、物流短捷高效的工藝布局方案和倉(cāng)儲(chǔ)物流配送方案，在此基礎(chǔ)進(jìn)行物流仿真驗(yàn)證，不斷迭代優(yōu)化平面布局方案，為企業(yè)實(shí)施智能制造奠定基礎(chǔ)。

④自動(dòng)化提升 通過(guò)智能產(chǎn)線建模與仿真、離線編程、虛擬建造、虛擬調(diào)試、機(jī)器人集成與應(yīng)用、視覺(jué)技術(shù)、RFID技術(shù)、高精度伺服控制、先進(jìn)傳感檢測(cè)等技術(shù)手段，識(shí)別生產(chǎn)自動(dòng)化、物流自動(dòng)化和檢測(cè)自動(dòng)化等提升點(diǎn)。尤其是智能工廠中工藝布局、物流倉(cāng)儲(chǔ)、智能產(chǎn)線關(guān)系緊密，相互銜接和影響，需要不斷迭代優(yōu)化。

⑤虛擬工廠同步建設(shè)和優(yōu)化 在進(jìn)行物理工廠方案制定的過(guò)程中，需同步進(jìn)行虛擬工廠的搭建，通過(guò)建模和仿真的工具，對(duì)產(chǎn)品、工廠和生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行數(shù)字化建模，對(duì)工藝布局、物流倉(cāng)儲(chǔ)、關(guān)鍵產(chǎn)線、人機(jī)工程、產(chǎn)能和設(shè)備 OEE 等進(jìn)行仿真優(yōu)化。

⑥綠色土建公用配套基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)和實(shí)施 工藝布局、產(chǎn)線和物流都解決后，就需要進(jìn)行綠色土建公用配套專(zhuān)題報(bào)道 SPECIAL REPORT基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計(jì)和實(shí)施，采用合適的綠色節(jié)能技術(shù) 比如焊接煙塵治理，余熱回收利用等，同時(shí)針對(duì)工廠用能比較大的企業(yè)，重點(diǎn)從能源綜合利用方面入手，打造工廠用能側(cè)多能互補(bǔ)的零碳解決方案，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降碳和綠能減碳的目的，打造零碳綠色智慧能源示范工廠。

⑦信息化系統(tǒng)的實(shí)施 主要包括 SCADA、安燈看板、設(shè)備聯(lián)網(wǎng)、透明工廠等系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，同時(shí)進(jìn)行各個(gè)系統(tǒng)的集成。

⑧整體系統(tǒng)集成和數(shù)字孿生 在精益工藝的基礎(chǔ)上，智能工廠整體系統(tǒng)集成，主要包括產(chǎn)線的集成、物流、以及信息化系統(tǒng)的集成，尤其是與車(chē)間底層數(shù)據(jù)交互的信息化系統(tǒng)集成。很多企業(yè)智能工廠實(shí)施效果不好，主要是在這三個(gè)集成方面出了問(wèn)題，從而出現(xiàn)斷點(diǎn)。一個(gè)很核心的就是要將工藝貫穿至產(chǎn)線、物流和信息化全過(guò)程，遵循一切均是為生產(chǎn)服務(wù)的原則，最終可以實(shí)現(xiàn)物理工廠和虛擬工廠的雙向數(shù)據(jù)集成、數(shù)字孿生，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行虛擬工廠的實(shí)時(shí)監(jiān)控、歷史回溯和調(diào)產(chǎn)推演等。

圖 3 基于精益的工藝和物流優(yōu)化

三、應(yīng)用成效

針對(duì)某液壓泵制造工廠智能化改造項(xiàng)目，首先通過(guò)診斷找出短板和存在的問(wèn)題，在此基礎(chǔ)上提出項(xiàng)目的目標(biāo)和擬建設(shè)的智能制造場(chǎng)景。通過(guò)分析產(chǎn)品的特點(diǎn)和生產(chǎn)工藝，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行價(jià)值流分析，三維工藝布局、產(chǎn)線及物流仿真優(yōu)化分析、搭建智能工廠總體架構(gòu)和系統(tǒng)集成架構(gòu)。 通過(guò) BIM 技術(shù)進(jìn)行三維模型的創(chuàng)建，包括內(nèi)部的殼體加工線、后蓋自動(dòng)化加工線、閥芯閥套加工線、自動(dòng)裝配線等，并且對(duì)各產(chǎn)線進(jìn)行了仿真。 最終項(xiàng)目建成后，相關(guān)指標(biāo)對(duì)比均有明顯提升，如設(shè)備自動(dòng)化率提升 40%，設(shè)備 OEE 提高 15%，建成后單件產(chǎn)品綜合成本下降 20%。 液壓件是關(guān)鍵基礎(chǔ)部件，基于此類(lèi)項(xiàng)目智能工廠建設(shè)實(shí)踐積累，在由江蘇省人民政府、工業(yè)和信息化部、中國(guó)工程院、中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)共同主辦的第二屆智能制造創(chuàng)新大賽中，中機(jī)六院“液壓基礎(chǔ)件智能工廠系統(tǒng)集成解決方案”和“基于數(shù)字孿生的智能柔性油缸裝配線”兩個(gè)項(xiàng)目在大賽中斬獲佳績(jī)，雙雙榮獲智能制造系統(tǒng)集成賽道和裝備賽道領(lǐng)航組全國(guó)總決賽二等獎(jiǎng)和人氣獎(jiǎng)。

四、建議

由于智能工廠建設(shè)投資大、周期長(zhǎng)、責(zé)任大；涉及工藝、物流、產(chǎn)線、自控和信息化等多個(gè)專(zhuān)業(yè)，技術(shù)含量高、系統(tǒng)性強(qiáng)、資質(zhì)要求高。且設(shè)備、物流、信息化之間有交叉，尤其是到后期系統(tǒng)集成聯(lián)調(diào)聯(lián)試階段，邊界劃分不清、相互推諉扯皮等問(wèn)題會(huì)集中凸顯。因此建議企業(yè)在成立智能制造專(zhuān)班，并且一把手強(qiáng)力推動(dòng)的基礎(chǔ)上，采取EPC 總承包或全過(guò)程咨詢模式，引入合適的智能工廠系統(tǒng)集成解決方案供應(yīng)商參與，從而保證智能工廠實(shí)施的效果。

編輯：黃飛

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