探究智能工廠的具體含義、特征及建設(shè)內(nèi)容和目的

什么是智能工廠？如何建設(shè)智能工廠？是當(dāng)前很多企業(yè)面臨的問(wèn)題。本文旨在闡述智能工廠的戰(zhàn)略高度，探討智能工廠的具體含義、特征及建設(shè)內(nèi)容和目的，并給予企業(yè)在建設(shè)智能工廠中一些建議。

01緒論

在全球化的背景下，企業(yè)面臨著空前的競(jìng)爭(zhēng)壓力，越來(lái)越多樣化的客戶需求，越來(lái)越短的產(chǎn)品生命周期，越來(lái)越分散的生產(chǎn)單位。與此同時(shí)，客戶比以往任何時(shí)候都更有力地決定著市場(chǎng)。為了保持競(jìng)爭(zhēng)力，企業(yè)必須滿足客戶對(duì)質(zhì)量越來(lái)越嚴(yán)格的要求。而且，要在較短的交付提前期內(nèi)以更低的成本生產(chǎn)更具創(chuàng)新性的產(chǎn)品。因此，無(wú)論在美國(guó)、還是在歐洲、或是日本，構(gòu)建智能工廠（Smart Plant/Intelligent Plant）正在被全球制造業(yè)領(lǐng)域不約而同地選為下一個(gè)中長(zhǎng)期的愿景目標(biāo)；而工廠智能化作為當(dāng)前國(guó)內(nèi)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要目標(biāo)，也得到了業(yè)界、學(xué)界和政府層面的廣泛認(rèn)同。

02建設(shè)智能工廠的戰(zhàn)略高度

（一）德國(guó)工業(yè)4.0

德國(guó)“工業(yè)4.0”研究項(xiàng)目由德國(guó)聯(lián)邦教研部與聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)技術(shù)部聯(lián)手資助，在德國(guó)工程院、弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)、西門子公司等德國(guó)學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的建議和推動(dòng)下形成，并已上升為國(guó)家級(jí)戰(zhàn)略，德國(guó)聯(lián)邦政府投入達(dá)2億歐元。

工業(yè)4.0的愿景包括：滿足用戶個(gè)性化需求；靈活性；決策優(yōu)化；提高生產(chǎn)率和資源利用效率；通過(guò)新的服務(wù)創(chuàng)造價(jià)值；應(yīng)對(duì)勞動(dòng)力市場(chǎng)的變化；實(shí)現(xiàn)工作與生活的平衡；以及高工資仍然有競(jìng)爭(zhēng)力。德國(guó)面臨人口老齡化，工會(huì)力量強(qiáng)大、高福利、經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)乏力等巨大壓力，亟待通過(guò)信息化、自動(dòng)化和智能化來(lái)減少對(duì)人工的依賴，進(jìn)一步提升勞動(dòng)生產(chǎn)率和企業(yè)的盈利能力。

工業(yè)4.0的核心是：

（1）智能工廠：重點(diǎn)研究智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及過(guò)程，以及網(wǎng)絡(luò)化分布式生產(chǎn)設(shè)施的實(shí)現(xiàn)；

（2）智能生產(chǎn)：主要涉及整個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)物流管理、人機(jī)互動(dòng)以及3D技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用等。

（二）中國(guó)制造2025

《中國(guó)制造2025》是經(jīng)國(guó)務(wù)院總理李克強(qiáng)簽批，由國(guó)務(wù)院于2015年5月印發(fā)的部署全面推進(jìn)實(shí)施制造強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略文件，是中國(guó)實(shí)施制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略第一個(gè)十年的行動(dòng)綱領(lǐng)。

《中國(guó)制造2025》提出實(shí)行五大工程，其中“智能制造工程”中提到：“依托優(yōu)勢(shì)企業(yè)，緊扣關(guān)鍵工序智能化、關(guān)鍵崗位機(jī)器人替代、生產(chǎn)過(guò)程智能優(yōu)化控制、供應(yīng)鏈優(yōu)化，建設(shè)重點(diǎn)領(lǐng)域智能工廠/數(shù)字化車間?！?/p>

03智能工廠的含義、特征及建設(shè)內(nèi)容

（一）什么是智能工廠

“什么是智能工廠？”，在世界范圍內(nèi)，并沒有一個(gè)明確的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。我認(rèn)為，智能工廠的內(nèi)涵是：一家工廠的自動(dòng)化程度到達(dá)一定水平之后，通過(guò)信息化與自動(dòng)化系統(tǒng)的集成，采用智能的裝備與生產(chǎn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)更加高效、優(yōu)化、柔性的生產(chǎn)。智能工廠是一個(gè)很高的境界，要實(shí)現(xiàn)智能工廠還需要長(zhǎng)期的努力。

智能工廠的基礎(chǔ)是數(shù)字化工廠，數(shù)字化工廠的核心是自動(dòng)化系統(tǒng)與信息化系統(tǒng)的集成，實(shí)現(xiàn)所有工廠信息的自動(dòng)采集，基礎(chǔ)是所有工廠設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)。

西門子位于德國(guó)安貝格市的電子工廠被譽(yù)為全球最典型的工業(yè)4.0樣板，然而西門子對(duì)該工廠的描述卻是數(shù)字化工廠。而且西門子強(qiáng)調(diào)，數(shù)字化工廠不等于無(wú)人工廠，企業(yè)沒有必要追求絕對(duì)的無(wú)人化，而應(yīng)該是少人化，人機(jī)協(xié)同。對(duì)于產(chǎn)品配置比較簡(jiǎn)單的產(chǎn)品，可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化生產(chǎn)；而對(duì)于產(chǎn)品配置復(fù)雜的產(chǎn)品，則保留部分人工的工序。對(duì)這些工序，西門子廣泛采用了防呆設(shè)計(jì)。例如，在安裝電氣元件時(shí)，只有對(duì)于當(dāng)前工序需要安裝的零件的盒子，才會(huì)顯示綠燈。每個(gè)產(chǎn)品在生產(chǎn)過(guò)程中，將RFID芯片放置在托盤上，存儲(chǔ)產(chǎn)品的制造和裝配工藝。裝配線通過(guò)識(shí)別工藝路線，自主決策進(jìn)入相應(yīng)的生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)。這實(shí)際上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了智能化生產(chǎn)線的應(yīng)用。

圖1 西門子安貝格電子工廠

智能工廠是在數(shù)字化工廠的基礎(chǔ)上，增加了智能裝備的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)信息的實(shí)時(shí)智能分析。

（二）智能工廠的特征

我認(rèn)為，智能工廠有以下特征：

（1）能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)手段與設(shè)計(jì)過(guò)程的數(shù)字化、智能化。

（2）可以對(duì)生產(chǎn)線或整個(gè)工廠的運(yùn)行進(jìn)行模擬仿真。

（3）具有工藝數(shù)據(jù)庫(kù)和知識(shí)庫(kù)，能逐步積累專家經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)和作業(yè)任務(wù)的優(yōu)化。

（4）實(shí)現(xiàn)制造信息全過(guò)程跟蹤以及產(chǎn)品質(zhì)量的追溯。

（5）能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)時(shí)按序送貨（JIS），支持混流生產(chǎn)。

（6）生產(chǎn)線具有柔性化，充分結(jié)合機(jī)器視覺等技術(shù)，采集RFID芯片存儲(chǔ)的工藝路線，并能夠定根據(jù)零件的工藝路線自主決策進(jìn)入自動(dòng)化裝備進(jìn)行生產(chǎn)與裝配。

（7）實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生命周期管理（PLM）、企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）系統(tǒng)和制造執(zhí)行管理系統(tǒng)（MES）之間的無(wú)縫集成。

（8）通過(guò)增強(qiáng)型虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（AR）的應(yīng)用，提高生產(chǎn)制造過(guò)程的智能化。例如，操作工人可以佩戴Google眼鏡，來(lái)指示要擰緊的螺釘孔位置，快速定位。

（9）生產(chǎn)過(guò)程全程無(wú)紙化。設(shè)備績(jī)效（OEE）達(dá)到最大化（80%以上）。

（10）在實(shí)時(shí)采集生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)信息的基礎(chǔ)上，對(duì)制造過(guò)程的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)展現(xiàn)和分析，為各級(jí)生產(chǎn)管理者提供制造智能分析和決策支持。

（11）不再是孤立地使用機(jī)器人，而是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人集群的應(yīng)用，并實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)。

（12）在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用方面，裝備制造企業(yè)可以通過(guò)遠(yuǎn)程故障診斷提高產(chǎn)品的運(yùn)行效能，及時(shí)幫助客戶進(jìn)行預(yù)防性維修維護(hù)，更換備品備件，從而提升服務(wù)收入。對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)反饋的產(chǎn)品出現(xiàn)的異常問(wèn)題，可以反饋到產(chǎn)品研發(fā)與制造環(huán)節(jié)，及時(shí)進(jìn)行改進(jìn)。

（三）智能工廠建設(shè)的主要內(nèi)容及目的

智能工廠包括智能加工中心與生產(chǎn)線的應(yīng)用，智能化倉(cāng)儲(chǔ)、運(yùn)輸與物流，智能化生產(chǎn)執(zhí)行過(guò)程管控和建立智能化生產(chǎn)控制中心?，F(xiàn)代企業(yè)逐漸走向多工廠運(yùn)營(yíng)，因此全球優(yōu)秀的企業(yè)采用統(tǒng)一的MES系統(tǒng)，來(lái)管理多工廠的運(yùn)營(yíng)。

智能工廠涉及到柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線、工業(yè)機(jī)器人、DNC（分布式數(shù)控）、智能刀具管理、自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)、AGV（無(wú)人引導(dǎo)小車），實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的生產(chǎn)和質(zhì)量數(shù)據(jù)采集，應(yīng)用MES系統(tǒng)、倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)。在生產(chǎn)排產(chǎn)方面，應(yīng)用APS（先進(jìn)生產(chǎn)排程）來(lái)提高制造資源的利用率；充分利用RFID和二維條碼，或通過(guò)與制造裝備的數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集；利用SPC（統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制）實(shí)現(xiàn)對(duì)質(zhì)量數(shù)據(jù)的分析。

圖2 智能工廠的框圖

在智能工廠可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車間生產(chǎn)計(jì)劃到執(zhí)行的閉環(huán)，完全打破生產(chǎn)的黑箱，實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程的全程可追溯。

圖3 智能化車間

全球最大的管理軟件公司SAP推出了制造集成與智能解決方案（SAP Manufacturing Integration and Intelligence，SAP MII）。通過(guò)連接ERP與車間層系統(tǒng)，并實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地展現(xiàn)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)狀況，幫助制造商實(shí)現(xiàn)卓越制造。它可以將車間系統(tǒng)與公司運(yùn)營(yíng)直接連接起來(lái)。所有對(duì)制造有影響的數(shù)據(jù)幾乎都可以進(jìn)行實(shí)時(shí)查看，包括關(guān)于訂單、物料、設(shè)備狀態(tài)、成本、產(chǎn)品質(zhì)量等信息，從而幫助企業(yè)及時(shí)應(yīng)對(duì)市場(chǎng)的變化。

圖4 SAP制造集成與智能解決方案

04結(jié)語(yǔ)

開展智能制造，建設(shè)智能工廠無(wú)疑是制造業(yè)企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要手段，我認(rèn)為中國(guó)企業(yè)應(yīng)當(dāng)采取務(wù)實(shí)的態(tài)度和循序漸進(jìn)的策略，不可能一蹴而就，要充分根據(jù)企業(yè)的效益和行業(yè)的市場(chǎng)狀況，制定相應(yīng)的策略，合理規(guī)劃藍(lán)圖。機(jī)器換人是個(gè)大趨勢(shì)，智能裝備的應(yīng)用是個(gè)必由之路，但每個(gè)企業(yè)應(yīng)當(dāng)根據(jù)自身的產(chǎn)品特點(diǎn)和生產(chǎn)模式制定符合自身特色的路線圖，才能在智能工廠的推進(jìn)過(guò)程中，真正獲得實(shí)際效益。
編輯：lyn