工業4.0時代智能制造新模式的思考與探索

（廣西中煙工業有限責任公司，廣西 南寧 530001）

【摘 要】文章以卷煙生產為例，探討工業4.0時代智能制造新模式。文章提出通過大數據平臺建立核心業務的端到端模型，積極打造產品面向客戶定制的智能生產模式，從供應、生產、能源、物流、服務等全方位地實現生產制造全過程的數字化、網絡化和智能化。構建的基于大數據分析的智能生產模式，是對傳統工業企業如何從制造向“智造”轉型升級的思考，可以延伸至工業生產各領域，引導的是一種思維上的創新與探討。

【關鍵詞】工業4.0；智能制造；大數據；制造模式

【中圖分類號】F424 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）07-0028-03

0 引言

當前，全球新一輪科技革命和產業變革風起云涌，增材制造、工業互聯網、工業大數據、工業4.0等新的生產理念不斷涌現。以互聯網為核心的新一代信息技術融合創新，已經成為驅動信息技術與實體產業融合發展的新引擎。在這樣的時代潮流下，傳統工業企業應該抓住“中國制造2025”發展戰略機遇，積極運用工業4.0思維探索和創新制造模式。

1 構建大數據分析的智能制造模式

工業4.0時代的生產模式是滿足新一代產品設計、工藝、制造、檢驗、物流等全生命周期的智能化要求，以智能裝備為依托，將信息互聯提升到物聯網層面，減少人力干涉，實現產品與機器、產品與人的對話，打造出能自主調配“人、機、料、能、信”等資源并輸出成品的智能制造模式。

智能生產模式不僅是基礎自動化和傳感器帶來的大量數據，更重要的是，建立起大數據分析的智能生產模塊，就數據維度而言，應該進入大數據平臺系統，由量化分析上升到分析模型的高度。通過大數據平臺，將這些數據與給定的目標建立聯系，建立起基于大數據的分析模型，而這個分析模型通過實證和不斷完善，最終使目標得以實現。而大數據建模與分析的出發和歸宿都是業務，核心業務的端到端就是大數據建模與分析的根本前提條件。從產品設計到供應、生產、物流、銷售、回溯整個過程的信息數據進行快速收集、整合，建立核心業務的端到端模型（如圖1所示）。

2 打造核心業務模塊

2.1 面向客戶的專屬定制服務網絡

工業4.0通過將制造過程中的設計、規劃、工程、生產及服務等信息數字化、網絡化和智能化，開啟一個人與物、物與物相連的大世界。這其中，大規模低成本的定制化生產將成為可能。本文以卷煙生產為例，將傳統生產線與信息化技術相結合，實現生產線上多種牌號卷煙的切換生產，創造出流水線上不同產品配方、生產工藝、生產原料、煙支型號、包裝等之間的靈活轉換，以滿足產品動態式的、柔性調整的要求，打造一條開放的、創新的、動態的面向客戶專屬定制的智慧生產線。

產品面向客戶需求，不同牌號卷煙的全部信息儲存在大數據中，項目建立從設計到生產資料、生產設備、產品信息之間信息交互和自治，相關資源在虛擬網絡中進行規劃。將產品按照不同的加工特性進行分組并確定工藝過程，選擇相應的加工設備和工藝參數及物料儲運系統等，并由計算機進行控制，因此能夠自動調整并實現要求范圍內多種物料的成批高效生產（即具有柔性），并能及時地改變產品結構，以滿足客戶定制需求。

2.2 智慧供應網絡

智慧供應網絡，即能夠針對多樣化的客戶定制需求和產品需求，及時滿足生產的供應網絡；能夠對生產過程中的產品需求自動響應、自動預測分析、自動優化、自動控制風險的高度智慧化網絡。縱向上，它覆蓋從操作、運營到戰略的各個層次；橫向上，它與客戶網絡、生產網絡、物流網絡、服務網絡緊密地聯系在一起；確保對從需求開始的產品全生命周期的支持。

建立企業資源計劃管理系統（ERP），面向產品生命周期進行物質資源、資金資源和信息資源集成一體化管理，在客戶需求數據、生產數據、服務數據、產品數據等大數據基礎上進行挖掘和分析，建立供應鏈模型，對資源供應需求做出精確的預測。ERP系統集供應鏈管理、銷售與市場、分銷、客戶服務、財務管理、制造管理、庫存管理、工廠與設備維護、人力資源、報表、制造執行系統（MES）、工作流服務和企業信息系統等為一體。此外，還包括采購管理、金融投資管理、質量管理、運輸管理、項目管理、法規與標準和過程控制等補充功能。

2.3 智慧生產網絡

智能生產網絡的核心基礎是CPS（信息物理系統），通過把人、物料、機器、產品通過橫縱多維度連接和融合，形成全新的高度智慧化的生產網絡，也使得人—機和人—環境之間的互動達到全新的水平。

2.3.1 智能計劃排產

制造執行系統（MES），包含制造數據全面管理、生產計劃管理、能力平衡分析、任務派工管理、庫存管理、內嵌式高級智能排產引擎（Plug-in APS）、全面質量管理體系、生產系統可視化管理等，實現多種產品/規格混合生產的排產和生產管理。支持多種自動排產算法，具有按交貨期、精益生產、生產周期、最優庫存、訂單優先等多種排產方式，可準確到每一道工序、每一臺設備、每一分鐘，可最大限度地滿足各類復雜的排產要求，并可根據實際情況進行動態調整，確保生產計劃準確科學，從生產源頭上做到智能化。

2.3.2 智能生產協同

ERP系統和MES系統可以為企業提供包括制造數據管理、計劃排程管理、生產調度管理、庫存管理、質量管理、人力資源管理、工作中心/設備管理、工具工裝管理、采購管理、成本管理、項目看板管理、生產過程控制、底層數據集成分析、上層數據集成分解等管理模塊，為企業打造一個扎實、可靠、全面、可行的制造協同管理平臺。

2.3.3 智能的設備互聯互通

采用強大的數據采集引擎、整合數據采集渠道（RFID、條碼設備、PLC、Sensor、IPC、PC等）覆蓋整個工廠制造現場，保證海量現場數據的實時、準確、全面的采集。通過采集生產過程實時信息，準確地采集現場設備的各種生產、質量、消耗數據，統一協調控制與調度，實現生產設備智能化的互聯互通。這是智能工廠的核心，也是CPS概念的最佳體現。將不同接口（如RS232、RJ45等）、不同控制系統（如“西門子”“歐姆龍”等）、不同通信協議的數控設備連接成一個網絡，由一臺計算機實現對所有數據的網絡分布式集中管理，包括程序集中管理、程序網絡傳輸、程序虛擬制造檢查等，并實現設備狀態的實時采集與監控，實現網絡分布式的生產管理模式。通過生產設備智能化的互聯互通，能夠自動聯絡各種生產資源，自主組織生產、自主切換生產模式和更換生產資料，從而調整為最優的生產作業。網絡中所有單元產生的數據及生產過程的數據都被采集起來，構成工業大數據的數據元，并通過挖掘分析，為生產網絡和產品的優化提供支持。

2.3.4 智能化的生產資源管理

智慧供應網絡實現了ERP資源管理系統和MES生產執行系統互聯，通過傳感技術、檢測技術、網絡技術實現整個供應網絡的可視化，通過計算機智能控制，根據不同牌號的卷煙，投放生產所需的物料，各種物料通過建立專屬二維碼，均有各自的“身份信息”，系統基于RFID技術識別出物料的“身份信息”，通過“身份信息”知道什么時候、哪條生產線或工藝過程需要它們，系統還會記錄所使用的資源數量并對庫存及時更新，當庫存達到閾值下限，會發出預警信號，提示采購。

2.3.5 智能化的決策支持

建立生產過程數據庫，深度采集制造進度、現場操作、設備狀態等生產現場信息，并將信息上傳大數據平臺，為企業各級管理提供數據服務，通過大數據分析等技術，實現對車間生產全過程的透明化管理，比如計劃執行情況、生產執行情況、庫存情況、質量情況、設備情況等，形成具有智能決策支持的各種報表、圖形，為生產管理進一步科學管理提供理論基礎。

2.4 智慧能源網絡

智能能源管控系統，對企業產能、用能進行統一管理，通過整合能源生產、輸配和消耗數據，建立能源生產運行的監測、管理和調度信息，實現“一網到底”。構建智能化能源運行監測、管理技術平臺，使能源輸出端和使用終端基于互聯網進行雙向通信和智能調控；完善能源計量核算體系，對企業用能情況進行全面計量；建立需求側能源管理體系（DSM），與MES進行開放通信，接收下發生產任務和工藝參數功能，建立雙向數據傳輸途徑，接收生產執行及綜合管理系統下發的總體生產計劃、車間作業計劃、作業工單，對能源動力供需進行平衡，對能源動力及環境設備投入進行調度，對各子系統運行狀態及其控制做出安排，合理調度企業用能；對能源動力環境各子系統及總體運行情況進行信息匯總，提供交接班管理、運行記錄管理、報警及故障記錄等信息。

經過加工、整理、運算、分析、儲存、傳遞過程，使大量雜亂、無序的數據變成對生產有用的信息，結合能源動力設備運行狀況，為廠級信息管理系統的能源動力生產調度與管理提供分析支持，提高能源利用效率，降低能源消耗，推動節能減排，為實現企業生產統一管理、企業生產成本核算、能源考核提供數據依據。

2.5 智慧物流網絡

智慧物流網絡集倉儲、運輸、配送、生產輸送、信息服務等多功能于一體，提供從生產端到客戶端的集成。

2.5.1 智能生產物流

生產物流的設計涵蓋整個生產制造全過程。卷煙生產物流從片煙配方入庫、輔料平衡入庫開始，途經制葉、制絲、送絲、濾棒成型發送、輔料輸送、卷接包、條盒輸送、裝封箱、成品輸送、成品碼垛，一直到成品入庫的全過程。通過應用現代信息技術對物流過程中產生的全部或部分信息進行采集、分類、傳遞、匯總、識別、跟蹤、查詢等，實現了對貨物生產流動過程的全程監控。

2.5.2 智能倉儲物流

搭建“互聯網+倉儲管理”平臺，簡化庫房倉儲管理中各個業務流程環節的數據采集、識別與信息交互過程，實現對倉庫的控制自動化、管理信息化和業務標準化，穩步推進“智能化倉儲”進程，加快科技物流建設，逐步建立工廠無線網絡架構和物聯網數據平臺，實現倉儲物流信息的自動采集，為上層資源配置優化提供基礎數據。

2.5.3 智能運輸物流

運輸物流包含原料、輔料及成品等運輸物流。智能運輸物流，將貨物的信息、運輸車輛的信息、站點的信息、運輸線路的信息、倉儲信息等各種元素通過網絡連接起來，并借助其他信息技術的支持，使得物流過程逐步實現自動化、可視化、可控化、自治化、自主優化等智能化特征。運輸人員可通過手機掃描運輸物料或成品的二維碼，獲取其信息，包含取貨地址及送貨地址、取貨時間要求及到貨時間要求、運輸路線、站點聯系方式甚至天氣信息等相關數據。通過這些數據的采集和大數據分析，能夠幫助運輸人員優化物流線路，降低物流成本。

智慧物流網絡還建立了相關的監測系統、風險評估系統、應急響應系統和危機決策系統，在出現突發狀況時，盡可能維持物流網絡的運行，并把成本和損失降到最低。系統通過對物流系統持續化降低物流成本，實現端到端的物流支持；通過對物流風險的監測和提前預警，降低物流損失；通過綜合信息技術的利用，實現物流管理可視化，讓物流過程精準透明。

3 結論

本文所構建的基于大數據分析的智能生產模式，是在工業4.0時代浪潮下，對傳統工業企業如何從制造向“智造”轉型升級的思考。雖以卷煙生產為例，但提出的思維模式和理念卻可以延伸至工業生產各領域，引導的是一種思維上的創新與探討。對傳統工業企業來說，工業4.0必然是一場艱難的跋涉，工業4.0的實現絕非簡單地引入更多智能設備，而是將著眼于更高層次的人機交互領域。通過CPS網絡實現人、設備與產品的互聯，積極打造產品面向客戶定制的智能生產模式，從供應、生產、能源、物流、服務等全方位，實現生產制造全過程的數字化、網絡化和智能化。而與之相伴隨的，必然是管理理念與模式的革新。在這當中，“人”的因素尤為突出，技術工程師和管理人員的思維模式在這場變革中急需升級再造。但這同時也伴隨著企業轉型與發展的機遇。

參 考 文 獻

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[責任編輯：鄧進利]

【作者簡介】陸文佳，女，廣西柳州人，碩士，廣西中煙工業有限責任公司柳州卷煙廠技術改造辦公室項目總控，工程師，研究方向：工程項目管理。