關于智能工廠的思考

林則衡

摘 要：隨著新一輪工業(yè)革命的發(fā)展，工業(yè)轉(zhuǎn)型升級的呼聲日漸高漲。面對信息技術和工業(yè)技術的革新浪潮，德國人提出了工業(yè)4.0戰(zhàn)略，中國發(fā)布了中國制造2025戰(zhàn)略。什么是智能工廠？如何建設智能工廠？是當前很多企業(yè)面臨的問題。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、特征及建設內(nèi)容和目的，并給予企業(yè)在建設智能工廠中一些建議。

關鍵詞：智能工廠;工業(yè)4.0;中國制造2025;智能化;建設

一、緒論

在全球化的背景下，企業(yè)面臨著空前的競爭壓力，越來越多樣化的客戶需求，越來越短的產(chǎn)品生命周期，越來越分散的生產(chǎn)單位。與此同時，客戶比以往任何時候都更有力地決定著市場。為了保持競爭力，企業(yè)必須滿足客戶對質(zhì)量越來越嚴格的要求。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，無論在美國、還是在歐洲、或是日本，構建智能工廠（Smart Plant / Intelligent Plant）正在被全球制造業(yè)領域不約而同地選為下一個中長期的愿景目標;而工廠智能化作為當前國內(nèi)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要目標，也得到了業(yè)界、學界和政府層面的廣泛認同。

二、建設智能工廠的戰(zhàn)略高度

（一）德國工業(yè)4.0

德國“工業(yè)4.0”研究項目由德國聯(lián)邦教研部與聯(lián)邦經(jīng)濟技術部聯(lián)手資助，在德國工程院、弗勞恩霍夫協(xié)會、西門子公司等德國學術界和產(chǎn)業(yè)界的建議和推動下形成，并已上升為國家級戰(zhàn)略，德國聯(lián)邦政府投入達2億歐元。

工業(yè)4.0的愿景包括：滿足用戶個性化需求;靈活性;決策優(yōu)化;提高生產(chǎn)率和資源利用效率;通過新的服務創(chuàng)造價值;應對勞動力市場的變化;實現(xiàn)工作與生活的平衡;以及高工資仍然有競爭力。德國面臨人口老齡化，工會力量強大、高福利、經(jīng)濟增長乏力等巨大壓力，亟待通過信息化、自動化和智能化來減少對人工的依賴，進一步提升勞動生產(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：重點研究智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及過程，以及網(wǎng)絡化分布式生產(chǎn)設施的實現(xiàn);

（2）智能生產(chǎn)：主要涉及整個企業(yè)的生產(chǎn)物流管理、人機互動以及3D技術在工業(yè)生產(chǎn)過程中的應用等。

（二）中國制造2025

《中國制造2025》是經(jīng)國務院總理李克強簽批，由國務院于2015年5月印發(fā)的部署全面推進實施制造強國的戰(zhàn)略文件，是中國實施制造強國戰(zhàn)略第一個十年的行動綱領。

《中國制造2025》提出實行五大工程，其中“智能制造工程”中提到：“依托優(yōu)勢企業(yè)，緊扣關鍵工序智能化、關鍵崗位機器人替代、生產(chǎn)過程智能優(yōu)化控制、供應鏈優(yōu)化，建設重點領域智能工廠/數(shù)字化車間。”

三、智能工廠的含義、特征及建設內(nèi)容

（一）什么是智能工廠

“什么是智能工廠？”，在世界范圍內(nèi)，并沒有一個明確的統(tǒng)一標準。我認為，智能工廠的內(nèi)涵是：一家工廠的自動化程度到達一定水平之后，通過信息化與自動化系統(tǒng)的集成，采用智能的裝備與生產(chǎn)系統(tǒng)，實現(xiàn)更加高效、優(yōu)化、柔性的生產(chǎn)。智能工廠是一個很高的境界，要實現(xiàn)智能工廠還需要長期的努力。

智能工廠的基礎是數(shù)字化工廠，數(shù)字化工廠的核心是自動化系統(tǒng)與信息化系統(tǒng)的集成，實現(xiàn)所有工廠信息的自動采集，基礎是所有工廠設備的聯(lián)網(wǎng)。

西門子位于德國安貝格市的電子工廠被譽為全球最典型的工業(yè)4.0樣板，然而西門子對該工廠的描述卻是數(shù)字化工廠。而且西門子強調(diào)，數(shù)字化工廠不等于無人工廠，企業(yè)沒有必要追求絕對的無人化，而應該是少人化，人機協(xié)同。對于產(chǎn)品配置比較簡單的產(chǎn)品，可以實現(xiàn)全自動化生產(chǎn);而對于產(chǎn)品配置復雜的產(chǎn)品，則保留部分人工的工序。對這些工序，西門子廣泛采用了防呆設計。例如，在安裝電氣元件時，只有對于當前工序需要安裝的零件的盒子，才會顯示綠燈。每個產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中，將RFID芯片放置在托盤上，存儲產(chǎn)品的制造和裝配工藝。裝配線通過識別工藝路線，自主決策進入相應的生產(chǎn)設備進行生產(chǎn)。這實際上已經(jīng)實現(xiàn)了智能化生產(chǎn)線的應用。

智能工廠是在數(shù)字化工廠的基礎上，增加了智能裝備的應用，實現(xiàn)對生產(chǎn)信息的實時智能分析。

（二）智能工廠的特征

我認為，智能工廠有以下特征：

（1）能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品設計手段與設計過程的數(shù)字化、智能化。

（2）可以對生產(chǎn)線或整個工廠的運行進行模擬仿真。

（3）具有工藝數(shù)據(jù)庫和知識庫，能逐步積累專家經(jīng)驗和知識，實現(xiàn)工藝參數(shù)和作業(yè)任務的優(yōu)化。

（4）實現(xiàn)制造信息全過程跟蹤以及產(chǎn)品質(zhì)量的追溯。

（5）能夠?qū)崿F(xiàn)準時按序送貨（JIS），支持混流生產(chǎn)。

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

（7）實現(xiàn)產(chǎn)品生命周期管理（PLM）、企業(yè)資源計劃（ERP）系統(tǒng)和制造執(zhí)行管理系統(tǒng)（MES）之間的無縫集成。

（8）通過增強型虛擬現(xiàn)實技術（AR）的應用，提高生產(chǎn)制造過程的智能化。例如，操作工人可以佩戴Google眼鏡，來指示要擰緊的螺釘孔位置，快速定位。

（9）生產(chǎn)過程全程無紙化。設備績效（OEE）達到最大化（80%以上）。

（10）在實時采集生產(chǎn)現(xiàn)場信息的基礎上，對制造過程的數(shù)據(jù)進行實時展現(xiàn)和分析，為各級生產(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器人，而是實現(xiàn)機器人集群的應用，并實現(xiàn)人機互動。

（12）在物聯(lián)網(wǎng)應用方面，裝備制造企業(yè)可以通過遠程故障診斷提高產(chǎn)品的運行效能，及時幫助客戶進行預防性維修維護，更換備品備件，從而提升服務收入。對于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)反饋的產(chǎn)品出現(xiàn)的異常問題，可以反饋到產(chǎn)品研發(fā)與制造環(huán)節(jié)，及時進行改進。

（三）智能工廠建設的主要內(nèi)容及目的

智能工廠包括智能加工中心與生產(chǎn)線的應用，智能化倉儲、運輸與物流，智能化生產(chǎn)執(zhí)行過程管控和建立智能化生產(chǎn)控制中心。現(xiàn)代企業(yè)逐漸走向多工廠運營，因此全球優(yōu)秀的企業(yè)采用統(tǒng)一的MES系統(tǒng)，來管理多工廠的運營。

智能工廠涉及到柔性自動化生產(chǎn)線、工業(yè)機器人、DNC（分布式數(shù)控）、智能刀具管理、自動化立體倉庫、AGV（無人引導小車），實現(xiàn)實時的生產(chǎn)和質(zhì)量數(shù)據(jù)采集，應用MES系統(tǒng)、倉儲管理系統(tǒng)。在生產(chǎn)排產(chǎn)方面，應用APS（先進生產(chǎn)排程）來提高制造資源的利用率;充分利用RFID和二維條碼，或通過與制造裝備的數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集;利用SPC（統(tǒng)計過程控制）實現(xiàn)對質(zhì)量數(shù)據(jù)的分析。

在智能工廠可以實現(xiàn)對車間生產(chǎn)計劃到執(zhí)行的閉環(huán)，完全打破生產(chǎn)的黑箱，實現(xiàn)制造過程的全程可追溯。

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（SAPManufacturingIntegrationandIntelligence，SAPMII）。通過連接ERP與車間層系統(tǒng)，并實時準確地展現(xiàn)生產(chǎn)運營狀況，幫助制造商實現(xiàn)卓越制造。它可以將車間系統(tǒng)與公司運營直接連接起來。所有對制造有影響的數(shù)據(jù)幾乎都可以進行實時查看，包括關于訂單、物料、設備狀態(tài)、成本、產(chǎn)品質(zhì)量等信息，從而幫助企業(yè)及時應對市場的變化。

四、結語

開展智能制造，建設智能工廠無疑是制造業(yè)企業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要手段，我認為中國企業(yè)應當采取務實的態(tài)度和循序漸進的策略，不可能一蹴而就，要充分根據(jù)企業(yè)的效益和行業(yè)的市場狀況，制定相應的策略，合理規(guī)劃藍圖。機器換人是個大趨勢，智能裝備的應用是個必由之路，但每個企業(yè)應當根據(jù)自身的產(chǎn)品特點和生產(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過程中，真正獲得實際效益。