“十四五”表面處理行業智能制造發展趨勢

張定能，潘浩宇，許濤，吳林蔚

（江蘇宏聯環保科技有限公司，江蘇 無錫 214171）

表面處理作為現代工業不可或缺的一部分，是航空航天、海洋裝備、電子電路、裝備制造、民生保障提供的關鍵生產環節，是提高產品性能的保證。在《中國制造2025》以及相關政策的指導下，對表面處理行業進行智能制造升級，提升行業技術水平成為一個必然。在此，對表面處理行業智能制造的方向以及如何落地進行相關探討。

1 表面處理行業面臨的問題及智能制造現狀

1.1 表面處理行業面臨的問題

當前表面處理行業面臨著一些共性問題，包括：對安全環保生產的嚴格監管，對產能提升的需求，對生產質量的管控，對柔性生產的需求以及上下游企業更加深入的信息對接要求，對員工職業健康衛生的提高和用工問題。

社會上對表面處理的認識基本還停留在工作環境臟亂差、能耗大、對職業健康的危害大以及對環境污染嚴重的固有認識，結合當前的人口形勢，未來表面處理企業的勞動力需求壓力不小。再加上表面處理企業的很多日常運營以及工藝參數掌握在一小部分員工手中，屬于“人智”狀態，不利于企業的持續發展運營。另外，安全生產、清潔生產、柔性生產以及上下游企業對生產信息互通的需求，都給表面處理企業的日常生產運營管理提出了更高的要求。所以，對表面處理行業來說，實施智能制造，完成生產和運營模式升級轉型，才是未來的發展道路[1-2]。

1.2 表面處理行業智能制造的現狀

當前，根據各地政府部門的政策要求，絕大多數表面處理企業已經實現了生產線的自動化改造。除了PCB(印刷線路板)企業外，其他表面處理企業的信息化建設還停留在生產線自動化、視頻監控和數據采集的層面。在軟件層面，仍以財務軟件、Office辦公軟件以及OA系統為主，針對生產的專業軟件極少使用，并且生產任務下達、生產過程、質檢、倉儲等相關記錄基本依靠紙質文檔，降低了生產管理的效率，難以實現生產的分析和優化。

2 表面處理行業智能制造的方向

2.1 表面處理行業智能制造包含的內容

智能制造包括制造和智能兩個方面。制造是經濟基礎、立國之本，而智能，就是把與制造相關的知識積累起來，利用信息化技術進行大范圍的資源優化調配，令工業知識軟件化，解決原有生產過程“聾、啞、傻”的問題，實現生產互聯以及生產過程和資源調配的智能化。

普遍認為表面處理的智能制造就是表面處理線的自動化，然而對整個表面處理生產流程來講，生產線只是一個關鍵環節而已，要實現表面處理智能制造，就要將表面處理生產流程和管控整體納入到智能制造的范疇中來，如圖1所示。

圖1 表面處理智能制造整體范圍示意Figure 1 Schematic diagram showing the overall intelligent manufacturing for surface treatment

同時在深度方面，可以解決之前提出的行業亟待解決的問題，將生產過程的整體或者核心環節納入到智能制造軟件體系的調度、配置、指令下達以及參數修正的過程中，人和設備成為整個智能制造體系的執行環節。這樣才能真正實現表面處理行業的智能制造[3]。

2.2 系統框架

從整個生產過程的智能化、信息化來考慮，由儀表、系統和自動化協會(ISA)通過和維護的 ISA-95標準已經給出了標準結構框架，如圖2[4]所示。

圖2 ISA-95標準結構框架Figure 2 Framework of the ISA-95 standard

基于以上框架，針對表面處理行業的智能制造體系架構應如圖3所示。在這樣的架構中，下面3層是傳統自動化控制層，主要實現設備的數據采集和控制，以及現場生產操作人員的監控與參數調整。在智能制造體系中，這一層級屬于數據采集層以及控制執行層，其核心是完成數據采集和執行生產管控層下達的生產指令。

圖3 表面處理智能制造結構框架Figure 3 Structure of intelligent manufacturing for surface treatment

第四層為生產管控層，其核心功能即常規的MES(制造執行系統)功能。但需要結合表面處理行業的特性，有針對性地進行功能建模，實現諸如槽體模型、生產線模型、質量管控模型、排產模型等的建立。這一層級完成整個表面處理智能制造體系的核心功能。

第五層用于實現表面處理企業的領導管控和日常綜合管理，并與上下游生產環節需求共享，與外部環節的資源優化整合。

2.3 針對表面處理的工業軟件解決方案

智能制造的“智能”由軟件載體實現。大部分表面處理企業屬于智能水平不高的企業，首先面臨的任務仍然是將生產要素連接起來。但是，僅有連接而沒有后續的環節，并不能給企業帶來直接的效益。針對表面處理行業的工業軟件解決方案才是實現智能制造的核心所在。

生產環節的工業軟件除了常規的生產過程監控外，核心就是對生產過程的管控，即圖3中的第四層。這一層的模塊基于ISA-95標準，但要考慮表面處理行業的實際來進行單獨的建模和定制研發。比如質量管控模型，需要基于表面處理過程的電化學或者化學動力學原理完成機理建模，然后根據工藝的設計，選擇合適的質量控制模式。利用生產過程數據以及質檢反饋，在工藝參數規定范圍內給出控制參數的調整建議，從而保證批次生產條件變動下的質量一致性[5]。

表面處理行業工業軟件的核心不在于流程業務軟件的使用，而在于匯聚了行業知識的模塊的建立，使用生產大數據不斷地進行優化、迭代，最終由“人智”轉向“機智”。

2.4 基于云計算的SaaS(軟件即服務)服務

很多表面處理企業還處在基于 Excel進行生產管理的階段，缺少落實智能制造必要的軟硬件基礎及技術維護能力。在這種情況下，建設針對表面處理行業的智能制造云，抽取行業共性的解決方案，并且利用公有云提供SaaS服務。這樣一來，中小企業對生產設備進行互聯改造后，通過接入云平臺，就可以使用平臺功能實現自身的智能制造轉型[6]。對于表面處理園區而言，也可以提供對應的SaaS云服務，將園區運營管理的常規應用模塊以SaaS的方式實現，便于園區進行信息化管理。同時，SaaS服務也降低了表面處理企業和園區的初始部署成本，并且方便借鑒其他企業和園區的使用經驗。

2.5 信息安全及自主可控

最近幾年的中美貿易戰和科技戰使全社會提高了技術和產品的自主化意識。但是工業互聯網的技術架構，從最底層的工業設備連接總線和協議，到云服務器和通信設備，再到操作系統、數據庫等基礎軟件，直到最上層的工業軟件，大部分都掌握在外資企業手中。這些屬于廣義的基礎IT技術，全社會都已經意識到了這些基礎IT技術對國民經濟和國防建設的重要性。我國在過去幾年已經加強了對這些領域的發展部署，也寫進了“十四五”戰略規劃中[7]。

針對航空航天、海洋裝備、電子電路、裝備制造等行業的高端表面處理智能制造需求，整個體系所采用的技術必須自主可控。對于常規表面處理企業的生產運營，若全部基于智能制造軟件體系建設，也要考慮信息安全，以免影響企業的正常生產。

3 表面處理企業智能制造的實施路徑

3.1 企業準備

表面處理企業的智能化轉型需要對智能化所帶來的改變有所準備，包括決策模式轉型、制造模式轉型、運營模式轉型、服務模式轉型、商業模式轉型等。同時，人才是企業推進轉型面臨的主要問題，企業也需要有所準備。還有，企業要從戰略發展上對智能制造體系的建設給予足夠的重視。

企業需要根據自身所處的不同階段來選擇不同的智能制造建設路徑。可包括新建智能工廠和生產線(如圖4所示)，也可對老工廠進行信息化升級，對生產線進行智能化改造。具體的路徑需要根據企業的實際情況進行單獨分析。

圖4 表面處理智能制造工廠Figure 4 Intelligent manufacturing plant for surface treatment

3.2 系統集成商和解決方案

當前很多集成商都在推廣自己的智能制造解決方案，但很多公司并不具備完整的產品及專業積累，向客戶推銷的重點仍然是云、通信設備，大部分軟件和硬件依靠第三方合作廠家來提供，在底層工業物聯方面只能覆蓋客戶企業一小部分生產要素，而在上層工業軟件方面，無法用通用軟件去滿足行業客戶的需求，更不要提生產優化、數據分析和建模了。

表面處理行業智能制造的解決方案需要在行業內深耕。從目前來看，還沒有通用的智能制造方案能夠不經改動就跨行業實施。而深耕就需要系統集成商提高服務意識，深入了解表面處理企業的需求、工作方式、難點痛點等，為客戶精心定制解決方案。由于表面處理智能制造是新生事物，成功的案例不多，讓客戶參與到解決方案的設計和實施中也是十分必要的。另外，由于表面處理企業所涉及的表面處理工藝、環節眾多，系統集成商必須有針對性地給出整體方案來解決生產痛點，因此對系統集成商的選擇也是關鍵所在。

3.3 制造與企業發展的關聯

智能制造是表面處理企業發展的必經之路，兩者也是一個互相促進、螺旋上升的過程。智能制造系統實施后會令企業原有的生產、運營模式發生改變，而企業的持續升級又會對原有的智能制造體系提出新的要求，如此互相促進，不斷優化，從而幫助企業增強競爭力，提升產品附加值，最終實現整個表面處理行業的智能制造。

4 展望

4.1 未來一段時間的趨勢

當前我國的智能制造還處于供給側和需求側的博弈階段，主要的認知差距在于供給側和需求側的對話，雙方的目標并不完全匹配。未來一段時間，系統集成商會轉向提供完整的解決方案，而不是讓需求方來自己開發應用程序，因為大部分企業缺少(也不需要)這樣的開發技術能力。只有對行業足夠深入并積累到一定程度，行業的智能制造才會進入平穩發展的階段，從一個點展開，推廣到行業。表面處理行業的智能制造也是這樣的一個過程。通過對行業頭部客戶需求的深入了解和對解決方案的逐步完善，形成行業通用的解決方案，然后結合云計算以及邊緣計算技術，在普通表面處理企業進行大面積的推廣，最終實現整個行業的智能制造升級。

4.2 行業示范及積累

工業軟件系統的應用都是從部分頭部企業開始做起，然后在行業內推廣。回顧歐美等國的工業軟件發展過程會發現都是從航空、航天、汽車、能源行業的大量應用中成熟起來，然后向其他裝備制造和過程工業領域進行快速推廣。表面處理行業也會是這樣的一個過程，先建設表面處理示范項目，待有足夠積累和優化后，向常規表面處理生產企業進行推廣應用。所以建設好行業示范項目，利用示范項目實現針對表面處理智能制造體系的數據積累和不斷優化，是在行業內進行智能制造推廣的最佳路線。

4.3 表面處理智能制造云的推廣

針對絕大多數表面處理企業、園區，在其內部實現設備互聯，完成底層的數據采集和控制接口對接的同時，利用邊緣計算設備與云端SaaS服務對接，實現企業智能制造軟件系統與生產過程的互聯，利用行業成熟的經驗實現智能制造的轉型，從智能制造項目變成智能制造的體系化服務，更好地融入智能制造體系，就可以實現行業的整體升級。