智能工廠系統集成解決方案探析

供稿/機械工業第六設計研究院有限公司 劉俊 編輯/馬晨

二十大報告中明確提出，高質量發展是全面建設社會主義現代化國家的首要任務，以智能制造為主攻方向，提升制造業數字化、網絡化、智能化發展水平。“十四五”智能制造發展規劃中也明確提出了智能制造示范工廠領航行動。近期工信部等七部門聯合發布的《機械行業穩增長工作方案（2023—2024 年）》亦提到要系統深入推進智能制造，加快制造業數字化智能化轉型升級，促進機械行業穩增長、提質量、促升級、保安全，這些均為高端制造業發展提供了巨大機遇。

同時，由于目前智能制造已經進入深水區，大多數制造業企業對智能制造已經有了一定的認識和了解。但在智能工廠具體推進和實施時，尤其是針對多品種、多規格，批量或小批量生產性質的離散型制造企業，依然面臨無從下手的情況，缺乏系統性地可指導智能工廠實施落地的方法和指南，從而導致在建設過程中出現工廠建設周期延長、投資超支等問題。進度、質量和費用不能得到有效控制，無法達到預期的實施效果。

智能工廠涵蓋的內容

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、智能物流倉儲、自動化提升、工廠物聯網、信息化應用系統、土建公用基礎配套設施、建模仿真和數字孿生等建設內容，需要多專業、多學科交叉，投資大、周期長，是一項復雜的系統工程。智能工廠建設到底需涵蓋哪些內容，我們在新編制的國家標準里對其架構和內容進行了定義。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，包括實體工廠和信息化系統。右側是虛擬工廠，包括與實體工廠一一映射的三維信息實體模型和包含工廠實際生產運行機制的仿真模型，通過與物理工廠的不斷迭代和交互，最終形成工廠數字孿生體，實現虛實集成。同時以智能制造標準體系和安全體系為兩翼，通過規范接口、協議和規則等，有力支撐智能工廠的目標實現。

圖1 智能工廠總體架構

智能工廠系統集成解決方案

智能工廠總體架構確定后，針對典型的離散型制造企業，在實施智能制造時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準化和新模式應用時，提出了五種智能制造新模式，并針對每種新模式給出了相應的指南，給早期實施智能化改造的企業提供了一定的依據。與燈塔工廠建設提出的用例類似，近兩年工信部又陸續發布了《智能制造典型場景參考指引》，以2022 年發布的指引為例，共包括16 個環節45 個智能制造典型場景，涵蓋從研發、生產到銷售等全流程各個環節。企業實施時最重要的是要根據每個企業自身的產品特點和生產組織模式，梳理出切合自身發展的典型場景，并在此基礎上總體規劃，分步實施，最終實現目標。

1）實施路徑

一條相對合適的實施路徑是在診斷和總體規劃的基礎上，進行精益工藝布局優化，智能倉儲物流的有序銜接和自動化的提升，同時輔之以綠色低碳的設施和手段，最后進行信息系統的實施和整體集成，從而實現整個工廠的智能化生產、低碳化運營。如圖2 所示。

圖2 智能工廠實施路徑

圖3 基于精益的工藝和物流優化

2）實施內容

①診斷

通過調查企業基本情況、產品產量、設備與自動化水平、信息化軟件、網絡設施、質量管理等方面現狀，運用智能制造成熟度模型，評估企業智能制造水平。對標行業先進，分析差距原因。并在此基礎上，提出企業進行智能化改造的頂層設計方案和實施建議。

②智能工廠總體規劃

確定企業智能制造的目標和典型應用場景，在此基礎上進行工藝優化、自動化規劃、智能倉儲及物流規劃等，并確定企業信息化規劃的應用架構、集成架構和技術架構。最后給出企業實施智能制造的總體技術路線，包括實施進度、實施費用、相應關鍵點和保障措施分析等。

③基于精益的工藝和物流優化。

從產品分析入手，按照產品生產工藝特點，分別梳理工藝流、物流、信息流及業務流，最終形成布局合理、物流短捷高效的工藝布局方案和倉儲物流配送方案，在此基礎進行物流仿真驗證，不斷迭代優化平面布局方案，為企業實施智能制造奠定基礎。

④自動化提升

通過智能產線建模與仿真、離線編程、虛擬建造、虛擬調試、機器人集成與應用、視覺技術、RFID技術、高精度伺服控制、先進傳感檢測等技術手段，識別生產自動化、物流自動化和檢測自動化等提升點。尤其是智能工廠中工藝布局、物流倉儲、智能產線關系緊密，相互銜接和影響，需要不斷迭代優化。

⑤虛擬工廠同步建設和優化

在進行物理工廠方案制定的過程中，需同步進行虛擬工廠的搭建，通過建模和仿真的工具，對產品、工廠和生產過程進行數字化建模，對工藝布局、物流倉儲、關鍵產線、人機工程、產能和設備OEE 等進行仿真優化。

⑥綠色土建公用配套基礎設施設計和實施

工藝布局、產線和物流都解決后，就需要進行綠色土建公用配套基礎設施的設計和實施，采用合適的綠色節能技術 比如焊接煙塵治理，余熱回收利用等，同時針對工廠用能比較大的企業，重點從能源綜合利用方面入手，打造工廠用能側多能互補的零碳解決方案，實現節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信息化系統的實施

主要包括SCADA、安燈看板、設備聯網、透明工廠等系統的設計，同時進行各個系統的集成。

⑧整體系統集成和數字孿生

在精益工藝的基礎上，智能工廠整體系統集成，主要包括產線的集成、物流、以及信息化系統的集成，尤其是與車間底層數據交互的信息化系統集成。很多企業智能工廠實施效果不好，主要是在這三個集成方面出了問題，從而出現斷點。一個很核心的就是要將工藝貫穿至產線、物流和信息化全過程，遵循一切均是為生產服務的原則，最終可以實現物理工廠和虛擬工廠的雙向數據集成、數字孿生，在此基礎上進行虛擬工廠的實時監控、歷史回溯和調產推演等。

應用成效

針對某液壓泵制造工廠智能化改造項目，首先通過診斷找出短板和存在的問題，在此基礎上提出項目的目標和擬建設的智能制造場景。通過分析產品的特點和生產工藝，在此基礎上進行價值流分析，三維工藝布局、產線及物流仿真優化分析、搭建智能工廠總體架構和系統集成架構。

通過BIM 技術進行三維模型的創建，包括內部的殼體加工線、后蓋自動化加工線、閥芯閥套加工線、自動裝配線等，并且對各產線進行了仿真。

最終項目建成后，相關指標對比均有明顯提升，如設備自動化率提升40%，設備OEE 提高15%，建成后單件產品綜合成本下降20%。

液壓件是關鍵基礎部件，基于此類項目智能工廠建設實踐積累，在由江蘇省人民政府、工業和信息化部、中國工程院、中國科學技術協會共同主辦的第二屆智能制造創新大賽中，中機六院“液壓基礎件智能工廠系統集成解決方案”和“基于數字孿生的智能柔性油缸裝配線”兩個項目在大賽中斬獲佳績，雙雙榮獲智能制造系統集成賽道和裝備賽道領航組全國總決賽二等獎和人氣獎。

建議

由于智能工廠建設投資大、周期長、責任大；涉及工藝、物流、產線、自控和信息化等多個專業，技術含量高、系統性強、資質要求高。且設備、物流、信息化之間有交叉，尤其是到后期系統集成聯調聯試階段，邊界劃分不清、相互推諉扯皮等問題會集中凸顯。因此建議企業在成立智能制造專班，并且一把手強力推動的基礎上，采取EPC 總承包或全過程咨詢模式，引入合適的智能工廠系統集成解決方案供應商參與，從而保證智能工廠實施的效果。