如何打造智能工廠

近年來，歐姆龍智能制造熱潮席卷神州大地，成為推進(jìn)“中國制造2025”國家戰(zhàn)略重要的舉措。其中，智能工廠（Smart Factory）作為智能制造重要的實(shí)踐領(lǐng)域，已引起了制造企業(yè)的廣泛關(guān)注和各級政府的高度重視。

本文將分析國內(nèi)外智能工廠建設(shè)的現(xiàn)狀與問題，智能工廠的內(nèi)涵，以及推進(jìn)智能工廠建設(shè)的成功之道。

一、國內(nèi)外智能工廠建設(shè)的現(xiàn)狀分析

近年來，各主要經(jīng)濟(jì)體都在大力推進(jìn)制造業(yè)的復(fù)興。在西克工業(yè)4.0、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等熱潮下，眾多制造企業(yè)都開展了智能工廠建設(shè)實(shí)踐。

例如，西門子安貝格電子工廠實(shí)現(xiàn)了多品種工控機(jī)的混線生產(chǎn)；FANUC公司實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人和伺服電機(jī)生產(chǎn)過程的高度自動化和智能化，并利用自動化立體倉庫在車間內(nèi)的各個(gè)智能制造單元之間傳遞物料，實(shí)現(xiàn)了高720小時(shí)無人值守；施耐德電氣實(shí)現(xiàn)了電氣開關(guān)制造和包裝過程的全自動化；美國哈雷戴維森公司廣泛利用以加工中心和機(jī)器人構(gòu)成的智能制造單元，實(shí)現(xiàn)大批量定制；三菱電機(jī)名古屋制作所采用人機(jī)結(jié)合的新型機(jī)器人裝配產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)從自動化到智能化的轉(zhuǎn)變，顯著提高了單位生產(chǎn)面積的產(chǎn)量；重卡*MAN公司搭建了完備的廠內(nèi)物流體系，利用AGV裝載進(jìn)行裝配的部件和整車，便于靈活調(diào)整裝配線，并建立了物料超市，取得明顯成效。

▲德國MAN工廠

利用AGV作為部件和整車裝配的載體

當(dāng)前，我國制造企業(yè)面臨著巨大的轉(zhuǎn)型壓力。一方面，勞動力成本迅速攀升、產(chǎn)能過剩、競爭激烈、客戶個(gè)性化需求日益增長等因素，迫使制造企業(yè)從低成本競爭策略轉(zhuǎn)向建立差異化競爭優(yōu)勢。在工廠層面，制造企業(yè)面臨著招工難，以及缺乏專業(yè)技師的巨大壓力，必須實(shí)現(xiàn)減員增效，迫切需要推進(jìn)智能工廠建設(shè)。另一方面，物聯(lián)網(wǎng)、協(xié)作機(jī)器人、增材制造、預(yù)測性維護(hù)、機(jī)器視覺等新興技術(shù)迅速興起，為制造企業(yè)推進(jìn)智能工廠建設(shè)提供了良好的技術(shù)支撐。再加上國家和地方政府的大力扶持，使各行業(yè)越來越多的大中型企業(yè)開啟了智能工廠建設(shè)的征程。

我國汽車、家電、軌道交通、食品飲料、制藥、裝備制造、家居等行業(yè)的企業(yè)對生產(chǎn)和裝配線進(jìn)行自動化、智能化改造，以及建立全新的智能工廠的需求十分旺盛，涌現(xiàn)出海爾、美的、東莞勁勝、尚品宅配等智能工廠建設(shè)的樣板。

例如，海爾佛山滾筒洗衣機(jī)工廠可以實(shí)現(xiàn)按訂單配置、生產(chǎn)和裝配，采用高柔性的自動無人生產(chǎn)線，廣泛應(yīng)用精密裝配機(jī)器人，采用MES系統(tǒng)全程訂單執(zhí)行管理系統(tǒng)，通過RFID進(jìn)行全程追溯，實(shí)現(xiàn)了機(jī)機(jī)互聯(lián)、機(jī)物互聯(lián)和人機(jī)互聯(lián)；尚品宅配實(shí)現(xiàn)了從款式設(shè)計(jì)到構(gòu)造尺寸的個(gè)性定制，建立了高度智能化的生產(chǎn)加工控制系統(tǒng)，能夠滿足消費(fèi)者個(gè)性化定制所產(chǎn)生的特殊尺寸與構(gòu)造板材的切削加工需求；東莞勁勝全面采用國產(chǎn)加工中心、國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)和國產(chǎn)工業(yè)軟件，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備數(shù)據(jù)的自動采集和車間聯(lián)網(wǎng)，建立了工廠的數(shù)字映射模型（Digital Twin），構(gòu)建了手機(jī)殼加工的智能工廠。

但是，我國制造企業(yè)在推進(jìn)智能工廠建設(shè)方面，還存在諸多問題與誤區(qū)：

① 盲目購買自動化設(shè)備和自動化產(chǎn)線。很多制造企業(yè)仍然認(rèn)為推進(jìn)智能工廠就是自動化和機(jī)器人化，盲目追求“黑燈工廠”，推進(jìn)單工位的機(jī)器人改造，推行機(jī)器換人，上馬只能加工或裝配單一產(chǎn)品的剛性自動化生產(chǎn)線。只注重購買數(shù)控設(shè)備，但卻沒有配備相應(yīng)的軟件系統(tǒng)。

② 尚未實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)的自動采集和車間聯(lián)網(wǎng)。企業(yè)在購買設(shè)備時(shí)沒有要求開放數(shù)據(jù)接口，大部分設(shè)備還不能自動采集數(shù)據(jù)，沒有實(shí)現(xiàn)車間聯(lián)網(wǎng)。目前，各大自動化廠商都有自己的工業(yè)總線和通信協(xié)議，OPC UA標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用還不普及。

③ 工廠運(yùn)營層還是黑箱。在工廠運(yùn)營方面還缺乏信息系統(tǒng)支撐，車間仍然是一個(gè)黑箱，生產(chǎn)過程還難以實(shí)現(xiàn)全程追溯，與生產(chǎn)管理息息相關(guān)的制造BOM數(shù)據(jù)、工時(shí)數(shù)據(jù)也不準(zhǔn)確。

④ 設(shè)備績效不高。生產(chǎn)設(shè)備沒有得到充分利用，設(shè)備的健康狀態(tài)未進(jìn)行有效管理，常常由于設(shè)備故障造成非計(jì)劃性停機(jī)，影響生產(chǎn)。

⑤ 依然存在大量信息化孤島和自動化孤島。智能工廠建設(shè)涉及到智能裝備、自動化控制、傳感器、工業(yè)軟件等領(lǐng)域的供應(yīng)商，集成難度很大。很多企業(yè)不僅存在諸多信息孤島，也存在很多自動化孤島，自動化生產(chǎn)線沒有進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，生產(chǎn)線之間還需要中轉(zhuǎn)庫轉(zhuǎn)運(yùn)。

究其原因，是智能制造和智能工廠涵蓋領(lǐng)域很多，系統(tǒng)極其復(fù)雜，企業(yè)還缺乏深刻理解。在這種狀況下，制造企業(yè)不能貿(mào)然推進(jìn)，搞“大躍進(jìn)”，以免造成企業(yè)的投資打水漂。應(yīng)當(dāng)依托有實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)的咨詢服務(wù)機(jī)構(gòu)，結(jié)合企業(yè)內(nèi)部的IT、自動化和精益團(tuán)隊(duì)，高層積極參與，根據(jù)企業(yè)的產(chǎn)品和生產(chǎn)工藝，做好需求分析和整體規(guī)劃，在此基礎(chǔ)上穩(wěn)妥推進(jìn)，才能取得實(shí)效。

二、何謂智能工廠？

究竟何謂智能工廠？智能工廠具有以下六個(gè)顯著特征：

① 設(shè)備互聯(lián)。能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備與設(shè)備互聯(lián)（M2M），通過與設(shè)備控制系統(tǒng)集成，以及外接傳感器等方式，由SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)）實(shí)時(shí)采集設(shè)備的狀態(tài)，生產(chǎn)完工的信息、質(zhì)量信息，并通過應(yīng)用RFID（無線射頻技術(shù)）、條碼（一維和二維）等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的可追溯。

② 廣泛應(yīng)用工業(yè)軟件。廣泛應(yīng)用MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）、APS（*生產(chǎn)排程）、能源管理、質(zhì)量管理等工業(yè)軟件，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場的可視化和透明化。在新建工廠時(shí)，可以通過數(shù)字化工廠仿真軟件，進(jìn)行設(shè)備和產(chǎn)線布局、工廠物流、人機(jī)工程等仿真，確保工廠結(jié)構(gòu)合理。在推進(jìn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的過程中，必須確保工廠的數(shù)據(jù)安全和設(shè)備和自動化系統(tǒng)安全。在通過專業(yè)檢測設(shè)備檢出次品時(shí)，不僅要能夠自動與合格品分流，而且能夠通過SPC（統(tǒng)計(jì)過程控制）等軟件，分析出現(xiàn)質(zhì)量問題的原因。

③ 充分結(jié)合精益生產(chǎn)理念。充分體現(xiàn)工業(yè)工程和精益生產(chǎn)的理念，能夠?qū)崿F(xiàn)按訂單驅(qū)動，拉動式生產(chǎn)，盡量減少在制品庫存，消除浪費(fèi)。推進(jìn)智能工廠建設(shè)要充分結(jié)合企業(yè)產(chǎn)品和工藝特點(diǎn)。在研發(fā)階段也需要大力推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系列化，奠定推進(jìn)精益生產(chǎn)的基礎(chǔ)。

④ 實(shí)現(xiàn)柔性自動化。結(jié)合企業(yè)的產(chǎn)品和生產(chǎn)特點(diǎn)，持續(xù)提升生產(chǎn)、檢測和工廠物流的自動化程度。產(chǎn)品品種少、生產(chǎn)批量大的企業(yè)可以實(shí)現(xiàn)高度自動化，乃至建立黑燈工廠；小批量、多品種的企業(yè)則應(yīng)當(dāng)注重少人化、人機(jī)結(jié)合，不要盲目推進(jìn)自動化，應(yīng)當(dāng)特別注重建立智能制造單元。工廠的自動化生產(chǎn)線和裝配線應(yīng)當(dāng)適當(dāng)考慮冗余，避免由于關(guān)鍵設(shè)備故障而停線；同時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分考慮如何快速換模，能夠適應(yīng)多品種的混線生產(chǎn)。物流自動化對于實(shí)現(xiàn)智能工廠至關(guān)重要，企業(yè)可以通過AGV、行架式機(jī)械手、懸掛式輸送鏈等物流設(shè)備實(shí)現(xiàn)工序之間的物料傳遞，并配置物料超市，盡量將物料配送到線邊。質(zhì)量檢測的自動化也非常重要，機(jī)器視覺在智能工廠的應(yīng)用將會越來越廣泛。此外，還需要仔細(xì)考慮如何使用助力設(shè)備，減輕工人勞動強(qiáng)度。

⑤ 注重環(huán)境友好，實(shí)現(xiàn)綠色制造。能夠及時(shí)采集設(shè)備和產(chǎn)線的能源消耗，實(shí)現(xiàn)能源利用。在危險(xiǎn)和存在污染的環(huán)節(jié)，優(yōu)先用機(jī)器人替代人工，能夠?qū)崿F(xiàn)廢料的回收和再利用。

⑥ 可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)洞察。從生產(chǎn)排產(chǎn)指令的下達(dá)到完工信息的反饋，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)。通過建立生產(chǎn)指揮系統(tǒng)，實(shí)時(shí)洞察工廠的生產(chǎn)、質(zhì)量、能耗和設(shè)備狀態(tài)信息，避免非計(jì)劃性停機(jī)。通過建立工廠的Digital Twin（數(shù)字映射），方便地洞察生產(chǎn)現(xiàn)場的狀態(tài)，輔助各級管理人員做出正確決策。

僅有自動化生產(chǎn)線和工業(yè)機(jī)器人的工廠，還不能稱為智能工廠。智能工廠不僅生產(chǎn)過程應(yīng)實(shí)現(xiàn)自動化、透明化、可視化、精益化，而且，在產(chǎn)品檢測、質(zhì)量檢驗(yàn)和分析、生產(chǎn)物流等環(huán)節(jié)也應(yīng)當(dāng)與生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)閉環(huán)集成。一個(gè)工廠的多個(gè)車間之間也要實(shí)現(xiàn)信息共享、準(zhǔn)時(shí)配送和協(xié)同作業(yè)。

智能工廠的建設(shè)充分融合了信息技術(shù)、*制造技術(shù)、自動化技術(shù)、通信技術(shù)和人工智能技術(shù)。每個(gè)企業(yè)在建設(shè)智能工廠時(shí)，都應(yīng)該考慮如何能夠有效融合這五大領(lǐng)域的新興技術(shù)，與企業(yè)的產(chǎn)品特點(diǎn)和制造工藝緊密結(jié)合，確定自身的智能工廠推進(jìn)方案。

三、智能工廠的體系架構(gòu)

業(yè)務(wù)流程管理專家August-Wilhelm Scheer教授提出的智能工廠框架強(qiáng)調(diào)了MES系統(tǒng)在智能工廠建設(shè)中的樞紐作用。

▲Scheer教授提出的智能工廠架構(gòu)

智能工廠可以分為基礎(chǔ)設(shè)施層、智能裝備層、智能產(chǎn)線層、智能車間層和工廠管控層五個(gè)層級：

▲智能工廠五級金字塔