智能工廠(chǎng)的發(fā)展現狀與成功之道

發(fā)表于：2018/2/22 9:26:05??閱讀量：?[關(guān)閉]

 　　近年來(lái)，智能制造熱潮席卷神州大地，成為推進(jìn)“中國制造2025”國家戰略最重要的舉措。其中，智能工廠(chǎng)(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。本文將分析國內外智能工廠(chǎng)建設的現狀與問(wèn)題，智能工廠(chǎng)的內涵，以及推進(jìn)智能工廠(chǎng)建設的成功之道。

　　一、國內外智能工廠(chǎng)建設的現狀分析

　　近年來(lái)，全球各主要經(jīng)濟體都在大力推進(jìn)制造業(yè)的復興。在工業(yè)4.0、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等熱潮下，全球眾多優(yōu)秀制造企業(yè)都開(kāi)展了智能工廠(chǎng)建設實(shí)踐。例如，西門(mén)子安貝格電子工廠(chǎng)實(shí)現了多品種工控機的混線(xiàn)生產(chǎn);FANUC公司實(shí)現了機器人和伺服電機生產(chǎn)過(guò)程的高度自動(dòng)化和智能化，并利用自動(dòng)化立體倉庫在車(chē)間內的各個(gè)智能制造單元之間傳遞物料，實(shí)現了最高720小時(shí)無(wú)人值守;施耐德電氣實(shí)現了電氣開(kāi)關(guān)制造和包裝過(guò)程的全自動(dòng)化;美國哈雷戴維森公司廣泛利用以加工中心和機器人構成的智能制造單元，實(shí)現大批量定制;三菱電機名古屋制作所采用人機結合的新型機器人裝配產(chǎn)線(xiàn)，實(shí)現從自動(dòng)化到智能化的轉變，顯著(zhù)提高了單位生產(chǎn)面積的產(chǎn)量;全球重卡巨頭MAN公司搭建了完備的廠(chǎng)內物流體系，利用AGV裝載進(jìn)行裝配的部件和整車(chē)，便于靈活調整裝配線(xiàn)，并建立了物料超市，取得明顯成效(圖1)。

　　圖 1 德國MAN工廠(chǎng)利用AGV作為部件和整車(chē)裝配的載體

　　當前，我國制造企業(yè)面臨著(zhù)巨大的轉型壓力。一方面，勞動(dòng)力成本迅速攀升、產(chǎn)能過(guò)剩、競爭激烈、客戶(hù)個(gè)性化需求日益增長(cháng)等因素，迫使制造企業(yè)從低成本競爭策略轉向建立差異化競爭優(yōu)勢。在工廠(chǎng)層面，制造企業(yè)面臨著(zhù)招工難，以及缺乏專(zhuān)業(yè)技師的巨大壓力，必須實(shí)現減員增效，迫切需要推進(jìn)智能工廠(chǎng)建設。另一方面，物聯(lián)網(wǎng)、協(xié)作機器人、增材制造、預測性維護、機器視覺(jué)等新興技術(shù)迅速興起，為制造企業(yè)推進(jìn)智能工廠(chǎng)建設提供了良好的技術(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(lái)越多的大中型企業(yè)開(kāi)啟了智能工廠(chǎng)建設的征程。

　　我國汽車(chē)、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(xiàn)進(jìn)行自動(dòng)化、智能化改造，以及建立全新的智能工廠(chǎng)的需求十分旺盛，涌現出海爾、美的、東莞勁勝、尚品宅配等智能工廠(chǎng)建設的樣板。例如，海爾佛山滾筒洗衣機工廠(chǎng)可以實(shí)現按訂單配置、生產(chǎn)和裝配，采用高柔性的自動(dòng)無(wú)人生產(chǎn)線(xiàn)，廣泛應用精密裝配機器人，采用MES系統全程訂單執行管理系統，通過(guò)RFID進(jìn)行全程追溯，實(shí)現了機機互聯(lián)、機物互聯(lián)和人機互聯(lián);尚品宅配實(shí)現了從款式設計到構造尺寸的全方位個(gè)性定制，建立了高度智能化的生產(chǎn)加工控制系統，能夠滿(mǎn)足消費者個(gè)性化定制所產(chǎn)生的特殊尺寸與構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)數控系統和國產(chǎn)工業(yè)軟件，實(shí)現了設備數據的自動(dòng)采集和車(chē)間聯(lián)網(wǎng)，建立了工廠(chǎng)的數字映射模型(Digital Twin)，構建了手機殼加工的智能工廠(chǎng)。

　　但是，我國制造企業(yè)在推進(jìn)智能工廠(chǎng)建設方面，還存在諸多問(wèn)題與誤區：

　　1. 盲目購買(mǎi)自動(dòng)化設備和自動(dòng)化產(chǎn)線(xiàn)。很多制造企業(yè)仍然認為推進(jìn)智能工廠(chǎng)就是自動(dòng)化和機器人化，盲目追求“黑燈工廠(chǎng)”，推進(jìn)單工位的機器人改造，推行機器換人，上馬只能加工或裝配單一產(chǎn)品的剛性自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)。只注重購買(mǎi)高端數控設備，但卻沒(méi)有配備相應的軟件系統。

　　2. 尚未實(shí)現設備數據的自動(dòng)采集和車(chē)間聯(lián)網(wǎng)。企業(yè)在購買(mǎi)設備時(shí)沒(méi)有要求開(kāi)放數據接口，大部分設備還不能自動(dòng)采集數據，沒(méi)有實(shí)現車(chē)間聯(lián)網(wǎng)。目前，各大自動(dòng)化廠(chǎng)商都有自己的工業(yè)總線(xiàn)和通信協(xié)議，OPC UA標準的應用還不普及。

　　3. 工廠(chǎng)運營(yíng)層還是黑箱。在工廠(chǎng)運營(yíng)方面還缺乏信息系統支撐，車(chē)間仍然是一個(gè)黑箱，生產(chǎn)過(guò)程還難以實(shí)現全程追溯，與生產(chǎn)管理息息相關(guān)的制造BOM數據、工時(shí)數據也不準確。

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

　　5. 依然存在大量信息化孤島和自動(dòng)化孤島。智能工廠(chǎng)建設涉及到智能裝備、自動(dòng)化控制、傳感器、工業(yè)軟件等領(lǐng)域的供應商，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(dòng)化孤島，自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)沒(méi)有進(jìn)行統一規劃，生產(chǎn)線(xiàn)之間還需要中轉庫轉運。

　　究其原因，是智能制造和智能工廠(chǎng)涵蓋領(lǐng)域很多，系統極其復雜，企業(yè)還缺乏深刻理解。在這種狀況下，制造企業(yè)不能貿然推進(jìn)，搞“大躍進(jìn)”，以免造成企業(yè)的投資打水漂。應當依托有實(shí)戰經(jīng)驗的咨詢(xún)服務(wù)機構，結合企業(yè)內部的IT、自動(dòng)化和精益團隊，高層積極參與，根據企業(yè)的產(chǎn)品和生產(chǎn)工藝，做好需求分析和整體規劃，在此基礎上穩妥推進(jìn)，才能取得實(shí)效。

　　二、何謂智能工廠(chǎng)?

　　究竟何謂智能工廠(chǎng)?智能工廠(chǎng)具有以下六個(gè)顯著(zhù)特征：

　　1. 設備互聯(lián)。能夠實(shí)現設備與設備互聯(lián)(M2M)，通過(guò)與設備控制系統集成，以及外接傳感器等方式，由SCADA(數據采集與監控系統)實(shí)時(shí)采集設備的狀態(tài)，生產(chǎn)完工的信息、質(zhì)量信息，并通過(guò)應用RFID(無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù))、條碼(一維和二維)等技術(shù)，實(shí)現生產(chǎn)過(guò)程的可追溯。

　　2. 廣泛應用工業(yè)軟件。廣泛應用MES(制造執行系統)、APS(先進(jìn)生產(chǎn)排程)、能源管理、質(zhì)量管理等工業(yè)軟件，實(shí)現生產(chǎn)現場(chǎng)的可視化和透明化。在新建工廠(chǎng)時(shí)，可以通過(guò)數字化工廠(chǎng)仿真軟件，進(jìn)行設備和產(chǎn)線(xiàn)布局、工廠(chǎng)物流、人機工程等仿真，確保工廠(chǎng)結構合理。在推進(jìn)數字化轉型的過(guò)程中，必須確保工廠(chǎng)的數據安全和設備和自動(dòng)化系統安全。在通過(guò)專(zhuān)業(yè)檢測設備檢出次品時(shí)，不僅要能夠自動(dòng)與合格品分流，而且能夠通過(guò)SPC(統計過(guò)程控制)等軟件，分析出現質(zhì)量問(wèn)題的原因。

　　3. 充分結合精益生產(chǎn)理念。充分體現工業(yè)工程和精益生產(chǎn)的理念，能夠實(shí)現按訂單驅動(dòng)，拉動(dòng)式生產(chǎn)，盡量減少在制品庫存，消除浪費。推進(jìn)智能工廠(chǎng)建設要充分結合企業(yè)產(chǎn)品和工藝特點(diǎn)。在研發(fā)階段也需要大力推進(jìn)標準化、模塊化和系列化，奠定推進(jìn)精益生產(chǎn)的基礎。

　　4. 實(shí)現柔性自動(dòng)化。結合企業(yè)的產(chǎn)品和生產(chǎn)特點(diǎn)，持續提升生產(chǎn)、檢測和工廠(chǎng)物流的自動(dòng)化程度。產(chǎn)品品種少、生產(chǎn)批量大的企業(yè)可以實(shí)現高度自動(dòng)化，乃至建立黑燈工廠(chǎng);小批量、多品種的企業(yè)則應當注重少人化、人機結合，不要盲目推進(jìn)自動(dòng)化，應當特別注重建立智能制造單元。工廠(chǎng)的自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)和裝配線(xiàn)應當適當考慮冗余，避免由于關(guān)鍵設備故障而停線(xiàn);同時(shí)，應當充分考慮如何快速換模，能夠適應多品種的混線(xiàn)生產(chǎn)。物流自動(dòng)化對于實(shí)現智能工廠(chǎng)至關(guān)重要，企業(yè)可以通過(guò)AGV、行架式機械手、懸掛式輸送鏈等物流設備實(shí)現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(xiàn)邊。質(zhì)量檢測的自動(dòng)化也非常重要，機器視覺(jué)在智能工廠(chǎng)的應用將會(huì )越來(lái)越廣泛。此外，還需要仔細考慮如何使用助力設備，減輕工人勞動(dòng)強度。

　　5. 注重環(huán)境友好，實(shí)現綠色制造。能夠及時(shí)采集設備和產(chǎn)線(xiàn)的能源消耗，實(shí)現能源高效利用。在危險和存在污染的環(huán)節，優(yōu)先用機器人替代人工，能夠實(shí)現廢料的回收和再利用。

　　6. 可以實(shí)現實(shí)時(shí)洞察。從生產(chǎn)排產(chǎn)指令的下達到完工信息的反饋，實(shí)現閉環(huán)。通過(guò)建立生產(chǎn)指揮系統，實(shí)時(shí)洞察工廠(chǎng)的生產(chǎn)、質(zhì)量、能耗和設備狀態(tài)信息，避免非計劃性停機。通過(guò)建立工廠(chǎng)的Digital Twin(數字映射)，方便地洞察生產(chǎn)現場(chǎng)的狀態(tài)，輔助各級管理人員做出正確決策。

　　僅有自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)和工業(yè)機器人的工廠(chǎng)，還不能稱(chēng)為智能工廠(chǎng)。智能工廠(chǎng)不僅生產(chǎn)過(guò)程應實(shí)現自動(dòng)化、透明化、可視化、精益化，而且，在產(chǎn)品檢測、質(zhì)量檢驗和分析、生產(chǎn)物流等環(huán)節也應當與生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現閉環(huán)集成。一個(gè)工廠(chǎng)的多個(gè)車(chē)間之間也要實(shí)現信息共享、準時(shí)配送和協(xié)同作業(yè)。智能工廠(chǎng)的建設充分融合了信息技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、通信技術(shù)和人工智能技術(shù)。每個(gè)企業(yè)在建設智能工廠(chǎng)時(shí)，都應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)和制造工藝緊密結合，確定自身的智能工廠(chǎng)推進(jìn)方案。

　　三、智能工廠(chǎng)的體系架構

　　著(zhù)名業(yè)務(wù)流程管理專(zhuān)家August-Wilhelm Scheer教授提出的智能工廠(chǎng)框架強調了MES系統在智能工廠(chǎng)建設中的樞紐作用(圖2)。

　　圖 2 Scheer教授提出的智能工廠(chǎng)架構

　　智能工廠(chǎng)可以分為基礎設施層、智能裝備層、智能產(chǎn)線(xiàn)層、智能車(chē)間層和工廠(chǎng)管控層五個(gè)層級(圖3)：

　　圖 3 智能工廠(chǎng)五級金字塔

　　1、基礎設施層

　　企業(yè)首先應當建立有線(xiàn)或者無(wú)線(xiàn)的工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現生產(chǎn)指令的自動(dòng)下達和設備與產(chǎn)線(xiàn)信息的自動(dòng)采集;形成集成化的車(chē)間聯(lián)網(wǎng)環(huán)境，解決不同通訊協(xié)議的設備之間，以及PLC、CNC、機器人、儀表/傳感器和工控/IT系統之間的聯(lián)網(wǎng)問(wèn)題;利用視頻監控系統對車(chē)間的環(huán)境，人員行為進(jìn)行監控、識別與報警;此外，工廠(chǎng)應當在溫度、濕度、潔凈度的控制和工業(yè)安全(包括工業(yè)自動(dòng)化系統的安全、生產(chǎn)環(huán)境的安全和人員安全)等方面達到智能化水平。

　　2、智能裝備層

　　智能裝備是智能工廠(chǎng)運作的重要手段和工具。智能裝備主要包含智能生產(chǎn)設備、智能檢測設備和智能物流設備。制造裝備在經(jīng)歷了機械裝備到數控裝備后，目前正在逐步向智能裝備發(fā)展。智能化的加工中心具有誤差補償、溫度補償等功能，能夠實(shí)現邊檢測、邊加工。工業(yè)機器人通過(guò)集成視覺(jué)、力覺(jué)等傳感器，能夠準確識別工件，自主進(jìn)行裝配，自動(dòng)避讓人，實(shí)現人機協(xié)作。金屬增材制造設備可以直接制造零件，DMG MORI已開(kāi)發(fā)出能夠實(shí)現同時(shí)實(shí)現增材制造和切削加工的混合制造加工中心。智能物流設備則包括自動(dòng)化立體倉庫、智能夾具、AGV、桁架式機械手、懸掛式輸送鏈等。例如，Fanuc工廠(chǎng)就應用了自動(dòng)化立體倉庫作為智能加工單元之間的物料傳遞工具(圖4)。

　　圖 4 ABB的Yumi協(xié)作機器人

　　3、智能產(chǎn)線(xiàn)層

　　智能產(chǎn)線(xiàn)的特點(diǎn)是，在生產(chǎn)和裝配的過(guò)程中，能夠通過(guò)傳感器、數控系統或RFID自動(dòng)進(jìn)行生產(chǎn)、質(zhì)量、能耗、設備績(jì)效(OEE)等數據采集，并通過(guò)電子看板顯示實(shí)時(shí)的生產(chǎn)狀態(tài);通過(guò)安燈系統實(shí)現工序之間的協(xié)作;生產(chǎn)線(xiàn)能夠實(shí)現快速換模，實(shí)現柔性自動(dòng)化;能夠支持多種相似產(chǎn)品的混線(xiàn)生產(chǎn)和裝配，靈活調整工藝，適應小批量、多品種的生產(chǎn)模式;具有一定冗余，如果生產(chǎn)線(xiàn)上有設備出現故障，能夠調整到其他設備生產(chǎn);針對人工操作的工位，能夠給予智能的提示。

　　4、智能車(chē)間層

　　要實(shí)現對生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行有效管控，需要在設備聯(lián)網(wǎng)的基礎上，利用制造執行系統(MES)、先進(jìn)生產(chǎn)排產(chǎn)(APS)、勞動(dòng)力管理等軟件進(jìn)行高效的生產(chǎn)排產(chǎn)和合理的人員排班，提高設備利用率(OEE)，實(shí)現生產(chǎn)過(guò)程的追溯，減少在制品庫存，應用人機界面(HMI)，以及工業(yè)平板等移動(dòng)終端，實(shí)現生產(chǎn)過(guò)程的無(wú)紙化。另外，還可以利用Digital Twin(數字映射)技術(shù)將MES系統采集到的數據在虛擬的三維車(chē)間模型中實(shí)時(shí)地展現出來(lái)，不僅提供車(chē)間的VR(虛擬現實(shí))環(huán)境，而且還可以顯示設備的實(shí)際狀態(tài)，實(shí)現虛實(shí)融合。

　　車(chē)間物流的智能化對于實(shí)現智能工廠(chǎng)至關(guān)重要。企業(yè)需要充分利用智能物流裝備實(shí)現生產(chǎn)過(guò)程中所需物料的及時(shí)配送。企業(yè)可以用DPS系統(Digital Picking System)實(shí)現物料揀選的自動(dòng)化。

　　5、工廠(chǎng)管控層

　　工廠(chǎng)管控層主要是實(shí)現對生產(chǎn)過(guò)程的監控，通過(guò)生產(chǎn)指揮系統實(shí)時(shí)洞察工廠(chǎng)的運營(yíng)，實(shí)現多個(gè)車(chē)間之間的協(xié)作和資源的調度。流程制造企業(yè)已廣泛應用DCS或PLC控制系統進(jìn)行生產(chǎn)管控，近年來(lái)，離散制造企業(yè)也開(kāi)始建立中央控制室，實(shí)時(shí)顯示工廠(chǎng)的運營(yíng)數據和圖表，展示設備的運行狀態(tài)，并可以通過(guò)圖像識別技術(shù)對視頻監控中發(fā)現的問(wèn)題進(jìn)行自動(dòng)報警(圖5)。

　　圖 5 美的工廠(chǎng)的生產(chǎn)監控中心

　　四、智能工廠(chǎng)的成功之道

　　1、進(jìn)行智能工廠(chǎng)整體規劃

　　智能工廠(chǎng)的建設需要實(shí)現IT系統與自動(dòng)化系統的信息集成;處理來(lái)源多樣的異構數據，包括設備、生產(chǎn)、物料、質(zhì)量、能耗等海量數據;應當進(jìn)行科學(xué)的廠(chǎng)房布局規劃，在滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝要求，優(yōu)化業(yè)務(wù)流程的基礎上，提升物流效率，提高工人工作的舒適程度。智能工廠(chǎng)的推進(jìn)需要企業(yè)的IT部門(mén)、自動(dòng)化部門(mén)、精益推進(jìn)部門(mén)和業(yè)務(wù)部門(mén)的通力合作。制造企業(yè)應當做好智能工廠(chǎng)相關(guān)技術(shù)的培訓，選擇有實(shí)戰經(jīng)驗的智能制造咨詢(xún)服務(wù)機構，共同規劃推進(jìn)智能工廠(chǎng)建設的藍圖。在規劃時(shí)應注意行業(yè)差異性，因為不同行業(yè)的產(chǎn)品制造工藝差別很大，智能工廠(chǎng)建設的目標和重點(diǎn)也有顯著(zhù)差異。

　　2、建立明確的智能工廠(chǎng)標準

　　在智能工廠(chǎng)的建設中，企業(yè)往往會(huì )忽視管理與技術(shù)標準的建立，容易造成缺少數據標準，一物多碼;作業(yè)標準執行不到位;缺失設備管理標準，不同的設備采用不同的通訊協(xié)議，造成設備集成難度大;管理流程復雜，職權利不匹配;質(zhì)檢標準執行不到位，導致批次質(zhì)量問(wèn)題多等問(wèn)題。因此，需要建立明確的智能工廠(chǎng)標準，例如，業(yè)務(wù)流程管理規范、設備點(diǎn)檢維護標準和智能工廠(chǎng)評估標準等管理規范，智能裝備標準、智能工廠(chǎng)系統集成標準、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標準以及主數據管理標準等技術(shù)標準。

　　3、重視智能加工單元建設

　　目前，智能加工單元在我國制造企業(yè)的應用還處于起步階段，但必然是發(fā)展的方向。智能加工單元可以利用智能技術(shù)將CNC、工業(yè)機器人、加工中心以及自動(dòng)化程度較低的設備集成起來(lái)，使其具有更高的柔性，提高生產(chǎn)效率。

　　4、強調人機協(xié)作而不是機器換人

　　智能工廠(chǎng)的終極目標并不是要建設成無(wú)人工廠(chǎng)，而應追求在合理成本的前提下，滿(mǎn)足市場(chǎng)個(gè)性化定制的需求。因此，人機協(xié)作將成為智能工廠(chǎng)未來(lái)發(fā)展的主要趨勢。人機協(xié)作的最大特點(diǎn)是可以充分利用人的靈活性完成復雜多變的工作任務(wù)，在關(guān)鍵崗位上，更需要人的判斷能力和決策能力顯得更為重要，而機器人則擅長(cháng)重復勞動(dòng)。

　　5、積極應用新興技術(shù)

　　未來(lái)，AR(Augmented Reality，增強現實(shí))技術(shù)將被大量應用到工廠(chǎng)的設備維護和人員培訓中。工人帶上AR眼鏡，就可以“看到”需要操作的工作位置。例如，需要擰緊螺栓的地方，當擰到位時(shí)，會(huì )有相應提示，從而提高作業(yè)人員的工作效率;維修人員可以通過(guò)實(shí)物掃碼，使虛擬模型與實(shí)物模型重合疊加，同時(shí)在虛擬模型中顯示出設備型號、工作參數等信息，并根據AR中的提示進(jìn)行維修操作;AR技術(shù)還可以幫助設備維修人員將實(shí)物運行參數與數字模型進(jìn)行對比，盡快定位問(wèn)題，并給予可能的故障原因分析。此外，數字工廠(chǎng)仿真技術(shù)可以基于離散事件建模、3D幾何建模、可視化仿真與優(yōu)化等技術(shù)實(shí)現對工廠(chǎng)靜態(tài)布局、動(dòng)態(tài)物流過(guò)程等綜合仿真和分析，從而能夠先建立數字化的生產(chǎn)系統甚至全部工廠(chǎng)，依據既定工藝進(jìn)行運行仿真。

　　五、總結

　　在智能制造的熱潮下，企業(yè)不宜盲目跟風(fēng)。建設智能工廠(chǎng)，應圍繞企業(yè)的中長(cháng)期發(fā)展戰略，根據自身產(chǎn)品、工藝、設備和訂單的特點(diǎn)，合理規劃智能工廠(chǎng)的建設藍圖。在推進(jìn)規范化、標準化的基礎上，從最緊迫需要解決的問(wèn)題入手，務(wù)實(shí)推進(jìn)智能工廠(chǎng)的建設。

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