《中國制造2025》下的智慧工廠

《中國制造2025》下的智慧工廠現(xiàn)如今,以智能制造為核心掀起的新一輪產(chǎn)業(yè)革命正如猛虎之勢席卷全球,世界各國積極布局國家戰(zhàn)略,以搶占改革先機,全球智能化已是大勢所趨。在"人才是第一生產(chǎn)力"的智能時代,各國之間的競爭實質(zhì)聚焦于人力資源的競爭。因此,在研究本文論題之前,我們有必要先明晰何為智能與智能制造以及智能制造與中國制造2025的關(guān)系。一、智能制造概念關(guān)于智能制造,目前國際上并沒有準確的定義。但通過結(jié)合《工業(yè)4.0:智能工業(yè)》和2015年工信部相關(guān)文件中關(guān)于智能制造的概念,本文將智能制造定義為:智能制造是集自動感知信息、自動優(yōu)化決策、自動精準控制、自動智慧執(zhí)行功能于一身,且貫穿于設(shè)計研發(fā)、生產(chǎn)管理、銷售服務(wù)等各個環(huán)節(jié)的新一代高新信息技術(shù)系統(tǒng)。具有以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)、以數(shù)據(jù)流為支撐、以智能化為核心等特點,可有效降低資源能耗、縮短生產(chǎn)周期、減少運營成本、提升生產(chǎn)效率、改善產(chǎn)品質(zhì)量。（銘知一智能科技）二、國內(nèi)外智慧工廠建設(shè)的現(xiàn)狀近年來，全球各主要經(jīng)濟體都在大力推進制造業(yè)的復(fù)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)都開展了智慧工廠建設(shè)實踐。例如，西門子安貝格電子工廠實現(xiàn)了多品種工控機的混線生產(chǎn)；FANUC公司實現(xiàn)了機器人和伺服電機生產(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)的各個智能制造單元之間傳遞物料，實現(xiàn)了最高720小時無人值守；施耐德電氣實現(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器人構(gòu)成的智能制造單元，實現(xiàn)大批量定制；三菱電機名古屋制作所采用人機結(jié)合的新型機器人裝配產(chǎn)線，實現(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；全球重卡巨頭MAN公司搭建了完備的廠內(nèi)物流體系，利用AGV裝載進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。當前，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，必須實現(xiàn)減員增效，迫切需要推進智慧工廠建設(shè)。另一方面，物聯(lián)網(wǎng)、協(xié)作機器人、增材制造、預(yù)測性維護、機器視覺等新興技術(shù)迅速興起，為制造企業(yè)推進智慧工廠建設(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)開啟了智慧工廠建設(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)和裝配線進行自動化、智能化改造，以及建立全新的智慧工廠的需求十分旺盛，涌現(xiàn)出海爾、美的、格力等智慧工廠建設(shè)的樣板。例如，海爾佛山滾筒洗衣機工廠可以實現(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)用精密裝配機器人，采用MES系統(tǒng)全程訂單執(zhí)行管理系統(tǒng)，通過RFID進行全程追溯，實現(xiàn)了機機互聯(lián)、機物互聯(lián)和人機互聯(lián)；尚品宅配實現(xiàn)了從款式設(shè)計到構(gòu)造尺寸的全方位個性定制，建立了高度智能化的生產(chǎn)加工控制系統(tǒng)，能夠滿足消費者個性化定制所產(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（DigitalTwin），構(gòu)建了手機殼加工的智慧工廠。在發(fā)達國家汽車領(lǐng)域運用比較成熟，比如特斯拉。在我國制造企業(yè)在推進智慧工廠建設(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)仍然認為推進智慧工廠就是自動化和機器人化，盲目追求“黑燈工廠”，推進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)品的剛性自動化生產(chǎn)線。只注重購買高端數(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，OPCUA標準的應(yīng)用還不普及。3.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)未進行有效管理，常常由于設(shè)備故障造成非計劃性停機，影響生產(chǎn)。4.依然存在大量信息化孤島和自動化孤島。智慧工廠建設(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)線沒有進行統(tǒng)一規(guī)劃，生產(chǎn)線之間還需要中轉(zhuǎn)庫轉(zhuǎn)運。究其原因，是智能制造和智慧工廠涵蓋領(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，搞“大躍進”，以免造成企業(yè)的投資打水漂。應(yīng)當依托有實戰(zhàn)經(jīng)驗的咨詢服務(wù)機構(gòu)，結(jié)合企業(yè)內(nèi)部的IT、自動化和精益團隊，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，才能取得實效。（銘知一智能科技）三、何謂智慧工廠？智慧工廠具有以下六個顯著特征：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)）實時采集設(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（先進生產(chǎn)排程）、能源管理、質(zhì)量管理等工業(yè)軟件，實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場的可視化和透明化。在新建工廠時，可以通過數(shù)字化工廠仿真軟件，進行設(shè)備和產(chǎn)線布局、工廠物流、人機工程等仿真，確保工廠結(jié)構(gòu)合理。在推進數(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，不僅要能夠自動與合格品分流，而且能夠通過SPC（統(tǒng)計過程控制）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。推進智慧工廠建設(shè)要充分結(jié)合企業(yè)產(chǎn)品和工藝特點。在研發(fā)階段也需要大力推進標準化、模塊化和系列化，奠定推進精益生產(chǎn)的基礎(chǔ)。4.實現(xiàn)柔性自動化。結(jié)合企業(yè)的產(chǎn)品和生產(chǎn)特點，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)當注重少人化、人機結(jié)合，不要盲目推進自動化，應(yīng)當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)當適當考慮冗余，避免由于關(guān)鍵設(shè)備故障而停線；同時，應(yīng)當充分考慮如何快速換模，能夠適應(yīng)多品種的混線生產(chǎn)。物流自動化對于實現(xiàn)智慧工廠至關(guān)重要，企業(yè)可以通過AGV、行架式機械手、懸掛式輸送鏈等物流設(shè)備實現(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，機器視覺在智慧工廠的應(yīng)用將會越來越廣泛。此外，還需要仔細考慮如何使用助力設(shè)備，減輕工人勞動強度。5.注重環(huán)境友好，實現(xiàn)綠色制造。能夠及時采集設(shè)備和產(chǎn)線的能源消耗，實現(xiàn)能源高效利用。在危險和存在污染的環(huán)節(jié)，優(yōu)先用機器人替代人工，能夠?qū)崿F(xiàn)廢料的回收和再利用。6.可以實現(xiàn)實時洞察。從生產(chǎn)排產(chǎn)指令的下達到完工信息的反饋，實現(xiàn)閉環(huán)。通過建立生產(chǎn)指揮系統(tǒng)，實時洞察工廠的生產(chǎn)、質(zhì)量、能耗和設(shè)備狀態(tài)信息，避免非計劃性停機。通過建立工廠的DigitalTwin（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)機器人的工廠，還不能稱為智慧工廠。智慧工廠不僅生產(chǎn)過程應(yīng)實現(xiàn)自動化、透明化、可視化、精益化，而且，在產(chǎn)品檢測、質(zhì)量檢驗和分析、生產(chǎn)物流等環(huán)節(jié)也應(yīng)當與生產(chǎn)過程實現(xiàn)閉環(huán)集成。一個工廠的多個車間之間也要實現(xiàn)信息共享、準時配送和協(xié)同作業(yè)。智慧工廠的建設(shè)充分融合了信息技術(shù)、先進制造技術(shù)、自動化技術(shù)、通信技術(shù)和人工智能技術(shù)。每個企業(yè)在建設(shè)智慧工廠時，都應(yīng)該考慮如何能夠有效融合這五大領(lǐng)域