近年來，智能制造熱潮席卷神州大地，成為推進(jìn)“中國(guó)制造2025”國(guó)家戰(zhàn)略最重要的舉措。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(jí)政府的高度重視。冠猴智能作為專業(yè)的自動(dòng)化智能化解決方案供應(yīng)商，今日和大家一起探討下國(guó)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。

三、智能工廠的體系架構(gòu)

著名業(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(jí)：

▲智能工廠五級(jí)金字塔

① 基礎(chǔ)設(shè)施層

企業(yè)首先應(yīng)當(dāng)建立有線或者無線的工廠網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)指令的自動(dòng)下達(dá)和設(shè)備與產(chǎn)線信息的自動(dòng)采集；形成集成化的車間聯(lián)網(wǎng)環(huán)境，解決不同通訊協(xié)議的設(shè)備之間，以及PLC、CNC、機(jī)器人、儀表/傳感器和工控/IT系統(tǒng)之間的聯(lián)網(wǎng)問題；利用視頻監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)車間的環(huán)境，人員行為進(jìn)行監(jiān)控、識(shí)別與報(bào)警；此外，工廠應(yīng)當(dāng)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(tǒng)的安全、生產(chǎn)環(huán)境的安全和人員安全）等方面達(dá)到智能化水平。

② 智能裝備層

智能裝備是智能工廠運(yùn)作的重要手段和工具。智能裝備主要包含智能生產(chǎn)設(shè)備、智能檢測(cè)設(shè)備和智能物流設(shè)備。制造裝備在經(jīng)歷了機(jī)械裝備到數(shù)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(bǔ)償、溫度補(bǔ)償?shù)裙δ?，能夠?qū)崿F(xiàn)邊檢測(cè)、邊加工。工業(yè)機(jī)器人通過集成視覺、力覺等傳感器，能夠準(zhǔn)確識(shí)別工件，自主進(jìn)行裝配，自動(dòng)避讓人，實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)作。金屬增材制造設(shè)備可以直接制造零件，DMG MORI已開發(fā)出能夠?qū)崿F(xiàn)同時(shí)實(shí)現(xiàn)增材制造和切削加工的混合制造加工中心。智能物流設(shè)備則包括自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)、智能夾具、AGV、桁架式機(jī)械手、懸掛式輸送鏈等。例如，F(xiàn)anuc工廠就應(yīng)用了自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)作為智能加工單元之間的物料傳遞工具。

③ 智能產(chǎn)線層

智能產(chǎn)線的特點(diǎn)是，在生產(chǎn)和裝配的過程中，能夠通過傳感器、數(shù)控系統(tǒng)或RFID自動(dòng)進(jìn)行生產(chǎn)、質(zhì)量、能耗、設(shè)備績(jī)效（OEE）等數(shù)據(jù)采集，并通過電子看板顯示實(shí)時(shí)的生產(chǎn)狀態(tài)；通過安燈系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工序之間的協(xié)作；生產(chǎn)線能夠?qū)崿F(xiàn)快速換模，實(shí)現(xiàn)柔性自動(dòng)化；能夠支持多種相似產(chǎn)品的混線生產(chǎn)和裝配，靈活調(diào)整工藝，適應(yīng)小批量、多品種的生產(chǎn)模式；具有一定冗余，如果生產(chǎn)線上有設(shè)備出現(xiàn)故障，能夠調(diào)整到其他設(shè)備生產(chǎn)；針對(duì)人工操作的工位，能夠給予智能的提示。

④ 智能車間層

要實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行有效管控，需要在設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用制造執(zhí)行系統(tǒng)（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(shè)備利用率（OEE），實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的追溯，減少在制品庫(kù)存，應(yīng)用人機(jī)界面（HMI），以及工業(yè)平板等移動(dòng)終端，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的無紙化。另外，還可以利用Digital Twin(數(shù)字映射)技術(shù)將MES系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)在虛擬的三維車間模型中實(shí)時(shí)地展現(xiàn)出來，不僅提供車間的VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）環(huán)境，而且還可以顯示設(shè)備的實(shí)際狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)融合。

車間物流的智能化對(duì)于實(shí)現(xiàn)智能工廠至關(guān)重要。企業(yè)需要充分利用智能物流裝備實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程中所需物料的及時(shí)配送。企業(yè)可以用DPS系統(tǒng)(Digital Picking System)實(shí)現(xiàn)物料揀選的自動(dòng)化。

⑤ 工廠管控層

工廠管控層主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的監(jiān)控，通過生產(chǎn)指揮系統(tǒng)實(shí)時(shí)洞察工廠的運(yùn)營(yíng)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)車間之間的協(xié)作和資源的調(diào)度。流程制造企業(yè)已廣泛應(yīng)用DCS或PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)管控，近年來，離散制造企業(yè)也開始建立中央控制室，實(shí)時(shí)顯示工廠的運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)和圖表，展示設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并可以通過圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)視頻監(jiān)控中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警。

四、智能工廠的成功之道

① 進(jìn)行智能工廠整體規(guī)劃

智能工廠的建設(shè)需要實(shí)現(xiàn)IT系統(tǒng)與自動(dòng)化系統(tǒng)的信息集成；處理來源多樣的異構(gòu)數(shù)據(jù)，包括設(shè)備、生產(chǎn)、物料、質(zhì)量、能耗等海量數(shù)據(jù)；應(yīng)當(dāng)進(jìn)行科學(xué)的廠房布局規(guī)劃，在滿足生產(chǎn)工藝要求，優(yōu)化業(yè)務(wù)流程的基礎(chǔ)上，提升物流效率，提高工人工作的舒適程度。智能工廠的推進(jìn)需要企業(yè)的IT部門、自動(dòng)化部門、精益推進(jìn)部門和業(yè)務(wù)部門的通力合作。制造企業(yè)應(yīng)當(dāng)做好智能工廠相關(guān)技術(shù)的培訓(xùn)，選擇有實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)的智能制造咨詢服務(wù)機(jī)構(gòu)，共同規(guī)劃推進(jìn)智能工廠建設(shè)的藍(lán)圖。在規(guī)劃時(shí)應(yīng)注意行業(yè)差異性，因?yàn)椴煌袠I(yè)的產(chǎn)品制造工藝差別很大，智能工廠建設(shè)的目標(biāo)和重點(diǎn)也有顯著差異。

② 建立明確的智能工廠標(biāo)準(zhǔn)

在智能工廠的建設(shè)中，企業(yè)往往會(huì)忽視管理與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的建立，容易造成缺少數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，一物多碼；作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行不到位；缺失設(shè)備管理標(biāo)準(zhǔn)，不同的設(shè)備采用不同的通訊協(xié)議，造成設(shè)備集成難度大；管理流程復(fù)雜，職權(quán)利不匹配；質(zhì)檢標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行不到位，導(dǎo)致批次質(zhì)量問題多等問題。因此，需要建立明確的智能工廠標(biāo)準(zhǔn)，例如，業(yè)務(wù)流程管理規(guī)范、設(shè)備點(diǎn)檢維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)和智能工廠評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)等管理規(guī)范，智能裝備標(biāo)準(zhǔn)、智能工廠系統(tǒng)集成標(biāo)準(zhǔn)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)以及主數(shù)據(jù)管理標(biāo)準(zhǔn)等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

③ 重視智能加工單元建設(shè)

目前，智能加工單元在我國(guó)制造企業(yè)的應(yīng)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(jī)器人、加工中心以及自動(dòng)化程度較低的設(shè)備集成起來，使其具有更高的柔性，提高生產(chǎn)效率。

④ 強(qiáng)調(diào)人機(jī)協(xié)作而不是機(jī)器換人

智能工廠的終極目標(biāo)并不是要建設(shè)成無人工廠，而應(yīng)追求在合理成本的前提下，滿足市場(chǎng)個(gè)性化定制的需求。因此，人機(jī)協(xié)作將成為智能工廠未來發(fā)展的主要趨勢(shì)。人機(jī)協(xié)作的最大特點(diǎn)是可以充分利用人的靈活性完成復(fù)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(jī)器人則擅長(zhǎng)重復(fù)勞動(dòng)。

⑤ 積極應(yīng)用新興技術(shù)

未來，AR（Augmented Reality，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）技術(shù)將被大量應(yīng)用到工廠的設(shè)備維護(hù)和人員培訓(xùn)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(dāng)擰到位時(shí)，會(huì)有相應(yīng)提示，從而提高作業(yè)人員的工作效率；維修人員可以通過實(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(shè)備型號(hào)、工作參數(shù)等信息，并根據(jù)AR中的提示進(jìn)行維修操作；AR技術(shù)還可以幫助設(shè)備維修人員將實(shí)物運(yùn)行參數(shù)與數(shù)字模型進(jìn)行對(duì)比，盡快定位問題，并給予可能的故障原因分析。此外，數(shù)字工廠仿真技術(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(xiàn)對(duì)工廠靜態(tài)布局、動(dòng)態(tài)物流過程等綜合仿真和分析，從而能夠先建立數(shù)字化的生產(chǎn)系統(tǒng)甚至全部工廠，依據(jù)既定工藝進(jìn)行運(yùn)行仿真。

五、總結(jié)

在智能制造的熱潮下，企業(yè)不宜盲目跟風(fēng)。建設(shè)智能工廠，應(yīng)圍繞企業(yè)的中長(zhǎng)期發(fā)展戰(zhàn)略，根據(jù)自身產(chǎn)品、工藝、設(shè)備和訂單的特點(diǎn)，合理規(guī)劃智能工廠的建設(shè)藍(lán)圖。在推進(jìn)規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上，從最緊迫需要解決的問題入手，務(wù)實(shí)推進(jìn)智能工廠的建設(shè)。