當(dāng)今世界，從傳統(tǒng)制造業(yè)走向先進(jìn)的智能工業(yè)，有美國和德國兩個(gè)樣本可循。雖然美國與德國切入未來智能工業(yè)的角度不同，但都離不開制造業(yè)這核心，由制造向“智”造的全面升級(jí)。那么，如何實(shí)現(xiàn)智能制造，數(shù)字工廠與智能工廠又有什么含義?

工業(yè)4.0與平臺(tái)經(jīng)濟(jì)密切相關(guān)，最重要的關(guān)聯(lián)點(diǎn)就是智能工廠。在智能工廠中，整個(gè)生產(chǎn)流程和供應(yīng)鏈都是虛擬的，而且高度柔性化，最極端的批量為1件產(chǎn)品。而這些都是由單獨(dú)的個(gè)人訂單所驅(qū)動(dòng)。在智能工廠可以廣泛地生產(chǎn)智能產(chǎn)品，后者是高度互聯(lián)的物理實(shí)體、設(shè)備和機(jī)器，從而產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。通過有意義的分析、解讀、連接和補(bǔ)充，這些數(shù)據(jù)可以重新定義，成為“智能數(shù)據(jù)”。

在制造業(yè)中，無論稱為工業(yè)4.0或工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，其本質(zhì)均是機(jī)器的連接，包括將機(jī)器與機(jī)器互聯(lián)，與專家系統(tǒng)互聯(lián)以及與管理執(zhí)行系統(tǒng)互聯(lián)等。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)不僅是將工業(yè)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到設(shè)備級(jí)架構(gòu)，還包括將安全、運(yùn)動(dòng)、機(jī)器對(duì)機(jī)器智能、自動(dòng)維護(hù)資源和企業(yè)連接性融入到目前難以企及的制造智能。

多位一體構(gòu)建集成自動(dòng)化、信息化、智能化的智能制造車間

智能工廠建設(shè)的六個(gè)要素

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、工業(yè)軟件：廣泛應(yīng)用MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）、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(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(dòng)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(dòng)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、精益生產(chǎn)：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(dòng)，拉動(dòng)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、柔性自動(dòng)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(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(xiàn)高度自動(dòng)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(dòng)化，應(yīng)當(dāng)特別注重建立智能制造單元。工廠的自動(dòng)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(dòng)化對(duì)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(dòng)化也非常重要，機(jī)器視覺在智能工廠的應(yīng)用將會(huì)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(dòng)強(qiáng)度。

5、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)能源高效利用。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、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(jí)管理人員做出正確決策。

智能工廠不僅生產(chǎn)過程應(yīng)實(shí)現(xiàn)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(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)。

智能工廠具有的特征

智能工廠的成功之道

1、 進(jìn)行整體規(guī)劃

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、 建立明確的標(biāo)準(zhǔn)體系

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。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。

智能工廠架構(gòu)

智能工廠的管理體系組成

在信息化時(shí)代企業(yè)管理，統(tǒng)籌規(guī)劃，提高效率的一種管理思想，面對(duì)相似流程、相似問題的一種成熟的解決方案。

1、PLM (product lifecycle management) 產(chǎn)品生命周期管理；

2、ERP(Enterprise Resource Planning) 企業(yè)資源計(jì)劃；

3、 SCM (Supply chain management) 供應(yīng)鏈管理；

4、 CRM(Customer Relationship Management) 客戶關(guān)系管理；

5、 MES(Manufacturing Execution System) 制造企業(yè)生產(chǎn)過程執(zhí)行管理系統(tǒng)。