智能工廠的發展現狀與成功之道
2021-5-27新聞
近年來，智能制造熱潮席卷神州大地，成為推進“中國制造2025”國家戰略最重要的舉措。其中，智能工廠（Smart Factory）作為智能制造重要的實踐領域，已引起了制造企業的廣泛關注和各級政府的高度重視。
本文將分析國內外智能工廠建設的現狀與問題，智能工廠的內涵，以及推進智能工廠建設的成功之道。
近年來，全球各主要經濟體都在大力推進制造業的復興。在工業4.0、工業互聯網、物聯網、云計算等熱潮下，全球眾多優秀制造企業都開展了智能工廠建設實踐。
例如，西門子安貝格電子工廠實現了多品種工控機的混線生產；FANUC公司實現了機器人和伺服電機生產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的各個智能制造單元之間傳遞物料，實現了最高720小時無人值守；施耐德電氣實現了電氣開關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成的智能制造單元，實現大批量定制；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線，實現從自動化到智能化的轉變，顯著提高了單位生產面積的產量；全球重卡巨頭MAN公司搭建了完備的廠內物流體系，利用AGV裝載進行裝配的部件和整車，便于靈活調整裝配線，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
當前，我國制造企業面臨著巨大的轉型壓力。一方面，勞動力成本迅速攀升、產能過剩、競爭激烈、客戶個性化需求日益增長等因素，迫使制造企業從低成本競爭策略轉向建立差異化競爭優勢。在工廠層面，制造企業面臨著招工難，以及缺乏專業技師的巨大壓力，必須實現減員增效，迫切需要推進智能工廠建設。另一方面，物聯網、協作機器人、增材制造、預測性維護、機器視覺等新興技術迅速興起，為制造企業推進智能工廠建設提供了良好的技術支撐。再加上國家和地方政府的大力扶持，使各行業越來越多的大中型企業開啟了智能工廠建設的征程。
我國汽車、家電、軌道交通、食品飲料、制藥、裝備制造、家居等行業的企業對生產和裝配線進行自動化、智能化改造，以及建立全新的智能工廠的需求十分旺盛，涌現出海爾、美的、東莞勁勝、尚品宅配等智能工廠建設的樣板。
例如，海爾佛山滾筒洗衣機工廠可以實現按訂單配置、生產和裝配，采用高柔性的自動無人生產線，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RFID進行全程追溯，實現了機機互聯、機物互聯和人機互聯；尚品宅配實現了從款式設計到構造尺寸的全方位個性定制，建立了高度智能化的生產加工控制系統，能夠滿足消費者個性化定制所產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加工中心、國產數控系統和國產工業軟件，實現了設備數據的自動采集和車間聯網，建立了工廠的數字映射模型（Digital Twin），構建了手機殼加工的智能工廠。
但是，我國制造企業在推進智能工廠建設方面，還存在諸多問題與誤區：
① 盲目購買自動化設備和自動化產線。很多制造企業仍然認為推進智能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品的剛性自動化生產線。只注重購買高端數控設備，但卻沒有配備相應的軟件系統。
② 尚未實現設備數據的自動采集和車間聯網。企業在購買設備時沒有要求開放數據接口，大部分設備還不能自動采集數據，沒有實現車間聯網。目前，各大自動化廠商都有自己的工業總線和通信協議，OPC UA標準的應用還不普及。
③ 工廠運營層還是黑箱。在工廠運營方面還缺乏信息系統支撐，車間仍然是一個黑箱，生產過程還難以實現全程追溯，與生產管理息息相關的制造BOM數據、工時數據也不準確。
④ 設備績效不高。生產設備沒有得到充分利用，設備的健康狀態未進行有效管理，常常由于設備故障造成非計劃性停機，影響生產。
⑤ 依然存在大量信息化孤島和自動化孤島。智能工廠建設涉及到智能裝備、自動化控制、傳感器、工業軟件等領域的供應商，集成難度很大。很多企業不僅存在諸多信息孤島，也存在很多自動化孤島，自動化生產線沒有進行統一規劃，生產線之間還需要中轉庫轉運。
究其原因，是智能制造和智能工廠涵蓋領域很多，系統極其復雜，企業還缺乏深刻理解。在這種狀況下，制造企業不能貿然推進，搞“大躍進”，以免造成企業的投資打水漂。應當依托有實戰經驗的咨詢服務機構，結合企業內部的IT、自動化和精益團隊，高層積極參與，根據企業的產品和生產工藝，做好需求分析和整體規劃，在此基礎上穩妥推進，才能取得實效。
究竟何謂智能工廠？智能工廠具有以下六個顯著特征：
① 設備互聯。能夠實現設備與設備互聯（M2M），通過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）實時采集設備的狀態，生產完工的信息、質量信息，并通過應用RFID（無線射頻技術）、條碼（一維和二維）等技術，實現生產過程的可追溯。
② 廣泛應用工業軟件。廣泛應用MES（制造執行系統）、APS（先進生產排程）、能源管理、質量管理等工業軟件，實現生產現場的可視化和透明化。在新建工廠時，可以通過數字化工廠仿真軟件，進行設備和產線布局、工廠物流、人機工程等仿真，確保工廠結構合理。在推進數字化轉型的過程中，必須確保工廠的數據安全和設備和自動化系統安全。在通過專業檢測設備檢出次品時，不僅要能夠自動與合格品分流，而且能夠通過SPC（統計過程控制）等軟件，分析出現質量問題的原因。
③ 充分結合精益生產理念。充分體現工業工程和精益生產的理念，能夠實現按訂單驅動，拉動式生產，盡量減少在制品庫存，消除浪費。推進智能工廠建設要充分結合企業產品和工藝特點。在研發階段也需要大力推進標準化、模塊化和系列化，奠定推進精益生產的基礎。
④ 實現柔性自動化。結合企業的產品和生產特點，持續提升生產、檢測和工廠物流的自動化程度。產品品種少、生產批量大的企業可以實現高度自動化，乃至建立黑燈工廠；小批量、多品種的企業則應當注重少人化、人機結合，不要盲目推進自動化，應當特別注重建立智能制造單元。工廠的自動化生產線和裝配線應當適當考慮冗余，避免由于關鍵設備故障而停線；同時，應當充分考慮如何快速換模，能夠適應多品種的混線生產。物流自動化對于實現智能工廠至關重要，企業可以通過AGV、行架式機械手、懸掛式輸送鏈等物流設備實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邊。質量檢測的自動化也非常重要，機器視覺在智能工廠的應用將會越來越廣泛。此外，還需要仔細考慮如何使用助力設備，減輕工人勞動強度。
⑤ 注重環境友好，實現綠色制造。能夠及時采集設備和產線的能源消耗，實現能源高效利用。在危險和存在污染的環節，優先用機器人替代人工，能夠實現廢料的回收和再利用。
⑥ 可以實現實時洞察。從生產排產指令的下達到完工信息的反饋，實現閉環。通過建立生產指揮系統，實時洞察工廠的生產、質量、能耗和設備狀態信息，避免非計劃性停機。通過建立工廠的Digital Twin（數字映射），方便地洞察生產現場的狀態，輔助各級管理人員做出正確決策。
僅有自動化生產線和工業機器人的工廠，還不能稱為智能工廠。智能工廠不僅生產過程應實現自動化、透明化、可視化、精益化，而且，在產品檢測、質量檢驗和分析、生產物流等環節也應當與生產過程實現閉環集成。一個工廠的多個車間之間也要實現信息共享、準時配送和協同作業。
智能工廠的建設充分融合了信息技術、先進制造技術、自動化技術、通信技術和人工智能技術。每個企業在建設智能工廠時，都應該考慮如何能夠有效融合這五大領域的新興技術，與企業的產品特點和制造工藝緊密結合，確定自身的智能工廠推進方案。
著名業務流程管理專家August-Wilhelm Scheer教授提出的智能工廠框架強調了MES系統在智能工廠建設中的樞紐作用。
▲Scheer教授提出的智能工廠架構
智能工廠可以分為基礎設施層、智能裝備層、智能產線層、智能車間層和工廠管控層五個層級：
▲智能工廠五級金字塔
① 基礎設施層
企業首先應當建立有線或者無線的工廠網絡，實現生產指令的自動下達和設備與產線信息的自動采集；形成集成化的車間聯網環境，解決不同通訊協議的設備之間，以及PLC、CNC、機器人、儀表/傳感器和工控/IT系統之間的聯網問題；利用視頻監控系統對車間的環境，人員行為進行監控、識別與報警；此外，工廠應當在溫度、濕度、潔凈度的控制和工業安全（包括工業自動化系統的安全、生產環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運作的重要手段和工具。智能裝備主要包含智能生產設備、智能檢測設備和智能物流設備。制造裝備在經歷了機械裝備到數控裝備后，目前正在逐步向智能裝備發展。智能化的加工中心具有誤差補償、溫度補償等功能，能夠實現邊檢測、邊加工。工業機器人通過集成視覺、力覺等傳感器，能夠準確識別工件，自主進行裝配，自動避讓人，實現人機協作。金屬增材制造設備可以直接制造零件，DMG MORI已開發出能夠實現同時實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工廠就應用了自動化立體倉庫作為智能加工單元之間的物料傳遞工具。
③ 智能產線層
智能產線的特點是，在生產和裝配的過程中，能夠通過傳感器、數控系統或RFID自動進行生產、質量、能耗、設備績效（OEE）等數據采集，并通過電子看板顯示實時的生產狀態；通過安燈系統實現工序之間的協作；生產線能夠實現快速換模，實現柔性自動化；能夠支持多種相似產品的混線生產和裝配，靈活調整工藝，適應小批量、多品種的生產模式；具有一定冗余，如果生產線上有設備出現故障，能夠調整到其他設備生產；針對人工操作的工位，能夠給予智能的提示。
④ 智能車間層
要實現對生產過程進行有效管控，需要在設備聯網的基礎上，利用制造執行系統（MES）、先進生產排產（APS）、勞動力管理等軟件進行高效的生產排產和合理的人員排班，提高設備利用率（OEE），實現生產過程的追溯，減少在制品庫存，應用人機界面（HMI），以及工業平板等移動終端，實現生產過程的無紙化。另外，還可以利用Digital Twin(數字映射)技術將MES系統采集到的數據在虛擬的三維車間模型中實時地展現出來，不僅提供車間的VR（虛擬現實）環境，而且還可以顯示設備的實際狀態，實現虛實融合。
車間物流的智能化對于實現智能工廠至關重要。企業需要充分利用智能物流裝備實現生產過程中所需物料的及時配送。企業可以用DPS系統(Digital Picking System)實現物料揀選的自動化。
⑤ 工廠管控層
工廠管控層主要是實現對生產過程的監控，通過生產指揮系統實時洞察工廠的運營，實現多個車間之間的協作和資源的調度。流程制造企業已廣泛應用DCS或PLC控制系統進行生產管控，近年來，離散制造企業也開始建立中央控制室，實時顯示工廠的運營數據和圖表，展示設備的運行狀態，并可以通過圖像識別技術對視頻監控中發現的問題進行自動報警。
① 進行智能工廠整體規劃
智能工廠的建設需要實現IT系統與自動化系統的信息集成；處理來源多樣的異構數據，包括設備、生產、物料、質量、能耗等海量數據；應當進行科學的廠房布局規劃，在滿足生產工藝要求，優化業務流程的基礎上，提升物流效率，提高工人工作的舒適程度。智能工廠的推進需要企業的IT部門、自動化部門、精益推進部門和業務部門的通力合作。制造企業應當做好智能工廠相關技術的培訓，選擇有實戰經驗的智能制造咨詢服務機構，共同規劃推進智能工廠建設的藍圖。在規劃時應注意行業差異性，因為不同行業的產品制造工藝差別很大，智能工廠建設的目標和重點也有顯著差異。
② 建立明確的智能工廠標準
在智能工廠的建設中，企業往往會忽視管理與技術標準的建立，容易造成缺少數據標準，一物多碼；作業標準執行不到位；缺失設備管理標準，不同的設備采用不同的通訊協議，造成設備集成難度大；管理流程復雜，職權利不匹配；質檢標準執行不到位，導致批次質量問題多等問題。因此，需要建立明確的智能工廠標準，例如，業務流程管理規范、設備點檢維護標準和智能工廠評估標準等管理規范，智能裝備標準、智能工廠系統集成標準、工業互聯網標準以及主數據管理標準等技術標準。
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的應用還處于起步階段，但必然是發展的方向。智能加工單元可以利用智能技術將CNC、工業機器人、加工中心以及自動化程度較低的設備集成起來，使其具有更高的柔性，提高生產效率。
④ 強調人機協作而不是機器換人
智能工廠的終極目標并不是要建設成無人工廠，而應追求在合理成本的前提下，滿足市場個性化定制的需求。因此，人機協作將成為智能工廠未來發展的主要趨勢。人機協作的最大特點是可以充分利用人的靈活性完成復雜多變的工作任務，在關鍵崗位上，更需要人的判斷能力和決策能力顯得更為重要，而機器人則擅長重復勞動。
⑤ 積極應用新興技術
未來，AR（Augmented Reality，增強現實）技術將被大量應用到工廠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，會有相應提示，從而提高作業人員的工作效率；維修人員可以通過實物掃碼，使虛擬模型與實物模型重合疊加，同時在虛擬模型中顯示出設備型號、工作參數等信息，并根據AR中的提示進行維修操作；AR技術還可以幫助設備維修人員將實物運行參數與數字模型進行對比，盡快定位問題，并給予可能的故障原因分析。此外，數字工廠仿真技術可以基于離散事件建模、3D幾何建模、可視化仿真與優化等技術實現對工廠靜態布局、動態物流過程等綜合仿真和分析，從而能夠先建立數字化的生產系統甚至全部工廠，依據既定工藝進行運行仿真。
在智能制造的熱潮下，企業不宜盲目跟風。建設智能工廠，應圍繞企業的中長期發展戰略，根據自身產品、工藝、設備和訂單的特點，合理規劃智能工廠的建設藍圖。在推進規范化、標準化的基礎上，從最緊迫需要解決的問題入手，務實推進智能工廠的建設。
