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(shì)席卷全球,世界各國(guó)積極布局國(guó)家戰(zhàn)略,以搶占改革先機(jī),全球智能化已是大勢(shì)所趨。在人才是第一生產(chǎn)力的智能時(shí)代,各國(guó)之間的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)質(zhì)聚焦于人力資源的競(jìng)爭(zhēng)。
智慧工廠是現(xiàn)代工廠信息化發(fā)展的新階段，是在數(shù)字化工廠的基礎(chǔ)上利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和設(shè)備監(jiān)控技術(shù)加強(qiáng)對(duì)信息的管理和服務(wù)；達(dá)到對(duì)產(chǎn)銷流程的清楚掌握、提高對(duì)生產(chǎn)過程的可控性、減少對(duì)生產(chǎn)線人工的干預(yù)、達(dá)到即時(shí)正確地采集生產(chǎn)線數(shù)據(jù)以及合理的編排生產(chǎn)計(jì)劃與生產(chǎn)進(jìn)度的控制。加上采用綠色智能系統(tǒng)等新興技術(shù)，構(gòu)建一個(gè)高效節(jié)能的、綠色環(huán)保的、環(huán)境舒適的人性化工廠。
智慧工廠建設(shè)的現(xiàn)狀
目前工廠的很多設(shè)備獨(dú)立運(yùn)行并不相連，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、生產(chǎn)周期數(shù)據(jù)無法流動(dòng)導(dǎo)致形成信息孤島，無法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)的分析和優(yōu)化。借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)人員（權(quán)限管理）、機(jī)器（監(jiān)控設(shè)備）、物（數(shù)據(jù)采集）、生產(chǎn)環(huán)境（監(jiān)測(cè)和能耗）的互聯(lián)互通鏈接和智慧管理；在智慧工廠的建設(shè)中結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以有效的降低生產(chǎn)成本、節(jié)能降耗、優(yōu)化工藝流程，是由制造向智造的必然選擇。
智慧工廠是利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)工廠人員和設(shè)備進(jìn)行信息管理和服務(wù)，使得工廠形成萬物互聯(lián)和管理統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的互聯(lián)互通，幫助提高工廠的生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和節(jié)能降耗，將工業(yè)制造與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用結(jié)合構(gòu)建智造生產(chǎn)區(qū)。
當(dāng)前，我國(guó)制造企業(yè)面臨著巨大的轉(zhuǎn)型壓力。一方面，勞動(dòng)力成本迅速攀升、產(chǎn)能過剩、競(jìng)爭(zhēng)激烈、客戶個(gè)性化需求日益增長(zhǎng)等因素，迫使制造企業(yè)從低成本競(jìng)爭(zhēng)策略轉(zhuǎn)向建立差異化競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。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(shí)現(xiàn)減員增效，迫切需要推進(jìn)智慧工廠建設(shè)。另一方面，物聯(lián)網(wǎng)、協(xié)作機(jī)器人、增材制造、預(yù)測(cè)性維護(hù)、機(jī)器視覺等新興技術(shù)迅速興起，為制造企業(yè)推進(jìn)智慧工廠建設(shè)提供了良好的技術(shù)支撐。再加上國(guó)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。
智慧工廠建設(shè)的誤區(qū)
1、盲目購(gòu)買自動(dòng)化設(shè)備和自動(dòng)化產(chǎn)線。很多制造企業(yè)仍然認(rèn)為推進(jìn)智慧工廠就是自動(dòng)化和機(jī)器人化，盲目追求“黑燈工廠”，推進(jìn)單工位的機(jī)器人改造，推行機(jī)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。只注重購(gòu)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(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和車間聯(lián)網(wǎng)。企業(yè)在購(gòu)買設(shè)備時(shí)沒有要求開放數(shù)據(jù)接口，大部分設(shè)備還不能自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，沒有實(shí)現(xiàn)車間聯(lián)網(wǎng)。目前，各大自動(dòng)化廠商都有自己的工業(yè)總線和通信協(xié)議，OPC UA標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用還不普及。
3、設(shè)備績(jī)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(jìn)行有效管理，常常由于設(shè)備故障造成非計(jì)劃性停機(jī)，影響生產(chǎn)。
4、依然存在大量信息化孤島和自動(dòng)化孤島。智慧工廠建設(shè)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(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(dòng)化孤島，自動(dòng)化生產(chǎn)線沒有進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，生產(chǎn)線之間還需要中轉(zhuǎn)庫(kù)轉(zhuǎn)運(yùn)。
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(jìn)，搞“大躍進(jìn)”，以免造成企業(yè)的投資打水漂。應(yīng)當(dāng)依托有實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)的咨詢服務(wù)機(jī)構(gòu)，結(jié)合企業(yè)內(nèi)部的IT、自動(dòng)化和精益團(tuán)隊(duì)，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(jìn)，才能取得實(shí)效。
智慧工廠的顯著特征
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(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、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(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(chǎng)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(cè)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、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(dòng)，拉動(dòng)式生產(chǎn)，盡量減少在制品庫(kù)存，消除浪費(fèi)。推進(jìn)智慧工廠建設(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、實(shí)現(xiàn)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(cè)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)智慧工廠至關(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(cè)的自動(dòng)化也非常重要，機(jī)器視覺在智慧工廠的應(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、注重環(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、可以實(shí)現(xiàn)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(chǎng)的狀態(tài)，輔助各級(jí)管理人員做出正確決策。
智慧工廠的基本架構(gòu)
智慧工廠擁有三個(gè)層次的基本架構(gòu)，分別為頂層的計(jì)劃層、中間層的執(zhí)行層以及底層的設(shè)備控制層，大致可對(duì)應(yīng)為ERP系統(tǒng)（企業(yè)資源計(jì)劃）、MES系統(tǒng)（制造執(zhí)行系統(tǒng)）以及PCS系統(tǒng)（過程控制系統(tǒng)）。
智慧工廠基本架構(gòu)
計(jì)劃層+執(zhí)行層+控制層
智慧工廠的愿景
未來的智慧工廠，就是能夠充分運(yùn)用信息和通信技術(shù)手段感測(cè)、分析、整合工廠運(yùn)行核心系統(tǒng)的各項(xiàng)關(guān)鍵信息，從而對(duì)于包括建造、運(yùn)維管理、辦公環(huán)境、溝通交流、能源管理、安全管理、生產(chǎn)設(shè)施管理等的各種需求做出智能的響應(yīng)，為工廠提供一個(gè)高效、安全、節(jié)能、環(huán)保、舒適的生產(chǎn)、研發(fā)、銷售和管理環(huán)境。
未來的智慧工廠將會(huì)是一個(gè)信息物理融合的智慧工廠。它是一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信網(wǎng)絡(luò)、控制網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)相互連接的，綜合計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、感知、控制、溝通的信息物理融合網(wǎng)絡(luò)。通過計(jì)算（Computation）、通信（Communication）感知（Sensor）和控制（Control）的有機(jī)融合與深度協(xié)作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)感知、動(dòng)態(tài)控制和信息服務(wù)。通過人機(jī)交互接口實(shí)現(xiàn)和物理進(jìn)程的交互，使用網(wǎng)絡(luò)化空間以遠(yuǎn)程的、可靠的、實(shí)時(shí)的、安全的、協(xié)作的方式操控一個(gè)物理實(shí)體。同時(shí)每一個(gè)單獨(dú)的系統(tǒng)都是一個(gè)智能體，通過將來無處不在的環(huán)境感知、嵌入式計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)通信和網(wǎng)絡(luò)控制等系統(tǒng)工程，具有計(jì)算、通信、精確控制、遠(yuǎn)程協(xié)作和自治的能力，系統(tǒng)之間緊密結(jié)合與協(xié)調(diào)，達(dá)到更加智慧的狀態(tài)。
未來的智慧工廠將是一個(gè)虛擬與現(xiàn)實(shí)相融合的智慧工廠。工廠的所有物理實(shí)體和行為活動(dòng)均通過各種手段實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化和虛擬化，形成一個(gè)伴隨物理世界同步運(yùn)轉(zhuǎn)的可視化的智慧仿真工廠。這個(gè)智慧仿真工廠通過即時(shí)的數(shù)據(jù)交互接口和現(xiàn)實(shí)工廠的實(shí)體對(duì)象之間保持動(dòng)態(tài)聯(lián)系，實(shí)時(shí)反映實(shí)體之間以及實(shí)體與外界間的信息交換活動(dòng)與實(shí)體本身全生命周期中的狀態(tài)變化，并能根據(jù)豐富的歷史數(shù)據(jù)和專家知識(shí)預(yù)測(cè)工廠各項(xiàng)活動(dòng)的發(fā)展趨勢(shì)，為智慧工廠的管理提供一種可視的、動(dòng)態(tài)的、及時(shí)的、準(zhǔn)確的、智慧的管理。
未來的智慧工廠將會(huì)是一個(gè)體現(xiàn)綠色云制造的智慧工廠。在“制造即服務(wù)”理念的基礎(chǔ)上，通過將企業(yè)的制造全生命周期活動(dòng)中的各類制造設(shè)備（如工業(yè)設(shè)備、計(jì)算設(shè)備）及制造過程中的各種模型、數(shù)據(jù)、軟件、領(lǐng)域知識(shí)數(shù)字化，借助于信息物理融合網(wǎng)絡(luò)形成可實(shí)時(shí)感知、動(dòng)態(tài)控制的資源，實(shí)現(xiàn)制造資源的虛擬化、優(yōu)化調(diào)度和協(xié)同互聯(lián)，建立起共享制造資源的服務(wù)平臺(tái)，將巨大的制造資源池連接在一起，提供各種制造服務(wù)，實(shí)現(xiàn)制造資源與服務(wù)的開放協(xié)作、資源高度共享。
