如何打造智能工廠

近年來，歐姆龍智能制造熱潮席卷神州大地，成為推進“中國制造2025”國家戰(zhàn)略重要的舉措。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(yè)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。

一、國內外智能工廠建設的現狀分析

近年來，各主要經濟體都在大力推進制造業(yè)的復興。在西克工業(yè)4.0、工業(yè)互聯網、物聯網、云計算等熱潮下，眾多制造企業(yè)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；重卡*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(yè)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(yè)從低成本競爭策略轉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(yè)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(yè)越來越多的大中型企業(yè)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(yè)的企業(yè)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(zhí)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(yè)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(yè)在推進智能工廠建設方面，還存在諸多問題與誤區(qū)：

① 盲目購買自動化設備和自動化產線。很多制造企業(yè)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(yè)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(yè)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(tài)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(yè)軟件等領域的供應商，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，自動化生產線沒有進行統一規(guī)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(yè)還缺乏深刻理解。在這種狀況下，制造企業(yè)不能貿然推進，搞“大躍進”，以免造成企業(yè)的投資打水漂。應當依托有實戰(zhàn)經驗的咨詢服務機構，結合企業(yè)內部的IT、自動化和精益團隊，高層積極參與，根據企業(yè)的產品和生產工藝，做好需求分析和整體規(guī)劃，在此基礎上穩(wěn)妥推進，才能取得實效。

二、何謂智能工廠？

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(jiān)控系統）實時采集設備的狀態(tài)，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(yè)軟件。廣泛應用MES（制造執(zhí)行系統）、APS（*生產排程）、能源管理、質量管理等工業(yè)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(yè)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(yè)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(yè)產品和工藝特點。在研發(fā)階段也需要大力推進標準化、模塊化和系列化，奠定推進精益生產的基礎。

④ 實現柔性自動化。結合企業(yè)的產品和生產特點，持續(xù)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(yè)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(yè)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(yè)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(huán)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(huán)。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(tài)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(tài)，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(yè)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(huán)節(jié)也應當與生產過程實現閉環(huán)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(yè)。

智能工廠的建設充分融合了信息技術、*制造技術、自動化技術、通信技術和人工智能技術。每個企業(yè)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(yè)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。

三、智能工廠的體系架構

業(yè)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