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智能工廠的內涵及建設重點

智能工廠是實現(xiàn)智能制造的重要載體，主要通過構建智能化生產系統(tǒng)、網(wǎng)絡化分布生產設施，實現(xiàn)生產過程的智能化。圖1所示為企業(yè)基于CPS和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)構建的智能工廠原型，主要包括物理層、信息層、大數(shù)據(jù)層、工業(yè)云層、決策層。其中，物理層包含工廠內不同層級的硬件設備，從最小的嵌入設備和基礎元器件開始，到感知設備、制造設備、制造單元和生產線，相互間均實現(xiàn)互聯(lián)互通。以此為基礎，構建了一個“可測可控、可產可管”的縱向集成環(huán)境。

信息層涵蓋企業(yè)經營業(yè)務各個環(huán)節(jié)，包含研發(fā)設計、生產制造、營銷服務、物流配送等各類經營管理活動，以及由此產生的眾創(chuàng)、個性化定制、電子商務、可視追蹤等相關業(yè)務。在此基礎上，形成了企業(yè)內部價值鏈的橫向集成環(huán)境，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息的流通和交換。

縱向集成和橫向集成均以CPS和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為基礎，產品、設備、制造單元、生產線、車間、工廠等制造系統(tǒng)的互聯(lián)互通，及其與企業(yè)不同環(huán)節(jié)業(yè)務的集成統(tǒng)一，則是通過數(shù)據(jù)應用和工業(yè)云服務實現(xiàn)，并在決策層基于產品、服務、設備管理支撐企業(yè)最高決策。這些共同構建了一個智能工廠完整的價值網(wǎng)絡體系，為用戶提供端到端的解決方案。

由于產品制造工藝過程的明顯差異，離散制造業(yè)和流程制造業(yè)在智能工廠建設的重點內容有所不同。對于離散制造業(yè)而言，產品往往由多個零部件經過一系列不連續(xù)的工序裝配而成，其過程包含很多變化和不確定因素，在一定程度上增加了離散型制造生產組織的難度和配套復雜性。

企業(yè)常常按照主要的工藝流程安排生產設備的位置，以使物料的傳輸距離最小。面向訂單的離散型制造企業(yè)具有多品種、小批量的特點，其工藝路線和設備的使用較靈活，因此，離散制造型企業(yè)更加重視生產的柔性，其智能工廠建設的重點是智能制造生產線。

流程型制造業(yè)的特點是管道式物料輸送，生產連續(xù)性強，流程比較規(guī)范，工藝柔性比較小，產品比較單一，原料比較穩(wěn)定。對于流程制造業(yè)而言，由于原材料在整個物質轉化過程中進行的是物理化學過程，難以實現(xiàn)數(shù)字化，而工序的連續(xù)性使得上一個工序對下一個工序的影響具有傳導作用，即如果第一道工序的原料不可用，就會影響第二道工序。

因此，流程型制造業(yè)智能工廠建設的重點在于實現(xiàn)生產工藝的智能優(yōu)化和生產全流程的智能優(yōu)化，即智能感知生產條件變化，自主決策系統(tǒng)控制指令，自動控制設備，在出現(xiàn)異常工況時，即時預測和進行自愈控制，排除異常、實現(xiàn)安全優(yōu)化運行;在此基礎上，智能感知物流、能源流和信息流的狀況，自主學習和主動響應，實現(xiàn)自動決策。

智能工廠主要建設模式

由于各個行業(yè)生產流程不同，加上各個行業(yè)智能化情況不同，智能工廠有以下幾個不同的建設模式。

1從生產過程數(shù)字化到智能工廠

在石化、鋼鐵、冶金、建材、紡織、造紙、醫(yī)藥、食品等流程制造領域，企業(yè)發(fā)展智能制造的內在動力在于產品品質可控，側重從生產數(shù)字化建設起步，基于品控需求從產品末端控制向全流程控制轉變。因此其智能工廠建設模式為：

一是推進生產過程數(shù)字化，在生產制造、過程管理等單個環(huán)節(jié)信息化系統(tǒng)建設的基礎上，構建覆蓋全流程的動態(tài)透明可追溯體系，基于統(tǒng)一的可視化平臺實現(xiàn)產品生產全過程跨部門協(xié)同控制。

二是推進生產管理一體化，搭建企業(yè)CPS系統(tǒng)，深化生產制造與運營管理、采購銷售等核心業(yè)務系統(tǒng)集成，促進企業(yè)內部資源和信息的整合和共享。

三是推進供應鏈協(xié)同化，基于原材料采購和配送需求，將CPS系統(tǒng)拓展至供應商和物流企業(yè)，橫向集成供應商和物料配送協(xié)同資源和網(wǎng)絡，實現(xiàn)外部原材料供應和內部生產配送的系統(tǒng)化、流程化，提高工廠內外供應鏈運行效率。

四是整體打造大數(shù)據(jù)化智能工廠，推進端到端集成，開展個性化定制業(yè)務。

2從智能制造生產單元(裝備和產品)到智能工廠

在機械、汽車、航空、船舶、輕工、家用電器和電子信息等離散制造領域，企業(yè)發(fā)展智能制造的核心目的是拓展產品價值空間，側重從單臺設備自動化和產品智能化入手，基于生產效率和產品效能的提升實現(xiàn)價值增長。因此其智能工廠建設模式為：

一是推進生產設備(生產線)智能化，通過引進各類符合生產所需的智能裝備，建立基于CPS系統(tǒng)的車間級智能生產單元，提高精準制造、敏捷制造能力。

二是拓展基于產品智能化的增值服務，利用產品的智能裝置實現(xiàn)與CPS系統(tǒng)的互聯(lián)互通，支持產品的遠程故障診斷和實時診斷等服務。

三是推進車間級與企業(yè)級系統(tǒng)集成，實現(xiàn)生產和經營的無縫集成和上下游企業(yè)間的信息共享，開展基于橫向價值網(wǎng)絡的協(xié)同創(chuàng)新。

四是推進生產與服務的集成，基于智能工廠實現(xiàn)服務化轉型，提高產業(yè)效率和核心競爭力。

例如，廣州數(shù)控通過利用工業(yè)以太網(wǎng)將單元級的傳感器、工業(yè)機器人、數(shù)控機床，以及各類機械設備與車間級的柔性生產線總控制臺相連，利用以太網(wǎng)將總控臺與企業(yè)管理級的各類服務器相連，再通過互聯(lián)網(wǎng)將企業(yè)管理系統(tǒng)與產業(yè)鏈上下游企業(yè)相連，打通了產品全生命周期各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)通道，實現(xiàn)了生產過程的遠程數(shù)據(jù)采集分析和故障監(jiān)測診斷。

再比如三一重工的總裝車間，有混凝土機械、路面機械、港口機械等多條裝配線，通過在生產車間建立“部件工作中心島”，即單元化生產，將每一類部件從生產到下線所有工藝集中在一個區(qū)域內，猶如在一個獨立的“島嶼”內完成全部生產。這種組織方式，打破了傳統(tǒng)流程化生產線呈直線布置的弊端，在保證結構件制造工藝不改變、生產人員不增加的情況下，實現(xiàn)了減少占地面積、提高生產效率、降低運行成本的目的。

目前，三一重工已建成車間智能監(jiān)控網(wǎng)絡和刀具管理系統(tǒng)、公共制造資源定位與物料跟蹤管理系統(tǒng)、計劃、物流、質量管控系統(tǒng)、生產控制中心(PCC)中央控制系統(tǒng)等智能系統(tǒng)，還與其他單位共同研發(fā)了智能上下料機械手、基于DNC系統(tǒng)的車間設備智能監(jiān)控網(wǎng)絡、智能化立體倉庫與AGV運輸軟硬件系統(tǒng)、基于RFID設備及無線傳感網(wǎng)絡的物料和資源跟蹤定位系統(tǒng)、高級計劃排程系統(tǒng)(APS)、制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)、物流執(zhí)行系統(tǒng)(LES)、在線質量檢測系統(tǒng)(SPC)、生產控制中心管理決策系統(tǒng)等關鍵核心智能裝置，實現(xiàn)了對制造資源跟蹤、生產過程監(jiān)控，計劃、物流、質量集成化管控下的均衡化混流生產。

3從個性化定制到互聯(lián)工廠

在家電、服裝、家居等距離用戶最近的消費品制造領域，企業(yè)發(fā)展智能制造的重點在于充分滿足消費者多元化需求的同時實現(xiàn)規(guī)模經濟生產，側重通過互聯(lián)網(wǎng)平臺開展大規(guī)模個性定制模式創(chuàng)新。因此其智能工廠建設模式為：

一是推進個性化定制生產，引入柔性化生產線，搭建互聯(lián)網(wǎng)平臺，促進企業(yè)與用戶深度交互、廣泛征集需求，基于需求數(shù)據(jù)模型開展精益生產。

二是推進設計虛擬化，依托互聯(lián)網(wǎng)逆向整合設計環(huán)節(jié)，打通設計、生產、服務數(shù)據(jù)鏈，采用虛擬仿真技術優(yōu)化生產工藝。

三是推進制造網(wǎng)絡協(xié)同化，變革傳統(tǒng)垂直組織模式，以扁平化、虛擬化新型制造平臺為紐帶集聚產業(yè)鏈上下游資源，發(fā)展遠程定制、異地設計、當?shù)厣a的網(wǎng)絡協(xié)同制造新模式。

智能工廠發(fā)展重點環(huán)節(jié)

隨著未來智能工廠發(fā)展浪潮的逼近。未來，將有幾個行業(yè)或者領域迎來發(fā)展高潮。

1虛擬仿真設計

隨著三維數(shù)字化技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的以經驗為主的模擬設計模式逐漸轉變?yōu)榛谌S建模和仿真的虛擬設計模式，使未來的智能工廠能夠通過三維數(shù)字建模、工藝虛擬仿真、三維可視化工藝現(xiàn)場應用，避免傳統(tǒng)的“三維設計模型→二維紙質圖紙→三維工藝模型”研制過程中信息傳遞鏈條的斷裂，摒棄二維、三維之間轉換，提高產品研發(fā)設計效率，保證產品研發(fā)設計質量。

隨著仿真技術的發(fā)展，原有的對工件幾何參數(shù)及干涉進行校驗的幾何仿真逐漸轉變成產品加工、裝配、拆卸、切削和成型過程的物理仿真，使未來的智能工廠實現(xiàn)在復雜虛擬環(huán)境下對產品運行生產效果進行仿真分析和驗證，以達到產品開發(fā)周期和成本的最低化、產品設計質量的最優(yōu)化和生產效率的最高化，增強企業(yè)的競爭能力。

未來我國應著重突破MBD技術、物理仿真引擎系統(tǒng)架構、仿真模型三個環(huán)節(jié)。

2網(wǎng)絡化智能設備

生產設備的智能化程度將在網(wǎng)絡化條件下得到快速提升，傳統(tǒng)制造模式出現(xiàn)顛覆性的變革，具體表現(xiàn)高度密集的生產設備、生產設備智能化和柔性化制造方式這三個方面。

隨著技術的進步以及人工成本的逐漸上升，未來工廠內所有工作逐漸由系統(tǒng)控制的核心生產設備來實現(xiàn)，工作人員不直接參與生產第一線工作，只是從事一些新產品開發(fā)、生產工藝改進、新機器設備發(fā)明創(chuàng)新等高質量復雜勞動。高度密集的生產設備將使未來智能工廠的生產成本逐漸降低，產品質量將得到大幅提升。

在生產設備智能化方面，生產設備聯(lián)網(wǎng)助力未來工廠日益智能化。生產設備依托安全的生產網(wǎng)絡和系統(tǒng)能夠實現(xiàn)智能校正、智能診斷、智能控制、智能管理等功能和生產設備之間的智能化信息交換，協(xié)同性和開放性明顯提升。智能化生產設備的應用，使未來智能工廠生產過程更加靈活、高效并具有可持續(xù)發(fā)展性。

在柔性化制造方式方面，增材制造方式促進智能工廠日漸綠色化和柔性化。傳統(tǒng)的材料去除加工方法將逐漸被低耗能、低污染甚至無污染的增材制造方式所取代，這種制造方式尤其適合動力設備、航空航天、汽車等高端產品上的關鍵零部件的生產.

3模塊化定制生產

多批次、小產量的生產盈利能力在模塊化生產方式下逐漸得到提升，產品日益滿足消費者個性化需求，具體表現(xiàn)在模塊生產和模塊組裝這兩個方面。

在模塊生產方面，生產可自由組合的模塊助力智能工廠日益集約化。傳統(tǒng)的固定生產線將無法滿足客戶定制化需求而逐漸消失，可動態(tài)組合的模塊化生產方式將成為主流。在模塊化生產方式下，產品被分解成無數(shù)個具有不同用途或性能的模塊。每個模塊將通過制造執(zhí)行系統(tǒng)被生產出來，杜絕未來智能工廠的浪費環(huán)節(jié)，保證質量、優(yōu)化成本、縮短周期。

在模塊組裝方面，標準化、通用化模塊之間的組合提升智能工廠定制化生產盈利能力。根據(jù)產品的性能、結構選擇滿足需求的模塊，通過模塊結構的標準化，將選取出的各模塊自由組裝出滿足客戶個性化需求的產品，使未來智能工廠產品的品種更豐富、功能更齊全、性能更穩(wěn)定。

當前我國應著重突破以下環(huán)節(jié)。

4大數(shù)據(jù)化精益管理

產品的研發(fā)、生產和管理方式通過工業(yè)大數(shù)據(jù)挖掘和分析逐漸得到創(chuàng)新，工廠管理日趨精益化。具體表現(xiàn)在客戶價值管理、精益生產和精益供應鏈這三個方面。

在客戶價值管理方面，基于大數(shù)據(jù)的客戶價值提升趨勢明顯。隨著移動互聯(lián)、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術逐漸滲透到產品生產的各個環(huán)節(jié)，大數(shù)據(jù)配套軟硬件的日益完善，安全性和標準化程度的逐步提升，通過對客戶與工業(yè)企業(yè)之間的交互和交易行為方面大數(shù)據(jù)的分析，產品的研發(fā)設計呈現(xiàn)出眾包化發(fā)展趨勢，同時產品售后服務得到不斷改進和完善。

在精益生產方面，基于大數(shù)據(jù)的生產制造日益精益化。制造企業(yè)通過實時收集生產過程中所產生的大數(shù)據(jù)，對生產設備診斷、用電量、能耗、質量事故等方面進行分析與預測，能夠及時發(fā)現(xiàn)生產過程中的錯誤與瓶頸并進行優(yōu)化。通過運用大數(shù)據(jù)技術，未來智能工廠實現(xiàn)生產制造的精益化，提升生產過程的透明度、綠色性、安全性和產品的質量。

在精益供應鏈方面，基于大數(shù)據(jù)的供應鏈優(yōu)化趨勢顯著。隨著大數(shù)據(jù)基礎條件的日益成熟，制造企業(yè)能夠獲得完整的產品供應鏈方面的大數(shù)據(jù)，通過對這些大數(shù)據(jù)的分析，預測零配件價格走勢、庫存等情況，克服傳統(tǒng)供應鏈中缺乏協(xié)調和信息共享等問題，避免牛鞭效應的發(fā)生，實現(xiàn)供應鏈的優(yōu)化?；诖髷?shù)據(jù)的精益供應鏈管理消減了智能工廠整個供應鏈條中成本和浪費情況，提升了倉儲和配送效率，實現(xiàn)了無庫存或庫存達到極小。

當前我國應著重突破以下環(huán)節(jié)。

5柔性化新型人機交互

人與機器的信息交換方式隨著技術融合步伐的加快向更高層次邁進，新型人機交互方式被逐漸應用于生產制造領域。具體表現(xiàn)在智能交互設備柔性化和智能交互設備工業(yè)領域應用這兩個方面。

在智能交互設備柔性化方面，技術和硬件的不斷更新有利于智能交互設備日益柔性化優(yōu)勢的形成。隨著移動互聯(lián)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、人機交互和識別技術等核心技術的發(fā)展，交互設備硬件日趨柔性化，智能交互設備逐漸呈現(xiàn)出設計自由新穎、低功耗、經摔耐用、貼近人體等優(yōu)勢，這就為未來智能工廠新型人機交互的實現(xiàn)提供了基礎。

在智能交互設備工業(yè)領域應用方面，柔性化智能交互設備助力智能工廠新型人機交互方式的實現(xiàn)。隨著技術融合步伐的加快，柔性化智能交互設備從個人消費領域被逐漸引入到制造業(yè)，作為生產線裝配及特殊環(huán)節(jié)工作人員的技術輔助工具，使工作人員與周邊的智能設備進行語音、體感等新型交互。智能交互設備工業(yè)領域的應用，提升了未來智能工廠的透明度和靈活性。

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