智能工廠的解讀

　　關(guān)于智能制造，我認(rèn)為其內(nèi)涵是實現(xiàn)整個制造業(yè)價值鏈的智能化和創(chuàng)新，是信息化與工業(yè)化深度融合的進一步提升。智能制造融合了信息技術(shù)、先進制造技術(shù)、自動化技術(shù)和人工智能技術(shù)。智能制造包括開發(fā)智能產(chǎn)品；應(yīng)用智能裝備；自底向上建立智能產(chǎn)線，構(gòu)建智能車間，打造智能工廠；踐行智能研發(fā)；形成智能物流和供應(yīng)鏈體系；開展智能管理;推進智能服務(wù)；最終實現(xiàn)智能決策。目前智能制造的“智能”還處于Smart的層次，智能制造系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析的能力，能夠準(zhǔn)確執(zhí)行指令，能夠?qū)崿F(xiàn)閉環(huán)反饋；而智能制造的趨勢是真正實現(xiàn)“Intelligent”，智能制造系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自主學(xué)習(xí)、自主決策，不斷優(yōu)化。

? ? ? ? 當(dāng)前，智能制造成為業(yè)界關(guān)注的熱點。2015年，工信部批準(zhǔn)了46個智能制造試點示范項目和94個智能制造專項，發(fā)布了國家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南（2015版），很多企業(yè)躍躍欲試，希望通過推進智能制造實現(xiàn)“少人化”，降低成本，靈活應(yīng)對市場變化，更好地滿足客戶需求。

　　那么，智能制造究竟是什么？包含哪些范疇？目前業(yè)界還沒有達成共識，不同背景的專家給出的解釋往往大相徑庭，很多概念滿天飛，容易讓制造企業(yè)無所適從。因此，我想站在制造企業(yè)的角度，來系統(tǒng)地分析一下這個問題，希望能夠起到正本清源的作用?？梢钥隙ǖ氖?，智能制造的“制造”二字，是廣義的，指的是“manufacturing”，不僅僅是指生產(chǎn)（Production）。

　　與智能制造相關(guān)的概念很多

　　列舉如下：數(shù)字化制造（Digital Manufacturing）：

　　1、這是一種軟件技術(shù)，指的是通過仿真軟件對產(chǎn)品的加工與裝備過程，以及車間的設(shè)備布局、物流、人機工程等進行仿真，目前主要的軟件包括西門子的Tecnomatix和達索系統(tǒng)的Delmia。在CIMdata對PLM的定義中，DM屬于其中一個領(lǐng)域。

　　2、數(shù)字化工廠（Digital Factory）：數(shù)字化工廠指的是從產(chǎn)品研發(fā)、工藝、制造、質(zhì)量和內(nèi)部物流等與產(chǎn)品制造價值鏈相關(guān)的各個環(huán)節(jié)都基于數(shù)字化軟件和自動化系統(tǒng)進行支撐，能夠?qū)崿F(xiàn)實時的數(shù)據(jù)采集和分析。這個概念西門子采用較多，西門子有一個數(shù)字化工廠集團，專門提供相關(guān)的產(chǎn)品和解決方案。西門子成都電子工廠也被稱為數(shù)字化工廠，該工廠已經(jīng)廣泛應(yīng)用了RFID、機器視覺，實現(xiàn)了工控產(chǎn)品的混流生產(chǎn)。數(shù)字化工廠一個重要的標(biāo)志，是需要MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）軟件、WMS（倉儲管理系統(tǒng)）軟件的支撐。

　　3、智能工廠（Smart Factory）： 智能工廠目前沒有統(tǒng)一一致的定義。按照業(yè)務(wù)流程專家Scheer教授的觀點，工業(yè)4.0的最底層叫做Real time smart factory。智能工廠相對于數(shù)字化工廠而言，主要強調(diào)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、計量數(shù)據(jù)、質(zhì)量數(shù)據(jù)的采集的自動化，不需要人工錄入信息，能夠?qū)崿F(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的實時分析，實現(xiàn)PDCA循環(huán)。SAP有一個MII系統(tǒng)（制造集成與智能），可以實現(xiàn)對工廠數(shù)據(jù)的多維度分析。

　　在智能制造的金字塔中，智能產(chǎn)品與智能服務(wù)可以幫助企業(yè)帶來商業(yè)模式的創(chuàng)新；智能裝備、智能產(chǎn)線、智能車間到智能工廠，可以幫助企業(yè)實現(xiàn)生產(chǎn)模式的創(chuàng)新;智能研發(fā)、智能管理、智能物流與供應(yīng)鏈則可以幫助企業(yè)實現(xiàn)運營模式的創(chuàng)新；而智能決策則可以幫助企業(yè)實現(xiàn)科學(xué)決策。智能制造的十項技術(shù)之間是息息相關(guān)的，制造企業(yè)應(yīng)當(dāng)漸進式、理性地推進這十項智能技術(shù)的應(yīng)用。以下對這些技術(shù)一一進行解讀。

　　1.智能產(chǎn)品

　　智能產(chǎn)品通常包括機械、電氣和嵌入式軟件，具有記憶、感知、計算和傳輸功能。典型的智能產(chǎn)品包括智能手機、智能可穿戴設(shè)備、無人機、智能汽車、智能家電、智能售貨機等，包括很多智能硬件產(chǎn)品。智能裝備也是一種智能產(chǎn)品。企業(yè)應(yīng)該思考如何在產(chǎn)品上加入智能化的單元，提升產(chǎn)品的附加值。比如在工程機械上添加傳感器，可以對產(chǎn)品進行定位和關(guān)鍵零部件的狀態(tài)監(jiān)測，為實現(xiàn)智能服務(wù)打下基礎(chǔ)。

　　2.智能服務(wù)

　　基于傳感器和物聯(lián)網(wǎng)（IoT），可以感知產(chǎn)品的狀態(tài)，從而進行預(yù)防性維修維護，及時幫助客戶更換備品備件，甚至可以通過了解產(chǎn)品運行的狀態(tài)，幫助客戶帶來商業(yè)機會。還可以采集產(chǎn)品運營的大數(shù)據(jù)，輔助企業(yè)進行市場營銷的決策。此外，企業(yè)通過開發(fā)面向客戶服務(wù)的APP，也是一種智能服務(wù)的手段，可以針對企業(yè)購買的產(chǎn)品提供有針對性的服務(wù)，從而鎖定用戶，開展服務(wù)營銷。全球PLM領(lǐng)導(dǎo)廠商之一，美國PTC公司斥巨資進軍物聯(lián)網(wǎng)和服務(wù)生命周期管理領(lǐng)域，成為智能服務(wù)領(lǐng)域的領(lǐng)軍企業(yè)之一。而智能服務(wù)最著名的案例，莫過于美國GE公司將賣發(fā)動機轉(zhuǎn)為賣飛行小時的服務(wù)。

　　3.智能裝備

　　制造裝備經(jīng)歷了機械裝備到數(shù)控裝備，目前正在逐步發(fā)展為智能裝備。智能裝備具有檢測功能，可以實現(xiàn)在機檢測，從而補償加工誤差，提高加工精度，還可以對熱變形進行補償。以往一些精密裝備對環(huán)境的要求很高，現(xiàn)在由于有了閉環(huán)的檢測與補償，可以降低對環(huán)境的要求。智能裝備一個最基本的要求，就是要提供開放的數(shù)據(jù)接口，能夠支持設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，國外叫做M2M（機器與機器互聯(lián)）。三維打印機本質(zhì)上是一種數(shù)控裝備，還不是智能裝備。

　　日本MAZAK的智能機床配備了針對加工熱變位、切削震動、機床干涉、主軸監(jiān)測、維護保養(yǎng)、工作臺動態(tài)平衡性及語音導(dǎo)航等智能化功能，可以自行監(jiān)控機床運轉(zhuǎn)狀態(tài)，并進行自主反饋，從而大幅度提高機床運行效率及安全性。典型的智能制造裝備還融合了自動化上下料的裝備，一些裝備制造企業(yè)還提供專用的CAM軟件，例如HOMAG（豪邁）集團的木工加工中心。DMG MORI（德瑪吉森精機）推出最新的復(fù)合加工中心LaserTec65已經(jīng)融合了增材制造和切削加工（減材制造），可以通過激光堆焊的增材制造工藝快速制造毛坯。Trumpf（通快集團）的激光切割加工中心可以實現(xiàn)三維切割，多臺激光加工中心可以共享激光源。這些都屬于智能裝備。對于工業(yè)機器人，如果是單純按照固定指令執(zhí)行噴涂、搬運、焊接等工藝的機器人，還不能稱為智能裝備。但是如果具有了機器視覺，能夠準(zhǔn)確識別工件，或者自主進行裝配，自動避讓工人等功能，甚至可以實現(xiàn)人機協(xié)作，就屬于智能裝備。例如，ABB推出的雙臂機器人YUMI，就是智能型工業(yè)機器人的典范。隨著復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用，復(fù)合材料加工與裝備的智能裝備將具有廣闊的市場需求。

　　華中科技大學(xué)李德群院士在成形模擬的基礎(chǔ)上將工藝參數(shù)自動設(shè)置、自適應(yīng)注射等智能技術(shù)應(yīng)用到注射機上，提出了在線反演的注射速度平滑優(yōu)化、工藝曲線的二級閉環(huán)控制等方法，成功開發(fā)出智能型注射機。其智能型注射機能耗低于我國及歐洲最高能耗標(biāo)準(zhǔn)，響應(yīng)時間、位置精度等關(guān)鍵指標(biāo)均達到國際先進水平，顯著提高了注塑產(chǎn)品的重復(fù)精度、良品比例和生產(chǎn)自動化程度。李德群院士介紹，這種智能注射機內(nèi)置了人工智能算法，具備機器學(xué)習(xí)能力，通過三次試驗就可以準(zhǔn)確找到最合適的注射參數(shù)，確保產(chǎn)品質(zhì)量。這種設(shè)備已經(jīng)不僅是Smart，而且具有了Intelligence。

　　4.智能產(chǎn)線

　　很多行業(yè)的企業(yè)高度依賴自動化生產(chǎn)線，比如鋼鐵、化工、制藥、食品飲料、煙草、芯片制造、電子組裝、汽車整車和零部件制造等，實現(xiàn)自動化的加工、裝配和檢測，一些機械標(biāo)準(zhǔn)件生產(chǎn)也應(yīng)用了自動化生產(chǎn)線，比如軸承。但是，裝備制造企業(yè)目前還是以離散制造為主。很多企業(yè)的技術(shù)改造重點，就是建立自動化生產(chǎn)線、裝配線和檢測線。美國波音公司的飛機總裝廠已建立了U型的脈動式總裝線。自動化生產(chǎn)線可以分為剛性自動化生產(chǎn)線和柔性自動化生產(chǎn)線，柔性自動化生產(chǎn)線一般建立了緩沖。為了提高生產(chǎn)效率，工業(yè)機器人、吊掛系統(tǒng)在自動化生產(chǎn)線上應(yīng)用越來越廣泛。

　　目前，很多汽車整車廠已實現(xiàn)了混流生產(chǎn)，在一條裝配線上可以同時裝配多種車型。食品飲料行業(yè)的自動化生產(chǎn)線可以根據(jù)工藝配方調(diào)整DCS或PLC系統(tǒng)來改變工藝路線，從而生產(chǎn)多種產(chǎn)品。汽車行業(yè)正在推行安燈系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)線的故障報警。汽車行業(yè)的總裝線往往由多條組裝線匯聚而成，比如車身、底盤的總裝線匯集到一起，裝配成最終的產(chǎn)品。在裝配過程中，通過準(zhǔn)時按序送貨（Just In Sequence）的方式實現(xiàn)混流生產(chǎn)。目前，汽車、家電、軌道交通等行業(yè)的企業(yè)對生產(chǎn)和裝配線進行自動化、智能化改造需求十分旺盛，很多企業(yè)在逐漸將關(guān)鍵工位和高污染工位改造為用機器人進行加工、裝配或上下料。

　　目前，智能產(chǎn)線在我國制造企業(yè)的應(yīng)用還處于起步階段，但必然是發(fā)展的方向。智能產(chǎn)線的特點是：在生產(chǎn)和裝配的過程中，能夠通過傳感器或RFID自動進行數(shù)據(jù)采集，并通過電子看板顯示實時的生產(chǎn)狀態(tài);能夠通過機器視覺和多種傳感器進行質(zhì)量檢測，自動剔除不合格品，并對采集的質(zhì)量數(shù)據(jù)進行SPC分析，找出質(zhì)量問題的成因;能夠支持多種相似產(chǎn)品的混線生產(chǎn)和裝配，靈活調(diào)整工藝，適應(yīng)小批量、多品種的生產(chǎn)模式；具有柔性，如果生產(chǎn)線上有設(shè)備出現(xiàn)故障，能夠調(diào)整到其他設(shè)備生產(chǎn)；針對人工操作的工位，能夠給予智能的提示。實際上，我認(rèn)為西門子成都電子工廠的總裝線已經(jīng)達到了智能產(chǎn)線的水平。

　　5.智能車間

　　一個車間通常有多條生產(chǎn)線，這些生產(chǎn)線要么生產(chǎn)相似零件或產(chǎn)品，要么有上下游的裝配關(guān)系。要實現(xiàn)車間的智能化，需要對生產(chǎn)狀況、設(shè)備狀態(tài)、能源消耗、生產(chǎn)質(zhì)量、物料消耗等信息進行實時采集和分析，進行高效排產(chǎn)和合理排班。因此，無論什么制造行業(yè)，制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）成為企業(yè)的必然選擇。

　　目前，中國的MES市場非常熱門，國際大牌的自動化廠商西門子、羅克韋爾、GE、施耐德電氣有MES軟件平臺，管理軟件巨頭SAP、ORACLE、EPICOR提供MES軟件，德國的MPDV、PSI，國內(nèi)的浙大中控、和利時、易往、明基逐鹿、艾普工華、元工國際、蘭光創(chuàng)新、廣州速威等廠商也非?；钴S。此外，先進生產(chǎn)排程（APS）系統(tǒng)也已經(jīng)進入了制造企業(yè)選型的視野，開始了初步實踐，實現(xiàn)基于實際產(chǎn)能約束的排產(chǎn)，主流廠商有日本的ASPROVA、德國的JobDISPO APS（蘭光創(chuàng)新經(jīng)銷），國內(nèi)的永凱、安達發(fā)、易普優(yōu)等，元工國際也提供了APS解決方案。APS軟件對設(shè)備產(chǎn)能、工時等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性要求非常高。

　　對于藥品、食品等行業(yè)，國家有強制性的追溯要求，需要通過GMP等行業(yè)認(rèn)證，因此推進MES更加緊迫。前文提到的數(shù)字化制造（DM）技術(shù)也是智能車間的支撐工具，可以幫助企業(yè)在建設(shè)新廠房時，根據(jù)設(shè)計的產(chǎn)能科學(xué)進行設(shè)備布局，提升物流效率，提高工人工作的舒適程度。

　　MES是一個車間級的綜合管理系統(tǒng)，可以幫助企業(yè)顯著提升設(shè)備利用率，提高產(chǎn)品質(zhì)量，實現(xiàn)生產(chǎn)過程可追溯和上料防錯，提高生產(chǎn)效率。需要強調(diào)指出的是，純離散制造企業(yè)也可以應(yīng)用MES系統(tǒng)，但是，MES系統(tǒng)的應(yīng)用與企業(yè)的生產(chǎn)模式息息相關(guān)。如果純離散的制造企業(yè)實施了MES之后，又改造為自動化或智能產(chǎn)線，那么MES系統(tǒng)可能會推到重來。因此，企業(yè)進行MES應(yīng)用需要慎之又慎。智能車間必須建立有線或無線的工廠網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)指令的自動下達和設(shè)備與產(chǎn)線信息的自動采集。對于機械制造企業(yè)，可以通過DNC技術(shù)實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)信息和加工代碼的上傳下達，目前已有成熟的產(chǎn)品，例如蘭光創(chuàng)新、蓋勒普和英迪致遠等。另外，實現(xiàn)車間的無紙化，也是智能車間的重要標(biāo)志，企業(yè)可以應(yīng)用三維輕量化技術(shù)，將設(shè)計和工藝文檔傳遞到工位。上海明匠智能公司開發(fā)了一個智能網(wǎng)關(guān)，可以將基于不同廠商通訊協(xié)議的生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為OPC標(biāo)準(zhǔn)，解決了車間信息通訊的難題。元工國際聯(lián)合亞控、航星、中科川思特和研華，推出了設(shè)備聯(lián)網(wǎng)解決方案，一個平臺可以聯(lián)網(wǎng)PLC、CNC、機器人、儀表/傳感器和工控/IT系統(tǒng)，統(tǒng)一組態(tài)監(jiān)控和三維實況，并實現(xiàn)模擬生產(chǎn)。

　　有一項新興技術(shù)可以將MES系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)在虛擬的三維車間模型中實時地展現(xiàn)出來，不僅提供車間的VR（虛擬現(xiàn)實）環(huán)境，而且還可以顯示設(shè)備的實際狀態(tài)，實現(xiàn)虛實融合。西門子和PTC將這項技術(shù)作為Digital Twin的一個典型應(yīng)用。德國PSI、武漢創(chuàng)景也擁有這類產(chǎn)品，天河軟件幫助海爾膠州工廠實現(xiàn)了相關(guān)應(yīng)用。此外，智能車間還有一個典型應(yīng)用，就是視頻監(jiān)控系統(tǒng)不僅記錄視頻，還可以對車間的環(huán)境，人員行為進行監(jiān)控、識別與報警。例如，有工人沒有帶安全帽，進入了不允許進入的區(qū)域，或者倒地，都可以自動報警。這方面，三星已經(jīng)有了成功實踐。此外，智能車間應(yīng)當(dāng)在溫度、濕度、潔凈度的控制和工業(yè)安全（包括工業(yè)自動化系統(tǒng)的安全、生產(chǎn)環(huán)境的安全和人員安全）等方面達到智能化水平。

　　6.智能工廠

　　一個工廠通常由多個車間組成，大型企業(yè)有多個工廠。前文已經(jīng)提到了智能工廠與數(shù)字化工廠的區(qū)別，一個普遍的共識是，僅僅有自動化生產(chǎn)線和一大堆機器人，并不是智能工廠。作為智能工廠，不僅生產(chǎn)過程應(yīng)實現(xiàn)自動化、透明化、可視化、精益化，同時，產(chǎn)品檢測、質(zhì)量檢驗和分析、生產(chǎn)物流也應(yīng)當(dāng)與生產(chǎn)過程實現(xiàn)閉環(huán)集成。一個工廠的多個車間之間要實現(xiàn)信息共享、準(zhǔn)時配送、協(xié)同作業(yè)。一些離散制造企業(yè)也建立了類似流程制造企業(yè)那樣的生產(chǎn)指揮中心，對整個工廠進行指揮和調(diào)度，及時發(fā)現(xiàn)和解決突發(fā)問題，這也是智能工廠的重要標(biāo)志。智能工廠必須依賴無縫集成的信息系統(tǒng)支撐，主要包括PLM、ERP、CRM、SCM和MES五大核心系統(tǒng)。大型企業(yè)的智能工廠需要應(yīng)用ERP系統(tǒng)制定多個車間的生產(chǎn)計劃（Production planning），并由MES系統(tǒng)根據(jù)各個車間的生產(chǎn)計劃進行詳細排產(chǎn)（production scheduling），MES排產(chǎn)的粒度是天、小時，甚至分鐘。MES是一個企業(yè)級的實時信息系統(tǒng)，MES的選型絕不允許各個車間或分廠各自為政。

　　三星開展了移動工廠的實踐，工人可以通過智能手機查詢工單，可以開視頻會議，維修人員碰到疑難問題，可以通過手機視頻尋求專家解答，還給智能手機配備了RFID和條碼掃描的接口，這也是一個智能工廠的創(chuàng)新實踐。還有一些企業(yè)實現(xiàn)了刀具管理的智能化，通過在刀柄上植入RFID芯片，對刀具的全生命周期進行管理，從而提高刀具的使用壽命。智能工廠還應(yīng)當(dāng)重視利用智能的檢測儀器，檢測結(jié)果直接進入信息系統(tǒng)，無需人工干預(yù)。而展望未來，AR（Augmented Reality，增強現(xiàn)實）技術(shù)也將在智能工廠大顯身手。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，擰緊力矩OK，也會有相應(yīng)提示，從而提高作業(yè)人員的工作效率。

　　最近，美國GE公司宣布將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺Predix開放。我理解，Predix實際上就是智能工廠的一個集成化的開發(fā)平臺，GE力圖搶占“工業(yè)操作系 統(tǒng)”的陣地，成為智能工廠領(lǐng)域的“微軟”。而思科公司提出萬物互聯(lián)（Internet of Everthing，IOE）理念、技術(shù)和解決方案，也可以支撐智能服務(wù)和智能工廠。