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一文讀懂智能製造的主線——智能生產

2018年07月03日 08:40:18 瀏覽量：文章來源：先進製造（zào）業

近年來，全球各（gè）主要經（jīng）濟體都在（zài）大力推進製造（zào）業的（de）複興。在（zài）工（gōng）業4.0、工（gōng）業互聯網、物聯網、雲計算（suàn）等熱潮下，全球眾多優秀製造企業都開展了智能工（gōng）廠建設實踐。

據中國工程院院長（zhǎng）周濟介紹，智能（néng）生產（chǎn）是智能製造的主線，而（ér）智（zhì）能工廠是智能生產的主要載體（tǐ）。隨著新一代人工智能的應（yīng）用，今後20年，中國（guó）企業將要向自學習、自適應、自控製的新一代智能工廠進軍。新（xīn）一代人工智能技術和先進製（zhì）造（zào）技術的融合，將使得生（shēng）產線（xiàn）、車間、工廠發生革命性大變革，提升（shēng）到曆史性的新（xīn）高度，將從根本上提高製造業質量、效率和企業競爭力。在今後相當一段時間裏麵，生產線、車間，工廠（chǎng）的智能（néng）升級將成為推進智能製造的一個主要戰場。

一、智能工廠的內涵及建設重（chóng）點

智（zhì）能（néng）工廠是實現智能製造的重要載體，主要通過構建智能化生（shēng）產係統、網絡化分布生產設施，實現生產過（guò）程的智能化。智（zhì）能工廠已經具有了自主能力（lì），可采集、分析、判斷、規劃；通（tōng）過整體可視技術進行（háng）推理（lǐ）預測，利用仿真及多媒體技術，將（jiāng）實境擴（kuò）增（zēng）展示設計與製造過程。係統中各組成部分可自行組成最佳（jiā）係統結構，具（jù）備協調、重組及擴充特性。已係（xì）統具備了自我學習、自行維護能力。因此，智能工廠實現（xiàn）了人與機器的相互協調合作，其本質是人機（jī）交互。

人機料法環（huán）是對全麵質量管理理論中的五個影響產品質量的主要因素的（de）簡（jiǎn）稱。

人，指製造產（chǎn）品（pǐn）的人員；

機，製造產品所用的設備；

料，指製造產品所使用的原材料；

法（fǎ），指製造產品（pǐn）所使用的方法；

環，指產品製造過程中所處的（de）環境。

而智能（néng）生產就是（shì）以智能工廠為核心，將人、機、法、料、環連接起來，多（duō）維度融合的過程。

在智能工廠（chǎng）的（de）體（tǐ）係架構中，質量管（guǎn）理的五要素（sù）也相（xiàng）應的發生變化，因為在（zài）未來智能工廠中，人類、機器和資源能夠互相通信。智能產品“知道”它們如何被製（zhì）造出（chū）來的細節，也知道它們的用途。它們將主動（dòng）地對製造流程，回答諸（zhū）如“我（wǒ）什（shí）麽時候被製造的”、“對（duì）我進行處理應該使用哪種參數”、“我應（yīng）該（gāi）被（bèi）傳送到何處”等問（wèn）題。

企業基於（yú）CPS和工（gōng）業（yè）互聯網（wǎng）構建的智能工廠原型，主要包括（kuò）物理層、信息層、大數據層、工業雲（yún）層、決策（cè）層。其中，物理層包含工廠內（nèi）不同層級的硬件（jiàn）設備，從最（zuì）小（xiǎo）的嵌入設備和基礎元器件開始，到感知（zhī）設備、製造設備、製造單元和生產線，相互間均實現互聯互通。以此為基礎，構建了一個“可（kě）測（cè）可控、可（kě）產可管”的縱向集成環境。信息層涵（hán）蓋企業經營業務各個環節，包含研發設計、生產製造、營銷服務、物流配送等各類經營管（guǎn）理活動，以及由此產生的眾創、個性化定製、電子（zǐ）商務、可視追蹤等相關業務。在此基礎上，形成了企業內部價值鏈的橫向集成環境，實現數據（jù）和信息的流通和交換。

縱向集成和橫向集成均以CPS和（hé）工業互聯網為基礎，產品、設備、製造單元、生產線、車間、工廠等製（zhì）造係統的互聯互通，及其與企業不同環節業務的集成統一，則是通過數據應用和（hé）工（gōng）業雲服務實現，並（bìng）在決策層基於產品、服務、設備管（guǎn）理支撐（chēng）企業最（zuì）高決策。這些共同構（gòu）建了一個智能（néng）工廠（chǎng）完整的價值網絡（luò）體係，為用戶（hù）提（tí）供端到端的解（jiě）決方（fāng）案。

由於產品製造工藝（yì）過程的明顯差異，離散製造業和流程製造業在智能工廠建設（shè）的重點內容有所（suǒ）不同。對於離散製造業而言，產品往往由多個零部（bù）件（jiàn）經過一係列不連續的工序裝配而成，其過程（chéng）包含很多變化和不確定因素，在一定程度上增加了離（lí）散型製造生（shēng）產組織的難度和配套複雜（zá）性。企業常常按（àn）照主（zhǔ）要的工藝流程安排生產設備的位置，以使物料（liào）的傳輸距離最（zuì）小。麵向訂（dìng）單的（de）離散型製造（zào）企業具有多品種、小批量的特點，其工藝路線和設備的使用較（jiào）靈活，因此，離散製造型企業更加重視生產的柔性，其智能（néng）工廠建設的重（chóng）點是智（zhì）能製造生產線。

二、智（zhì）能工（gōng）廠主要建設模（mó）式

由於各個（gè）行業生產流程不同，加上（shàng）各個（gè）行（háng）業智能化情況不同，智能工廠有以下幾個不同的建設（shè）模式（shì）。

第一種（zhǒng）模式是從生（shēng）產過（guò）程（chéng）數字化到智能工廠。在（zài）石化、鋼鐵、冶金、建材、紡織、造紙、醫藥、食品等流程製造領域，企業發展智能製（zhì）造的內在動力在於產品品質可控（kòng），側（cè）重從（cóng）生產數字化（huà）建設（shè）起步，基於品（pǐn）控需求從產品末端控（kòng）製（zhì）向（xiàng）全（quán）流程控（kòng）製轉變。

第二種模式是從智能製造生產單元(裝備和產品)到智能工廠。在機械、汽車、航空、船舶、輕（qīng）工（gōng）、家用（yòng）電器和電子信息等離散（sàn）製造領域（yù），企業發展（zhǎn）智（zhì）能製造的核心目的（de）是拓展產品價值空（kōng）間，側重從單台設備自動化和產（chǎn）品智能化入手，基（jī）於生產效率和產品效能的提升（shēng）實現價值增長。

第三種模式是從個性化定製到互（hù）聯工廠。在家電、服裝、家居等（děng）距離用戶最近的消費品製（zhì）造領域，企業發展智能製造的重點在於（yú）充分滿足消費者多元化（huà）需求的同時實現規模（mó）經濟生產，側重（chóng）通過互（hù）聯網平台（tái）開展大規模個（gè）性定製模式創新。

三、智能工廠發展重點環節

智能生產的側重點在於將人機互動、3D打印等先進技（jì）術應用於整個（gè）工業生產（chǎn）過程（chéng），並對整個生產流程進行監控（kòng）、數據（jù）采集，便於進行（háng）數據（jù）分析，從而形成（chéng）高度靈活、個（gè）性化、網絡化（huà）的產業鏈。

3D打印

3D打印是一項顛覆性的創新技術，被美國自（zì）然科學基金會稱為20世（shì）紀最重要的製造技術創新。製造業的全流程都可以引入3D打印，起到節約成本、加快進度、減（jiǎn）少材料浪（làng）費等效果。在設計環節，借助3D打印技術（shù），設計師能夠獲得更大的自由度和創意空間，可以專注於產（chǎn）品形態創意和功能創新，而不必考慮形狀複（fù）雜度的影響（xiǎng），因為3D打印幾乎可以完成任何（hé）形狀的物品構建。在生產環節，3D打印可以直（zhí）接從數字化模型生成零部件，不需要專門的模具製作等工序，既節約了成（chéng）本，又能加快產品上市。此外，傳統製造工藝在鑄造（zào）、拋光和組裝部件的過程中通（tōng）常會產生廢料，而相同部件使用3D打印則（zé）可以一次性成形，基本不會產生廢（fèi）料。在分銷環節，3D打印可能會挑戰現有的物（wù）流分銷網（wǎng）絡。未（wèi）來，零部件不再需要從原廠家采購和運輸，而是從製造商的（de）在線數據（jù）庫中下（xià）載3D打印模型文件，然後在本地（dì）快速打印出來，由此（cǐ）可能導（dǎo）致遍布全球的零部件倉儲與（yǔ）配送體係失去存（cún）在的意義。

3D打印經過了近 40 年的發展，龍頭公司（sī）開始（shǐ）實現顯著（zhe）盈利，市場認可度快速（sù）上升，行業收入增長加速。根據典型的產品生命周（zhōu）期理論，技術產品從導入期進入成長期（qī）的過程中往往表現出加速增（zēng）長的特征，判斷目前3D打（dǎ）印產業正在進入加速成（chéng）長期。

整個3D打印行業（yè）產業鏈大概可分為三個部分，上遊基礎（chǔ）配件行（háng）業，3D打印設（shè）備生產企業、3D打印材料生產企業和（hé）支持配套企業，下遊主要是3D打印的各大應用領域。通常意義上的3D打印行業則（zé）主要是指3D打印設備、材料及服務企業。

3D 打印已經形成了一條完整（zhěng）的產（chǎn）業鏈（liàn）。產業鏈的每個環節都聚（jù）集了一批領先企業。全球範圍來看，以Stratasys、3D Systems為代表的設備企業在產（chǎn）業鏈中占（zhàn）據（jù）了主導作用，且這些設備企業通常能夠提供（gòng）材料和打印服務業務，如具有較強的話語權。

人機交互

未來各類交（jiāo）互方式都會進行深度（dù）融合，使智能設備（bèi）會更加自然地與人類生物反應及處理過程同步，包括思維過程、動覺，甚至一個人（rén）的文化偏（piān）好等，這個領域充滿著各種各（gè）樣新奇的可（kě）能性（xìng）。

人與機器的信息（xī）交換方式隨（suí）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於生產製（zhì）造領域。具體表現在智能交互設備柔性化和智能交互設備工（gōng）業（yè）領域應用這兩（liǎng）個方麵。在生產過程（chéng）中（zhōng），智能製造係統可獨立承擔分析、判斷、決策等任務，突出人在（zài）製造係統中（zhōng）的核心地位，同時在（zài）工業（yè）機器人、無軌agv等（děng）智能設（shè）備配合下（xià），更好發揮人的潛能。機器智能和人的智能真正地集成在一起，互相配合，相得益彰。本質是人機一體化。

傳感（gǎn）器

中國已經基本形成較為完整的產業鏈結構，在材料、器件、係統、網絡等各方（fāng）麵水平不（bú）斷完善，自主（zhǔ）產品已達6000種，國（guó）內建立了三大傳感器生產基地，分別為：安徽基地，陝西（xī）基地和黑龍江（jiāng）基地。政府對國內傳感器產業提出了加快力度加（jiā）快發展（zhǎn）的指導方針，未來（lái）的傳感器發（fā）展將向著（zhe）智能化的方向改善。

工業軟件

智能（néng）工廠的建設（shè）離（lí）不開工業軟件的廣泛應用（yòng）。工（gōng）業軟件包括（kuò）基礎（chǔ）和應用軟件兩大類，其中係統、中間（jiān）件、嵌入式屬於基礎技術範圍，並不與特定工業（yè）管理流（liú）程（chéng）和工藝流程緊密相關，以下提到的工業軟件主要指應用軟件，包（bāo）括運營管理類、生產管理類和研發設計類軟件等。

在《中國製造2025》的大背景下，工業企業轉變發展模式、加快兩化（huà）融（róng）合成為大勢（shì）所趨，工業軟件以及（jí）信息化服務的需求仍將（jiāng）繼續增加，中國繼續保持著全（quán）球工業軟件（jiàn）市場增長生力軍的地位。

具體來看，2016年我國工業軟件（jiàn）行業中產品研發類如CAD、CAE、CAM、CAPP等占比約為（wéi）8.3%，信息管理（lǐ）類如ERP、CRM、HRM等（děng），占比約為15.5%；生產控製類如MES、PCS、PLC等占比約為13.2%；其餘（yú）63%均為嵌入式軟件開發。

分區域來看，華（huá）北、華東是工業軟件應用最多（duō）的區域，合計占到全國一半左（zuǒ）右，具體到省市來看，北京、上海（hǎi）、廣東、江蘇是工業軟件實力雄厚的區域（yù），約占中（zhōng）國工業軟件（jiàn）市場規（guī）模的一半以上（shàng）。

廣泛應（yīng）用MES（製造執行係統）、APS（先進生產排程）、PLM(產品生（shēng）命周期（qī）管理) 、ERP(企業資（zī）源計劃)、質量管（guǎn）理等工業軟（ruǎn）件，實現（xiàn）生產現場的可視化和透明化。在新建工廠時，可以通（tōng）過數字化工廠仿真軟件，進行（háng）設備和產線布局、工廠物（wù）流（liú）、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（guò）程中，必須確保工廠（chǎng）的（de）數據安全和設備和自動化係統安全。在（zài）通過專業檢（jiǎn）測設備檢出次（cì）品時，不僅要（yào）能夠（gòu）自動（dòng）與合格品分流（liú），而且能夠通過SPC（統計過程控製）等軟件，分析出現質量問題的原因。

雲製造

雲製（zhì）造即（jí）製造企業將先進的信息技術、製造技術以及新興物聯網技術等交叉融合，工廠產能、工藝等數據都集中於雲平台，製造商可在雲端進行大數據分析與客戶關係管理，發揮企業最佳效能。

我們國內，可以看到有航天科工集（jí）團（tuán）開發（fā）的麵向航（háng）天複雜產品的集團企業雲製造服務平台，接入了集團下屬各院所和基地擁（yōng）有豐富的製造資源和能力；中車（chē）集團麵向軌道交通裝備（bèi）的集團企業雲製造服（fú）務平台，打通了軌道車（chē）輛、工程機械、機電設備、電子設備及相關（guān）部件等（děng）產品的（de）研發、設計、製造、修理和服務等業（yè）務；麵向（xiàng）中小企業的雲製（zhì）造平台，也陸續出現在了裝備製（zhì）造、箱包鞋帽等行業領域。

雲製造為（wéi）製造業信息化提供了一種嶄新的理念與（yǔ）模式，雲製造作為（wéi）一種初生（shēng）的（de）概念，其未來具有巨大的發（fā）展空（kōng）間。但雲製造的未（wèi）來發展仍（réng）麵（miàn）臨著眾多關（guān）鍵技術（shù）的挑戰，除了對於雲（yún）計算、物聯網、語義Web、高性能（néng）計算、嵌（qiàn）入式係統等技術的綜合集成，基於（yú）知識的製造資源雲端化、製（zhì）造雲管理引擎、雲製造應用協同、雲製造可視化與用戶界麵等技術均是未來需要攻（gōng）克（kè）的重要技術。

總結

建設（shè）智能工廠無疑是製造企業轉型升級的重（chóng）要方式，同時應圍繞企業的中長期發展戰略，根（gēn）據自身產品、工藝、設備和訂單的特點，合理規劃智能工（gōng）廠的建設（shè）藍圖。在（zài）推進規範化、標準化的基礎上，從最緊迫需要解決的問題（tí）入手，務實推進智能工廠的建設。

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