智能工廠的解讀

　　關于智能制造，我認為其內涵是實現整個制造業(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、先進制造技術、自動化技術和人工智能技術。智能制造包括開發(fā)智能產品；應用智能裝備；自底向上建立智能產線，構建智能車間，打造智能工廠；踐行智能研發(fā)；形成智能物流和供應鏈體系；開展智能管理;推進智能服務；最終實現智能決策。目前智能制造的“智能”還處于Smart的層次，智能制造系統(tǒng)具有數據采集、數據處理、數據分析的能力，能夠準確執(zhí)行指令，能夠實現閉環(huán)反饋；而智能制造的趨勢是真正實現“Intelligent”，智能制造系統(tǒng)能夠實現自主學習、自主決策，不斷優(yōu)化。

? ? ? ? 當前，智能制造成為業(yè)界關注的熱點。2015年，工信部批準了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準體系建設指南（2015版），很多企業(yè)躍躍欲試，希望通過推進智能制造實現“少人化”，降低成本，靈活應對市場變化，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氖牵悄苤圃斓摹爸圃臁倍?，是廣義的，指的是“manufacturing”，不僅僅是指生產（Production）。

　　與智能制造相關的概念很多

　　列舉如下：數字化制造（Digital Manufacturing）：

　　1、這是一種軟件技術，指的是通過仿真軟件對產品的加工與裝備過程，以及車間的設備布局、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屬于其中一個領域。

　　2、數字化工廠（Digital Factory）：數字化工廠指的是從產品研發(fā)、工藝、制造、質量和內部物流等與產品制造價值鏈相關的各個環(huán)節(jié)都基于數字化軟件和自動化系統(tǒng)進行支撐，能夠實現實時的數據采集和分析。這個概念西門子采用較多，西門子有一個數字化工廠集團，專門提供相關的產品和解決方案。西門子成都電子工廠也被稱為數字化工廠，該工廠已經廣泛應用了RFID、機器視覺，實現了工控產品的混流生產。數字化工廠一個重要的標志，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。智能工廠相對于數字化工廠而言，主要強調生產數據、計量數據、質量數據的采集的自動化，不需要人工錄入信息，能夠實現對采集數據的實時分析，實現PDCA循環(huán)。SAP有一個MII系統(tǒng)（制造集成與智能），可以實現對工廠數據的多維度分析。

　　在智能制造的金字塔中，智能產品與智能服務可以幫助企業(yè)帶來商業(yè)模式的創(chuàng)新；智能裝備、智能產線、智能車間到智能工廠，可以幫助企業(yè)實現生產模式的創(chuàng)新;智能研發(fā)、智能管理、智能物流與供應鏈則可以幫助企業(yè)實現運營模式的創(chuàng)新；而智能決策則可以幫助企業(yè)實現科學決策。智能制造的十項技術之間是息息相關的，制造企業(yè)應當漸進式、理性地推進這十項智能技術的應用。以下對這些技術一一進行解讀。

　　1.智能產品

　　智能產品通常包括機械、電氣和嵌入式軟件，具有記憶、感知、計算和傳輸功能。典型的智能產品包括智能手機、智能可穿戴設備、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品。智能裝備也是一種智能產品。企業(yè)應該思考如何在產品上加入智能化的單元，提升產品的附加值。比如在工程機械上添加傳感器，可以對產品進行定位和關鍵零部件的狀態(tài)監(jiān)測，為實現智能服務打下基礎。

　　2.智能服務

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

　　3.智能裝備

　　制造裝備經歷了機械裝備到數控裝備，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據接口，能夠支持設備聯(lián)網，國外叫做M2M（機器與機器互聯(lián)）。三維打印機本質上是一種數控裝備，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)平衡性及語音導航等智能化功能，可以自行監(jiān)控機床運轉狀態(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）推出最新的復合加工中心LaserTec65已經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。隨著復合材料的廣泛應用，復合材料加工與裝備的智能裝備將具有廣闊的市場需求。

　　華中科技大學李德群院士在成形模擬的基礎上將工藝參數自動設置、自適應注射等智能技術應用到注射機上，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準，響應時間、位置精度等關鍵指標均達到國際先進水平，顯著提高了注塑產品的重復精度、良品比例和生產自動化程度。李德群院士介紹，這種智能注射機內置了人工智能算法，具備機器學習能力，通過三次試驗就可以準確找到最合適的注射參數，確保產品質量。這種設備已經不僅是Smart，而且具有了Intelligence。

　　4.智能產線

　　很多行業(yè)的企業(yè)高度依賴自動化生產線，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，實現自動化的加工、裝配和檢測，一些機械標準件生產也應用了自動化生產線，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)的技術改造重點，就是建立自動化生產線、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。自動化生產線可以分為剛性自動化生產線和柔性自動化生產線，柔性自動化生產線一般建立了緩沖。為了提高生產效率，工業(yè)機器人、吊掛系統(tǒng)在自動化生產線上應用越來越廣泛。

　　目前，很多汽車整車廠已實現了混流生產，在一條裝配線上可以同時裝配多種車型。食品飲料行業(yè)的自動化生產線可以根據工藝配方調整DCS或PLC系統(tǒng)來改變工藝路線，從而生產多種產品。汽車行業(yè)正在推行安燈系統(tǒng)，實現生產線的故障報警。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，裝配成最終的產品。在裝配過程中，通過準時按序送貨（Just In Sequence）的方式實現混流生產。目前，汽車、家電、軌道交通等行業(yè)的企業(yè)對生產和裝配線進行自動化、智能化改造需求十分旺盛，很多企業(yè)在逐漸將關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，智能產線在我國制造企業(yè)的應用還處于起步階段，但必然是發(fā)展的方向。智能產線的特點是：在生產和裝配的過程中，能夠通過傳感器或RFID自動進行數據采集，并通過電子看板顯示實時的生產狀態(tài);能夠通過機器視覺和多種傳感器進行質量檢測，自動剔除不合格品，并對采集的質量數據進行SPC分析，找出質量問題的成因;能夠支持多種相似產品的混線生產和裝配，靈活調整工藝，適應小批量、多品種的生產模式；具有柔性，如果生產線上有設備出現故障，能夠調整到其他設備生產；針對人工操作的工位，能夠給予智能的提示。實際上，我認為西門子成都電子工廠的總裝線已經達到了智能產線的水平。

　　5.智能車間

　　一個車間通常有多條生產線，這些生產線要么生產相似零件或產品，要么有上下游的裝配關系。要實現車間的智能化，需要對生產狀況、設備狀態(tài)、能源消耗、生產質量、物料消耗等信息進行實時采集和分析，進行高效排產和合理排班。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常活躍。此外，先進生產排程（APS）系統(tǒng)也已經進入了制造企業(yè)選型的視野，開始了初步實踐，實現基于實際產能約束的排產，主流廠商有日本的ASPROVA、德國的JobDISPO APS（蘭光創(chuàng)新經銷），國內的永凱、安達發(fā)、易普優(yōu)等，元工國際也提供了APS解決方案。APS軟件對設備產能、工時等基礎數據的準確性要求非常高。

　　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)認證，因此推進MES更加緊迫。前文提到的數字化制造（DM）技術也是智能車間的支撐工具，可以幫助企業(yè)在建設新廠房時，根據設計的產能科學進行設備布局，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)顯著提升設備利用率，提高產品質量，實現生產過程可追溯和上料防錯，提高生產效率。需要強調指出的是，純離散制造企業(yè)也可以應用MES系統(tǒng)，但是，MES系統(tǒng)的應用與企業(yè)的生產模式息息相關。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線，那么MES系統(tǒng)可能會推到重來。因此，企業(yè)進行MES應用需要慎之又慎。智能車間必須建立有線或無線的工廠網絡，能夠實現生產指令的自動下達和設備與產線信息的自動采集。對于機械制造企業(yè)，可以通過DNC技術實現設備狀態(tài)信息和加工代碼的上傳下達，目前已有成熟的產品，例如蘭光創(chuàng)新、蓋勒普和英迪致遠等。另外，實現車間的無紙化，也是智能車間的重要標志，企業(yè)可以應用三維輕量化技術，將設計和工藝文檔傳遞到工位。上海明匠智能公司開發(fā)了一個智能網關，可以將基于不同廠商通訊協(xié)議的生產現場數據轉為OPC標準，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，推出了設備聯(lián)網解決方案，一個平臺可以聯(lián)網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，并實現模擬生產。

　　有一項新興技術可以將MES系統(tǒng)采集到的數據在虛擬的三維車間模型中實時地展現出來，不僅提供車間的VR（虛擬現實）環(huán)境，而且還可以顯示設備的實際狀態(tài)，實現虛實融合。西門子和PTC將這項技術作為Digital Twin的一個典型應用。德國PSI、武漢創(chuàng)景也擁有這類產品，天河軟件幫助海爾膠州工廠實現了相關應用。此外，智能車間還有一個典型應用，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，三星已經有了成功實踐。此外，智能車間應當在溫度、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。前文已經提到了智能工廠與數字化工廠的區(qū)別，一個普遍的共識是，僅僅有自動化生產線和一大堆機器人，并不是智能工廠。作為智能工廠，不僅生產過程應實現自動化、透明化、可視化、精益化，同時，產品檢測、質量檢驗和分析、生產物流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要實現信息共享、準時配送、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)那樣的生產指揮中心，對整個工廠進行指揮和調度，及時發(fā)現和解決突發(fā)問題，這也是智能工廠的重要標志。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)的智能工廠需要應用ERP系統(tǒng)制定多個車間的生產計劃（Production planning），并由MES系統(tǒng)根據各個車間的生產計劃進行詳細排產（production scheduling），MES排產的粒度是天、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。智能工廠還應當重視利用智能的檢測儀器，檢測結果直接進入信息系統(tǒng)，無需人工干預。而展望未來，AR（Augmented Reality，增強現實）技術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，成為智能工廠領域的“微軟”。而思科公司提出萬物互聯(lián)（Internet of Everthing，IOE）理念、技術和解決方案，也可以支撐智能服務和智能工廠。