智能工廠的發(fā)展現(xiàn)狀與成功之道
發(fā)表于：2018/2/22 9:26:05??閱讀量：?[關(guān)閉]
近年來，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)略最重要的舉措。其中，智能工廠(Smart Factory)作為智能制造重要的實踐領(lǐng)域，已引起了制造企業(yè)的廣泛關(guān)注和各級政府的高度重視。本文將分析國內(nèi)外智能工廠建設(shè)的現(xiàn)狀與問題，智能工廠的內(nèi)涵，以及推進智能工廠建設(shè)的成功之道。
一、國內(nèi)外智能工廠建設(shè)的現(xiàn)狀分析
近年來，全球各主要經(jīng)濟體都在大力推進制造業(yè)的復興。在工業(yè)4.0、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等熱潮下，全球眾多優(yōu)秀制造企業(yè)都開展了智能工廠建設(shè)實踐。例如，西門子安貝格電子工廠實現(xiàn)了多品種工控機的混線生產(chǎn);FANUC公司實現(xiàn)了機器人和伺服電機生產(chǎn)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(nèi)的各個智能制造單元之間傳遞物料，實現(xiàn)了最高720小時無人值守;施耐德電氣實現(xiàn)了電氣開關(guān)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(gòu)成的智能制造單元，實現(xiàn)大批量定制;三菱電機名古屋制作所采用人機結(jié)合的新型機器人裝配產(chǎn)線，實現(xiàn)從自動化到智能化的轉(zhuǎn)變，顯著提高了單位生產(chǎn)面積的產(chǎn)量;全球重卡巨頭MAN公司搭建了完備的廠內(nèi)物流體系，利用AGV裝載進行裝配的部件和整車，便于靈活調(diào)整裝配線，并建立了物料超市，取得明顯成效(圖1)。
圖 1 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(zhuǎn)型壓力。一方面，勞動力成本迅速攀升、產(chǎn)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(zhuǎn)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(xiàn)減員增效，迫切需要推進智能工廠建設(shè)。另一方面，物聯(lián)網(wǎng)、協(xié)作機器人、增材制造、預測性維護、機器視覺等新興技術(shù)迅速興起，為制造企業(yè)推進智能工廠建設(shè)提供了良好的技術(shù)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(shè)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(chǎn)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(xiàn)出海爾、美的、東莞勁勝、尚品宅配等智能工廠建設(shè)的樣板。例如，海爾佛山滾筒洗衣機工廠可以實現(xiàn)按訂單配置、生產(chǎn)和裝配，采用高柔性的自動無人生產(chǎn)線，廣泛應(yīng)用精密裝配機器人，采用MES系統(tǒng)全程訂單執(zhí)行管理系統(tǒng)，通過RFID進行全程追溯，實現(xiàn)了機機互聯(lián)、機物互聯(lián)和人機互聯(lián);尚品宅配實現(xiàn)了從款式設(shè)計到構(gòu)造尺寸的全方位個性定制，建立了高度智能化的生產(chǎn)加工控制系統(tǒng)，能夠滿足消費者個性化定制所產(chǎn)生的特殊尺寸與構(gòu)造板材的切削加工需求;東莞勁勝全面采用國產(chǎn)加工中心、國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)和國產(chǎn)工業(yè)軟件，實現(xiàn)了設(shè)備數(shù)據(jù)的自動采集和車間聯(lián)網(wǎng)，建立了工廠的數(shù)字映射模型(Digital Twin)，構(gòu)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(shè)方面，還存在諸多問題與誤區(qū)：
1. 盲目購買自動化設(shè)備和自動化產(chǎn)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(chǎn)品的剛性自動化生產(chǎn)線。只注重購買高端數(shù)控設(shè)備，但卻沒有配備相應(yīng)的軟件系統(tǒng)。
2. 尚未實現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)的自動采集和車間聯(lián)網(wǎng)。企業(yè)在購買設(shè)備時沒有要求開放數(shù)據(jù)接口，大部分設(shè)備還不能自動采集數(shù)據(jù)，沒有實現(xiàn)車間聯(lián)網(wǎng)。目前，各大自動化廠商都有自己的工業(yè)總線和通信協(xié)議，OPC UA標準的應(yīng)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(tǒng)支撐，車間仍然是一個黑箱，生產(chǎn)過程還難以實現(xiàn)全程追溯，與生產(chǎn)管理息息相關(guān)的制造BOM數(shù)據(jù)、工時數(shù)據(jù)也不準確。
4. 設(shè)備績效不高。生產(chǎn)設(shè)備沒有得到充分利用，設(shè)備的健康狀態(tài)未進行有效管理，常常由于設(shè)備故障造成非計劃性停機，影響生產(chǎn)。
5. 依然存在大量信息化孤島和自動化孤島。智能工廠建設(shè)涉及到智能裝備、自動化控制、傳感器、工業(yè)軟件等領(lǐng)域的供應(yīng)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(chǎn)線沒有進行統(tǒng)一規(guī)劃，生產(chǎn)線之間還需要中轉(zhuǎn)庫轉(zhuǎn)運。
究其原因，是智能制造和智能工廠涵蓋領(lǐng)域很多，系統(tǒng)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(mào)然推進，搞“大躍進”，以免造成企業(yè)的投資打水漂。應(yīng)當依托有實戰(zhàn)經(jīng)驗的咨詢服務(wù)機構(gòu)，結(jié)合企業(yè)內(nèi)部的IT、自動化和精益團隊，高層積極參與，根據(jù)企業(yè)的產(chǎn)品和生產(chǎn)工藝，做好需求分析和整體規(guī)劃，在此基礎(chǔ)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(shè)備互聯(lián)。能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備與設(shè)備互聯(lián)(M2M)，通過與設(shè)備控制系統(tǒng)集成，以及外接傳感器等方式，由SCADA(數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng))實時采集設(shè)備的狀態(tài)，生產(chǎn)完工的信息、質(zhì)量信息，并通過應(yīng)用RFID(無線射頻技術(shù))、條碼(一維和二維)等技術(shù)，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的可追溯。
2. 廣泛應(yīng)用工業(yè)軟件。廣泛應(yīng)用MES(制造執(zhí)行系統(tǒng))、APS(先進生產(chǎn)排程)、能源管理、質(zhì)量管理等工業(yè)軟件，實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場的可視化和透明化。在新建工廠時，可以通過數(shù)字化工廠仿真軟件，進行設(shè)備和產(chǎn)線布局、工廠物流、人機工程等仿真，確保工廠結(jié)構(gòu)合理。在推進數(shù)字化轉(zhuǎn)型的過程中，必須確保工廠的數(shù)據(jù)安全和設(shè)備和自動化系統(tǒng)安全。在通過專業(yè)檢測設(shè)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(tǒng)計過程控制)等軟件，分析出現(xiàn)質(zhì)量問題的原因。
3. 充分結(jié)合精益生產(chǎn)理念。充分體現(xiàn)工業(yè)工程和精益生產(chǎn)的理念，能夠?qū)崿F(xiàn)按訂單驅(qū)動，拉動式生產(chǎn)，盡量減少在制品庫存，消除浪費。推進智能工廠建設(shè)要充分結(jié)合企業(yè)產(chǎn)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(chǎn)的基礎(chǔ)。
4. 實現(xiàn)柔性自動化。結(jié)合企業(yè)的產(chǎn)品和生產(chǎn)特點，持續(xù)提升生產(chǎn)、檢測和工廠物流的自動化程度。產(chǎn)品品種少、生產(chǎn)批量大的企業(yè)可以實現(xiàn)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(yīng)當注重少人化、人機結(jié)合，不要盲目推進自動化，應(yīng)當特別注重建立智能制造單元。工廠的自動化生產(chǎn)線和裝配線應(yīng)當適當考慮冗余，避免由于關(guān)鍵設(shè)備故障而停線;同時，應(yīng)當充分考慮如何快速換模，能夠適應(yīng)多品種的混線生產(chǎn)。物流自動化對于實現(xiàn)智能工廠至關(guān)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(shè)備實現(xiàn)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(zhì)量檢測的自動化也非常重要，機器視覺在智能工廠的應(yīng)用將會越來越廣泛。此外，還需要仔細考慮如何使用助力設(shè)備，減輕工人勞動強度。
5. 注重環(huán)境友好，實現(xiàn)綠色制造。能夠及時采集設(shè)備和產(chǎn)線的能源消耗，實現(xiàn)能源高效利用。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?qū)崿F(xiàn)廢料的回收和再利用。
6. 可以實現(xiàn)實時洞察。從生產(chǎn)排產(chǎn)指令的下達到完工信息的反饋，實現(xiàn)閉環(huán)。通過建立生產(chǎn)指揮系統(tǒng)，實時洞察工廠的生產(chǎn)、質(zhì)量、能耗和設(shè)備狀態(tài)信息，避免非計劃性停機。通過建立工廠的Digital Twin(數(shù)字映射)，方便地洞察生產(chǎn)現(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)過程應(yīng)實現(xiàn)自動化、透明化、可視化、精益化，而且，在產(chǎn)品檢測、質(zhì)量檢驗和分析、生產(chǎn)物流等環(huán)節(jié)也應(yīng)當與生產(chǎn)過程實現(xiàn)閉環(huán)集成。一個工廠的多個車間之間也要實現(xiàn)信息共享、準時配送和協(xié)同作業(yè)。智能工廠的建設(shè)充分融合了信息技術(shù)、先進制造技術(shù)、自動化技術(shù)、通信技術(shù)和人工智能技術(shù)。每個企業(yè)在建設(shè)智能工廠時，都應(yīng)該考慮如何能夠有效融合這五大領(lǐng)域的新興技術(shù)，與企業(yè)的產(chǎn)品特點和制造工藝緊密結(jié)合，確定自身的智能工廠推進方案。
三、智能工廠的體系架構(gòu)
著名業(yè)務(wù)流程管理專家August-Wilhelm Scheer教授提出的智能工廠框架強調(diào)了MES系統(tǒng)在智能工廠建設(shè)中的樞紐作用(圖2)。
圖 2 Scheer教授提出的智能工廠架構(gòu)
智能工廠可以分為基礎(chǔ)設(shè)施層、智能裝備層、智能產(chǎn)線層、智能車間層和工廠管控層五個層級(圖3)：
圖 3 智能工廠五級金字塔
1、基礎(chǔ)設(shè)施層
企業(yè)首先應(yīng)當建立有線或者無線的工廠網(wǎng)絡(luò)，實現(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;形成集成化的車間聯(lián)網(wǎng)環(huán)境，解決不同通訊協(xié)議的設(shè)備之間，以及PLC、CNC、機器人、儀表/傳感器和工控/IT系統(tǒng)之間的聯(lián)網(wǎng)問題;利用視頻監(jiān)控系統(tǒng)對車間的環(huán)境，人員行為進行監(jiān)控、識別與報警;此外，工廠應(yīng)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(chǎn)環(huán)境的安全和人員安全)等方面達到智能化水平。
2、智能裝備層
智能裝備是智能工廠運作的重要手段和工具。智能裝備主要包含智能生產(chǎn)設(shè)備、智能檢測設(shè)備和智能物流設(shè)備。制造裝備在經(jīng)歷了機械裝備到數(shù)控裝備后，目前正在逐步向智能裝備發(fā)展。智能化的加工中心具有誤差補償、溫度補償?shù)裙δ埽軌驅(qū)崿F(xiàn)邊檢測、邊加工。工業(yè)機器人通過集成視覺、力覺等傳感器，能夠準確識別工件，自主進行裝配，自動避讓人，實現(xiàn)人機協(xié)作。金屬增材制造設(shè)備可以直接制造零件，DMG MORI已開發(fā)出能夠?qū)崿F(xiàn)同時實現(xiàn)增材制造和切削加工的混合制造加工中心。智能物流設(shè)備則包括自動化立體倉庫、智能夾具、AGV、桁架式機械手、懸掛式輸送鏈等。例如，F(xiàn)anuc工廠就應(yīng)用了自動化立體倉庫作為智能加工單元之間的物料傳遞工具(圖4)。
圖 4 ABB的Yumi協(xié)作機器人
3、智能產(chǎn)線層
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、數(shù)控系統(tǒng)或RFID自動進行生產(chǎn)、質(zhì)量、能耗、設(shè)備績效(OEE)等數(shù)據(jù)采集，并通過電子看板顯示實時的生產(chǎn)狀態(tài);通過安燈系統(tǒng)實現(xiàn)工序之間的協(xié)作;生產(chǎn)線能夠?qū)崿F(xiàn)快速換模，實現(xiàn)柔性自動化;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;具有一定冗余，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。
4、智能車間層
要實現(xiàn)對生產(chǎn)過程進行有效管控，需要在設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)、先進生產(chǎn)排產(chǎn)(APS)、勞動力管理等軟件進行高效的生產(chǎn)排產(chǎn)和合理的人員排班，提高設(shè)備利用率(OEE)，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的追溯，減少在制品庫存，應(yīng)用人機界面(HMI)，以及工業(yè)平板等移動終端，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的無紙化。另外，還可以利用Digital Twin(數(shù)字映射)技術(shù)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。
車間物流的智能化對于實現(xiàn)智能工廠至關(guān)重要。企業(yè)需要充分利用智能物流裝備實現(xiàn)生產(chǎn)過程中所需物料的及時配送。企業(yè)可以用DPS系統(tǒng)(Digital Picking System)實現(xiàn)物料揀選的自動化。
5、工廠管控層
工廠管控層主要是實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的監(jiān)控，通過生產(chǎn)指揮系統(tǒng)實時洞察工廠的運營，實現(xiàn)多個車間之間的協(xié)作和資源的調(diào)度。流程制造企業(yè)已廣泛應(yīng)用DCS或PLC控制系統(tǒng)進行生產(chǎn)管控，近年來，離散制造企業(yè)也開始建立中央控制室，實時顯示工廠的運營數(shù)據(jù)和圖表，展示設(shè)備的運行狀態(tài)，并可以通過圖像識別技術(shù)對視頻監(jiān)控中發(fā)現(xiàn)的問題進行自動報警(圖5)。
圖 5 美的工廠的生產(chǎn)監(jiān)控中心
四、智能工廠的成功之道
1、進行智能工廠整體規(guī)劃
智能工廠的建設(shè)需要實現(xiàn)IT系統(tǒng)與自動化系統(tǒng)的信息集成;處理來源多樣的異構(gòu)數(shù)據(jù)，包括設(shè)備、生產(chǎn)、物料、質(zhì)量、能耗等海量數(shù)據(jù);應(yīng)當進行科學的廠房布局規(guī)劃，在滿足生產(chǎn)工藝要求，優(yōu)化業(yè)務(wù)流程的基礎(chǔ)上，提升物流效率，提高工人工作的舒適程度。智能工廠的推進需要企業(yè)的IT部門、自動化部門、精益推進部門和業(yè)務(wù)部門的通力合作。制造企業(yè)應(yīng)當做好智能工廠相關(guān)技術(shù)的培訓，選擇有實戰(zhàn)經(jīng)驗的智能制造咨詢服務(wù)機構(gòu)，共同規(guī)劃推進智能工廠建設(shè)的藍圖。在規(guī)劃時應(yīng)注意行業(yè)差異性，因為不同行業(yè)的產(chǎn)品制造工藝差別很大，智能工廠建設(shè)的目標和重點也有顯著差異。
2、建立明確的智能工廠標準
在智能工廠的建設(shè)中，企業(yè)往往會忽視管理與技術(shù)標準的建立，容易造成缺少數(shù)據(jù)標準，一物多碼;作業(yè)標準執(zhí)行不到位;缺失設(shè)備管理標準，不同的設(shè)備采用不同的通訊協(xié)議，造成設(shè)備集成難度大;管理流程復雜，職權(quán)利不匹配;質(zhì)檢標準執(zhí)行不到位，導致批次質(zhì)量問題多等問題。因此，需要建立明確的智能工廠標準，例如，業(yè)務(wù)流程管理規(guī)范、設(shè)備點檢維護標準和智能工廠評估標準等管理規(guī)范，智能裝備標準、智能工廠系統(tǒng)集成標準、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標準以及主數(shù)據(jù)管理標準等技術(shù)標準。
3、重視智能加工單元建設(shè)
目前，智能加工單元在我國制造企業(yè)的應(yīng)用還處于起步階段，但必然是發(fā)展的方向。智能加工單元可以利用智能技術(shù)將CNC、工業(yè)機器人、加工中心以及自動化程度較低的設(shè)備集成起來，使其具有更高的柔性，提高生產(chǎn)效率。
4、強調(diào)人機協(xié)作而不是機器換人
智能工廠的終極目標并不是要建設(shè)成無人工廠，而應(yīng)追求在合理成本的前提下，滿足市場個性化定制的需求。因此，人機協(xié)作將成為智能工廠未來發(fā)展的主要趨勢。人機協(xié)作的最大特點是可以充分利用人的靈活性完成復雜多變的工作任務(wù)，在關(guān)鍵崗位上，更需要人的判斷能力和決策能力顯得更為重要，而機器人則擅長重復勞動。
5、積極應(yīng)用新興技術(shù)
未來，AR(Augmented Reality，增強現(xiàn)實)技術(shù)將被大量應(yīng)用到工廠的設(shè)備維護和人員培訓中。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，當擰到位時，會有相應(yīng)提示，從而提高作業(yè)人員的工作效率;維修人員可以通過實物掃碼，使虛擬模型與實物模型重合疊加，同時在虛擬模型中顯示出設(shè)備型號、工作參數(shù)等信息，并根據(jù)AR中的提示進行維修操作;AR技術(shù)還可以幫助設(shè)備維修人員將實物運行參數(shù)與數(shù)字模型進行對比，盡快定位問題，并給予可能的故障原因分析。此外，數(shù)字工廠仿真技術(shù)可以基于離散事件建模、3D幾何建模、可視化仿真與優(yōu)化等技術(shù)實現(xiàn)對工廠靜態(tài)布局、動態(tài)物流過程等綜合仿真和分析，從而能夠先建立數(shù)字化的生產(chǎn)系統(tǒng)甚至全部工廠，依據(jù)既定工藝進行運行仿真。
五、總結(jié)
在智能制造的熱潮下，企業(yè)不宜盲目跟風。建設(shè)智能工廠，應(yīng)圍繞企業(yè)的中長期發(fā)展戰(zhàn)略，根據(jù)自身產(chǎn)品、工藝、設(shè)備和訂單的特點，合理規(guī)劃智能工廠的建設(shè)藍圖。在推進規(guī)范化、標準化的基礎(chǔ)上，從最緊迫需要解決的問題入手，務(wù)實推進智能工廠的建設(shè)。
來源：eworks
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