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我國智能工廠發(fā)展趨勢(shì)分析
2016-1-25  來源:中國兩化融合網(wǎng)  作者:

 
    當(dāng)前,智能制造熱度高企,石化、鋼鐵、機(jī)械裝備制造、汽車制造、航空航天、飛機(jī)制造等行業(yè)紛紛開始探索建設(shè)智能工廠。《中國制造2025》明確提出要推進(jìn)制造過程智能化,在重點(diǎn)領(lǐng)域試點(diǎn)建設(shè)智能工廠/數(shù)字化車間,這必將加速智能工廠在工業(yè)行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用推廣。預(yù)計(jì)未來3-5年,全國將涌現(xiàn)出一批智能工廠。

  智能工廠的內(nèi)涵及建設(shè)重點(diǎn)

  智能工廠是實(shí)現(xiàn)智能制造的重要載體,主要通過構(gòu)建智能化生產(chǎn)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)化分布生產(chǎn)設(shè)施,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的智能化。企業(yè)基于CPS和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)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(nèi)不同層級(jí)的硬件設(shè)備,從最小的嵌入設(shè)備和基礎(chǔ)元器件開始,到感知設(shè)備、制造設(shè)備、制造單元和生產(chǎn)線,相互間均實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。以此為基礎(chǔ),構(gòu)建了一個(gè)“可測可控、可產(chǎn)可管”的縱向集成環(huán)境。信息層涵蓋企業(yè)經(jīng)營業(yè)務(wù)各個(gè)環(huán)節(jié),包含研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、營銷服務(wù)、物流配送等各類經(jīng)營管理活動(dòng),以及由此產(chǎn)生的眾創(chuàng)、個(gè)性化定制、電子商務(wù)、可視追蹤等相關(guān)業(yè)務(wù)。在此基礎(chǔ)上,形成了企業(yè)內(nèi)部價(jià)值鏈的橫向集成環(huán)境,實(shí)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(chǔ),產(chǎn)品、設(shè)備、制造單元、生產(chǎn)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(wù)的集成統(tǒng)一,則是通過數(shù)據(jù)應(yīng)用和工業(yè)云服務(wù)實(shí)現(xiàn),并在決策層基于產(chǎn)品、服務(wù)、設(shè)備管理支撐企業(yè)最高決策。這些共同構(gòu)建了一個(gè)智能工廠完整的價(jià)值網(wǎng)絡(luò)體系,為用戶提供端到端的解決方案。

  由于產(chǎn)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(shè)的重點(diǎn)內(nèi)容有所不同。對(duì)于離散制造業(yè)而言,產(chǎn)品往往由多個(gè)零部件經(jīng)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(chǎn)組織的難度和配套復(fù)雜性。企業(yè)常常按照主要的工藝流程安排生產(chǎn)設(shè)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(diǎn),其工藝路線和設(shè)備的使用較靈活,因此,離散制造型企業(yè)更加重視生產(chǎn)的柔性,其智能工廠建設(shè)的重點(diǎn)是智能制造生產(chǎn)線。

  流程型制造業(yè)的特點(diǎn)是管道式物料輸送,生產(chǎn)連續(xù)性強(qiáng),流程比較規(guī)范,工藝柔性比較小,產(chǎn)品比較單一,原料比較穩(wěn)定。對(duì)于流程制造業(yè)而言,由于原材料在整個(gè)物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中進(jìn)行的是物理化學(xué)過程,難以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化,而工序的連續(xù)性使得上一個(gè)工序?qū)ο乱粋€(gè)工序的影響具有傳導(dǎo)作用,即如果第一道工序的原料不可用,就會(huì)影響第二道工序。因此,流程型制造業(yè)智能工廠建設(shè)的重點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝的智能優(yōu)化和生產(chǎn)全流程的智能優(yōu)化,即智能感知生產(chǎn)條件變化,自主決策系統(tǒng)控制指令,自動(dòng)控制設(shè)備,在出現(xiàn)異常工況時(shí),即時(shí)預(yù)測和進(jìn)行自愈控制,排除異常、實(shí)現(xiàn)安全優(yōu)化運(yùn)行;在此基礎(chǔ)上,智能感知物流、能源流和信息流的狀況,自主學(xué)習(xí)和主動(dòng)響應(yīng),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)決策。

  智能工廠主要建設(shè)模式

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

  第一種模式是從生產(chǎn)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(lǐng)域,企業(yè)發(fā)展智能制造的內(nèi)在動(dòng)力在于產(chǎn)品品質(zhì)可控,側(cè)重從生產(chǎn)數(shù)字化建設(shè)起步,基于品控需求從產(chǎn)品末端控制向全流程控制轉(zhuǎn)變。因此其智能工廠建設(shè)模式為:一是推進(jìn)生產(chǎn)過程數(shù)字化,在生產(chǎn)制造、過程管理等單個(gè)環(huán)節(jié)信息化系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)上,構(gòu)建覆蓋全流程的動(dòng)態(tài)透明可追溯體系,基于統(tǒng)一的可視化平臺(tái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)全過程跨部門協(xié)同控制;二是推進(jìn)生產(chǎn)管理一體化,搭建企業(yè)CPS系統(tǒng),深化生產(chǎn)制造與運(yùn)營管理、采購銷售等核心業(yè)務(wù)系統(tǒng)集成,促進(jìn)企業(yè)內(nèi)部資源和信息的整合和共享;三是推進(jìn)供應(yīng)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(yīng)商和物流企業(yè),橫向集成供應(yīng)商和物料配送協(xié)同資源和網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)外部原材料供應(yīng)和內(nèi)部生產(chǎn)配送的系統(tǒng)化、流程化,提高工廠內(nèi)外供應(yīng)鏈運(yùn)行效率;四是整體打造大數(shù)據(jù)化智能工廠,推進(jìn)端到端集成,開展個(gè)性化定制業(yè)務(wù)。

  第二種模式是從智能制造生產(chǎn)單元(裝備和產(chǎn)品)到智能工廠。在機(jī)械、汽車、航空、船舶、輕工、家用電器和電子信息等離散制造領(lǐng)域,企業(yè)發(fā)展智能制造的核心目的是拓展產(chǎn)品價(jià)值空間,側(cè)重從單臺(tái)設(shè)備自動(dòng)化和產(chǎn)品智能化入手,基于生產(chǎn)效率和產(chǎn)品效能的提升實(shí)現(xiàn)價(jià)值增長。因此其智能工廠建設(shè)模式為:一是推進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備(生產(chǎn)線)智能化,通過引進(jìn)各類符合生產(chǎn)所需的智能裝備,建立基于CPS系統(tǒng)的車間級(jí)智能生產(chǎn)單元,提高精準(zhǔn)制造、敏捷制造能力。二是拓展基于產(chǎn)品智能化的增值服務(wù),利用產(chǎn)品的智能裝置實(shí)現(xiàn)與CPS系統(tǒng)的互聯(lián)互通,支持產(chǎn)品的遠(yuǎn)程故障診斷和實(shí)時(shí)診斷等服務(wù);三是推進(jìn)車間級(jí)與企業(yè)級(jí)系統(tǒng)集成,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)和經(jīng)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(jià)值網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同創(chuàng)新。四是推進(jìn)生產(chǎn)與服務(wù)的集成,基于智能工廠實(shí)現(xiàn)服務(wù)化轉(zhuǎn)型,提高產(chǎn)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(jí)的傳感器、工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床,以及各類機(jī)械設(shè)備與車間級(jí)的柔性生產(chǎn)線總控制臺(tái)相連,利用以太網(wǎng)將總控臺(tái)與企業(yè)管理級(jí)的各類服務(wù)器相連,再通過互聯(lián)網(wǎng)將企業(yè)管理系統(tǒng)與產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)相連,打通了產(chǎn)品全生命周期各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)通道,實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集分析和故障監(jiān)測診斷。三一重工的18號(hào)廠房是總裝車間,有混凝土機(jī)械、路面機(jī)械、港口機(jī)械等多條裝配線,通過在生產(chǎn)車間建立“部件工作中心島”,即單元化生產(chǎn),將每一類部件從生產(chǎn)到下線所有工藝集中在一個(gè)區(qū)域內(nèi),猶如在一個(gè)獨(dú)立的“島嶼”內(nèi)完成全部生產(chǎn)。這種組織方式,打破了傳統(tǒng)流程化生產(chǎn)線呈直線布置的弊端,在保證結(jié)構(gòu)件制造工藝不改變、生產(chǎn)人員不增加的情況下,實(shí)現(xiàn)了減少占地面積、提高生產(chǎn)效率、降低運(yùn)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(luò)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(jì)劃、物流、質(zhì)量管控系統(tǒng)、生產(chǎn)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(jī)械手、基于DNC系統(tǒng)的車間設(shè)備智能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)、智能化立體倉庫與AGV運(yùn)輸軟硬件系統(tǒng)、基于RFID設(shè)備及無線傳感網(wǎng)絡(luò)的物料和資源跟蹤定位系統(tǒng)、高級(jí)計(jì)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(zhì)量檢測系統(tǒng)(SPC)、生產(chǎn)控制中心管理決策系統(tǒng)等關(guān)鍵核心智能裝置,實(shí)現(xiàn)了對(duì)制造資源跟蹤、生產(chǎn)過程監(jiān)控,計(jì)劃、物流、質(zhì)量集成化管控下的均衡化混流生產(chǎn)。

  第三種模式是從個(gè)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(fèi)品制造領(lǐng)域,企業(yè)發(fā)展智能制造的重點(diǎn)在于充分滿足消費(fèi)者多元化需求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)生產(chǎn),側(cè)重通過互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)開展大規(guī)模個(gè)性定制模式創(chuàng)新。因此其智能工廠建設(shè)模式為:一是推進(jìn)個(gè)性化定制生產(chǎn),引入柔性化生產(chǎn)線,搭建互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái),促進(jìn)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(chǎn);二是推進(jìn)設(shè)計(jì)虛擬化,依托互聯(lián)網(wǎng)逆向整合設(shè)計(jì)環(huán)節(jié),打通設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、服務(wù)數(shù)據(jù)鏈,采用虛擬仿真技術(shù)優(yōu)化生產(chǎn)工藝;三是推進(jìn)制造網(wǎng)絡(luò)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(tái)為紐帶集聚產(chǎn)業(yè)鏈上下游資源,發(fā)展遠(yuǎn)程定制、異地設(shè)計(jì)、當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造新模式。
 
  智能工廠發(fā)展重點(diǎn)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(gè)行業(yè)或者領(lǐng)域迎來發(fā)展高潮。

  首先是虛擬仿真設(shè)計(jì)。隨著三維數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)的以經(jīng)驗(yàn)為主的模擬設(shè)計(jì)模式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榛谌S建模和仿真的虛擬設(shè)計(jì)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(yīng)用,避免傳統(tǒng)的“三維設(shè)計(jì)模型→二維紙質(zhì)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(zhuǎn)換,提高產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)效率,保證產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)質(zhì)量。

  隨著仿真技術(shù)的發(fā)展,原有的對(duì)工件幾何參數(shù)及干涉進(jìn)行校驗(yàn)的幾何仿真逐漸轉(zhuǎn)變成產(chǎn)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(shí)現(xiàn)在復(fù)雜虛擬環(huán)境下對(duì)產(chǎn)品運(yùn)行生產(chǎn)效果進(jìn)行仿真分析和驗(yàn)證,以達(dá)到產(chǎn)品開發(fā)周期和成本的最低化、產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量的最優(yōu)化和生產(chǎn)效率的最高化,增強(qiáng)企業(yè)的競爭能力。

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

  其次是網(wǎng)絡(luò)化智能設(shè)備。生產(chǎn)設(shè)備的智能化程度將在網(wǎng)絡(luò)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(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)設(shè)備智能化和柔性化制造方式這三個(gè)方面。
  隨著技術(shù)的進(jìn)步以及人工成本的逐漸上升,未來工廠內(nèi)所有工作逐漸由系統(tǒng)控制的核心生產(chǎn)設(shè)備來實(shí)現(xiàn),工作人員不直接參與生產(chǎn)第一線工作,只是從事一些新產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)工藝改進(jìn)、新機(jī)器設(shè)備發(fā)明創(chuàng)新等高質(zhì)量復(fù)雜勞動(dòng)。高度密集的生產(chǎn)設(shè)備將使未來智能工廠的生產(chǎn)成本逐漸降低,產(chǎn)品質(zhì)量將得到大幅提升。

  在生產(chǎn)設(shè)備智能化方面,生產(chǎn)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)助力未來工廠日益智能化。生產(chǎn)設(shè)備依托安全的生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)智能校正、智能診斷、智能控制、智能管理等功能和生產(chǎn)設(shè)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(chǎn)設(shè)備的應(yīng)用,使未來智能工廠生產(chǎn)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(jìn)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(dòng)力設(shè)備、航空航天、汽車等高端產(chǎn)品上的關(guān)鍵零部件的生產(chǎn)。

  再次是模塊化定制生產(chǎn)。多批次、小產(chǎn)量的生產(chǎn)盈利能力在模塊化生產(chǎn)方式下逐漸得到提升,產(chǎn)品日益滿足消費(fèi)者個(gè)性化需求,具體表現(xiàn)在模塊生產(chǎn)和模塊組裝這兩個(gè)方面。

  在模塊生產(chǎn)方面,生產(chǎn)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(chǎn)線將無法滿足客戶定制化需求而逐漸消失,可動(dòng)態(tài)組合的模塊化生產(chǎn)方式將成為主流。在模塊化生產(chǎn)方式下,產(chǎn)品被分解成無數(shù)個(gè)具有不同用途或性能的模塊。每個(gè)模塊將通過制造執(zhí)行系統(tǒng)被生產(chǎn)出來,杜絕未來智能工廠的浪費(fèi)環(huán)節(jié),保證質(zhì)量、優(yōu)化成本、縮短周期。

  在模塊組裝方面,標(biāo)準(zhǔn)化、通用化模塊之間的組合提升智能工廠定制化生產(chǎn)盈利能力。根據(jù)產(chǎn)品的性能、結(jié)構(gòu)選擇滿足需求的模塊,通過模塊結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化,將選取出的各模塊自由組裝出滿足客戶個(gè)性化需求的產(chǎn)品,使未來智能工廠產(chǎn)品的品種更豐富、功能更齊全、性能更穩(wěn)定。

  大數(shù)據(jù)化精益管理。產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)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(jià)值管理、精益生產(chǎn)和精益供應(yīng)鏈這三個(gè)方面。

  在客戶價(jià)值管理方面,基于大數(shù)據(jù)的客戶價(jià)值提升趨勢(shì)明顯。隨著移動(dòng)互聯(lián)、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)逐漸滲透到產(chǎn)品生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié),大數(shù)據(jù)配套軟硬件的日益完善,安全性和標(biāo)準(zhǔn)化程度的逐步提升,通過對(duì)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(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)呈現(xiàn)出眾包化發(fā)展趨勢(shì),同時(shí)產(chǎn)品售后服務(wù)得到不斷改進(jìn)和完善。

  在精益生產(chǎn)方面,基于大數(shù)據(jù)的生產(chǎn)制造日益精益化。制造企業(yè)通過實(shí)時(shí)收集生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的大數(shù)據(jù),對(duì)生產(chǎn)設(shè)備診斷、用電量、能耗、質(zhì)量事故等方面進(jìn)行分析與預(yù)測,能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的錯(cuò)誤與瓶頸并進(jìn)行優(yōu)化。通過運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù),未來智能工廠實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造的精益化,提升生產(chǎn)過程的透明度、綠色性、安全性和產(chǎn)品的質(zhì)量。

  在精益供應(yīng)鏈方面,基于大數(shù)據(jù)的供應(yīng)鏈優(yōu)化趨勢(shì)顯著。隨著大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)條件的日益成熟,制造企業(yè)能夠獲得完整的產(chǎn)品供應(yīng)鏈方面的大數(shù)據(jù),通過對(duì)這些大數(shù)據(jù)的分析,預(yù)測零配件價(jià)格走勢(shì)、庫存等情況,克服傳統(tǒng)供應(yīng)鏈中缺乏協(xié)調(diào)和信息共享等問題,避免牛鞭效應(yīng)的發(fā)生,實(shí)現(xiàn)供應(yīng)鏈的優(yōu)化。基于大數(shù)據(jù)的精益供應(yīng)鏈管理消減了智能工廠整個(gè)供應(yīng)鏈條中成本和浪費(fèi)情況,提升了倉儲(chǔ)和配送效率,實(shí)現(xiàn)了無庫存或庫存達(dá)到極小。

最后是柔性化新型人機(jī)交互。人與機(jī)器的信息交換方式隨著技術(shù)融合步伐的加快向更高層次邁進(jìn),新型人機(jī)交互方式被逐漸應(yīng)用于生產(chǎn)制造領(lǐng)域。具體表現(xiàn)在智能交互設(shè)備柔性化和智能交互設(shè)備工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用這兩個(gè)方面。

  在智能交互設(shè)備柔性化方面,技術(shù)和硬件的不斷更新有利于智能交互設(shè)備日益柔性化優(yōu)勢(shì)的形成。隨著移動(dòng)互聯(lián)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人機(jī)交互和識(shí)別技術(shù)等核心技術(shù)的發(fā)展,交互設(shè)備硬件日趨柔性化,智能交互設(shè)備逐漸呈現(xiàn)出設(shè)計(jì)自由新穎、低功耗、經(jīng)摔耐用、貼近人體等優(yōu)勢(shì),這就為未來智能工廠新型人機(jī)交互的實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。

  在智能交互設(shè)備工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用方面,柔性化智能交互設(shè)備助力智能工廠新型人機(jī)交互方式的實(shí)現(xiàn)。隨著技術(shù)融合步伐的加快,柔性化智能交互設(shè)備從個(gè)人消費(fèi)領(lǐng)域被逐漸引入到制造業(yè),作為生產(chǎn)線裝配及特殊環(huán)節(jié)工作人員的技術(shù)輔助工具,使工作人員與周邊的智能設(shè)備進(jìn)行語音、體感等新型交互。智能交互設(shè)備工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用,提升了未來智能工廠的透明度和靈活性。(來源:中國兩化融合網(wǎng))
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