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價值鏈的智能化和創新，是信息化與工業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；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，智能制造系統具有數據采集、數據處理、數據分析的能力，能夠準確執行指令，能夠實現閉環反饋；而智能制造的趨勢是真正實現“Intelligent”，智能制造系統能夠實現自主學習、自主決策，不斷優化。

? ? ? ? 當前，智能制造成為業界關注的熱點。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，發布了國家智能制造標準體系建設指南（2015版），很多企業躍躍欲試，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，容易讓制造企業無所適從。因此，我想站在制造企業的角度，來系統地分析一下這個問題，希望能夠起到正本清源的作用。可以肯定的是，智能制造的“制造”二字，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、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節都基于數字化軟件和自動化系統進行支撐，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（制造執行系統）軟件、WMS（倉儲管理系統）軟件的支撐。

　　3、智能工廠（Smart Factory）： 智能工廠目前沒有統一一致的定義。按照業務流程專家Scheer教授的觀點，工業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。SAP有一個MII系統（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帶來商業模式的創新；智能裝備、智能產線、智能車間到智能工廠，可以幫助企業實現生產模式的創新;智能研發、智能管理、智能物流與供應鏈則可以幫助企業實現運營模式的創新；而智能決策則可以幫助企業實現科學決策。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監測，為實現智能服務打下基礎。

　　2.智能服務

　　基于傳感器和物聯網（IoT），可以感知產品的狀態，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，幫助客戶帶來商業機會。還可以采集產品運營的大數據，輔助企業進行市場營銷的決策。此外，企業通過開發面向客戶服務的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之一。而智能服務最著名的案例，莫過于美國GE公司將賣發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境的要求很高，現在由于有了閉環的檢測與補償，可以降低對環境的要求。智能裝備一個最基本的要求，就是要提供開放的數據接口，能夠支持設備聯網，國外叫做M2M（機器與機器互聯）。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、主軸監測、維護保養、工作臺動態平衡性及語音導航等智能化功能，可以自行監控機床運轉狀態，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。對于工業機器人，如果是單純按照固定指令執行噴涂、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化、工藝曲線的二級閉環控制等方法，成功開發出智能型注射機。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

　　很多行業的企業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，裝備制造企業目前還是以離散制造為主。很多企業的技術改造重點，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，工業機器人、吊掛系統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。食品飲料行業的自動化生產線可以根據工藝配方調整DCS或PLC系統來改變工藝路線，從而生產多種產品。汽車行業正在推行安燈系統，實現生產線的故障報警。汽車行業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、軌道交通等行業的企業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的應用還處于起步階段，但必然是發展的方向。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;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、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，制造執行系統（MES）成為企業的必然選擇。

　　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、蘭光創新、廣州速威等廠商也非常活躍。此外，先進生產排程（APS）系統也已經進入了制造企業選型的視野，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（蘭光創新經銷），國內的永凱、安達發、易普優等，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，國家有強制性的追溯要求，需要通過GMP等行業認證，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，可以幫助企業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，純離散制造企業也可以應用MES系統，但是，MES系統的應用與企業的生產模式息息相關。如果純離散的制造企業實施了MES之后，又改造為自動化或智能產線，那么MES系統可能會推到重來。因此，企業進行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，可以通過DNC技術實現設備狀態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了一個智能網關，可以將基于不同廠商通訊協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。元工國際聯合亞控、航星、中科川思特和研華，推出了設備聯網解決方案，一個平臺可以聯網PLC、CNC、機器人、儀表/傳感器和工控/IT系統，統一組態監控和三維實況，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）環境，而且還可以顯示設備的實際狀態，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，就是視頻監控系統不僅記錄視頻，還可以對車間的環境，人員行為進行監控、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安全（包括工業自動化系統的安全、生產環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，大型企業有多個工廠。前文已經提到了智能工廠與數字化工廠的區別，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、協同作業。一些離散制造企業也建立了類似流程制造企業那樣的生產指揮中心，對整個工廠進行指揮和調度，及時發現和解決突發問題，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支撐，主要包括PLM、ERP、CRM、SCM和MES五大核心系統。大型企業的智能工廠需要應用ERP系統制定多個車間的生產計劃（Production planning），并由MES系統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是一個企業級的實時信息系統，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新實踐。還有一些企業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，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，從而提高作業人員的工作效率。

　　最近，美國GE公司宣布將工業互聯網平臺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平臺，GE力圖搶占“工業操作系 統”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（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。