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淺析智能工廠主要建設(shè)模式和國(guó)內(nèi)外建設(shè)現(xiàn)狀

2018-09-14 09:47:40 2223

智能工廠是實(shí)現(xiàn)智能制造的重要載體,主要通過(guò)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(guò)程的智能化。智能工廠已經(jīng)具有了自主能力,可采集、分析、判斷、規(guī)劃;通過(guò)整體可視技術(shù)進(jìn)行推理預(yù)測(cè),利用仿真及多媒體技術(shù),將實(shí)境擴(kuò)增展示設(shè)計(jì)與制造過(guò)程。系統(tǒng)中各組成部分可自行組成最佳系統(tǒng)結(jié)構(gòu),具備協(xié)調(diào)、重組及擴(kuò)充特性。已系統(tǒng)具備了自我學(xué)習(xí)、自行維護(hù)能力。因此,智能工廠實(shí)現(xiàn)了人與機(jī)器的相互協(xié)調(diào)合作,其本質(zhì)是人機(jī)交互。


一、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(guò)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(guò)程數(shù)字化,在生產(chǎn)制造、過(guò)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(guò)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(yíng)管理、采購(gòu)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(gòu)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(zhǎng)。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(guò)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(yíng)的無(wú)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(jìng)爭(zhēng)力。

例如,廣州數(shù)控通過(guò)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(guò)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(guò)程的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集分析和故障監(jiān)測(cè)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(guò)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(cāng)庫(kù)與AGV運(yùn)輸軟硬件系統(tǒng)、基于RFID設(shè)備及無(wú)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(cè)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(guò)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(guò)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。

二、國(guó)內(nèi)外智能工廠建設(shè)的現(xiàn)狀

近年來(lái),全球各主要經(jīng)濟(jì)體都在大力推進(jìn)制造業(yè)的復(fù)興。在工業(yè)4.0、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)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(shí)踐。

例如,西門子安貝格電子工廠實(shí)現(xiàn)了多品種工控機(jī)的混線生產(chǎn);FANUC公司實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人和伺服電機(jī)生產(chǎn)過(guò)程的高度自動(dòng)化和智能化,并利用自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)在車間內(nèi)的各個(gè)智能制造單元之間傳遞物料,實(shí)現(xiàn)了最高720小時(shí)無(wú)人值守;施耐德電氣實(shí)現(xiàn)了電氣開關(guān)制造和包裝過(guò)程的全自動(dòng)化;美國(guó)哈雷戴維森公司廣泛利用以加工中心和機(jī)器人構(gòu)成的智能制造單元,實(shí)現(xiàn)大批量定制;三菱電機(jī)名古屋制作所采用人機(jī)結(jié)合的新型機(jī)器人裝配產(chǎn)線,實(shí)現(xiàn)從自動(dòng)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(jìn)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。

當(dāng)前,我國(guó)制造企業(yè)面臨著巨大的轉(zhuǎn)型壓力。一方面,勞動(dòng)力成本迅速攀升、產(chǎn)能過(guò)剩、競(jìng)爭(zhēng)激烈、客戶個(gè)性化需求日益增長(zhǎng)等因素,迫使制造企業(yè)從低成本競(jìng)爭(zhēng)策略轉(zhuǎn)向建立差異化競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。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(shí)現(xiàn)減員增效,迫切需要推進(jìn)智能工廠建設(shè)。另一方面,物聯(lián)網(wǎng)、協(xié)作機(jī)器人、增材制造、預(yù)測(cè)性維護(hù)、機(jī)器視覺(jué)等新興技術(shù)迅速興起,為制造企業(yè)推進(jìn)智能工廠建設(shè)提供了良好的技術(shù)支撐。再加上國(guó)家和地方政府的大力扶持,使各行業(yè)越來(lái)越多的大中型企業(yè)開啟了智能工廠建設(shè)的征程。

我國(guó)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(duì)生產(chǎn)和裝配線進(jìn)行自動(dòng)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(jī)工廠可以實(shí)現(xiàn)按訂單配置、生產(chǎn)和裝配,采用高柔性的自動(dòng)無(wú)人生產(chǎn)線,廣泛應(yīng)用精密裝配機(jī)器人,采用MES系統(tǒng)全程訂單執(zhí)行管理系統(tǒng),通過(guò)RFID進(jìn)行全程追溯,實(shí)現(xiàn)了機(jī)機(jī)互聯(lián)、機(jī)物互聯(lián)和人機(jī)互聯(lián);尚品宅配實(shí)現(xiàn)了從款式設(shè)計(jì)到構(gòu)造尺寸的全方位個(gè)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(fèi)者個(gè)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(guó)產(chǎn)加工中心、國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)和國(guó)產(chǎn)工業(yè)軟件,實(shí)現(xiàn)了設(shè)備數(shù)據(jù)的自動(dòng)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(jī)殼加工的智能工廠。

但是,我國(guó)制造企業(yè)在推進(jìn)智能工廠建設(shè)方面,還存在諸多問(wèn)題與誤區(qū):

① 盲目購(gòu)買自動(dòng)化設(shè)備和自動(dòng)化產(chǎn)線。很多制造企業(yè)仍然認(rèn)為推進(jìn)智能工廠就是自動(dòng)化和機(jī)器人化,盲目追求“黑燈工廠”,推進(jìn)單工位的機(jī)器人改造,推行機(jī)器換人,上馬只能加工或裝配單一產(chǎn)品的剛性自動(dòng)化生產(chǎn)線。只注重購(gòu)買高端數(shù)控設(shè)備,但卻沒(méi)有配備相應(yīng)的軟件系統(tǒng)。

② 尚未實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和車間聯(lián)網(wǎng)。企業(yè)在購(gòu)買設(shè)備時(shí)沒(méi)有要求開放數(shù)據(jù)接口,大部分設(shè)備還不能自動(dòng)采集數(shù)據(jù),沒(méi)有實(shí)現(xiàn)車間聯(lián)網(wǎng)。目前,各大自動(dòng)化廠商都有自己的工業(yè)總線和通信協(xié)議,OPC UA標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用還不普及。

③ 工廠運(yùn)營(yíng)層還是黑箱。在工廠運(yùn)營(yíng)方面還缺乏信息系統(tǒng)支撐,車間仍然是一個(gè)黑箱,生產(chǎn)過(guò)程還難以實(shí)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(shí)數(shù)據(jù)也不準(zhǔn)確。

④ 設(shè)備績(jī)效不高。生產(chǎn)設(shè)備沒(méi)有得到充分利用,設(shè)備的健康狀態(tài)未進(jìn)行有效管理,常常由于設(shè)備故障造成非計(jì)劃性停機(jī),影響生產(chǎn)。

⑤ 依然存在大量信息化孤島和自動(dòng)化孤島。智能工廠建設(shè)涉及到智能裝備、自動(dòng)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(dòng)化孤島,自動(dòng)化生產(chǎn)線沒(méi)有進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃,生產(chǎn)線之間還需要中轉(zhuǎn)庫(kù)轉(zhuǎn)運(yùn)。

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(fù)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(jìn),搞“大躍進(jìn)”,以免造成企業(yè)的投資打水漂。應(yīng)當(dāng)依托有實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)的咨詢服務(wù)機(jī)構(gòu),結(jié)合企業(yè)內(nèi)部的IT、自動(dòng)化和精益團(tuán)隊(duì),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(jìn),才能取得實(shí)效。


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