一、何謂智能工廠?

　　究竟何謂智能工廠?智能工廠具有以下六個(gè)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(shí)時(shí)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(shí)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(jìn)生產(chǎn)排程)、能源管理、質(zhì)量管理等工業(yè)軟件，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的可視化和透明化。在新建工廠時(shí)，可以通過數(shù)字化工廠仿真軟件，進(jìn)行設(shè)備和產(chǎn)線布局、工廠物流、人機(jī)工程等仿真，確保工廠結(jié)構(gòu)合理。在推進(jìn)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(dòng)化系統(tǒng)安全。在通過專業(yè)檢測(cè)設(shè)備檢出次品時(shí)，不僅要能夠自動(dòng)與合格品分流，而且能夠通過SPC(統(tǒng)計(jì)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(dòng)，拉動(dòng)式生產(chǎn)，盡量減少在制品庫存，消除浪費(fèi)。推進(jìn)智能工廠建設(shè)要充分結(jié)合企業(yè)產(chǎn)品和工藝特點(diǎn)。在研發(fā)階段也需要大力推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系列化，奠定推進(jìn)精益生產(chǎn)的基礎(chǔ)。

　　4. 實(shí)現(xiàn)柔性自動(dòng)化。結(jié)合企業(yè)的產(chǎn)品和生產(chǎn)特點(diǎn)，持續(xù)提升生產(chǎn)、檢測(cè)和工廠物流的自動(dòng)化程度。產(chǎn)品品種少、生產(chǎn)批量大的企業(yè)可以實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化，乃至建立黑燈工廠;小批量、多品種的企業(yè)則應(yīng)當(dāng)注重少人化、人機(jī)結(jié)合，不要盲目推進(jìn)自動(dòng)化，應(yīng)當(dāng)特別注重建立智能制造單元。工廠的自動(dòng)化生產(chǎn)線和裝配線應(yīng)當(dāng)適當(dāng)考慮冗余，避免由于關(guān)鍵設(shè)備故障而停線;同時(shí)，應(yīng)當(dāng)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(dòng)化對(duì)于實(shí)現(xiàn)智能工廠至關(guān)重要，企業(yè)可以通過AGV、行架式機(jī)械手、懸掛式輸送鏈等物流設(shè)備實(shí)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(cè)的自動(dòng)化也非常重要，機(jī)器視覺在智能工廠的應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛。此外，還需要仔細(xì)考慮如何使用助力設(shè)備，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

　　5. 注重環(huán)境友好，實(shí)現(xiàn)綠色制造。能夠及時(shí)采集設(shè)備和產(chǎn)線的能源消耗，實(shí)現(xiàn)能源高效利用。在危險(xiǎn)和存在污染的環(huán)節(jié)，優(yōu)先用機(jī)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)洞察。從生產(chǎn)排產(chǎn)指令的下達(dá)到完工信息的反饋，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)。通過建立生產(chǎn)指揮系統(tǒng)，實(shí)時(shí)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(jì)劃性停機(jī)。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(chǎng)的狀態(tài)，輔助各級(jí)管理人員做出正確決策。

　　僅有自動(dòng)化生產(chǎn)線和工業(yè)機(jī)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、透明化、可視化、精益化，而且，在產(chǎn)品檢測(cè)、質(zhì)量檢驗(yàn)和分析、生產(chǎn)物流等環(huán)節(jié)也應(yīng)當(dāng)與生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)閉環(huán)集成。一個(gè)工廠的多個(gè)車間之間也要實(shí)現(xiàn)信息共享、準(zhǔn)時(shí)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(jìn)制造技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、通信技術(shù)和人工智能技術(shù)。每個(gè)企業(yè)在建設(shè)智能工廠時(shí)，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(diǎn)和制造工藝緊密結(jié)合，確定自身的智能工廠推進(jìn)方案。

　　二、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(qiáng)調(diào)了MES系統(tǒng)在智能工廠建設(shè)中的樞紐作用。

　　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(gè)層級(jí)：

　　1、基礎(chǔ)設(shè)施層

　　企業(yè)首先應(yīng)當(dāng)建立有線或者無線的工廠網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)指令的自動(dòng)下達(dá)和設(shè)備與產(chǎn)線信息的自動(dòng)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(jī)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(duì)車間的環(huán)境，人員行為進(jìn)行監(jiān)控、識(shí)別與報(bào)警;此外，工廠應(yīng)當(dāng)在溫度、濕度、潔凈度的控制和工業(yè)安全(包括工業(yè)自動(dòng)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(dá)到智能化水平。

　　2、智能裝備層

　　智能裝備是智能工廠運(yùn)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(cè)設(shè)備和智能物流設(shè)備。制造裝備在經(jīng)歷了機(jī)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(bǔ)償、溫度補(bǔ)償?shù)裙δ?，能夠?qū)崿F(xiàn)邊檢測(cè)、邊加工。工業(yè)機(jī)器人通過集成視覺、力覺等傳感器，能夠準(zhǔn)確識(shí)別工件，自主進(jìn)行裝配，自動(dòng)避讓人，實(shí)現(xiàn)人機(jī)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(shí)實(shí)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(dòng)化立體倉庫、智能夾具、AGV、桁架式機(jī)械手、懸掛式輸送鏈等。例如，F(xiàn)anuc工廠就應(yīng)用了自動(dòng)化立體倉庫作為智能加工單元之間的物料傳遞工具

　　ABB的Yumi協(xié)作機(jī)器人

　　3、智能產(chǎn)線層

　　智能產(chǎn)線的特點(diǎn)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(dòng)進(jìn)行生產(chǎn)、質(zhì)量、能耗、設(shè)備績(jī)效(OEE)等數(shù)據(jù)采集，并通過電子看板顯示實(shí)時(shí)的生產(chǎn)狀態(tài);通過安燈系統(tǒng)實(shí)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(shí)現(xiàn)柔性自動(dòng)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(duì)人工操作的工位，能夠給予智能的提示。

　　4、智能車間層

　　要實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)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(jìn)生產(chǎn)排產(chǎn)(APS)、勞動(dòng)力管理等軟件進(jìn)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(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的追溯，減少在制品庫存，應(yīng)用人機(jī)界面(HMI)，以及工業(yè)平板等移動(dòng)終端，實(shí)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(shí)時(shí)地展現(xiàn)出來，不僅提供車間的VR(虛擬現(xiàn)實(shí))環(huán)境，而且還可以顯示設(shè)備的實(shí)際狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)融合。

　　車間物流的智能化對(duì)于實(shí)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(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程中所需物料的及時(shí)配送。企業(yè)可以用DPS系統(tǒng)(Digital Picking System)實(shí)現(xiàn)物料揀選的自動(dòng)化。

　　5、工廠管控層

　　工廠管控層主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的監(jiān)控，通過生產(chǎn)指揮系統(tǒng)實(shí)時(shí)洞察工廠的運(yùn)營(yíng)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)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(jìn)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(shí)時(shí)顯示工廠的運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)和圖表，展示設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并可以通過圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)視頻監(jiān)控中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警。

　　美的工廠的生產(chǎn)監(jiān)控中心

　　智能工廠五級(jí)金字塔