智能工廠、數(shù)字化工廠與智能制造

 

　　不可忽視的是，往往很多企業(yè)在提及這些概念時，容易將這些概念混為一談，數(shù)字化工廠、智能工廠以及智能制造之間到底是否可以互相替換，這些概念之間是否存在區(qū)別？

　　數(shù)字化工廠

 

　　對于數(shù)字化工廠，德國工程師協(xié)會的定義是：

 

　　數(shù)字化工廠（DF）是由數(shù)字化模型、方法和工具構(gòu)成的綜合網(wǎng)絡(luò)，包含仿真和3D/虛擬現(xiàn)實可視化，通過連續(xù)的沒有中斷的數(shù)據(jù)管理集成在一起。數(shù)字化工廠集成了產(chǎn)品、過程和工廠模型數(shù)據(jù)庫，通過先進的可視化、仿真和文檔管理，以提高產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)過程所涉及的質(zhì)量和動態(tài)性能：

　　在國內(nèi)，對于數(shù)字化工廠接受度最高的定義是：

 

　　數(shù)字化工廠是在計算機虛擬環(huán)境中，對整個生產(chǎn)過程進行仿真、評估和優(yōu)化，并進一步擴展到整個產(chǎn)品生命周期的新型生產(chǎn)組織方式。是現(xiàn)代數(shù)字制造技術(shù)與計算機仿真技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，主要作為溝通產(chǎn)品設(shè)計和產(chǎn)品制造之間的橋梁。從定義中可以得出一個結(jié)論，數(shù)字化工廠的本質(zhì)是實現(xiàn)信息的集成。

 

　　智能工廠

 

　　智能工廠是在數(shù)字化工廠的基礎(chǔ)上，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和監(jiān)控技術(shù)加強信息管理服務(wù)，提高生產(chǎn)過程可控性、減少生產(chǎn)線人工干預(yù)，以及合理計劃排程。同時，集初步智能手段和智能系統(tǒng)等新興技術(shù)于一體，構(gòu)建高效、節(jié)能、綠色、環(huán)保、舒適的人性化工廠。

　　智能工廠已經(jīng)具有了自主能力，可采集、分析、判斷、規(guī)劃；通過整體可視技術(shù)進行推理預(yù)測，利用仿真及多媒體技術(shù)，將實境擴增展示設(shè)計與制造過程。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)、重組及擴充特性。已系統(tǒng)具備了自我學(xué)習(xí)、自行維護能力。因此，智能工廠實現(xiàn)了人與機器的相互協(xié)調(diào)合作，其本質(zhì)是人機交互。

 

　　智能制造

 

　　智能工廠是在數(shù)字化工廠基礎(chǔ)上的升級版，但是與智能制造還有很大差距。

 

　　智能制造系統(tǒng)在制造過程中能進行智能活動，諸如分析、推理、判斷、構(gòu)思和決策等。通過人與智能機器的合作，去擴大、延伸和部分地取代技術(shù)專家在制造過程中的腦力勞動。它把制造自動化擴展到柔性化、智能化和高度集成化。

　　智能制造系統(tǒng)不只是“人工智能系統(tǒng)，而是人機一體化智能系統(tǒng)，是混合智能。系統(tǒng)可獨立承擔(dān)分析、判斷、決策等任務(wù)，突出人在制造系統(tǒng)中的核心地位，同時在智能機器配合下，更好發(fā)揮人的潛能。機器智能和人的智能真正地集成在一起，互相配合，相得益彰。本質(zhì)是人機一體化。

　　國內(nèi)很多企業(yè)都在炒作智能制造，但是絕大多數(shù)企業(yè)還處在部分使用應(yīng)用軟件的階段，少數(shù)企業(yè)也只是實現(xiàn)了信息集成，也就是可以達到數(shù)字化工廠的水平；極少數(shù)企業(yè)，能夠?qū)崿F(xiàn)人機的有效交互，也就是達到智能工廠的水平。

 

　　走進三一重工18號廠房

 

　　三一18號廠房是亞洲最大的智能化制造車間，有混凝土機械、路面機械、港口機械等多條裝配線，是三一重工總裝車間。2008年開始籌建，2012年全面投產(chǎn)，總面積約十萬平方米。

　　三一重工總裝車間分為裝配區(qū)、高精機加區(qū)、結(jié)構(gòu)件區(qū)、立庫區(qū)、展示廳、景觀區(qū)六大功能區(qū)域；主要生產(chǎn)泵車、拖泵、車載泵和平地機、壓路機、攤鋪機、正面吊等產(chǎn)品。廠房規(guī)劃全面應(yīng)用數(shù)字化工廠仿真技術(shù)進行方案設(shè)計與驗證，此舉大大提高了規(guī)劃的科學(xué)性，及布局的合理性。

 

　　智能加工中心與生產(chǎn)線

 

　　三一重工在上海臨港產(chǎn)業(yè)園建成全球最大最先進的挖掘機生產(chǎn)基地，焊接機器人大規(guī)模投入使用，使得三一挖掘機的使用壽命大約翻了兩番，售后問題下降了四分之三。目前，三一重工已經(jīng)完成車間機加設(shè)備的研發(fā)采購與安裝調(diào)試。

　　▲智能加工中心與生產(chǎn)線

 

　　智能化立體倉庫和物流運輸系統(tǒng)

 

　　三一智能化立體倉庫由華中科大與三一聯(lián)合研制，總投資6000多萬元， 分南北兩個庫，由地下自動輸送設(shè)備連成一個整體，總占地面積9000平方米，倉庫容量大概是16000個貨位。這個庫區(qū)有幾千種物料，能支持每月數(shù)千臺產(chǎn)品的生產(chǎn)量。

　　▲自動配送物料的AGV小車

 

　　智能化生產(chǎn)執(zhí)行過程控制

 

　　三一集團制造執(zhí)行系統(tǒng)，它充分利用信息化技術(shù)，從生產(chǎn)計劃下達、物料配送、生產(chǎn)節(jié)拍、完工確認(rèn)、標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)指導(dǎo)、質(zhì)量管理、關(guān)重件條碼采集等多個維度進行管控，并通過網(wǎng)絡(luò)實時將現(xiàn)場信息及時準(zhǔn)確地傳達到生產(chǎn)管理者與決策者。

　　▲高度智能化的生產(chǎn)車間

 

　　智能化生產(chǎn)控制中心

 

　　采用了Andon系統(tǒng)之后，一旦發(fā)生問題，操作員可以在工作站拉一下繩索或者按一下按鈕，觸發(fā)相應(yīng)的聲音和點亮相應(yīng)的指示燈，提示監(jiān)督人員立即找出發(fā)生故障的地方以及故障的原因，可以減少停工時間同時又提高了生產(chǎn)效率。

 

　　智能工廠的智能化基因

 

　　在智能工廠里，人、機器和資源如同在一個社交網(wǎng)絡(luò)里自然地相互溝通協(xié)作，生產(chǎn)出來的智能產(chǎn)品能夠理解自己被制造的細節(jié)以及將如何使用，能夠回答”哪組參數(shù)被用來處理我“、”我應(yīng)該被傳送到哪里“等問題。

 

　　同時，智能輔助系統(tǒng)將從執(zhí)行例行任務(wù)中解放出來，使他們能夠?qū)Ｗ⒂趧?chuàng)新；靈活的工作組織能夠幫助工人把生活和工作實現(xiàn)更好地結(jié)合，個體顧客的需求將得到滿足。

 

　　三元戰(zhàn)略

 

　　美國與德國的工業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略核心均為CPS（Cyber- Physical System）系統(tǒng)，是典型的二元戰(zhàn)略。美國是C（Cyber，包括：數(shù)字、信息、網(wǎng)絡(luò)等虛擬世界）+P（Physical，包括機器、設(shè)備、設(shè)施等實體世界），德國是P+C，兩國均是基于高素質(zhì)勞動者、國家人力匱乏、企業(yè)高協(xié)同化、高法制化的基礎(chǔ)之上而提出的戰(zhàn)略！

　　▲三元戰(zhàn)略

 

　　而中國裝備水平較美國和德國有一定差距，數(shù)據(jù)采集分析決策能力也有局限，但中國具有人力資源優(yōu)勢，所以應(yīng)該充分挖掘人的作用。因此，中國制造企業(yè)推進工業(yè)發(fā)展不能完全照搬發(fā)達國家的二元戰(zhàn)略，更宜采用CPPS（Cyber-Person-Physical System）人機網(wǎng)三元戰(zhàn)略，充分體現(xiàn)人的能動作用。

 

　　六維智能

 

　　所謂“六維智能理論”，就是在設(shè)備聯(lián)網(wǎng)+遠程數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)智能化的生產(chǎn)過程管理與控制，從6個方面打造適合中國國情的智能工廠，這6個方面包括：

　　▲六維智能

 

　　智能計劃排產(chǎn)，是從計劃源頭上集成ERP，進行APS高級排產(chǎn)。

 

　　智能生產(chǎn)協(xié)同，從生產(chǎn)準(zhǔn)備過程上，實現(xiàn)物料、刀具、工裝、工藝的并行協(xié)同準(zhǔn)備。

 

　　智能的設(shè)備互聯(lián)互通，是CPS信息物理系統(tǒng)的典型體現(xiàn)，實現(xiàn)數(shù)字化生產(chǎn)設(shè)備的分布式網(wǎng)絡(luò)化通訊、程序集中管理、設(shè)備狀態(tài)的實時監(jiān)控等。

 

　　智能資源管理，包括對物料、設(shè)備、刀具、量具、夾具等生產(chǎn)資源進行精益化管理、庫存智能預(yù)警等。

 

　　智能質(zhì)量過程管控，是對影響產(chǎn)品質(zhì)量的生產(chǎn)工藝參數(shù)進行實時采集、控制，確保產(chǎn)品質(zhì)量。

 

　　智能決策支持，是基于大數(shù)據(jù)分析的決策支持，形成管理的閉環(huán)，以實現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的高效生產(chǎn)模式。

 

　　智能工廠核心架構(gòu)

 

　　工業(yè)4.0是什么？每個人站在不同的角度會有不同的理解，是互聯(lián)、集成（縱向、橫向、端到端）、數(shù)據(jù)、創(chuàng)新、服務(wù)、轉(zhuǎn)型或是CPS、是智能工廠、是智能制造亦或是國家戰(zhàn)略、企業(yè)目標(biāo)。工業(yè)4.0核心內(nèi)容就是建一個網(wǎng)絡(luò)、三項集成、大數(shù)據(jù)分析、八項計劃和研究兩個主題。

 

　　建一個網(wǎng)絡(luò)（CPS）

 

　　CPS讓物理設(shè)備具有計算、通信、精確控制、遠程協(xié)調(diào)和自治等五大功能，從而實現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡(luò)世界與現(xiàn)實物理世界的融合，將網(wǎng)絡(luò)空間的高級計算能力有效的運用于現(xiàn)實世界中，從而在生產(chǎn)制造過程中，與設(shè)計、開發(fā)、生產(chǎn)有關(guān)的所有數(shù)據(jù)將通過傳感器采集并進行分析，形成可自律操作的智能生產(chǎn)系統(tǒng)。

　　三個集成

 

　　工業(yè)4.0中的三項集成包括：橫向集成、縱向集成與端對端的集成。

　　▲圖片來自工業(yè)4.0研究院

 

　　工業(yè)4.0將無處不在的傳感器、嵌入式終端系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、通信設(shè)施通過CPS形成一個智能網(wǎng)絡(luò)，使人與人、人與機器、機器與機器以及服務(wù)與服務(wù)之間能夠互聯(lián)，從而實現(xiàn)橫向、縱向和端對端的高度集成，集成是實現(xiàn)工業(yè)4.0的重點也是難點。

 

　　數(shù)據(jù)處理：大數(shù)據(jù)分析

 

　　隨著信息物理系統(tǒng)的推廣，智能裝備和終端的普及以及各種各樣傳感器的使用，將會帶來無所不在的感知和無所不在的連接，所有的生產(chǎn)裝備、感知設(shè)備、聯(lián)網(wǎng)終端，包括生產(chǎn)者本身都在源源不斷地產(chǎn)生數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)將會滲透到企業(yè)運營、價值鏈乃至產(chǎn)品的整個生命周期，是工業(yè)4.0和制造革命的基石。

　　總體來說，工業(yè)4.0關(guān)注的企業(yè)數(shù)據(jù)分為四類：

 

　　產(chǎn)品相關(guān)的數(shù)據(jù)，俗稱企業(yè)主數(shù)據(jù)；

 

　　運營數(shù)據(jù)，一般稱為交易數(shù)據(jù)

 

　　整個價值鏈上的數(shù)據(jù)，如供應(yīng)商、分銷商、客戶等數(shù)據(jù)，也是屬于企業(yè)主數(shù)據(jù)管理的范疇對企業(yè)經(jīng)營分析有價值的外部數(shù)據(jù)。

 

　　智能工廠實施解決方案

 

　　西門子

 

　　西門子實現(xiàn)虛擬生產(chǎn)和與現(xiàn)實生產(chǎn)環(huán)境的融合，采用創(chuàng)新軟件、自動化技術(shù)、驅(qū)動技術(shù)及服務(wù)。

 

　　這些能夠縮短產(chǎn)品上市時間、提高生產(chǎn)效率和靈活性。

 

　　蘭光創(chuàng)新

 

　　在對數(shù)控設(shè)備進行DNC聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，以圖形化高級排產(chǎn)為技術(shù)核心，以機床的數(shù)據(jù)自動采集形成閉環(huán)管理，建成程序編制、物料準(zhǔn)備、刀具準(zhǔn)備等協(xié)同制造環(huán)境。

 

　　元工國際

 

　　元工制造執(zhí)行系統(tǒng)MES，是精益生產(chǎn)、數(shù)字化工廠、智慧工廠的支撐平臺； MES和SCM基于多年積累的智配平臺。

 

　　元工CPS是工業(yè)4.0的執(zhí)行平臺，支持多種物聯(lián)協(xié)議。

 

　　LG CNS

 

　　LG CNS通過AA （Advanced Analytics）解決方案， 為客戶提供從收集大數(shù)據(jù)到實現(xiàn)客戶業(yè)務(wù)為止的整合服務(wù)End-to-End 解決方案。

 

　　艾普工華

 

　　以MOM解決方案為主體，通過艾普工華MDI系統(tǒng)，提供國內(nèi)外主流的數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)與數(shù)字化管理系統(tǒng)的集成與咨詢實施服務(wù)，形成的一套離散制造業(yè)數(shù)字化工廠整體解決方案。