從傳統(tǒng)工廠到數(shù)字化、智能化工廠

【摘要】信息技術(shù)在工廠的生產(chǎn)和經(jīng)營管理過程發(fā)揮著越來越廣泛的作用。信息技術(shù)與制造技術(shù)的結(jié)合，產(chǎn)生了新的生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)模式，數(shù)字化工廠、智能化工廠就是其中的典型代表。實(shí)踐應(yīng)用表明，數(shù)字化工廠、智能化工廠可以縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，優(yōu)化生產(chǎn)制造，提高協(xié)同工作能力，降低成本。

【關(guān)鍵詞】工廠；數(shù)字化；智能化；制造；設(shè)備

1.引言

工廠在經(jīng)歷了最初手工操作、人工控制的階段后，進(jìn)入儀表控制階段。隨著系統(tǒng)控制的改進(jìn)提升，智能控制系統(tǒng)（如DCS、PLC等）已經(jīng)廣泛應(yīng)用，大大提高了控制精度和可靠性。同時(shí)，以計(jì)算機(jī)為代表的信息技術(shù)在工廠生產(chǎn)經(jīng)營管理過程應(yīng)用越來越廣泛，從最初的模擬計(jì)算、會計(jì)電算化等部門級單項(xiàng)應(yīng)用，發(fā)展到MRP、CIMS、ERP、MES、PLM等企業(yè)級綜合應(yīng)用。自控技術(shù)、信息技術(shù)、通信技術(shù)等在工廠設(shè)計(jì)、生產(chǎn)執(zhí)行、經(jīng)營管理等方面的應(yīng)用，為構(gòu)建數(shù)字化工廠提供了技術(shù)條件。本世紀(jì)以來，企業(yè)和社會紛紛提出數(shù)字化的目標(biāo)，取得了不少成功經(jīng)驗(yàn)和案例。同時(shí)，以智能設(shè)備和智能終端為基礎(chǔ)的智能化技術(shù)也在工廠推廣應(yīng)用，智能化工廠成為企業(yè)信息化的新熱點(diǎn)。

2.工廠的特點(diǎn)與需求

工廠又稱制造廠，顧名思義常規(guī)的工廠屬于制造業(yè)?，F(xiàn)代化的工廠一般都擁有以機(jī)器設(shè)備構(gòu)成的生產(chǎn)線，按照市場需求或訂單投入一定的資源（如物料、設(shè)備、能源等），按照生產(chǎn)工藝經(jīng)過一系列物理或變換，得到目標(biāo)產(chǎn)品，提供給社會?，F(xiàn)代的大中型工廠是一個(gè)分工精細(xì)的復(fù)雜機(jī)構(gòu)，需要根據(jù)產(chǎn)品訂單和原料供應(yīng)情況，精確計(jì)算投入的原料量、生產(chǎn)工藝、加工條件、能源需求，精確調(diào)度設(shè)備和人力資源，通過計(jì)劃、調(diào)度、控制、協(xié)調(diào)等一系列手段，把各個(gè)部門、各個(gè)環(huán)節(jié)、各種資源統(tǒng)籌優(yōu)化，合理安排產(chǎn)品生產(chǎn)進(jìn)度，保證產(chǎn)品質(zhì)量，控制產(chǎn)品成本，提高勞動生產(chǎn)率和效益。

從生產(chǎn)工藝角度工廠可分為離散型生產(chǎn)和流程型生產(chǎn)。裝備制造、汽車、造船、電子等行業(yè)屬于離散型工業(yè)，其特點(diǎn)是加工裝配式生產(chǎn)。煉油、化工、冶金、制藥等行業(yè)都是連續(xù)型流程工業(yè)，其特點(diǎn)是一種從原料通過物理變化和化學(xué)變化，以連續(xù)生產(chǎn)方式到產(chǎn)品。從近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展看，工廠基本沿兩條路線發(fā)展：一是依靠傳統(tǒng)制造技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，二是借助自動化和計(jì)算機(jī)等技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展。上世界八十年代以來，信息技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，在工廠生產(chǎn)經(jīng)營管理過程中發(fā)揮的作用越來越顯著。信息技術(shù)等新興技術(shù)與傳統(tǒng)的制造技術(shù)相融合，產(chǎn)生了新型生產(chǎn)制造方式與信息系統(tǒng)，數(shù)字化工廠、智能化工廠就是新型生產(chǎn)方式的典型表現(xiàn)形式。

3.數(shù)字化工廠的發(fā)展與實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)字化的概念

數(shù)據(jù)是人們利用規(guī)定的符號對現(xiàn)實(shí)世界的事物及其活動所做的抽象描述和記錄，將數(shù)據(jù)以有意義的形式加以排列和處理，就形成了信息。記錄數(shù)據(jù)最常用的是數(shù)字，如在數(shù)學(xué)語言中通用的是阿拉伯?dāng)?shù)字，二進(jìn)制的“0”和“1”是計(jì)算機(jī)處理語言的基礎(chǔ)。數(shù)字化是將各種形式的信息轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢远攘康臄?shù)據(jù)，再以這些數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立起適當(dāng)?shù)臄?shù)字化模型，把它們轉(zhuǎn)變?yōu)橐幌盗卸M(jìn)制代碼，引入計(jì)算機(jī)內(nèi)部，進(jìn)行統(tǒng)一處理和應(yīng)用。

3.2 數(shù)字化工廠的發(fā)展

隨著以計(jì)算機(jī)為核心的數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于制造業(yè)，逐步產(chǎn)生了數(shù)字化工廠的概念。數(shù)字化工廠是將真實(shí)有形的工廠映射到虛擬的網(wǎng)絡(luò)中，形成一個(gè)與現(xiàn)實(shí)工廠相對應(yīng)的，其功能可以局部或全部模擬工廠行為的系統(tǒng)，可以反映或預(yù)測工廠真實(shí)的結(jié)果。數(shù)字化工廠最初側(cè)重于企業(yè)內(nèi)部微觀過程數(shù)字化，主要是對產(chǎn)品生產(chǎn)過程機(jī)理知識的獲取，以及進(jìn)行生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)和優(yōu)化控制，即通過虛擬制造技術(shù)對生產(chǎn)過程仿真，提前解決實(shí)際生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的問題。隨著技術(shù)的進(jìn)步與功能的擴(kuò)展，形成廣義的數(shù)字化工廠，即利用集成的信息技術(shù)優(yōu)化整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與性能，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)運(yùn)營和管理的數(shù)字化。

數(shù)字化工廠最初起源于數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，其代表技術(shù)是CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）、CAM（計(jì)算機(jī)輔助制造）、CAE（計(jì)算機(jī)輔助工程）、CAPP（計(jì)算機(jī)輔助工藝過程設(shè)計(jì)）和PDM（產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理），目的是解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)和產(chǎn)品制造之間的“鴻溝”。通過對生產(chǎn)過程的模擬，使生產(chǎn)制造過程在數(shù)字空間中得以檢驗(yàn)，縮短從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化時(shí)間，優(yōu)化生產(chǎn)線配置和布局，減少生產(chǎn)線準(zhǔn)備和停機(jī)時(shí)間，提高產(chǎn)品質(zhì)量。在廣義的數(shù)字化工廠中，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)數(shù)字化、制造裝備數(shù)字化、生產(chǎn)過程數(shù)字化、管理數(shù)字化，上至宏觀戰(zhàn)略決策、下到具體業(yè)務(wù)操作都采用數(shù)字化管理方法和手段。

圖1 數(shù)字化工廠設(shè)計(jì)與運(yùn)營

圖2 數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)

3.3 數(shù)字化工廠的應(yīng)用

數(shù)字化工廠是由數(shù)字化模型、方法和工具構(gòu)成的綜合應(yīng)用系統(tǒng)，通過連續(xù)的數(shù)據(jù)集成，對真實(shí)工廠進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)的仿真，進(jìn)行數(shù)字化綜合集成應(yīng)用。數(shù)字化工廠概念和產(chǎn)品出現(xiàn)后，許多制造企業(yè)進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用，取得了不少的成功案例。波音公司采用數(shù)字化工廠技術(shù)縮短飛機(jī)設(shè)計(jì)與制造時(shí)間、減少產(chǎn)品缺陷，大幅度降低成本。歐洲空中客車公司在A380飛機(jī)研制過程，應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)，建立了基于PLM（產(chǎn)品生命周期管理）的全球設(shè)計(jì)制造管理信息平臺，實(shí)現(xiàn)了分散在30個(gè)國家的1500家零部件生產(chǎn)商和供應(yīng)商之間的網(wǎng)絡(luò)協(xié)同，讓所有合作伙伴在統(tǒng)一的數(shù)字化平臺下協(xié)同地開展數(shù)字化方式的設(shè)計(jì)、制造、測試飛機(jī)零部件和飛機(jī)裝配過程?？导鸭瘓F(tuán)通過數(shù)字化工廠，減少了90%的手工操作錯(cuò)誤，節(jié)約30%的產(chǎn)品研發(fā)費(fèi)用。在國內(nèi)外一些領(lǐng)先的煉油企業(yè)，全面集成各種現(xiàn)場數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測，動態(tài)預(yù)警，精細(xì)化生產(chǎn)運(yùn)行管理和操作執(zhí)行。如美國瓦萊羅（Valero）能源公司通過數(shù)字化工廠平臺，實(shí)時(shí)監(jiān)控20000個(gè)數(shù)據(jù)流的情況，對所有信息進(jìn)行實(shí)時(shí)匯總，并可實(shí)時(shí)報(bào)警顯示，通過電子儀表盤可以知道每桶油的能耗是否超過了計(jì)劃用量，工廠每年可以節(jié)能1.2億美元到2億美元的成本。

4.智能化工廠的概念與特征

4.1 智能化工廠的概念

如果說數(shù)字化是信息化的基本階段，那么智能化是信息化的高級階段。智能化的概念很早就有，我們所熟知的機(jī)器人就是智能化產(chǎn)品的代表。智能化是指使對象具備靈敏準(zhǔn)確的感知功能、正確的思維與判斷功能以及行之有效的執(zhí)行功能而進(jìn)行的工作。如今智能化的概念逐漸滲透到社會生活的各個(gè)方面，出現(xiàn)了智能電網(wǎng)、智能交通、智能物流、智能工廠等。

智能化在企業(yè)的應(yīng)用形式是建立智能化系統(tǒng)，即利用現(xiàn)代通信技術(shù)、軟件技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能控制技術(shù)等匯集而成的針對某一個(gè)方面應(yīng)用的智能集合。智能工廠是通過智能設(shè)備和模型驅(qū)動而構(gòu)造的智能制造模式，是智能系統(tǒng)與其它學(xué)科互相交織而在工廠的綜合應(yīng)用，包括智能控制、智能測量與診斷、智能設(shè)計(jì)、智能加工、智能調(diào)度等。在流程行業(yè)廣泛應(yīng)用的先進(jìn)控制系統(tǒng)是一種基于模型，以系統(tǒng)辨識、最優(yōu)控制、最優(yōu)估計(jì)等為基礎(chǔ)的一種智能控制系統(tǒng)，可以改善過程動態(tài)控制的性能，減少過程變量的波動幅度，保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高目標(biāo)產(chǎn)品收率。中石化燕山石化公司歷時(shí)五年建成的乙烯APC系統(tǒng)是中國石化第一套乙烯全流程先進(jìn)過程控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)自動將裝置總處理量實(shí)時(shí)推向最大化，每年可提高產(chǎn)量2%左右。

4.2 智能化工廠的主要特征

智能化工廠是采用智能技術(shù)的生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)模式，以智能系統(tǒng)為載體和平臺，代替人的部分活動。智能化強(qiáng)調(diào)整體自組織能力與個(gè)體的自主性，系統(tǒng)的建模需要大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的仿真需要實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)支持，系統(tǒng)要具備一定的容錯(cuò)能力，并具有學(xué)習(xí)能力。通過與物聯(lián)網(wǎng)、移動應(yīng)用、虛擬現(xiàn)實(shí)等新技術(shù)結(jié)合，不斷將智能化工廠的功能擴(kuò)展。智能化工廠主要特征如下。

（1）自組織能力

系統(tǒng)具有思維能力，即具有處理和再生信息的能力，通過模型和知識庫及相關(guān)規(guī)則，進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)思維、邏輯思維或創(chuàng)造性思維，從而使系統(tǒng)具有智能的行動和反應(yīng)能力，支持快速的智能管理決策，使生產(chǎn)操作更加智能和可控。

（2）自學(xué)習(xí)和調(diào)整

系統(tǒng)可以從專家和知識庫直接獲取知識，可以依據(jù)指令、狀態(tài)變化和工作任務(wù)，學(xué)習(xí)和積累相關(guān)知識，完善和改進(jìn)控制策略，在信息不完整或出現(xiàn)誤差時(shí)，可以自我判斷、自我調(diào)整，具有容錯(cuò)能力。

（3）廣泛的互聯(lián)互通

通過物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)物與物、人與物的互聯(lián)，通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)外信息互聯(lián)互通，通過傳感器與工業(yè)無線網(wǎng)通信技術(shù)、WI-FI通信技術(shù)、RFID通信技術(shù)、以及3G、4G通信技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)傳遞，保證系統(tǒng)運(yùn)行的有效性，使各級用戶得到工廠真實(shí)的信息，可以遠(yuǎn)程監(jiān)視現(xiàn)場狀態(tài)。

（4）全面實(shí)時(shí)的感知

RFID、傳感器等感知設(shè)備廣泛應(yīng)用。由傳感器構(gòu)成信息感知單元，感知了物體的信息，RFID賦予物體電子編碼，構(gòu)成了完整的感知網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自動采集。智能傳感器精度更高，具有判斷、分析和信息處理能力，具備良好的可靠和穩(wěn)定性，并能夠自我管理。

（5）模擬與預(yù)測

模型是智能系統(tǒng)的基礎(chǔ)之一，通過模型可以在工廠投產(chǎn)進(jìn)行模擬，檢查缺陷，完善設(shè)計(jì)和施工；在工廠運(yùn)營過程中對生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)運(yùn)營、能源消耗等模擬，對工廠運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行描述和預(yù)測，發(fā)現(xiàn)瓶頸和問題，給出調(diào)整和改造建議。

（6）智能維護(hù)管理

通過對現(xiàn)場設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控和建模分析，可以自動生成維修計(jì)劃，系統(tǒng)會自動提醒管理人員及時(shí)對設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，預(yù)防事故的發(fā)生。設(shè)備資產(chǎn)具有唯一的識別碼，可以自動跟蹤資產(chǎn)的數(shù)量和位置，合理安排采購計(jì)劃和庫存。

5.結(jié)束語

傳統(tǒng)工廠采用先進(jìn)的工藝技術(shù)和設(shè)備，先進(jìn)的自動化控制系統(tǒng)及先進(jìn)的管理方法，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化。以計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)為代表的信息技術(shù)覆蓋到工廠各個(gè)環(huán)節(jié)，以數(shù)字化工廠為目標(biāo)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)、生產(chǎn)制造、經(jīng)營管理、辦公管理等方面數(shù)字化、信息化水平不斷提高。

隨著智能技術(shù)的發(fā)展，智能化系統(tǒng)在工廠逐步推廣應(yīng)用。通過智能系統(tǒng)驅(qū)動智能設(shè)備，實(shí)現(xiàn)智能設(shè)計(jì)、智能操作、智能調(diào)度、智能生產(chǎn)、智能維護(hù)與管理等，使生產(chǎn)、經(jīng)營管理的一體化、集成化水平進(jìn)一步提高，并向柔性化、敏捷化、虛擬化發(fā)展。隨著技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用的深入，數(shù)據(jù)化工廠與智能化工廠互相交融，自動化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、模型化、智能化等綜合集成應(yīng)用，為建立內(nèi)外協(xié)同的信息平臺，提高企業(yè)工作效率和競爭能力，提供全面的支撐。

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