打造“智慧工廠” 設(shè)備裝備大有可為

文/曉雷

打造“智慧工廠” 設(shè)備裝備大有可為

文/曉雷

開欄的話：去年《中德合作行動綱要》的發(fā)表，使工業(yè)4.0開始走向前臺，聚集了無數(shù)的目光，成為行業(yè)熱議的話題。在解讀酷似我國“兩化融合”這個異國概念的同時，本刊不禁再一次關(guān)注我國推進(jìn)已久的兩化融合；關(guān)注現(xiàn)今信息化發(fā)展對于工業(yè)化發(fā)展的推動和影響；關(guān)注正在國內(nèi)逐漸興起的、與推進(jìn)兩化融合息息相關(guān)的“智慧工廠”的建設(shè)；關(guān)注在這個充滿了產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級變革的時代，國有設(shè)備裝備的智能化管理大課題。

針對智能化管理大課題的探索踐行，本刊自本期起，將深入各大企業(yè)進(jìn)行重點(diǎn)報道，敬請期待。

近日，安徽合肥市兩化融合工作又取得新成果。由合肥市經(jīng)信委評出的首批智慧工廠，江淮汽車、京東方、皖維集團(tuán)3家企業(yè)在15家申報企業(yè)中脫穎而出，成為合肥市首批“智慧工廠”。

“智慧工廠”是現(xiàn)代工廠信息化發(fā)展的新階段。是在數(shù)字化工廠的基礎(chǔ)上，利用物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)和設(shè)備監(jiān)控技術(shù)加強(qiáng)信息管理和服務(wù)；清楚掌握產(chǎn)銷流程、提高生產(chǎn)過程的可控性、減少生產(chǎn)線上人工的干預(yù)、即時正確地采集生產(chǎn)線數(shù)據(jù)，以及合理的編排生產(chǎn)計劃、調(diào)整生產(chǎn)進(jìn)度；再加上綠色智能的手段和智能系統(tǒng)等新興技術(shù)于一體，構(gòu)建一個高效節(jié)能的、綠色環(huán)保的、環(huán)境舒適的人性化工廠。

設(shè)備裝備作為“智慧工廠”的核心部件，無疑面臨著智能管理的大課題。

智能制造：工業(yè)發(fā)展主攻方向

在過去的一年里，中德兩國作為戰(zhàn)略伙伴，互訪頻繁，合作日趨緊密。2014年10月10日，國務(wù)院總理李克強(qiáng)在柏林同德意志聯(lián)邦共和國總理安格拉?默克爾共同主持第三輪中德政府磋商，發(fā)表《中德合作行動綱要：共塑創(chuàng)新》（以下簡稱《綱要》）。

《綱要》共計110條，涵蓋了政治、經(jīng)濟(jì)、文化、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、文明等領(lǐng)域。其中“工業(yè)4.0合作”內(nèi)容有4條，明確提出工業(yè)生產(chǎn)的數(shù)字化（“工業(yè)4.0”）對于未來中德經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重大意義。雙方明確了開展該領(lǐng)域合作的牽頭部門，并決定建立中德“工業(yè)4.0”對話，歡迎兩國企業(yè)在該領(lǐng)域開展自愿、平等的互利合作，支持兩國企業(yè)集團(tuán)及行業(yè)協(xié)會之間加強(qiáng)交流。為此，兩國政府將提供更為有利的框架條件和政策支持，并在中德標(biāo)準(zhǔn)化合作委員會框架下著眼“工業(yè)4.0”開展更具系統(tǒng)性和戰(zhàn)略性的合作。

雙方還將以中國擔(dān)任2015年德國漢諾威消費(fèi)電子、信息及通信博覽會（CeBIT）合作伙伴國為契機(jī)，進(jìn)一步深化兩國在移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等領(lǐng)域的合作。

所謂工業(yè)4.0，最早于2013年4月的漢諾威工業(yè)博覽會上由德國正式推出。與工業(yè)1.0的蒸汽機(jī)時代、2.0的電氣化時代及3.0是信息化時代不同的是，“工業(yè)4.0”流水線可實(shí)現(xiàn)小批量、多批次生產(chǎn)，可以為消費(fèi)者個性定制孤版商品。這是一個利用信息化技術(shù)促進(jìn)產(chǎn)業(yè)變革的手段，一個智能化手段。

那么該如何應(yīng)對新常態(tài)下的工業(yè)變革，把握信息化技術(shù)的發(fā)展方向？

其實(shí)，我國也很早就注意到了信息化對產(chǎn)業(yè)變革的影響。早在2002年，政府就提出要走新型工業(yè)化的道路。而所謂的新型工業(yè)化道路，其實(shí)就是工業(yè)化與信息化的相互融合。另外，近十幾年間，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的巨大變化，使一切都成為可能，也賦予了兩化融合以新的變化，形成了具有我國自身特點(diǎn)的兩化融合之路。

“發(fā)達(dá)國家是先工業(yè)化后信息化，而我國則是工業(yè)化與信息化同步發(fā)展。這些年互聯(lián)網(wǎng)在我國已經(jīng)有了非常廣泛的應(yīng)用，但這種應(yīng)用更多地是在消費(fèi)領(lǐng)域，而不是在產(chǎn)業(yè)。”中國工程院原副院長、院士鄔賀銓認(rèn)為，我國的工業(yè)4.0要求互聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)向產(chǎn)業(yè)滲透。

年前在北京召開的工業(yè)4.0高峰論壇上，工業(yè)和信息化部電子信息司副司長安筱鵬將工業(yè)4.0歸納為“系統(tǒng)的系統(tǒng)”，指出新一輪的產(chǎn)業(yè)革命的核心為智能制造，要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品智能化、裝備智能化、生產(chǎn)智能化、管理智能化和服務(wù)智能化。明確指出，未來要把智能制造作為主攻方向，構(gòu)建智能制造的產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。

同樣，業(yè)內(nèi)很多人士都將智能制造視為未來工業(yè)發(fā)展的方向。那將是一種由智能機(jī)器和人類專家共同組成的人機(jī)一體化智能系統(tǒng)，它在制造過程中可自行分析、推理、判斷、構(gòu)思和決策等。通過人與智能機(jī)器的合作，去擴(kuò)大、延伸和部分地取代人類專家在制造過程中的腦力勞動。它把制造自動化的概念更新，擴(kuò)展到柔性化、智能化和高度集成化。

毫無疑問，制造智能化需要廣泛應(yīng)用大量成熟的人工智能技術(shù)，而人工智能的成熟和完善，絕不是一朝一夕所能實(shí)現(xiàn)的，顯而易見，要在企業(yè)制造的全過程中全部實(shí)現(xiàn)智能化，仍有很長的路要走?；蛟S局部環(huán)節(jié)的智能化制造來得更現(xiàn)實(shí)一些。

談及智能制造，自然是離不開智慧工廠的構(gòu)建。智能制造無法一蹴而就，于是，打造“智慧工廠”被很多人視為智能制造的先崛之路。甚至有著智能制造與“智慧工廠”是工業(yè)4.0雙核心的說法。

智能設(shè)備裝備：“智慧工廠”的“頂梁柱”

對于“智慧工廠”的構(gòu)建，將“品質(zhì)改變世界”視為企業(yè)座右銘的三一集團(tuán)更是不遺余力。2014年8月，由湖大海捷、華工制造、華中科大、三一重工共同承擔(dān)的“工程機(jī)械產(chǎn)品加工數(shù)字化車間系統(tǒng)的研制與應(yīng)用示范”項(xiàng)目通過驗(yàn)收。

據(jù)三一集團(tuán)高級副總裁、首席流程信息官賀東東介紹，受益于該項(xiàng)目的成功，三一重工18號廠房成為亞洲最大的智能化制造車間、行業(yè)最先進(jìn)的數(shù)字化工廠?！?8號廠房經(jīng)過智慧化改造后，在制品減少8%，物料齊套性提高14%，單臺套能耗平均降低8%，人均產(chǎn)值提高24%，現(xiàn)場質(zhì)量信息匹配率100%，原材料庫存降低30%，效率和效能都得到了極大提升?！?/p>

放在廠區(qū)旁邊的電子屏幕里的數(shù)字仿真和三維作業(yè)指導(dǎo)，可以隨時供員工學(xué)習(xí)和了解整個裝配工藝。“三一的三維作業(yè)現(xiàn)場指導(dǎo)模式，已經(jīng)成為了世界著名企業(yè)達(dá)索公司的全球最佳案例?！?/p>

從超級工廠升級到“智慧工廠”，從IT工具的運(yùn)用到推動企業(yè)智慧化運(yùn)營，三一集團(tuán)高級副總裁賀東東把這些成果都?xì)w結(jié)為信息化的力量。實(shí)際上，18號廠房只是三一大力推進(jìn)信息化，促進(jìn)企業(yè)升級轉(zhuǎn)型的一個縮影。

“智慧工廠”由智能制造裝備、控制和信息系統(tǒng)構(gòu)成。智能制造裝備由智能部件和其他相關(guān)基本部件構(gòu)成。

CPS（信息物理融合系統(tǒng)）在生產(chǎn)過程的實(shí)現(xiàn)構(gòu)成了“智慧工廠”。CPS是計算和物理過程的整合集成：計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)對物理過程進(jìn)行監(jiān)測和控制。

物聯(lián)網(wǎng)和服務(wù)網(wǎng)是“智慧工廠”的信息技術(shù)基礎(chǔ)。與生產(chǎn)計劃、物流、能源和經(jīng)營相關(guān)的ERP、SCR、CRM等和產(chǎn)品設(shè)計、技術(shù)相關(guān)的PLM與服務(wù)網(wǎng)緊緊相連；與制造生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)線控制、調(diào)度、排產(chǎn)等相關(guān)的PCS、MES功能通過CPS物理信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。這一層和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)緊緊相連。

此外，從產(chǎn)品制造和產(chǎn)品全壽命周期服務(wù)的角度來看，還需要具有智能的原材料供應(yīng)及智能售后來構(gòu)成實(shí)時互聯(lián)互通的信息交換。智能的原材料供應(yīng)和智能售后，需要充分利用服務(wù)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的功能。

事實(shí)上，智能化的設(shè)備裝備是智慧工廠的“頂梁柱”。在現(xiàn)實(shí)中，由于工程技術(shù)、生產(chǎn)制造和供應(yīng)鏈的數(shù)字化不是十分成熟，沒有得到廣泛的推廣應(yīng)用。所以“智慧工廠”現(xiàn)階段可理解為：基于制造智能化的自動化生產(chǎn)線和成套裝置；企業(yè)業(yè)務(wù)運(yùn)營系統(tǒng)（ERP）和制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）的管理；建立在完善的CAD、CAPP、CAM基礎(chǔ)上的PDM、PLM及延伸到產(chǎn)品售后的技術(shù)支持和服務(wù)。

“智慧工廠”：設(shè)備裝備的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

隨著企業(yè)信息化的不斷深入，企業(yè)業(yè)務(wù)的擴(kuò)張、商業(yè)模式的創(chuàng)新使得制造企業(yè)更多的業(yè)務(wù)與網(wǎng)絡(luò)綁定，網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)、用戶、終端需深度融合協(xié)同運(yùn)作，才能更好的共同支撐企業(yè)的運(yùn)維與業(yè)務(wù)部署。傳統(tǒng)的制造業(yè)網(wǎng)絡(luò)面臨著諸多機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

“智慧工廠”有三大特征：首先是高度信息互聯(lián)，包括生產(chǎn)設(shè)備、機(jī)器人、操作人員、物料和成品；其次是制造過程數(shù)據(jù)具備實(shí)時性，生產(chǎn)數(shù)據(jù)具有平穩(wěn)的節(jié)拍和到達(dá)流，數(shù)據(jù)的存儲與處理也具有實(shí)時性；最后是可以利用存儲的數(shù)據(jù)從事數(shù)據(jù)挖掘分析，有自學(xué)功能，還可以改善與優(yōu)化制造工藝過程。因此，企業(yè)不僅需要快速、高效的生產(chǎn)、檢測過程，而且還需要有一個快速的決策過程，這些都需要有大量的數(shù)據(jù)作為依托，才能得出正確的結(jié)論。

從自動化到智慧化，要走的路還很長，智慧工廠的發(fā)展，其實(shí)與工業(yè)自動化的趨勢息息相關(guān)，根據(jù)經(jīng)濟(jì)部工業(yè)局統(tǒng)計，自動化設(shè)備、自動化產(chǎn)品與自動化規(guī)劃服務(wù)業(yè)，2011年三者合計產(chǎn)值已達(dá)到8650億元，顯示在科技日新月異和產(chǎn)品制造復(fù)雜性的趨勢下，如何有效的智慧化管理自動化設(shè)備，確實(shí)已經(jīng)成為未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)之一。

無線感測器將是未來實(shí)現(xiàn)智慧工廠的重要利器。如果要讓制造流程有智慧判斷的能力，儀器、儀表、感測器等控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成要素，仍是關(guān)注焦點(diǎn)。目前儀器儀表的智慧化，主要是以微處理器和人工智慧技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用為主，包括運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)路、遺傳演算法、進(jìn)化計算、溷沌控制等智慧技術(shù)，使儀器儀表實(shí)現(xiàn)高速、高效、多功能、高機(jī)動靈活等性能。

控制系統(tǒng)網(wǎng)路化將是未來實(shí)現(xiàn)智慧工廠的必由之路。隨著工廠制造流程連接的嵌入式設(shè)備越來越多，透過云端架構(gòu)部署控制系統(tǒng)，無疑已是當(dāng)今最重要的趨勢之一。在工業(yè)自動化領(lǐng)域，隨著應(yīng)用和服務(wù)向云端運(yùn)算轉(zhuǎn)移，資料和運(yùn)算位置的主要模式都已經(jīng)被改變了，由此也給嵌入式設(shè)備領(lǐng)域帶來顛覆性變革。云端運(yùn)算將可提供更完整的系統(tǒng)和服務(wù)，生產(chǎn)設(shè)備將不再是過去單一而獨(dú)立的個體。但將孤立的嵌入式設(shè)備接入工廠制造流程，甚至是云端，其實(shí)具有高度的顛覆性，必定會對工廠制造流程產(chǎn)生重大的影響。一旦完成連線，一切的制造規(guī)則都可能會改變。包括體系結(jié)構(gòu)、控制方法以及人機(jī)協(xié)作方法等，都會因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)網(wǎng)路化，而產(chǎn)生變化，如控制與通信的耦合、時間延遲、資訊調(diào)度方法、分散式控制方式與故障診斷等，都使得自動控制理論在網(wǎng)路環(huán)境下的控制方法和演算法，都需要不斷地創(chuàng)新。

工業(yè)通信無線化將是未來實(shí)現(xiàn)“智慧工廠”的重要前提。隨著無線技術(shù)日益普及，各家供應(yīng)商正在提供一系列軟硬體技術(shù)，協(xié)助在產(chǎn)品中增加通信功能。這些技術(shù)支援的通信標(biāo)準(zhǔn)包括藍(lán)牙、Wi-Fi、GPS、LTE以及WiMax等。然而，在增加無線連網(wǎng)功能時，晶片及相關(guān)軟體的選擇極具挑戰(zhàn)性，包括優(yōu)化性能、功耗、成本和規(guī)模，都必須加以考慮，更重要的是，由于工廠需求不像消費(fèi)市場一樣的標(biāo)準(zhǔn)化，必須因應(yīng)生產(chǎn)需求，有更多彈性的選擇，最熱門的技術(shù)未必是最好的通信標(biāo)準(zhǔn)和客戶需要的技術(shù)。此外，無線技術(shù)雖然在布建便利性方面，對比有線顯然有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢，但無線技術(shù)目前的可靠性、準(zhǔn)確性與即時性、相容性等還有待加強(qiáng)。因此，工業(yè)無線技術(shù)的定位，目前仍應(yīng)是傳統(tǒng)有線技術(shù)的延伸，多數(shù)儀表以及自動化產(chǎn)品雖會嵌入無線傳輸?shù)墓δ?，但想要完全舍棄有線技術(shù)，顯然還言之過早。