智能工廠系統(tǒng)集成解決方案探析

供稿/機械工業(yè)第六設(shè)計研究院有限公司 劉俊 編輯/馬晨

二十大報告中明確提出，高質(zhì)量發(fā)展是全面建設(shè)社會主義現(xiàn)代化國家的首要任務(wù)，以智能制造為主攻方向，提升制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展水平。“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃中也明確提出了智能制造示范工廠領(lǐng)航行動。近期工信部等七部門聯(lián)合發(fā)布的《機械行業(yè)穩(wěn)增長工作方案（2023—2024 年）》亦提到要系統(tǒng)深入推進智能制造，加快制造業(yè)數(shù)字化智能化轉(zhuǎn)型升級，促進機械行業(yè)穩(wěn)增長、提質(zhì)量、促升級、保安全，這些均為高端制造業(yè)發(fā)展提供了巨大機遇。

同時，由于目前智能制造已經(jīng)進入深水區(qū)，大多數(shù)制造業(yè)企業(yè)對智能制造已經(jīng)有了一定的認識和了解。但在智能工廠具體推進和實施時，尤其是針對多品種、多規(guī)格，批量或小批量生產(chǎn)性質(zhì)的離散型制造企業(yè)，依然面臨無從下手的情況，缺乏系統(tǒng)性地可指導(dǎo)智能工廠實施落地的方法和指南，從而導(dǎo)致在建設(shè)過程中出現(xiàn)工廠建設(shè)周期延長、投資超支等問題。進度、質(zhì)量和費用不能得到有效控制，無法達到預(yù)期的實施效果。

智能工廠涵蓋的內(nèi)容

智能工廠作為智能制造的載體，涵蓋精益改善、工藝流程再造、智能物流倉儲、自動化提升、工廠物聯(lián)網(wǎng)、信息化應(yīng)用系統(tǒng)、土建公用基礎(chǔ)配套設(shè)施、建模仿真和數(shù)字孿生等建設(shè)內(nèi)容，需要多專業(yè)、多學(xué)科交叉，投資大、周期長，是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程。智能工廠建設(shè)到底需涵蓋哪些內(nèi)容，我們在新編制的國家標準里對其架構(gòu)和內(nèi)容進行了定義。如圖1 所示，包括物理工廠和虛擬工廠兩部分，其中物理工廠，包括實體工廠和信息化系統(tǒng)。右側(cè)是虛擬工廠，包括與實體工廠一一映射的三維信息實體模型和包含工廠實際生產(chǎn)運行機制的仿真模型，通過與物理工廠的不斷迭代和交互，最終形成工廠數(shù)字孿生體，實現(xiàn)虛實集成。同時以智能制造標準體系和安全體系為兩翼，通過規(guī)范接口、協(xié)議和規(guī)則等，有力支撐智能工廠的目標實現(xiàn)。

圖1 智能工廠總體架構(gòu)

智能工廠系統(tǒng)集成解決方案

智能工廠總體架構(gòu)確定后，針對典型的離散型制造企業(yè)，在實施智能制造時該如何做或者從哪里切入，之前工信部在推行智能制造綜合標準化和新模式應(yīng)用時，提出了五種智能制造新模式，并針對每種新模式給出了相應(yīng)的指南，給早期實施智能化改造的企業(yè)提供了一定的依據(jù)。與燈塔工廠建設(shè)提出的用例類似，近兩年工信部又陸續(xù)發(fā)布了《智能制造典型場景參考指引》，以2022 年發(fā)布的指引為例，共包括16 個環(huán)節(jié)45 個智能制造典型場景，涵蓋從研發(fā)、生產(chǎn)到銷售等全流程各個環(huán)節(jié)。企業(yè)實施時最重要的是要根據(jù)每個企業(yè)自身的產(chǎn)品特點和生產(chǎn)組織模式，梳理出切合自身發(fā)展的典型場景，并在此基礎(chǔ)上總體規(guī)劃，分步實施，最終實現(xiàn)目標。

1）實施路徑

一條相對合適的實施路徑是在診斷和總體規(guī)劃的基礎(chǔ)上，進行精益工藝布局優(yōu)化，智能倉儲物流的有序銜接和自動化的提升，同時輔之以綠色低碳的設(shè)施和手段，最后進行信息系統(tǒng)的實施和整體集成，從而實現(xiàn)整個工廠的智能化生產(chǎn)、低碳化運營。如圖2 所示。

圖2 智能工廠實施路徑

圖3 基于精益的工藝和物流優(yōu)化

2）實施內(nèi)容

①診斷

通過調(diào)查企業(yè)基本情況、產(chǎn)品產(chǎn)量、設(shè)備與自動化水平、信息化軟件、網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、質(zhì)量管理等方面現(xiàn)狀，運用智能制造成熟度模型，評估企業(yè)智能制造水平。對標行業(yè)先進，分析差距原因。并在此基礎(chǔ)上，提出企業(yè)進行智能化改造的頂層設(shè)計方案和實施建議。

②智能工廠總體規(guī)劃

確定企業(yè)智能制造的目標和典型應(yīng)用場景，在此基礎(chǔ)上進行工藝優(yōu)化、自動化規(guī)劃、智能倉儲及物流規(guī)劃等，并確定企業(yè)信息化規(guī)劃的應(yīng)用架構(gòu)、集成架構(gòu)和技術(shù)架構(gòu)。最后給出企業(yè)實施智能制造的總體技術(shù)路線，包括實施進度、實施費用、相應(yīng)關(guān)鍵點和保障措施分析等。

③基于精益的工藝和物流優(yōu)化。

從產(chǎn)品分析入手，按照產(chǎn)品生產(chǎn)工藝特點，分別梳理工藝流、物流、信息流及業(yè)務(wù)流，最終形成布局合理、物流短捷高效的工藝布局方案和倉儲物流配送方案，在此基礎(chǔ)進行物流仿真驗證，不斷迭代優(yōu)化平面布局方案，為企業(yè)實施智能制造奠定基礎(chǔ)。

④自動化提升

通過智能產(chǎn)線建模與仿真、離線編程、虛擬建造、虛擬調(diào)試、機器人集成與應(yīng)用、視覺技術(shù)、RFID技術(shù)、高精度伺服控制、先進傳感檢測等技術(shù)手段，識別生產(chǎn)自動化、物流自動化和檢測自動化等提升點。尤其是智能工廠中工藝布局、物流倉儲、智能產(chǎn)線關(guān)系緊密，相互銜接和影響，需要不斷迭代優(yōu)化。

⑤虛擬工廠同步建設(shè)和優(yōu)化

在進行物理工廠方案制定的過程中，需同步進行虛擬工廠的搭建，通過建模和仿真的工具，對產(chǎn)品、工廠和生產(chǎn)過程進行數(shù)字化建模，對工藝布局、物流倉儲、關(guān)鍵產(chǎn)線、人機工程、產(chǎn)能和設(shè)備OEE 等進行仿真優(yōu)化。

⑥綠色土建公用配套基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計和實施

工藝布局、產(chǎn)線和物流都解決后，就需要進行綠色土建公用配套基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計和實施，采用合適的綠色節(jié)能技術(shù) 比如焊接煙塵治理，余熱回收利用等，同時針對工廠用能比較大的企業(yè)，重點從能源綜合利用方面入手，打造工廠用能側(cè)多能互補的零碳解決方案，實現(xiàn)節(jié)能降碳和綠能減碳的目的，打造零碳綠色智慧能源示范工廠。

⑦信息化系統(tǒng)的實施

主要包括SCADA、安燈看板、設(shè)備聯(lián)網(wǎng)、透明工廠等系統(tǒng)的設(shè)計，同時進行各個系統(tǒng)的集成。

⑧整體系統(tǒng)集成和數(shù)字孿生

在精益工藝的基礎(chǔ)上，智能工廠整體系統(tǒng)集成，主要包括產(chǎn)線的集成、物流、以及信息化系統(tǒng)的集成，尤其是與車間底層數(shù)據(jù)交互的信息化系統(tǒng)集成。很多企業(yè)智能工廠實施效果不好，主要是在這三個集成方面出了問題，從而出現(xiàn)斷點。一個很核心的就是要將工藝貫穿至產(chǎn)線、物流和信息化全過程，遵循一切均是為生產(chǎn)服務(wù)的原則，最終可以實現(xiàn)物理工廠和虛擬工廠的雙向數(shù)據(jù)集成、數(shù)字孿生，在此基礎(chǔ)上進行虛擬工廠的實時監(jiān)控、歷史回溯和調(diào)產(chǎn)推演等。

應(yīng)用成效

針對某液壓泵制造工廠智能化改造項目，首先通過診斷找出短板和存在的問題，在此基礎(chǔ)上提出項目的目標和擬建設(shè)的智能制造場景。通過分析產(chǎn)品的特點和生產(chǎn)工藝，在此基礎(chǔ)上進行價值流分析，三維工藝布局、產(chǎn)線及物流仿真優(yōu)化分析、搭建智能工廠總體架構(gòu)和系統(tǒng)集成架構(gòu)。

通過BIM 技術(shù)進行三維模型的創(chuàng)建，包括內(nèi)部的殼體加工線、后蓋自動化加工線、閥芯閥套加工線、自動裝配線等，并且對各產(chǎn)線進行了仿真。

最終項目建成后，相關(guān)指標對比均有明顯提升，如設(shè)備自動化率提升40%，設(shè)備OEE 提高15%，建成后單件產(chǎn)品綜合成本下降20%。

液壓件是關(guān)鍵基礎(chǔ)部件，基于此類項目智能工廠建設(shè)實踐積累，在由江蘇省人民政府、工業(yè)和信息化部、中國工程院、中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會共同主辦的第二屆智能制造創(chuàng)新大賽中，中機六院“液壓基礎(chǔ)件智能工廠系統(tǒng)集成解決方案”和“基于數(shù)字孿生的智能柔性油缸裝配線”兩個項目在大賽中斬獲佳績，雙雙榮獲智能制造系統(tǒng)集成賽道和裝備賽道領(lǐng)航組全國總決賽二等獎和人氣獎。

建議

由于智能工廠建設(shè)投資大、周期長、責(zé)任大；涉及工藝、物流、產(chǎn)線、自控和信息化等多個專業(yè)，技術(shù)含量高、系統(tǒng)性強、資質(zhì)要求高。且設(shè)備、物流、信息化之間有交叉，尤其是到后期系統(tǒng)集成聯(lián)調(diào)聯(lián)試階段，邊界劃分不清、相互推諉扯皮等問題會集中凸顯。因此建議企業(yè)在成立智能制造專班，并且一把手強力推動的基礎(chǔ)上，采取EPC 總承包或全過程咨詢模式，引入合適的智能工廠系統(tǒng)集成解決方案供應(yīng)商參與，從而保證智能工廠實施的效果。