工業(yè)4.0時代智能制造新模式的思考與探索

（廣西中煙工業(yè)有限責任公司，廣西 南寧 530001）

【摘 要】文章以卷煙生產(chǎn)為例，探討工業(yè)4.0時代智能制造新模式。文章提出通過大數(shù)據(jù)平臺建立核心業(yè)務的端到端模型，積極打造產(chǎn)品面向客戶定制的智能生產(chǎn)模式，從供應、生產(chǎn)、能源、物流、服務等全方位地實現(xiàn)生產(chǎn)制造全過程的數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化。構(gòu)建的基于大數(shù)據(jù)分析的智能生產(chǎn)模式，是對傳統(tǒng)工業(yè)企業(yè)如何從制造向“智造”轉(zhuǎn)型升級的思考，可以延伸至工業(yè)生產(chǎn)各領域，引導的是一種思維上的創(chuàng)新與探討。

【關鍵詞】工業(yè)4.0；智能制造；大數(shù)據(jù)；制造模式

【中圖分類號】F424 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）07-0028-03

0 引言

當前，全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革風起云涌，增材制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)大數(shù)據(jù)、工業(yè)4.0等新的生產(chǎn)理念不斷涌現(xiàn)。以互聯(lián)網(wǎng)為核心的新一代信息技術(shù)融合創(chuàng)新，已經(jīng)成為驅(qū)動信息技術(shù)與實體產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展的新引擎。在這樣的時代潮流下，傳統(tǒng)工業(yè)企業(yè)應該抓住“中國制造2025”發(fā)展戰(zhàn)略機遇，積極運用工業(yè)4.0思維探索和創(chuàng)新制造模式。

1 構(gòu)建大數(shù)據(jù)分析的智能制造模式

工業(yè)4.0時代的生產(chǎn)模式是滿足新一代產(chǎn)品設計、工藝、制造、檢驗、物流等全生命周期的智能化要求，以智能裝備為依托，將信息互聯(lián)提升到物聯(lián)網(wǎng)層面，減少人力干涉，實現(xiàn)產(chǎn)品與機器、產(chǎn)品與人的對話，打造出能自主調(diào)配“人、機、料、能、信”等資源并輸出成品的智能制造模式。

智能生產(chǎn)模式不僅是基礎自動化和傳感器帶來的大量數(shù)據(jù)，更重要的是，建立起大數(shù)據(jù)分析的智能生產(chǎn)模塊，就數(shù)據(jù)維度而言，應該進入大數(shù)據(jù)平臺系統(tǒng)，由量化分析上升到分析模型的高度。通過大數(shù)據(jù)平臺，將這些數(shù)據(jù)與給定的目標建立聯(lián)系，建立起基于大數(shù)據(jù)的分析模型，而這個分析模型通過實證和不斷完善，最終使目標得以實現(xiàn)。而大數(shù)據(jù)建模與分析的出發(fā)和歸宿都是業(yè)務，核心業(yè)務的端到端就是大數(shù)據(jù)建模與分析的根本前提條件。從產(chǎn)品設計到供應、生產(chǎn)、物流、銷售、回溯整個過程的信息數(shù)據(jù)進行快速收集、整合，建立核心業(yè)務的端到端模型（如圖1所示）。

2 打造核心業(yè)務模塊

2.1 面向客戶的專屬定制服務網(wǎng)絡

工業(yè)4.0通過將制造過程中的設計、規(guī)劃、工程、生產(chǎn)及服務等信息數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化，開啟一個人與物、物與物相連的大世界。這其中，大規(guī)模低成本的定制化生產(chǎn)將成為可能。本文以卷煙生產(chǎn)為例，將傳統(tǒng)生產(chǎn)線與信息化技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)生產(chǎn)線上多種牌號卷煙的切換生產(chǎn)，創(chuàng)造出流水線上不同產(chǎn)品配方、生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)原料、煙支型號、包裝等之間的靈活轉(zhuǎn)換，以滿足產(chǎn)品動態(tài)式的、柔性調(diào)整的要求，打造一條開放的、創(chuàng)新的、動態(tài)的面向客戶專屬定制的智慧生產(chǎn)線。

產(chǎn)品面向客戶需求，不同牌號卷煙的全部信息儲存在大數(shù)據(jù)中，項目建立從設計到生產(chǎn)資料、生產(chǎn)設備、產(chǎn)品信息之間信息交互和自治，相關資源在虛擬網(wǎng)絡中進行規(guī)劃。將產(chǎn)品按照不同的加工特性進行分組并確定工藝過程，選擇相應的加工設備和工藝參數(shù)及物料儲運系統(tǒng)等，并由計算機進行控制，因此能夠自動調(diào)整并實現(xiàn)要求范圍內(nèi)多種物料的成批高效生產(chǎn)（即具有柔性），并能及時地改變產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，以滿足客戶定制需求。

2.2 智慧供應網(wǎng)絡

智慧供應網(wǎng)絡，即能夠針對多樣化的客戶定制需求和產(chǎn)品需求，及時滿足生產(chǎn)的供應網(wǎng)絡；能夠?qū)ιa(chǎn)過程中的產(chǎn)品需求自動響應、自動預測分析、自動優(yōu)化、自動控制風險的高度智慧化網(wǎng)絡?？v向上，它覆蓋從操作、運營到戰(zhàn)略的各個層次；橫向上，它與客戶網(wǎng)絡、生產(chǎn)網(wǎng)絡、物流網(wǎng)絡、服務網(wǎng)絡緊密地聯(lián)系在一起；確保對從需求開始的產(chǎn)品全生命周期的支持。

建立企業(yè)資源計劃管理系統(tǒng)（ERP），面向產(chǎn)品生命周期進行物質(zhì)資源、資金資源和信息資源集成一體化管理，在客戶需求數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、服務數(shù)據(jù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)等大數(shù)據(jù)基礎上進行挖掘和分析，建立供應鏈模型，對資源供應需求做出精確的預測。ERP系統(tǒng)集供應鏈管理、銷售與市場、分銷、客戶服務、財務管理、制造管理、庫存管理、工廠與設備維護、人力資源、報表、制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、工作流服務和企業(yè)信息系統(tǒng)等為一體。此外，還包括采購管理、金融投資管理、質(zhì)量管理、運輸管理、項目管理、法規(guī)與標準和過程控制等補充功能。

2.3 智慧生產(chǎn)網(wǎng)絡

智能生產(chǎn)網(wǎng)絡的核心基礎是CPS（信息物理系統(tǒng)），通過把人、物料、機器、產(chǎn)品通過橫縱多維度連接和融合，形成全新的高度智慧化的生產(chǎn)網(wǎng)絡，也使得人—機和人—環(huán)境之間的互動達到全新的水平。

2.3.1 智能計劃排產(chǎn)

制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES），包含制造數(shù)據(jù)全面管理、生產(chǎn)計劃管理、能力平衡分析、任務派工管理、庫存管理、內(nèi)嵌式高級智能排產(chǎn)引擎（Plug-in APS）、全面質(zhì)量管理體系、生產(chǎn)系統(tǒng)可視化管理等，實現(xiàn)多種產(chǎn)品/規(guī)格混合生產(chǎn)的排產(chǎn)和生產(chǎn)管理。支持多種自動排產(chǎn)算法，具有按交貨期、精益生產(chǎn)、生產(chǎn)周期、最優(yōu)庫存、訂單優(yōu)先等多種排產(chǎn)方式，可準確到每一道工序、每一臺設備、每一分鐘，可最大限度地滿足各類復雜的排產(chǎn)要求，并可根據(jù)實際情況進行動態(tài)調(diào)整，確保生產(chǎn)計劃準確科學，從生產(chǎn)源頭上做到智能化。

2.3.2 智能生產(chǎn)協(xié)同

ERP系統(tǒng)和MES系統(tǒng)可以為企業(yè)提供包括制造數(shù)據(jù)管理、計劃排程管理、生產(chǎn)調(diào)度管理、庫存管理、質(zhì)量管理、人力資源管理、工作中心/設備管理、工具工裝管理、采購管理、成本管理、項目看板管理、生產(chǎn)過程控制、底層數(shù)據(jù)集成分析、上層數(shù)據(jù)集成分解等管理模塊，為企業(yè)打造一個扎實、可靠、全面、可行的制造協(xié)同管理平臺。

2.3.3 智能的設備互聯(lián)互通

采用強大的數(shù)據(jù)采集引擎、整合數(shù)據(jù)采集渠道（RFID、條碼設備、PLC、Sensor、IPC、PC等）覆蓋整個工廠制造現(xiàn)場，保證海量現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時、準確、全面的采集。通過采集生產(chǎn)過程實時信息，準確地采集現(xiàn)場設備的各種生產(chǎn)、質(zhì)量、消耗數(shù)據(jù)，統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制與調(diào)度，實現(xiàn)生產(chǎn)設備智能化的互聯(lián)互通。這是智能工廠的核心，也是CPS概念的最佳體現(xiàn)。將不同接口（如RS232、RJ45等）、不同控制系統(tǒng)（如“西門子”“歐姆龍”等）、不同通信協(xié)議的數(shù)控設備連接成一個網(wǎng)絡，由一臺計算機實現(xiàn)對所有數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡分布式集中管理，包括程序集中管理、程序網(wǎng)絡傳輸、程序虛擬制造檢查等，并實現(xiàn)設備狀態(tài)的實時采集與監(jiān)控，實現(xiàn)網(wǎng)絡分布式的生產(chǎn)管理模式。通過生產(chǎn)設備智能化的互聯(lián)互通，能夠自動聯(lián)絡各種生產(chǎn)資源，自主組織生產(chǎn)、自主切換生產(chǎn)模式和更換生產(chǎn)資料，從而調(diào)整為最優(yōu)的生產(chǎn)作業(yè)。網(wǎng)絡中所有單元產(chǎn)生的數(shù)據(jù)及生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)都被采集起來，構(gòu)成工業(yè)大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)元，并通過挖掘分析，為生產(chǎn)網(wǎng)絡和產(chǎn)品的優(yōu)化提供支持。

2.3.4 智能化的生產(chǎn)資源管理

智慧供應網(wǎng)絡實現(xiàn)了ERP資源管理系統(tǒng)和MES生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)互聯(lián)，通過傳感技術(shù)、檢測技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)實現(xiàn)整個供應網(wǎng)絡的可視化，通過計算機智能控制，根據(jù)不同牌號的卷煙，投放生產(chǎn)所需的物料，各種物料通過建立專屬二維碼，均有各自的“身份信息”，系統(tǒng)基于RFID技術(shù)識別出物料的“身份信息”，通過“身份信息”知道什么時候、哪條生產(chǎn)線或工藝過程需要它們，系統(tǒng)還會記錄所使用的資源數(shù)量并對庫存及時更新，當庫存達到閾值下限，會發(fā)出預警信號，提示采購。

2.3.5 智能化的決策支持

建立生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)庫，深度采集制造進度、現(xiàn)場操作、設備狀態(tài)等生產(chǎn)現(xiàn)場信息，并將信息上傳大數(shù)據(jù)平臺，為企業(yè)各級管理提供數(shù)據(jù)服務，通過大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，實現(xiàn)對車間生產(chǎn)全過程的透明化管理，比如計劃執(zhí)行情況、生產(chǎn)執(zhí)行情況、庫存情況、質(zhì)量情況、設備情況等，形成具有智能決策支持的各種報表、圖形，為生產(chǎn)管理進一步科學管理提供理論基礎。

2.4 智慧能源網(wǎng)絡

智能能源管控系統(tǒng)，對企業(yè)產(chǎn)能、用能進行統(tǒng)一管理，通過整合能源生產(chǎn)、輸配和消耗數(shù)據(jù)，建立能源生產(chǎn)運行的監(jiān)測、管理和調(diào)度信息，實現(xiàn)“一網(wǎng)到底”。構(gòu)建智能化能源運行監(jiān)測、管理技術(shù)平臺，使能源輸出端和使用終端基于互聯(lián)網(wǎng)進行雙向通信和智能調(diào)控；完善能源計量核算體系，對企業(yè)用能情況進行全面計量；建立需求側(cè)能源管理體系（DSM），與MES進行開放通信，接收下發(fā)生產(chǎn)任務和工藝參數(shù)功能，建立雙向數(shù)據(jù)傳輸途徑，接收生產(chǎn)執(zhí)行及綜合管理系統(tǒng)下發(fā)的總體生產(chǎn)計劃、車間作業(yè)計劃、作業(yè)工單，對能源動力供需進行平衡，對能源動力及環(huán)境設備投入進行調(diào)度，對各子系統(tǒng)運行狀態(tài)及其控制做出安排，合理調(diào)度企業(yè)用能；對能源動力環(huán)境各子系統(tǒng)及總體運行情況進行信息匯總，提供交接班管理、運行記錄管理、報警及故障記錄等信息。

經(jīng)過加工、整理、運算、分析、儲存、傳遞過程，使大量雜亂、無序的數(shù)據(jù)變成對生產(chǎn)有用的信息，結(jié)合能源動力設備運行狀況，為廠級信息管理系統(tǒng)的能源動力生產(chǎn)調(diào)度與管理提供分析支持，提高能源利用效率，降低能源消耗，推動節(jié)能減排，為實現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)統(tǒng)一管理、企業(yè)生產(chǎn)成本核算、能源考核提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

2.5 智慧物流網(wǎng)絡

智慧物流網(wǎng)絡集倉儲、運輸、配送、生產(chǎn)輸送、信息服務等多功能于一體，提供從生產(chǎn)端到客戶端的集成。

2.5.1 智能生產(chǎn)物流

生產(chǎn)物流的設計涵蓋整個生產(chǎn)制造全過程。卷煙生產(chǎn)物流從片煙配方入庫、輔料平衡入庫開始，途經(jīng)制葉、制絲、送絲、濾棒成型發(fā)送、輔料輸送、卷接包、條盒輸送、裝封箱、成品輸送、成品碼垛，一直到成品入庫的全過程。通過應用現(xiàn)代信息技術(shù)對物流過程中產(chǎn)生的全部或部分信息進行采集、分類、傳遞、匯總、識別、跟蹤、查詢等，實現(xiàn)了對貨物生產(chǎn)流動過程的全程監(jiān)控。

2.5.2 智能倉儲物流

搭建“互聯(lián)網(wǎng)+倉儲管理”平臺，簡化庫房倉儲管理中各個業(yè)務流程環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)采集、識別與信息交互過程，實現(xiàn)對倉庫的控制自動化、管理信息化和業(yè)務標準化，穩(wěn)步推進“智能化倉儲”進程，加快科技物流建設，逐步建立工廠無線網(wǎng)絡架構(gòu)和物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)平臺，實現(xiàn)倉儲物流信息的自動采集，為上層資源配置優(yōu)化提供基礎數(shù)據(jù)。

2.5.3 智能運輸物流

運輸物流包含原料、輔料及成品等運輸物流。智能運輸物流，將貨物的信息、運輸車輛的信息、站點的信息、運輸線路的信息、倉儲信息等各種元素通過網(wǎng)絡連接起來，并借助其他信息技術(shù)的支持，使得物流過程逐步實現(xiàn)自動化、可視化、可控化、自治化、自主優(yōu)化等智能化特征。運輸人員可通過手機掃描運輸物料或成品的二維碼，獲取其信息，包含取貨地址及送貨地址、取貨時間要求及到貨時間要求、運輸路線、站點聯(lián)系方式甚至天氣信息等相關數(shù)據(jù)。通過這些數(shù)據(jù)的采集和大數(shù)據(jù)分析，能夠幫助運輸人員優(yōu)化物流線路，降低物流成本。

智慧物流網(wǎng)絡還建立了相關的監(jiān)測系統(tǒng)、風險評估系統(tǒng)、應急響應系統(tǒng)和危機決策系統(tǒng)，在出現(xiàn)突發(fā)狀況時，盡可能維持物流網(wǎng)絡的運行，并把成本和損失降到最低。系統(tǒng)通過對物流系統(tǒng)持續(xù)化降低物流成本，實現(xiàn)端到端的物流支持；通過對物流風險的監(jiān)測和提前預警，降低物流損失；通過綜合信息技術(shù)的利用，實現(xiàn)物流管理可視化，讓物流過程精準透明。

3 結(jié)論

本文所構(gòu)建的基于大數(shù)據(jù)分析的智能生產(chǎn)模式，是在工業(yè)4.0時代浪潮下，對傳統(tǒng)工業(yè)企業(yè)如何從制造向“智造”轉(zhuǎn)型升級的思考。雖以卷煙生產(chǎn)為例，但提出的思維模式和理念卻可以延伸至工業(yè)生產(chǎn)各領域，引導的是一種思維上的創(chuàng)新與探討。對傳統(tǒng)工業(yè)企業(yè)來說，工業(yè)4.0必然是一場艱難的跋涉，工業(yè)4.0的實現(xiàn)絕非簡單地引入更多智能設備，而是將著眼于更高層次的人機交互領域。通過CPS網(wǎng)絡實現(xiàn)人、設備與產(chǎn)品的互聯(lián)，積極打造產(chǎn)品面向客戶定制的智能生產(chǎn)模式，從供應、生產(chǎn)、能源、物流、服務等全方位，實現(xiàn)生產(chǎn)制造全過程的數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化。而與之相伴隨的，必然是管理理念與模式的革新。在這當中，“人”的因素尤為突出，技術(shù)工程師和管理人員的思維模式在這場變革中急需升級再造。但這同時也伴隨著企業(yè)轉(zhuǎn)型與發(fā)展的機遇。

參 考 文 獻

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[責任編輯：鄧進利]

【作者簡介】陸文佳，女，廣西柳州人，碩士，廣西中煙工業(yè)有限責任公司柳州卷煙廠技術(shù)改造辦公室項目總控，工程師，研究方向：工程項目管理。