論先進制造業(yè)工廠的主要特征

陳奇志

摘 要：世界上主要工業(yè)國先后都提出了先進制造業(yè)的振興計劃，那么到底什么樣的工廠才能稱得上是先進制造業(yè)工廠呢？本文認為先進制造業(yè)工廠的主要特征是數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化，然后再對這些特征的具體表現(xiàn)進行了詳細的論述。

關鍵詞：先進制造業(yè);數(shù)字化;網(wǎng)絡化;智能化;數(shù)字雙胞胎;透明工廠;黑燈工廠

中圖分類號：F40 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）06-0211-02

0 引言

2006年德國制定了包括制造業(yè)在內(nèi)17個領域的高科技戰(zhàn)略，2010年德國又發(fā)布了《2020高技術戰(zhàn)略》報告，按照人類需求5個方面提出5大主導市場。在德國工程院、西門子和博世兩大公司及產(chǎn)業(yè)界建議推動下，2013年正式推出《德國工業(yè)4.0戰(zhàn)略》。美國在2011年發(fā)布了《先進制造業(yè)伙伴計劃》，2012年發(fā)布了《先進制造業(yè)國家戰(zhàn)略計劃》，2015年又發(fā)布了《美國國家創(chuàng)新戰(zhàn)略》，把創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)看作是實現(xiàn)全民創(chuàng)新和提升國家競爭力的關鍵所在。為了追趕先進制造業(yè)，我國先后提出互聯(lián)網(wǎng)+、兩化融合和中國制造2025，為國內(nèi)企業(yè)進入先進制造業(yè)加油打氣，那么什么樣的工廠才能算得上是先進制造業(yè)呢？

1 先進制造業(yè)的主特征：數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化

德國工業(yè)4.0、美國的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和中國制造2025，“數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化”是共同交集，數(shù)字化是基礎，網(wǎng)絡化是支撐，智能化是方向。也就是說，智能制造是在網(wǎng)絡環(huán)境中實現(xiàn)的，首先是數(shù)字化然后才是智能化。為了表述先進制造業(yè)的工廠特征，先后有各種名稱提出，如：黑燈工廠（工廠幾乎沒有人，正常生產(chǎn)時不再需要燈光照明）、透明工廠（為企業(yè)打通生產(chǎn)運營流程，打通數(shù)據(jù)及平臺，實現(xiàn)企業(yè)管理、運營、服務的“通透”;為企業(yè)實現(xiàn)內(nèi)部縱向垂直，企業(yè)外部橫向包括與上下游之間的“通透”）、數(shù)字雙胞胎（也叫數(shù)字孿生，建立一個鏡像的數(shù)字虛擬工廠，使虛實工廠之間同步運行）等先進制造業(yè)工廠概念。

2 先進制造業(yè)主要特征的具體表現(xiàn)

2.1數(shù)字工廠的規(guī)劃、設計、仿真

數(shù)字化工廠整體規(guī)劃包括從現(xiàn)場設備的自動化改造、產(chǎn)線的整體集成、智能倉儲系統(tǒng)的建設，到操作層數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)的建設，生產(chǎn)現(xiàn)場硬件之間的互聯(lián)互通等。而位于企業(yè)層和管理層的產(chǎn)品全生命周期管理系統(tǒng)則幫助企業(yè)建立從客戶需求輸入到產(chǎn)品整個設計、實驗、性能驗證、工藝設計、工藝過程仿真、虛擬制造到最后的產(chǎn)品實物生產(chǎn)交付全生命周期的數(shù)字化研發(fā)設計體系，再通過生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)MES將PLM系統(tǒng)中產(chǎn)品的虛擬制造和現(xiàn)實產(chǎn)線中的實際生產(chǎn)制造有機的結合起來，形成虛擬和現(xiàn)實的數(shù)字化雙胞胎。在此基礎上，位于中央控制層的智能運維管理平臺將各系統(tǒng)在統(tǒng)一的三維可視化平臺上進行集成，并結合工業(yè)大數(shù)據(jù)分析和人工智能的應用，幫助企業(yè)進行快速的運營管理決策。

先搭建一個完全虛擬的數(shù)字化工廠，在3D布局設計的基礎之上，設立物流的流動狀態(tài)以及車間各個設備、設施、工裝的運作時間和規(guī)律，從而對車間物流進行仿真。然后在虛擬世界中對生產(chǎn)這種產(chǎn)品的物料在車間內(nèi)的流動狀態(tài)進行模擬，通過模擬不僅可以分析出產(chǎn)能瓶頸，還可以驗證工藝規(guī)劃的合理性以及給車間物流帶來的影響，從而規(guī)劃出更為合理的工藝路線和車間物流路線[1]。

2.2數(shù)字化設備（產(chǎn)線）設計

傳統(tǒng)的產(chǎn)品設計制造是“試錯”模式，典型流程是“設計→制造→測試→再設計”。也就是產(chǎn)品設計完成之后制造出樣品測試，發(fā)現(xiàn)問題再去修改設計，如此往復達成產(chǎn)品設計的功能和性能目標。在生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)也是“試錯”模式，在實際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)問題再去更改工藝。

2.3數(shù)字化生產(chǎn)

在產(chǎn)品設計完成之后，傳統(tǒng)的制造業(yè)企業(yè)在工藝階段要完成編制工藝路線、設計工裝夾具、工時定額等工作，按照這份工藝文件指導產(chǎn)品的制造工作，在制造的過程中發(fā)現(xiàn)問題再回來修改工藝文件。

數(shù)字化制造技術在虛擬的環(huán)境中構建一個三維可視化的工廠，在計算機里進行零件工藝規(guī)劃與仿真、裝配工藝規(guī)劃與仿真、機器人仿真與編程，還可以通過產(chǎn)線仿真模擬整個制造過程直到完善才進入實際的生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)。當驗證過程中發(fā)現(xiàn)問題時，只需要在模型中進行修正即可，真正實現(xiàn)面向制造的設計。通過數(shù)字化雙胞胎模型，可以達成產(chǎn)品制造一次成功的目標。

2.4數(shù)據(jù)互聯(lián)、共享和集成

數(shù)據(jù)互聯(lián)共享和集成是先進制造業(yè)非常重要的基礎，PLM（產(chǎn)品生命周期管理）、MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）、TIA（全集成自動化）三大平臺的數(shù)據(jù)必須打通和整合。它貫穿從產(chǎn)品概念到生命結束的所有階段，實現(xiàn)設計、制造和工程的緊密集成，同時設計、工藝、仿真、驗證工作都在同一個共享數(shù)據(jù)的平臺上進行。該平臺提供全球協(xié)同工作環(huán)境，連接所有人員，確保在正確的時間，以正確的方式獲得正確的信息。

通過MES系統(tǒng)制造過程透明化、數(shù)字化，經(jīng)由MES提供的信息使用戶能看到一個動態(tài)的、更加真實的、可度量的制造過程。MES系統(tǒng)強調(diào)整個生產(chǎn)過程的優(yōu)化，幫助企業(yè)提高了產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率，降低了材料和人力等資源的消耗，成為企業(yè)生產(chǎn)管理的有效工具。

通過TIA、PLM、MOM等系統(tǒng)的建設，數(shù)字化企業(yè)已初現(xiàn)雛形，但要達到真正意義上的數(shù)字化企業(yè)，還需進行系統(tǒng)之間的深度集成。具體來看，深度集成主要包括三個方面：（1）橫向集成：實現(xiàn)企業(yè)間的無縫合作，信息共享和業(yè)務協(xié)同。（2）縱向集成：生產(chǎn)系統(tǒng)將不同層面的自動化系統(tǒng)集成在一起（執(zhí)行器、傳感器、控制器、制造執(zhí)行系統(tǒng)、企業(yè)計劃系統(tǒng)等層面），靈活地按照生產(chǎn)任務進行組織，實現(xiàn)全集成自動化。（3）端到端的工程數(shù)字化集成：即產(chǎn)品全生命周期的數(shù)據(jù)集成，通過產(chǎn)品研發(fā)的虛擬世界和生產(chǎn)的現(xiàn)實世界的鏈接，從流程層面實現(xiàn)設計-制造-服務的閉環(huán)控制。

2.5先進制造業(yè)數(shù)據(jù)管理

有了數(shù)字化和網(wǎng)絡化的基礎后，下一步就是智能化。結合現(xiàn)階段工業(yè)大數(shù)據(jù)、云技術、人工智能等前沿技術，可以開發(fā)出智能運維管理平臺。該平臺基于三維地理信息系統(tǒng)，以工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)為基礎，以工廠數(shù)字化業(yè)務為驅(qū)動，通過豐富的二維、三維表現(xiàn)形式，提供基于三維模型的可視化的數(shù)字化企業(yè)運維管理綜合應用，幫助企業(yè)進行更加智能的決策。

2.5.1 三維地理信息管理

三維地理信息系統(tǒng)提供基礎地圖服務級數(shù)據(jù)共享服務，可將企業(yè)各子公司、分廠的場景模型和地理信息集成到同一個平臺上，企業(yè)管理者可輕松快速查看各單位的生產(chǎn)經(jīng)營狀態(tài)信息。通過企業(yè)三維場景的建立，從分區(qū)廠房到設備設施，管理者均可在系統(tǒng)中快速定位，直觀查看。且系統(tǒng)可接入實時氣象數(shù)據(jù)，對風、云、雨、霧、雪、光照等氣象效果進行真實模擬。還能夠根據(jù)用戶需要，對各種地理信息、裝置設備等進行分類管理。通過圖層設置各種顯示方案，實現(xiàn)用戶在三維場景下對信息進行圖形化控制。

2.5.2數(shù)字資產(chǎn)管理

在智能運維管理平臺中，管理者能夠在企業(yè)數(shù)字化雙胞胎模型中模擬巡檢員視角在廠區(qū)漫游，通過各種方法快速搜索定位指定設備，隨時查看設備屬性信息（包括設備的名稱、編號、功能、關鍵參數(shù)指標、生產(chǎn)廠商、使用年限等）。還可提供設備培訓功能，包括設備結構拆分、工作原理講解、設備故障分析、設備標準操作指導等。通過設備維護功能，將工單信息與設備模型綁定，可隨時查看設備工單狀態(tài)、維護人員及維護流程等信息。此外，基于數(shù)字化雙胞胎模型，還可實現(xiàn)所有圖紙、施工數(shù)據(jù)與對應設備進行掛接，為現(xiàn)場施工、設備維護提供數(shù)據(jù)參考。

2.5.3工廠監(jiān)控管理

通過讀取SCADA、DCS等系統(tǒng)的后臺數(shù)據(jù)庫，對工藝裝置運行狀況進行監(jiān)控，實時顯示設備設施的壓力、溫度、流量、流速等運行數(shù)據(jù)以及計劃訂單完成情況等生產(chǎn)數(shù)據(jù)，當監(jiān)控數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，可視化平臺會發(fā)出報警，同時顯示故障點信息，在企業(yè)數(shù)字化雙胞胎平臺上精確定位，實現(xiàn)用戶實時監(jiān)控現(xiàn)場生產(chǎn)狀態(tài)的功能需求。

2.5.4虛擬巡檢管理

在智能運維管理平臺中可以自定義巡檢路線，也可在系統(tǒng)中預置標準巡檢路線，根據(jù)業(yè)務需求的不同，劃分出多種巡檢計劃類型，包括線路巡檢、重點設備設施巡檢、重大危險源巡檢、重點區(qū)域巡檢等。系統(tǒng)獲取人員的實時位置信息，與電子地圖進行疊加，從而查看記錄巡檢人員行走的歷史軌跡，實現(xiàn)對巡檢人員的實時監(jiān)控，保證工作人員巡視到位，提高巡視質(zhì)量，同時也便于管理者對巡檢人員進行指揮調(diào)度。在巡檢現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)故障隱患時，巡檢人員可通過手持終端現(xiàn)場進行信息上報，以此滿足信息實時性和數(shù)據(jù)存儲處理的同步性要求。系統(tǒng)對于巡檢歷史數(shù)據(jù)會進行存儲并提供功能強大、操作簡單的查詢統(tǒng)計功能，可根據(jù)查詢和統(tǒng)計條件類別進行操作。可按照時間、巡檢人員、巡檢類型、上報事件類型等不同的條目對巡檢日志進行查詢統(tǒng)計，并提供可視化的分析結果[2]。

2.5.5生產(chǎn)調(diào)度管理

在智能運維管理平臺中，管理者可根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)，實時進行分析，協(xié)調(diào)工廠生產(chǎn)計劃，為產(chǎn)量運行跟蹤、調(diào)度指揮管理、生產(chǎn)計劃管理、計量管理提供科學依據(jù)。當出現(xiàn)異常時可通過運維平臺實時發(fā)送生產(chǎn)調(diào)度指令，及時進行調(diào)度指揮滿足現(xiàn)場需求。通過與MES、WMS、SCADA等系統(tǒng)的集成應用，實現(xiàn)在運維平臺上對設備的遠程開停機，物料配送路徑、閥門開關度等的遠程控制，實現(xiàn)生產(chǎn)制造過程的實時調(diào)度。

2.5.6設備預防性維護

智能運維管理平臺可導入設備的維護計劃，并對維護情況進行記錄監(jiān)控，當設備即將到達維護時間節(jié)點時，系統(tǒng)會彈出維護通知，提醒管理人員按照計劃對設備進行維護保養(yǎng)，從而保障設備的按時維保，提高設備運行的穩(wěn)定性及使用壽命。除了按照計劃的維護保養(yǎng)提醒外，智能運維管理平臺還通過讀取SCADA、DCS等系統(tǒng)采集的設備運行狀態(tài)信息，如：轉(zhuǎn)速、震動、電流、電壓等，利用工業(yè)大數(shù)據(jù)分析，對比相關參數(shù)與正常閾值的關系，結合質(zhì)量控制圖等工具，可提前發(fā)現(xiàn)設備異常，并根據(jù)異常情況開展維護保養(yǎng)、停機搶修、備品備件準備等預防性維護，從而減少因設備非計劃停機帶來的時間和成本的損失。同時提前發(fā)現(xiàn)異常，可最大限度地降低異常對設備的損害，提高設備使用壽命。

2.5.7多系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成展示

智能運維管理平臺可讀取PLM、ERP、MES、DNC、CRM、SCADA、DCS等系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)之間的關聯(lián)分析在中央控制大屏集成進行展示，形成直觀的數(shù)據(jù)圖表，為企業(yè)進行生產(chǎn)調(diào)度、質(zhì)量控制、安全生產(chǎn)、成本分析、KPI管理等數(shù)據(jù)分析，為企業(yè)經(jīng)營者提供輔助決策支撐。

3 結語

總之，先進制造業(yè)工廠依托物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云技術、人工智能等新技術，呈現(xiàn)出數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化的特征。通過先進數(shù)字化規(guī)劃和設計，制造出具有感知、分析、決策、執(zhí)行、維護等功能的工廠，從而實現(xiàn)自組織、自適應的網(wǎng)絡化、協(xié)同化、智能化生產(chǎn)系統(tǒng)，進而實現(xiàn)商業(yè)應用智能化、產(chǎn)業(yè)生態(tài)智能化。

參考文獻

[1] 陳明，梁乃明，方志剛，等.智能制造之路：數(shù)字化工廠[M].北京：機械工業(yè)出版社，2016.

[2] 高歌.德國“工業(yè)4.0”對我國制造業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的啟示[J].中國特色社會主義研究，2017（2）：41-47.