“十四五”表面處理行業(yè)智能制造發(fā)展趨勢

張定能，潘浩宇，許濤，吳林蔚

（江蘇宏聯(lián)環(huán)?？萍加邢薰?，江蘇 無錫 214171）

表面處理作為現(xiàn)代工業(yè)不可或缺的一部分，是航空航天、海洋裝備、電子電路、裝備制造、民生保障提供的關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)，是提高產(chǎn)品性能的保證。在《中國制造2025》以及相關(guān)政策的指導(dǎo)下，對表面處理行業(yè)進(jìn)行智能制造升級，提升行業(yè)技術(shù)水平成為一個必然。在此，對表面處理行業(yè)智能制造的方向以及如何落地進(jìn)行相關(guān)探討。

1 表面處理行業(yè)面臨的問題及智能制造現(xiàn)狀

1.1 表面處理行業(yè)面臨的問題

當(dāng)前表面處理行業(yè)面臨著一些共性問題，包括：對安全環(huán)保生產(chǎn)的嚴(yán)格監(jiān)管，對產(chǎn)能提升的需求，對生產(chǎn)質(zhì)量的管控，對柔性生產(chǎn)的需求以及上下游企業(yè)更加深入的信息對接要求，對員工職業(yè)健康衛(wèi)生的提高和用工問題。

社會上對表面處理的認(rèn)識基本還停留在工作環(huán)境臟亂差、能耗大、對職業(yè)健康的危害大以及對環(huán)境污染嚴(yán)重的固有認(rèn)識，結(jié)合當(dāng)前的人口形勢，未來表面處理企業(yè)的勞動力需求壓力不小。再加上表面處理企業(yè)的很多日常運(yùn)營以及工藝參數(shù)掌握在一小部分員工手中，屬于“人智”狀態(tài)，不利于企業(yè)的持續(xù)發(fā)展運(yùn)營。另外，安全生產(chǎn)、清潔生產(chǎn)、柔性生產(chǎn)以及上下游企業(yè)對生產(chǎn)信息互通的需求，都給表面處理企業(yè)的日常生產(chǎn)運(yùn)營管理提出了更高的要求。所以，對表面處理行業(yè)來說，實(shí)施智能制造，完成生產(chǎn)和運(yùn)營模式升級轉(zhuǎn)型，才是未來的發(fā)展道路[1-2]。

1.2 表面處理行業(yè)智能制造的現(xiàn)狀

當(dāng)前，根據(jù)各地政府部門的政策要求，絕大多數(shù)表面處理企業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)線的自動化改造。除了PCB(印刷線路板)企業(yè)外，其他表面處理企業(yè)的信息化建設(shè)還停留在生產(chǎn)線自動化、視頻監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集的層面。在軟件層面，仍以財務(wù)軟件、Office辦公軟件以及OA系統(tǒng)為主，針對生產(chǎn)的專業(yè)軟件極少使用，并且生產(chǎn)任務(wù)下達(dá)、生產(chǎn)過程、質(zhì)檢、倉儲等相關(guān)記錄基本依靠紙質(zhì)文檔，降低了生產(chǎn)管理的效率，難以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的分析和優(yōu)化。

2 表面處理行業(yè)智能制造的方向

2.1 表面處理行業(yè)智能制造包含的內(nèi)容

智能制造包括制造和智能兩個方面。制造是經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)、立國之本，而智能，就是把與制造相關(guān)的知識積累起來，利用信息化技術(shù)進(jìn)行大范圍的資源優(yōu)化調(diào)配，令工業(yè)知識軟件化，解決原有生產(chǎn)過程“聾、啞、傻”的問題，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)互聯(lián)以及生產(chǎn)過程和資源調(diào)配的智能化。

普遍認(rèn)為表面處理的智能制造就是表面處理線的自動化，然而對整個表面處理生產(chǎn)流程來講，生產(chǎn)線只是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)而已，要實(shí)現(xiàn)表面處理智能制造，就要將表面處理生產(chǎn)流程和管控整體納入到智能制造的范疇中來，如圖1所示。

圖1 表面處理智能制造整體范圍示意Figure 1 Schematic diagram showing the overall intelligent manufacturing for surface treatment

同時在深度方面，可以解決之前提出的行業(yè)亟待解決的問題，將生產(chǎn)過程的整體或者核心環(huán)節(jié)納入到智能制造軟件體系的調(diào)度、配置、指令下達(dá)以及參數(shù)修正的過程中，人和設(shè)備成為整個智能制造體系的執(zhí)行環(huán)節(jié)。這樣才能真正實(shí)現(xiàn)表面處理行業(yè)的智能制造[3]。

2.2 系統(tǒng)框架

從整個生產(chǎn)過程的智能化、信息化來考慮，由儀表、系統(tǒng)和自動化協(xié)會(ISA)通過和維護(hù)的 ISA-95標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)給出了標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)框架，如圖2[4]所示。

圖2 ISA-95標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)框架Figure 2 Framework of the ISA-95 standard

基于以上框架，針對表面處理行業(yè)的智能制造體系架構(gòu)應(yīng)如圖3所示。在這樣的架構(gòu)中，下面3層是傳統(tǒng)自動化控制層，主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和控制，以及現(xiàn)場生產(chǎn)操作人員的監(jiān)控與參數(shù)調(diào)整。在智能制造體系中，這一層級屬于數(shù)據(jù)采集層以及控制執(zhí)行層，其核心是完成數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行生產(chǎn)管控層下達(dá)的生產(chǎn)指令。

圖3 表面處理智能制造結(jié)構(gòu)框架Figure 3 Structure of intelligent manufacturing for surface treatment

第四層為生產(chǎn)管控層，其核心功能即常規(guī)的MES(制造執(zhí)行系統(tǒng))功能。但需要結(jié)合表面處理行業(yè)的特性，有針對性地進(jìn)行功能建模，實(shí)現(xiàn)諸如槽體模型、生產(chǎn)線模型、質(zhì)量管控模型、排產(chǎn)模型等的建立。這一層級完成整個表面處理智能制造體系的核心功能。

第五層用于實(shí)現(xiàn)表面處理企業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)管控和日常綜合管理，并與上下游生產(chǎn)環(huán)節(jié)需求共享，與外部環(huán)節(jié)的資源優(yōu)化整合。

2.3 針對表面處理的工業(yè)軟件解決方案

智能制造的“智能”由軟件載體實(shí)現(xiàn)。大部分表面處理企業(yè)屬于智能水平不高的企業(yè)，首先面臨的任務(wù)仍然是將生產(chǎn)要素連接起來。但是，僅有連接而沒有后續(xù)的環(huán)節(jié)，并不能給企業(yè)帶來直接的效益。針對表面處理行業(yè)的工業(yè)軟件解決方案才是實(shí)現(xiàn)智能制造的核心所在。

生產(chǎn)環(huán)節(jié)的工業(yè)軟件除了常規(guī)的生產(chǎn)過程監(jiān)控外，核心就是對生產(chǎn)過程的管控，即圖3中的第四層。這一層的模塊基于ISA-95標(biāo)準(zhǔn)，但要考慮表面處理行業(yè)的實(shí)際來進(jìn)行單獨(dú)的建模和定制研發(fā)。比如質(zhì)量管控模型，需要基于表面處理過程的電化學(xué)或者化學(xué)動力學(xué)原理完成機(jī)理建模，然后根據(jù)工藝的設(shè)計，選擇合適的質(zhì)量控制模式。利用生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)以及質(zhì)檢反饋，在工藝參數(shù)規(guī)定范圍內(nèi)給出控制參數(shù)的調(diào)整建議，從而保證批次生產(chǎn)條件變動下的質(zhì)量一致性[5]。

表面處理行業(yè)工業(yè)軟件的核心不在于流程業(yè)務(wù)軟件的使用，而在于匯聚了行業(yè)知識的模塊的建立，使用生產(chǎn)大數(shù)據(jù)不斷地進(jìn)行優(yōu)化、迭代，最終由“人智”轉(zhuǎn)向“機(jī)智”。

2.4 基于云計算的SaaS(軟件即服務(wù))服務(wù)

很多表面處理企業(yè)還處在基于 Excel進(jìn)行生產(chǎn)管理的階段，缺少落實(shí)智能制造必要的軟硬件基礎(chǔ)及技術(shù)維護(hù)能力。在這種情況下，建設(shè)針對表面處理行業(yè)的智能制造云，抽取行業(yè)共性的解決方案，并且利用公有云提供SaaS服務(wù)。這樣一來，中小企業(yè)對生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行互聯(lián)改造后，通過接入云平臺，就可以使用平臺功能實(shí)現(xiàn)自身的智能制造轉(zhuǎn)型[6]。對于表面處理園區(qū)而言，也可以提供對應(yīng)的SaaS云服務(wù)，將園區(qū)運(yùn)營管理的常規(guī)應(yīng)用模塊以SaaS的方式實(shí)現(xiàn)，便于園區(qū)進(jìn)行信息化管理。同時，SaaS服務(wù)也降低了表面處理企業(yè)和園區(qū)的初始部署成本，并且方便借鑒其他企業(yè)和園區(qū)的使用經(jīng)驗(yàn)。

2.5 信息安全及自主可控

最近幾年的中美貿(mào)易戰(zhàn)和科技戰(zhàn)使全社會提高了技術(shù)和產(chǎn)品的自主化意識。但是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)架構(gòu)，從最底層的工業(yè)設(shè)備連接總線和協(xié)議，到云服務(wù)器和通信設(shè)備，再到操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫等基礎(chǔ)軟件，直到最上層的工業(yè)軟件，大部分都掌握在外資企業(yè)手中。這些屬于廣義的基礎(chǔ)IT技術(shù)，全社會都已經(jīng)意識到了這些基礎(chǔ)IT技術(shù)對國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)的重要性。我國在過去幾年已經(jīng)加強(qiáng)了對這些領(lǐng)域的發(fā)展部署，也寫進(jìn)了“十四五”戰(zhàn)略規(guī)劃中[7]。

針對航空航天、海洋裝備、電子電路、裝備制造等行業(yè)的高端表面處理智能制造需求，整個體系所采用的技術(shù)必須自主可控。對于常規(guī)表面處理企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)營，若全部基于智能制造軟件體系建設(shè)，也要考慮信息安全，以免影響企業(yè)的正常生產(chǎn)。

3 表面處理企業(yè)智能制造的實(shí)施路徑

3.1 企業(yè)準(zhǔn)備

表面處理企業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型需要對智能化所帶來的改變有所準(zhǔn)備，包括決策模式轉(zhuǎn)型、制造模式轉(zhuǎn)型、運(yùn)營模式轉(zhuǎn)型、服務(wù)模式轉(zhuǎn)型、商業(yè)模式轉(zhuǎn)型等。同時，人才是企業(yè)推進(jìn)轉(zhuǎn)型面臨的主要問題，企業(yè)也需要有所準(zhǔn)備。還有，企業(yè)要從戰(zhàn)略發(fā)展上對智能制造體系的建設(shè)給予足夠的重視。

企業(yè)需要根據(jù)自身所處的不同階段來選擇不同的智能制造建設(shè)路徑。可包括新建智能工廠和生產(chǎn)線(如圖4所示)，也可對老工廠進(jìn)行信息化升級，對生產(chǎn)線進(jìn)行智能化改造。具體的路徑需要根據(jù)企業(yè)的實(shí)際情況進(jìn)行單獨(dú)分析。

圖4 表面處理智能制造工廠Figure 4 Intelligent manufacturing plant for surface treatment

3.2 系統(tǒng)集成商和解決方案

當(dāng)前很多集成商都在推廣自己的智能制造解決方案，但很多公司并不具備完整的產(chǎn)品及專業(yè)積累，向客戶推銷的重點(diǎn)仍然是云、通信設(shè)備，大部分軟件和硬件依靠第三方合作廠家來提供，在底層工業(yè)物聯(lián)方面只能覆蓋客戶企業(yè)一小部分生產(chǎn)要素，而在上層工業(yè)軟件方面，無法用通用軟件去滿足行業(yè)客戶的需求，更不要提生產(chǎn)優(yōu)化、數(shù)據(jù)分析和建模了。

表面處理行業(yè)智能制造的解決方案需要在行業(yè)內(nèi)深耕。從目前來看，還沒有通用的智能制造方案能夠不經(jīng)改動就跨行業(yè)實(shí)施。而深耕就需要系統(tǒng)集成商提高服務(wù)意識，深入了解表面處理企業(yè)的需求、工作方式、難點(diǎn)痛點(diǎn)等，為客戶精心定制解決方案。由于表面處理智能制造是新生事物，成功的案例不多，讓客戶參與到解決方案的設(shè)計和實(shí)施中也是十分必要的。另外，由于表面處理企業(yè)所涉及的表面處理工藝、環(huán)節(jié)眾多，系統(tǒng)集成商必須有針對性地給出整體方案來解決生產(chǎn)痛點(diǎn)，因此對系統(tǒng)集成商的選擇也是關(guān)鍵所在。

3.3 制造與企業(yè)發(fā)展的關(guān)聯(lián)

智能制造是表面處理企業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路，兩者也是一個互相促進(jìn)、螺旋上升的過程。智能制造系統(tǒng)實(shí)施后會令企業(yè)原有的生產(chǎn)、運(yùn)營模式發(fā)生改變，而企業(yè)的持續(xù)升級又會對原有的智能制造體系提出新的要求，如此互相促進(jìn)，不斷優(yōu)化，從而幫助企業(yè)增強(qiáng)競爭力，提升產(chǎn)品附加值，最終實(shí)現(xiàn)整個表面處理行業(yè)的智能制造。

4 展望

4.1 未來一段時間的趨勢

當(dāng)前我國的智能制造還處于供給側(cè)和需求側(cè)的博弈階段，主要的認(rèn)知差距在于供給側(cè)和需求側(cè)的對話，雙方的目標(biāo)并不完全匹配。未來一段時間，系統(tǒng)集成商會轉(zhuǎn)向提供完整的解決方案，而不是讓需求方來自己開發(fā)應(yīng)用程序，因?yàn)榇蟛糠制髽I(yè)缺少(也不需要)這樣的開發(fā)技術(shù)能力。只有對行業(yè)足夠深入并積累到一定程度，行業(yè)的智能制造才會進(jìn)入平穩(wěn)發(fā)展的階段，從一個點(diǎn)展開，推廣到行業(yè)。表面處理行業(yè)的智能制造也是這樣的一個過程。通過對行業(yè)頭部客戶需求的深入了解和對解決方案的逐步完善，形成行業(yè)通用的解決方案，然后結(jié)合云計算以及邊緣計算技術(shù)，在普通表面處理企業(yè)進(jìn)行大面積的推廣，最終實(shí)現(xiàn)整個行業(yè)的智能制造升級。

4.2 行業(yè)示范及積累

工業(yè)軟件系統(tǒng)的應(yīng)用都是從部分頭部企業(yè)開始做起，然后在行業(yè)內(nèi)推廣?；仡櫄W美等國的工業(yè)軟件發(fā)展過程會發(fā)現(xiàn)都是從航空、航天、汽車、能源行業(yè)的大量應(yīng)用中成熟起來，然后向其他裝備制造和過程工業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行快速推廣。表面處理行業(yè)也會是這樣的一個過程，先建設(shè)表面處理示范項(xiàng)目，待有足夠積累和優(yōu)化后，向常規(guī)表面處理生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行推廣應(yīng)用。所以建設(shè)好行業(yè)示范項(xiàng)目，利用示范項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)針對表面處理智能制造體系的數(shù)據(jù)積累和不斷優(yōu)化，是在行業(yè)內(nèi)進(jìn)行智能制造推廣的最佳路線。

4.3 表面處理智能制造云的推廣

針對絕大多數(shù)表面處理企業(yè)、園區(qū)，在其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)設(shè)備互聯(lián)，完成底層的數(shù)據(jù)采集和控制接口對接的同時，利用邊緣計算設(shè)備與云端SaaS服務(wù)對接，實(shí)現(xiàn)企業(yè)智能制造軟件系統(tǒng)與生產(chǎn)過程的互聯(lián)，利用行業(yè)成熟的經(jīng)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)智能制造的轉(zhuǎn)型，從智能制造項(xiàng)目變成智能制造的體系化服務(wù)，更好地融入智能制造體系，就可以實(shí)現(xiàn)行業(yè)的整體升級。