基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字化工廠建設(shè)方案研究

【關(guān)鍵詞】工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)；數(shù)字化；智能化

引言

工業(yè)強(qiáng)大與否直接體現(xiàn)一個國家的綜合實力和國際競爭力[1]，是推動經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要引擎。世界工業(yè)史的發(fā)展經(jīng)歷了從人工向機(jī)械化和大規(guī)模生產(chǎn)轉(zhuǎn)變的蒸汽時代、從機(jī)械化向自動化轉(zhuǎn)變的電氣時代、從自動化向數(shù)字化轉(zhuǎn)變的信息時代以及從數(shù)字化向智能化轉(zhuǎn)變的智能時代。制造業(yè)作為工業(yè)里面的一個重要分支，直接體現(xiàn)一個國家的生產(chǎn)力水平，是區(qū)別發(fā)展中國家與發(fā)達(dá)國家的重要因素。

當(dāng)今的工業(yè)領(lǐng)域，工業(yè)自動化經(jīng)過多年的發(fā)展并取得了顯著的進(jìn)步，成為提升生產(chǎn)效率的重要手段，有效支撐企業(yè)實現(xiàn)高效、精準(zhǔn)和可靠的生產(chǎn)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，在工業(yè)生產(chǎn)中的各個場景中都廣泛應(yīng)用了自動化設(shè)備，比如裝配組裝、焊接、檢驗、搬運(yùn)、噴涂等各個環(huán)節(jié)，使得工業(yè)生產(chǎn)過程更加智能化和可控化。在實現(xiàn)自動化過程中，企業(yè)加速數(shù)字化融合并向數(shù)字化轉(zhuǎn)型，從而實現(xiàn)生產(chǎn)過程的實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、信息處理和生產(chǎn)流程優(yōu)化控制。

近年來，隨著人工智能、云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈等新興技術(shù)的發(fā)展，為制造業(yè)轉(zhuǎn)型帶來了新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。未來的工業(yè)設(shè)備和工業(yè)系統(tǒng)將更加的智能和完善，通過自主數(shù)據(jù)收集、分析與處理，形成有助于智能決策的數(shù)據(jù)價值流。隨著社會化分工加深，企業(yè)間各司其職，產(chǎn)業(yè)鏈分工日益精細(xì)與明確，這一發(fā)展趨勢要求企業(yè)對外部資源的集成與調(diào)用能力提出了更高的要求。隨著全球環(huán)境問題的日益突出，綠色制造變得越來越迫切，在實現(xiàn)智能化生產(chǎn)過程的同時，必須注重能源消耗和環(huán)境污染，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。通過以上分析，智能化、協(xié)同化、綠色化成為工業(yè)企業(yè)發(fā)展的趨勢和必由之路。

一、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)概述

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)從消費(fèi)領(lǐng)域向生產(chǎn)領(lǐng)域、從虛擬經(jīng)濟(jì)向?qū)嶓w經(jīng)濟(jì)拓展的核心載體，是新一代信息通信技術(shù)與現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)深度融合的產(chǎn)物[2]，是第四次工業(yè)革命的重要基石[3]，通過人、機(jī)、物的全面互聯(lián)，實現(xiàn)全要素、全產(chǎn)業(yè)鏈、全價值鏈的全面連接，打破傳統(tǒng)的信息孤島局面[4]。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通過智能設(shè)備、智能系統(tǒng)、智能決策三個重要思想和方法實現(xiàn)物理世界與數(shù)字世界的深度連接，可以解決面向生產(chǎn)過程的生產(chǎn)過程優(yōu)化、面向企業(yè)運(yùn)營的管理決策優(yōu)化、面向社會化生產(chǎn)的資源優(yōu)化配置與協(xié)同、面向產(chǎn)品全生命周期的管理與服務(wù)優(yōu)化等問題，從而實現(xiàn)推動企業(yè)的高端化、智能化、綠色化發(fā)展。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)利用ICT技術(shù)優(yōu)勢，通過對各類數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、傳輸、存儲、分析并形成智能反饋去改造傳統(tǒng)企業(yè)，實現(xiàn)整個產(chǎn)業(yè)鏈的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

二、數(shù)字化工廠建設(shè)方案研究

近年來，智能制造作為我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要契機(jī)被大力推行，開展對于數(shù)字化工廠建設(shè)的研究項目具有重要的意義。制造業(yè)實施數(shù)字化工廠建設(shè)、智能工廠建設(shè)成為企業(yè)轉(zhuǎn)型、推動發(fā)展的必然選擇和必走路徑。

（一）建設(shè)思路

智能制造需要充分考慮產(chǎn)品全生命周期的各個要素，包括工廠內(nèi)部的生產(chǎn)過程、企業(yè)上下游的高度協(xié)同及資源調(diào)度、產(chǎn)品的售后及服務(wù)等。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要引擎[5]，為了提高生產(chǎn)效率、提升產(chǎn)品品質(zhì)以及提高客戶滿意度，下面筆者將基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的智能化生產(chǎn)、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同、服務(wù)化延伸、個性化定制這四大應(yīng)用模式分析如何進(jìn)行數(shù)字化工廠的建設(shè)。

（二）建設(shè)方案

如圖1所示，數(shù)字化工廠建設(shè)總體方案包括基于工廠內(nèi)部現(xiàn)場全面連接的智能生產(chǎn)、企業(yè)上下游互聯(lián)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同、基于智慧產(chǎn)品的服務(wù)延伸以及實現(xiàn)與客戶需求對接的產(chǎn)品定制化。

1.全面連接生產(chǎn)要素的智能生產(chǎn)

人、機(jī)、料、法、環(huán)是影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量五大關(guān)鍵要素，所以在生產(chǎn)現(xiàn)場需要對這五大要素進(jìn)行全面的管理，通過數(shù)據(jù)采集、分析、處理形成決策流，再作用于生產(chǎn)現(xiàn)場并反饋到生產(chǎn)管理系統(tǒng)，從而保障生產(chǎn)過程的效率和產(chǎn)品質(zhì)量。如圖2所示，以制造完成一件產(chǎn)品的其中一個工序為例，完成該工序后產(chǎn)品已經(jīng)與完成該工序涉及的人員、機(jī)器設(shè)備工具、物料、方法工藝、環(huán)境參數(shù)實現(xiàn)了強(qiáng)關(guān)聯(lián)，便于后續(xù)數(shù)據(jù)溯源以及質(zhì)量管控。同時制造過程中對這五個生產(chǎn)要素進(jìn)行管控，比如操作人員是否具備符合該工序的技能、當(dāng)前設(shè)備的性能參數(shù)是否滿足當(dāng)前工藝要求、設(shè)備運(yùn)行過程中的狀態(tài)監(jiān)測、物料是否滿足產(chǎn)品型號要求且質(zhì)量是否合格、產(chǎn)品當(dāng)前是否應(yīng)該執(zhí)行這個工藝，當(dāng)前工序是否全部合格，環(huán)境參數(shù)是否滿足工藝要求等等。

2.企業(yè)互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同

在互聯(lián)網(wǎng)+這個大時代背景下，企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品想要滿足客戶的大規(guī)模個性化定制需求，企業(yè)從顧客需求開始，到接受訂單、產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)、原材料采購、生產(chǎn)制造、物流整個環(huán)節(jié)都需要進(jìn)行深度的集成互聯(lián)和通信。隨著社會分工的深度細(xì)化，企業(yè)傳統(tǒng)的高度集成價值鏈轉(zhuǎn)向分散到各專業(yè)化企業(yè)。對內(nèi)，工廠把完成整個產(chǎn)品的制造分成多個工序步驟，每個員工或機(jī)器只完成其中的某一個工序或者某一操作，但是各個工序之間、各個工序的生產(chǎn)要素之間又是需要相互聯(lián)通的；對外，不同的企業(yè)各自擅長研發(fā)設(shè)計、物料供應(yīng)、倉儲運(yùn)輸、銷售服務(wù)等不同領(lǐng)域，產(chǎn)品的全流程分布于各企業(yè)。

如圖3所示，企業(yè)互聯(lián)可以分為企業(yè)內(nèi)部垂直互聯(lián)和企業(yè)間橫向互聯(lián)兩種。根據(jù)企業(yè)管理的不同時間需求，企業(yè)在不同時期開發(fā)了不同的系統(tǒng)。不同系統(tǒng)的功能不同，研發(fā)方式可能是自主研發(fā)或外購方式。隨著企業(yè)的發(fā)展，對各個系統(tǒng)的互聯(lián)協(xié)同需求加大。比如企業(yè)根據(jù)客戶需求生成訂單合同之后，計劃部門需要將客戶的訂單轉(zhuǎn)換成生產(chǎn)任務(wù)，這個計劃過程就會涉及人員、設(shè)備、倉儲等其他信息，需要綜合各個產(chǎn)線、車間的設(shè)備布局、設(shè)備參數(shù)、設(shè)備產(chǎn)能信息，才能提升設(shè)備的利用率，進(jìn)而提高生產(chǎn)效率并降低成本；同時，這一過程還需要將計劃所需的物料信息同步給原材料庫房，庫房根據(jù)計劃信息下發(fā)采購訂單。所以，要完成生產(chǎn)計劃排程，就需要企業(yè)內(nèi)部各個系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通。

3.基于智慧產(chǎn)品的制造+服務(wù)模式

在當(dāng)今的數(shù)字化、智能時代驅(qū)動下，制造業(yè)從原來的單一提供產(chǎn)品，逐漸轉(zhuǎn)變成產(chǎn)品與服務(wù)相結(jié)合，即制造+服務(wù)的經(jīng)營模式，并且逐漸打破制造業(yè)與服務(wù)業(yè)的邊界，推動企業(yè)向服務(wù)型制造的轉(zhuǎn)型。如圖4所示，服務(wù)型制造應(yīng)該以客戶為中心，向用戶輸出產(chǎn)品、支持服務(wù)、技術(shù)知識等有形無形的價值。產(chǎn)品研發(fā)過程，充分考慮客戶的定制化需求，通過仿真系統(tǒng)向用戶展示設(shè)計成果并收集客戶反饋信息；產(chǎn)品制造過程中充分關(guān)聯(lián)了人、機(jī)、料、法、環(huán)等所有生產(chǎn)要素，因此可以為產(chǎn)品信息溯源、防偽查詢、售后質(zhì)量保障等提供支撐；訂單上線生產(chǎn)之后，可以向用戶提供訂單完成狀態(tài)信息；訂單完成發(fā)貨之后，向客戶提供出貨和物流信息；除此之外，通過在產(chǎn)品上疊加智能模塊，為客戶提供產(chǎn)品遠(yuǎn)程健康管理與運(yùn)維等增值服務(wù)，提升客戶滿意度。

4.基于按訂單生產(chǎn)的個性化定制

隨著消費(fèi)者的需求不斷增加，多品種小批量的按訂單生產(chǎn)方式逐漸成為工廠的主要生產(chǎn)方式，傳統(tǒng)的按庫房生產(chǎn)方式很難滿足市場的多元性需求，也不利于企業(yè)的生產(chǎn)管理，企業(yè)的柔性生產(chǎn)能力成為衡量其應(yīng)變能力的主要指標(biāo)。為了滿足按需生產(chǎn)，必須有較高的柔性生產(chǎn)能力來快速響應(yīng)客戶的多變需求?；诎从唵紊a(chǎn)的個性化定制生產(chǎn)方式給企業(yè)的制造生產(chǎn)帶來了巨大的挑戰(zhàn)，比如個性化定制的產(chǎn)品具有不同的物料清單和工藝，這種非標(biāo)生產(chǎn)會降低生產(chǎn)效率；生產(chǎn)線處于對品種并行的生產(chǎn)狀態(tài)，要求企業(yè)對工廠資源進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)配才能很好地滿足資源共享；小批量、多品種的材料采購也需要加大對供應(yīng)鏈的風(fēng)險管理。

以上描述的數(shù)字化工廠建設(shè)方案的幾個方面不是相互獨(dú)立，而是相輔相成的。工廠必須構(gòu)建基于生產(chǎn)現(xiàn)場的全面連接并實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部、外部的網(wǎng)絡(luò)協(xié)同，才能夠從效率、質(zhì)量、成本、交期、服務(wù)等各方面提升自身的競爭力，才有可能實現(xiàn)多品種小批量的個性化定制生產(chǎn)模式，才可以實現(xiàn)基于產(chǎn)品聯(lián)網(wǎng)的制造+服務(wù)模式。

（三）案例分析

制造過程中的零部件識別是生產(chǎn)工程中不可或缺的一個環(huán)節(jié)，幾乎所有的生產(chǎn)工序都會涉及零部件的識別。多品種小批量的生產(chǎn)模式導(dǎo)致零部件的種類很多，而且同一種零部件的型號又非常多。同一種零部件的不同型號有時從外觀上又很難區(qū)分，這就導(dǎo)致零部件的識別容易出錯，從而出現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量問題。除此之外，可能還會存在同一種型號的零部件，不同客戶的產(chǎn)品的數(shù)量要求是不一樣的，這無疑又增加了物料識別難度。在一些人工操作的工序，如果由人來進(jìn)行物料識別，往往就要求操作員工非常熟悉各種零部件型號、外觀、特點(diǎn)等等，就需要操作員工進(jìn)行長時間的培訓(xùn)并具備較高的技能要求，從而增加了人力成本。因此，如何保證正確數(shù)量、正確型號的零部件識別成為制造過程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題。

基于前面分析的數(shù)字化工廠建設(shè)方案，零部件識別方案可以通過產(chǎn)品型號分解從物料清單系統(tǒng)中獲取該產(chǎn)品在該生產(chǎn)工序所需的物料信息；結(jié)合線邊庫房管理，比如指示燈等方式，實現(xiàn)對所需物料信息的指示；同時，還需要從檢驗系統(tǒng)中獲取物料的檢驗信息，確保物料的質(zhì)量沒有問題，如果發(fā)現(xiàn)有物料質(zhì)量問題，還需要獲取物料的供應(yīng)商、批次等信息進(jìn)行過程管控。除此之外，需要記錄該工序操作的人員信息、工藝信息，以及采用的哪些物料等所有過程信息，便于后續(xù)的信息溯源與質(zhì)量問題追溯。通過以上措施，只要保障每一個工序不接收、不制造、不流出不合格品，那么就能保障產(chǎn)品的質(zhì)量。

結(jié)束語

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為支撐新一輪工業(yè)革命的基石，制造業(yè)的智能制造轉(zhuǎn)型離不開工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的支撐。一些中小企業(yè)目前還沒有形成數(shù)字化工廠的概念，亟須加快數(shù)字化工廠建設(shè)的步伐。然而數(shù)字化工廠建設(shè)存在效率低、實施難度大等問題，部分企業(yè)想要開展數(shù)字化工廠建設(shè)，可能還存在不知道如何建設(shè)的問題。本文在分析工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢的基礎(chǔ)上，提出的基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字化工廠建設(shè)方案，可以給企業(yè)開展數(shù)字化工廠建設(shè)提供相關(guān)的參考價值，促進(jìn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型建設(shè)工作的開展。