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專題|智能制造的主線——智能生產(chǎn)（工廠/車間數(shù)字化）

2018-01-29 來源：評論：0

摘要：智能制造專題第二期：智能生產(chǎn)——智能制造的主線（工廠車間數(shù)字化），從智能工廠的建設(shè)以及重要環(huán)節(jié)了解智能生產(chǎn)過程。

　　·西門子安貝格工廠：實(shí)現(xiàn)了多品種工控機(jī)的混線生產(chǎn)，產(chǎn)品合格率高達(dá)99.9988%

　　·FANUC公司：實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人和伺服電機(jī)生產(chǎn)過程的高度自動(dòng)化和智能化，最高720小時(shí)無人值守

　　·施耐德電氣：實(shí)現(xiàn)了電氣開關(guān)制造和包裝過程的全自動(dòng)化

　　·美國哈雷戴維森公司：廣泛利用以加工中心和機(jī)器人構(gòu)成的智能制造單元，實(shí)現(xiàn)大批量定制

　　·三菱電機(jī)名古屋制作:所采用人機(jī)結(jié)合的新型機(jī)器人裝配產(chǎn)線,顯著提高了單位生產(chǎn)面積的產(chǎn)量

　　·重卡巨頭MAN公司:搭建了完備的廠內(nèi)物流體系,并建立了物料超市

　　發(fā)展智能制造對于中國制造業(yè)乃至中國經(jīng)濟(jì)的重要性不言而喻，先進(jìn)制造業(yè)全媒體作為深耕制造業(yè)領(lǐng)域的專業(yè)媒體，長期關(guān)注智能制造發(fā)展，助力中國制造轉(zhuǎn)型升級，努力做“中國制造2025”的推動(dòng)者。先進(jìn)制造業(yè)全媒體將陸續(xù)推出智能制造專題，試圖從智能制造產(chǎn)業(yè)鏈、智能工廠、智能裝備、智能產(chǎn)品、智能服務(wù)、產(chǎn)業(yè)變革模式、產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展等方面，全面深度的剖析智能制造的發(fā)展，以期勾勒智能制造的全貌，更多信息請關(guān)注先進(jìn)制造業(yè)微信號（ID：amdaily）或先進(jìn)制造業(yè)網(wǎng)站（http://longyuhs.cn）。

　　智能制造專題第二期：智能生產(chǎn)——智能制造的主線（工廠/車間數(shù)字化），從智能工廠的建設(shè)以及重要環(huán)節(jié)了解智能生產(chǎn)過程。
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　　近年來，全球各主要經(jīng)濟(jì)體都在大力推進(jìn)制造業(yè)的復(fù)興。在工業(yè)4.0、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等熱潮下，全球眾多優(yōu)秀制造企業(yè)都開展了智能工廠建設(shè)實(shí)踐。

　　據(jù)中國工程院院長周濟(jì)介紹，智能生產(chǎn)是智能制造的主線，而智能工廠是智能生產(chǎn)的主要載體。隨著新一代人工智能的應(yīng)用，今后20年，中國企業(yè)將要向自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自控制的新一代智能工廠進(jìn)軍。新一代人工智能技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)的融合，將使得生產(chǎn)線、車間、工廠發(fā)生革命性大變革，提升到歷史性的新高度，將從根本上提高制造業(yè)質(zhì)量、效率和企業(yè)競爭力。在今后相當(dāng)一段時(shí)間里面，生產(chǎn)線、車間，工廠的智能升級將成為推進(jìn)智能制造的一個(gè)主要戰(zhàn)場。

　　一、智能工廠的內(nèi)涵及建設(shè)重點(diǎn)

　　智能工廠是實(shí)現(xiàn)智能制造的重要載體，主要通過構(gòu)建智能化生產(chǎn)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)化分布生產(chǎn)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的智能化。智能工廠已經(jīng)具有了自主能力，可采集、分析、判斷、規(guī)劃；通過整體可視技術(shù)進(jìn)行推理預(yù)測，利用仿真及多媒體技術(shù)，將實(shí)境擴(kuò)增展示設(shè)計(jì)與制造過程。系統(tǒng)中各組成部分可自行組成最佳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具備協(xié)調(diào)、重組及擴(kuò)充特性。已系統(tǒng)具備了自我學(xué)習(xí)、自行維護(hù)能力。因此，智能工廠實(shí)現(xiàn)了人與機(jī)器的相互協(xié)調(diào)合作，其本質(zhì)是人機(jī)交互。

　　人機(jī)料法環(huán)是對全面質(zhì)量管理理論中的五個(gè)影響產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素的簡稱。人，指制造產(chǎn)品的人員；機(jī)，制造產(chǎn)品所用的設(shè)備；料，指制造產(chǎn)品所使用的原材料；法，指制造產(chǎn)品所使用的方法；環(huán)，指產(chǎn)品制造過程中所處的環(huán)境。而智能生產(chǎn)就是以智能工廠為核心，將人、機(jī)、法、料、環(huán)連接起來，多維度融合的過程。

　　在智能工廠的體系架構(gòu)中，質(zhì)量管理的五要素也相應(yīng)的發(fā)生變化，因?yàn)樵谖磥碇悄芄S中，人類、機(jī)器和資源能夠互相通信。智能產(chǎn)品“知道”它們?nèi)绾伪恢圃斐鰜淼募?xì)節(jié)，也知道它們的用途。它們將主動(dòng)地對制造流程，回答諸如“我什么時(shí)候被制造的”、“對我進(jìn)行處理應(yīng)該使用哪種參數(shù)”、“我應(yīng)該被傳送到何處”等問題。企業(yè)基于CPS和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建的智能工廠原型，主要包括物理層、信息層、大數(shù)據(jù)層、工業(yè)云層、決策層。其中，物理層包含工廠內(nèi)不同層級的硬件設(shè)備，從最小的嵌入設(shè)備和基礎(chǔ)元器件開始，到感知設(shè)備、制造設(shè)備、制造單元和生產(chǎn)線，相互間均實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。以此為基礎(chǔ)，構(gòu)建了一個(gè)“可測可控、可產(chǎn)可管”的縱向集成環(huán)境。信息層涵蓋企業(yè)經(jīng)營業(yè)務(wù)各個(gè)環(huán)節(jié)，包含研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、營銷服務(wù)、物流配送等各類經(jīng)營管理活動(dòng)，以及由此產(chǎn)生的眾創(chuàng)、個(gè)性化定制、電子商務(wù)、可視追蹤等相關(guān)業(yè)務(wù)。在此基礎(chǔ)上，形成了企業(yè)內(nèi)部價(jià)值鏈的橫向集成環(huán)境，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息的流通和交換。

　　縱向集成和橫向集成均以CPS和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，產(chǎn)品、設(shè)備、制造單元、生產(chǎn)線、車間、工廠等制造系統(tǒng)的互聯(lián)互通，及其與企業(yè)不同環(huán)節(jié)業(yè)務(wù)的集成統(tǒng)一，則是通過數(shù)據(jù)應(yīng)用和工業(yè)云服務(wù)實(shí)現(xiàn)，并在決策層基于產(chǎn)品、服務(wù)、設(shè)備管理支撐企業(yè)最高決策。這些共同構(gòu)建了一個(gè)智能工廠完整的價(jià)值網(wǎng)絡(luò)體系，為用戶提供端到端的解決方案。

　　由于產(chǎn)品制造工藝過程的明顯差異，離散制造業(yè)和流程制造業(yè)在智能工廠建設(shè)的重點(diǎn)內(nèi)容有所不同。對于離散制造業(yè)而言，產(chǎn)品往往由多個(gè)零部件經(jīng)過一系列不連續(xù)的工序裝配而成，其過程包含很多變化和不確定因素，在一定程度上增加了離散型制造生產(chǎn)組織的難度和配套復(fù)雜性。企業(yè)常常按照主要的工藝流程安排生產(chǎn)設(shè)備的位置，以使物料的傳輸距離最小。面向訂單的離散型制造企業(yè)具有多品種、小批量的特點(diǎn)，其工藝路線和設(shè)備的使用較靈活，因此，離散制造型企業(yè)更加重視生產(chǎn)的柔性，其智能工廠建設(shè)的重點(diǎn)是智能制造生產(chǎn)線。

　　二、智能工廠主要建設(shè)模式

　　由于各個(gè)行業(yè)生產(chǎn)流程不同，加上各個(gè)行業(yè)智能化情況不同，智能工廠有以下幾個(gè)不同的建設(shè)模式。

　　第一種模式是從生產(chǎn)過程數(shù)字化到智能工廠。在石化、鋼鐵、冶金、建材、紡織、造紙、醫(yī)藥、食品等流程制造領(lǐng)域，企業(yè)發(fā)展智能制造的內(nèi)在動(dòng)力在于產(chǎn)品品質(zhì)可控，側(cè)重從生產(chǎn)數(shù)字化建設(shè)起步，基于品控需求從產(chǎn)品末端控制向全流程控制轉(zhuǎn)變。

　　第二種模式是從智能制造生產(chǎn)單元(裝備和產(chǎn)品)到智能工廠。在機(jī)械、汽車、航空、船舶、輕工、家用電器和電子信息等離散制造領(lǐng)域，企業(yè)發(fā)展智能制造的核心目的是拓展產(chǎn)品價(jià)值空間，側(cè)重從單臺設(shè)備自動(dòng)化和產(chǎn)品智能化入手，基于生產(chǎn)效率和產(chǎn)品效能的提升實(shí)現(xiàn)價(jià)值增長。

　　第三種模式是從個(gè)性化定制到互聯(lián)工廠。在家電、服裝、家居等距離用戶最近的消費(fèi)品制造領(lǐng)域，企業(yè)發(fā)展智能制造的重點(diǎn)在于充分滿足消費(fèi)者多元化需求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)，側(cè)重通過互聯(lián)網(wǎng)平臺開展大規(guī)模個(gè)性定制模式創(chuàng)新。

　　三、智能工廠發(fā)展重點(diǎn)環(huán)節(jié)

　　智能生產(chǎn)的側(cè)重點(diǎn)在于將人機(jī)互動(dòng)、3D打印等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)過程，并對整個(gè)生產(chǎn)流程進(jìn)行監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集，便于進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從而形成高度靈活、個(gè)性化、網(wǎng)絡(luò)化的產(chǎn)業(yè)鏈。

　　3D打印

　　3D打印是一項(xiàng)顛覆性的創(chuàng)新技術(shù)，被美國自然科學(xué)基金會稱為20世紀(jì)最重要的制造技術(shù)創(chuàng)新。制造業(yè)的全流程都可以引入3D打印，起到節(jié)約成本、加快進(jìn)度、減少材料浪費(fèi)等效果。在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，借助3D打印技術(shù)，設(shè)計(jì)師能夠獲得更大的自由度和創(chuàng)意空間，可以專注于產(chǎn)品形態(tài)創(chuàng)意和功能創(chuàng)新，而不必考慮形狀復(fù)雜度的影響，因?yàn)?D打印幾乎可以完成任何形狀的物品構(gòu)建。在生產(chǎn)環(huán)節(jié)，3D打印可以直接從數(shù)字化模型生成零部件，不需要專門的模具制作等工序，既節(jié)約了成本，又能加快產(chǎn)品上市。此外，傳統(tǒng)制造工藝在鑄造、拋光和組裝部件的過程中通常會產(chǎn)生廢料，而相同部件使用3D打印則可以一次性成形，基本不會產(chǎn)生廢料。在分銷環(huán)節(jié)，3D打印可能會挑戰(zhàn)現(xiàn)有的物流分銷網(wǎng)絡(luò)。未來，零部件不再需要從原廠家采購和運(yùn)輸，而是從制造商的在線數(shù)據(jù)庫中下載3D打印模型文件，然后在本地快速打印出來，由此可能導(dǎo)致遍布全球的零部件倉儲與配送體系失去存在的意義。

　　3D打印經(jīng)過了近 40年的發(fā)展，龍頭公司開始實(shí)現(xiàn)顯著盈利，市場認(rèn)可度快速上升，行業(yè)收入增長加速。根據(jù)典型的產(chǎn)品生命周期理論，技術(shù)產(chǎn)品從導(dǎo)入期進(jìn)入成長期的過程中往往表現(xiàn)出加速增長的特征，判斷目前3D打印產(chǎn)業(yè)正在進(jìn)入加速成長期。

　　圖表：2008-2015年全球3D打印設(shè)備出貨量增長情況

　　Source：賽瑞研究

　　整個(gè)3D打印行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈大概可分為三個(gè)部分，上游基礎(chǔ)配件行業(yè)，3D打印設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)、3D打印材料生產(chǎn)企業(yè)和支持配套企業(yè)，下游主要是3D打印的各大應(yīng)用領(lǐng)域。通常意義上的3D打印行業(yè)則主要是指3D打印設(shè)備、材料及服務(wù)企業(yè)。

　　圖表：3D打印行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈

　　3D打印已經(jīng)形成了一條完整的產(chǎn)業(yè)鏈。產(chǎn)業(yè)鏈的每個(gè)環(huán)節(jié)都聚集了一批領(lǐng)先企業(yè)。全球范圍來看，以Stratasys、3D Systems為代表的設(shè)備企業(yè)在產(chǎn)業(yè)鏈中占據(jù)了主導(dǎo)作用，且這些設(shè)備企業(yè)通常能夠提供材料和打印服務(wù)業(yè)務(wù)，如具有較強(qiáng)的話語權(quán)。

　　圖表：2015年全球工業(yè)級/專業(yè)級3D打印設(shè)備出貨量TOP5企業(yè)

　　Source：賽瑞研究整理

　　人機(jī)交互

　　未來各類交互方式都會進(jìn)行深度融合，使智能設(shè)備會更加自然地與人類生物反應(yīng)及處理過程同步，包括思維過程、動(dòng)覺，甚至一個(gè)人的文化偏好等，這個(gè)領(lǐng)域充滿著各種各樣新奇的可能性。

　　人與機(jī)器的信息交換方式隨著技術(shù)融合步伐的加快向更高層次邁進(jìn)，新型人機(jī)交互方式被逐漸應(yīng)用于生產(chǎn)制造領(lǐng)域。具體表現(xiàn)在智能交互設(shè)備柔性化和智能交互設(shè)備工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用這兩個(gè)方面。在生產(chǎn)過程中，智能制造系統(tǒng)可獨(dú)立承擔(dān)分析、判斷、決策等任務(wù)，突出人在制造系統(tǒng)中的核心地位，同時(shí)在工業(yè)機(jī)器人、無軌agv等智能設(shè)備配合下，更好發(fā)揮人的潛能。機(jī)器智能和人的智能真正地集成在一起，互相配合，相得益彰。本質(zhì)是人機(jī)一體化。

　　傳感器

　　中國已經(jīng)基本形成較為完整的產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)，在材料、器件、系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)等各方面水平不斷完善，自主產(chǎn)品已達(dá)6000種，國內(nèi)建立了三大傳感器生產(chǎn)基地，分別為：安徽基地，陜西基地和黑龍江基地。政府對國內(nèi)傳感器產(chǎn)業(yè)提出了加快力度加快發(fā)展的指導(dǎo)方針，未來的傳感器發(fā)展將向著智能化的方向改善。

　　工業(yè)軟件

　　智能工廠的建設(shè)離不開工業(yè)軟件的廣泛應(yīng)用。工業(yè)軟件包括基礎(chǔ)和應(yīng)用軟件兩大類，其中系統(tǒng)、中間件、嵌入式屬于基礎(chǔ)技術(shù)范圍，并不與特定工業(yè)管理流程和工藝流程緊密相關(guān)，以下提到的工業(yè)軟件主要指應(yīng)用軟件，包括運(yùn)營管理類、生產(chǎn)管理類和研發(fā)設(shè)計(jì)類軟件等。

　　在《中國制造2025》的大背景下，工業(yè)企業(yè)轉(zhuǎn)變發(fā)展模式、加快兩化融合成為大勢所趨，工業(yè)軟件以及信息化服務(wù)的需求仍將繼續(xù)增加，中國繼續(xù)保持著全球工業(yè)軟件市場增長生力軍的地位。

　　具體來看，2016年我國工業(yè)軟件行業(yè)中產(chǎn)品研發(fā)類如CAD、CAE、CAM、CAPP等占比約為8.3%，信息管理類如ERP、CRM、HRM等，占比約為15.5%；生產(chǎn)控制類如MES、PCS、PLC等占比約為13.2%；其余63%均為嵌入式軟件開發(fā)。

　　分區(qū)域來看，華北、華東是工業(yè)軟件應(yīng)用最多的區(qū)域，合計(jì)占到全國一半左右，具體到省市來看，北京、上海、廣東、江蘇是工業(yè)軟件實(shí)力雄厚的區(qū)域，約占中國工業(yè)軟件市場規(guī)模的一半以上。

　　廣泛應(yīng)用MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）、APS（先進(jìn)生產(chǎn)排程）、PLM(產(chǎn)品生命周期管理) 、ERP(企業(yè)資源計(jì)劃)、質(zhì)量管理等工業(yè)軟件，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場的可視化和透明化。在新建工廠時(shí)，可以通過數(shù)字化工廠仿真軟件，進(jìn)行設(shè)備和產(chǎn)線布局、工廠物流、人機(jī)工程等仿真，確保工廠結(jié)構(gòu)合理。在推進(jìn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的過程中，必須確保工廠的數(shù)據(jù)安全和設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)安全。在通過專業(yè)檢測設(shè)備檢出次品時(shí)，不僅要能夠自動(dòng)與合格品分流，而且能夠通過SPC（統(tǒng)計(jì)過程控制）等軟件，分析出現(xiàn)質(zhì)量問題的原因。

　　云制造

　　云制造即制造企業(yè)將先進(jìn)的信息技術(shù)、制造技術(shù)以及新興物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等交叉融合，工廠產(chǎn)能、工藝等數(shù)據(jù)都集中于云平臺，制造商可在云端進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析與客戶關(guān)系管理，發(fā)揮企業(yè)最佳效能。

　　圖片展示了云制造的概念，以及從傳統(tǒng)制造，到智能制造，到智慧制造，到今天的云制造的過程。

　　我們國內(nèi)，可以看到有航天科工集團(tuán)開發(fā)的面向航天復(fù)雜產(chǎn)品的集團(tuán)企業(yè)云制造服務(wù)平臺，接入了集團(tuán)下屬各院所和基地?fù)碛胸S富的制造資源和能力；中車集團(tuán)面向軌道交通裝備的集團(tuán)企業(yè)云制造服務(wù)平臺，打通了軌道車輛、工程機(jī)械、機(jī)電設(shè)備、電子設(shè)備及相關(guān)部件等產(chǎn)品的研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、修理和服務(wù)等業(yè)務(wù)；面向中小企業(yè)的云制造平臺，也陸續(xù)出現(xiàn)在了裝備制造、箱包鞋帽等行業(yè)領(lǐng)域。

　　云制造為制造業(yè)信息化提供了一種嶄新的理念與模式，云制造作為一種初生的概念，其未來具有巨大的發(fā)展空間。但云制造的未來發(fā)展仍面臨著眾多關(guān)鍵技術(shù)的挑戰(zhàn)，除了對于云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、語義Web、高性能計(jì)算、嵌入式系統(tǒng)等技術(shù)的綜合集成，基于知識的制造資源云端化、制造云管理引擎、云制造應(yīng)用協(xié)同、云制造可視化與用戶界面等技術(shù)均是未來需要攻克的重要技術(shù)。關(guān)注先進(jìn)制造業(yè)微信公眾號（ID:amdaily）獲取更多智能制造資訊。

　　總結(jié)

　　建設(shè)智能工廠無疑是制造企業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要方式，同時(shí)應(yīng)圍繞企業(yè)的中長期發(fā)展戰(zhàn)略，根據(jù)自身產(chǎn)品、工藝、設(shè)備和訂單的特點(diǎn)，合理規(guī)劃智能工廠的建設(shè)藍(lán)圖。在推進(jìn)規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上，從最緊迫需要解決的問題入手，務(wù)實(shí)推進(jìn)智能工廠的建設(shè)。

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