打造“智慧工廠” 設備裝備大有可為

文/曉雷

打造“智慧工廠” 設備裝備大有可為

文/曉雷

開欄的話：去年《中德合作行動綱要》的發表，使工業4.0開始走向前臺，聚集了無數的目光，成為行業熱議的話題。在解讀酷似我國“兩化融合”這個異國概念的同時，本刊不禁再一次關注我國推進已久的兩化融合；關注現今信息化發展對于工業化發展的推動和影響；關注正在國內逐漸興起的、與推進兩化融合息息相關的“智慧工廠”的建設；關注在這個充滿了產業轉型升級變革的時代，國有設備裝備的智能化管理大課題。

針對智能化管理大課題的探索踐行，本刊自本期起，將深入各大企業進行重點報道，敬請期待。

近日，安徽合肥市兩化融合工作又取得新成果。由合肥市經信委評出的首批智慧工廠，江淮汽車、京東方、皖維集團3家企業在15家申報企業中脫穎而出，成為合肥市首批“智慧工廠”。

“智慧工廠”是現代工廠信息化發展的新階段。是在數字化工廠的基礎上，利用物聯網的技術和設備監控技術加強信息管理和服務；清楚掌握產銷流程、提高生產過程的可控性、減少生產線上人工的干預、即時正確地采集生產線數據，以及合理的編排生產計劃、調整生產進度；再加上綠色智能的手段和智能系統等新興技術于一體，構建一個高效節能的、綠色環保的、環境舒適的人性化工廠。

設備裝備作為“智慧工廠”的核心部件，無疑面臨著智能管理的大課題。

智能制造：工業發展主攻方向

在過去的一年里，中德兩國作為戰略伙伴，互訪頻繁，合作日趨緊密。2014年10月10日，國務院總理李克強在柏林同德意志聯邦共和國總理安格拉?默克爾共同主持第三輪中德政府磋商，發表《中德合作行動綱要：共塑創新》（以下簡稱《綱要》）。

《綱要》共計110條，涵蓋了政治、經濟、文化、農業、工業、文明等領域。其中“工業4.0合作”內容有4條，明確提出工業生產的數字化（“工業4.0”）對于未來中德經濟發展具有重大意義。雙方明確了開展該領域合作的牽頭部門，并決定建立中德“工業4.0”對話，歡迎兩國企業在該領域開展自愿、平等的互利合作，支持兩國企業集團及行業協會之間加強交流。為此，兩國政府將提供更為有利的框架條件和政策支持，并在中德標準化合作委員會框架下著眼“工業4.0”開展更具系統性和戰略性的合作。

雙方還將以中國擔任2015年德國漢諾威消費電子、信息及通信博覽會（CeBIT）合作伙伴國為契機，進一步深化兩國在移動互聯網、物聯網、云計算、大數據等領域的合作。

所謂工業4.0，最早于2013年4月的漢諾威工業博覽會上由德國正式推出。與工業1.0的蒸汽機時代、2.0的電氣化時代及3.0是信息化時代不同的是，“工業4.0”流水線可實現小批量、多批次生產，可以為消費者個性定制孤版商品。這是一個利用信息化技術促進產業變革的手段，一個智能化手段。

那么該如何應對新常態下的工業變革，把握信息化技術的發展方向？

其實，我國也很早就注意到了信息化對產業變革的影響。早在2002年，政府就提出要走新型工業化的道路。而所謂的新型工業化道路，其實就是工業化與信息化的相互融合。另外，近十幾年間，隨著互聯網技術的巨大變化，使一切都成為可能，也賦予了兩化融合以新的變化，形成了具有我國自身特點的兩化融合之路。

“發達國家是先工業化后信息化，而我國則是工業化與信息化同步發展。這些年互聯網在我國已經有了非常廣泛的應用，但這種應用更多地是在消費領域，而不是在產業。”中國工程院原副院長、院士鄔賀銓認為，我國的工業4.0要求互聯網新技術向產業滲透。

年前在北京召開的工業4.0高峰論壇上，工業和信息化部電子信息司副司長安筱鵬將工業4.0歸納為“系統的系統”，指出新一輪的產業革命的核心為智能制造，要實現產品智能化、裝備智能化、生產智能化、管理智能化和服務智能化。明確指出，未來要把智能制造作為主攻方向，構建智能制造的產業生態系統。

同樣，業內很多人士都將智能制造視為未來工業發展的方向。那將是一種由智能機器和人類專家共同組成的人機一體化智能系統，它在制造過程中可自行分析、推理、判斷、構思和決策等。通過人與智能機器的合作，去擴大、延伸和部分地取代人類專家在制造過程中的腦力勞動。它把制造自動化的概念更新，擴展到柔性化、智能化和高度集成化。

毫無疑問，制造智能化需要廣泛應用大量成熟的人工智能技術，而人工智能的成熟和完善，絕不是一朝一夕所能實現的，顯而易見，要在企業制造的全過程中全部實現智能化，仍有很長的路要走。或許局部環節的智能化制造來得更現實一些。

談及智能制造，自然是離不開智慧工廠的構建。智能制造無法一蹴而就，于是，打造“智慧工廠”被很多人視為智能制造的先崛之路。甚至有著智能制造與“智慧工廠”是工業4.0雙核心的說法。

智能設備裝備：“智慧工廠”的“頂梁柱”

對于“智慧工廠”的構建，將“品質改變世界”視為企業座右銘的三一集團更是不遺余力。2014年8月，由湖大海捷、華工制造、華中科大、三一重工共同承擔的“工程機械產品加工數字化車間系統的研制與應用示范”項目通過驗收。

據三一集團高級副總裁、首席流程信息官賀東東介紹，受益于該項目的成功，三一重工18號廠房成為亞洲最大的智能化制造車間、行業最先進的數字化工廠。“18號廠房經過智慧化改造后，在制品減少8%，物料齊套性提高14%，單臺套能耗平均降低8%，人均產值提高24%，現場質量信息匹配率100%，原材料庫存降低30%，效率和效能都得到了極大提升。”

放在廠區旁邊的電子屏幕里的數字仿真和三維作業指導，可以隨時供員工學習和了解整個裝配工藝。“三一的三維作業現場指導模式，已經成為了世界著名企業達索公司的全球最佳案例。”

從超級工廠升級到“智慧工廠”，從IT工具的運用到推動企業智慧化運營，三一集團高級副總裁賀東東把這些成果都歸結為信息化的力量。實際上，18號廠房只是三一大力推進信息化，促進企業升級轉型的一個縮影。

“智慧工廠”由智能制造裝備、控制和信息系統構成。智能制造裝備由智能部件和其他相關基本部件構成。

CPS（信息物理融合系統）在生產過程的實現構成了“智慧工廠”。CPS是計算和物理過程的整合集成：計算機和網絡對物理過程進行監測和控制。

物聯網和服務網是“智慧工廠”的信息技術基礎。與生產計劃、物流、能源和經營相關的ERP、SCR、CRM等和產品設計、技術相關的PLM與服務網緊緊相連；與制造生產設備和生產線控制、調度、排產等相關的PCS、MES功能通過CPS物理信息系統實現。這一層和工業物聯網緊緊相連。

此外，從產品制造和產品全壽命周期服務的角度來看，還需要具有智能的原材料供應及智能售后來構成實時互聯互通的信息交換。智能的原材料供應和智能售后，需要充分利用服務網和物聯網的功能。

事實上，智能化的設備裝備是智慧工廠的“頂梁柱”。在現實中，由于工程技術、生產制造和供應鏈的數字化不是十分成熟，沒有得到廣泛的推廣應用。所以“智慧工廠”現階段可理解為：基于制造智能化的自動化生產線和成套裝置；企業業務運營系統（ERP）和制造執行系統（MES）的管理；建立在完善的CAD、CAPP、CAM基礎上的PDM、PLM及延伸到產品售后的技術支持和服務。

“智慧工廠”：設備裝備的機遇與挑戰

隨著企業信息化的不斷深入，企業業務的擴張、商業模式的創新使得制造企業更多的業務與網絡綁定，網絡與業務、用戶、終端需深度融合協同運作，才能更好的共同支撐企業的運維與業務部署。傳統的制造業網絡面臨著諸多機遇和挑戰。

“智慧工廠”有三大特征：首先是高度信息互聯，包括生產設備、機器人、操作人員、物料和成品；其次是制造過程數據具備實時性，生產數據具有平穩的節拍和到達流，數據的存儲與處理也具有實時性；最后是可以利用存儲的數據從事數據挖掘分析，有自學功能，還可以改善與優化制造工藝過程。因此，企業不僅需要快速、高效的生產、檢測過程，而且還需要有一個快速的決策過程，這些都需要有大量的數據作為依托，才能得出正確的結論。

從自動化到智慧化，要走的路還很長，智慧工廠的發展，其實與工業自動化的趨勢息息相關，根據經濟部工業局統計，自動化設備、自動化產品與自動化規劃服務業，2011年三者合計產值已達到8650億元，顯示在科技日新月異和產品制造復雜性的趨勢下，如何有效的智慧化管理自動化設備，確實已經成為未來產業發展的重點之一。

無線感測器將是未來實現智慧工廠的重要利器。如果要讓制造流程有智慧判斷的能力，儀器、儀表、感測器等控制系統的基本構成要素，仍是關注焦點。目前儀器儀表的智慧化，主要是以微處理器和人工智慧技術的發展與應用為主，包括運用神經網路、遺傳演算法、進化計算、溷沌控制等智慧技術，使儀器儀表實現高速、高效、多功能、高機動靈活等性能。

控制系統網路化將是未來實現智慧工廠的必由之路。隨著工廠制造流程連接的嵌入式設備越來越多，透過云端架構部署控制系統，無疑已是當今最重要的趨勢之一。在工業自動化領域，隨著應用和服務向云端運算轉移，資料和運算位置的主要模式都已經被改變了，由此也給嵌入式設備領域帶來顛覆性變革。云端運算將可提供更完整的系統和服務，生產設備將不再是過去單一而獨立的個體。但將孤立的嵌入式設備接入工廠制造流程，甚至是云端，其實具有高度的顛覆性，必定會對工廠制造流程產生重大的影響。一旦完成連線，一切的制造規則都可能會改變。包括體系結構、控制方法以及人機協作方法等，都會因為控制系統網路化，而產生變化，如控制與通信的耦合、時間延遲、資訊調度方法、分散式控制方式與故障診斷等，都使得自動控制理論在網路環境下的控制方法和演算法，都需要不斷地創新。

工業通信無線化將是未來實現“智慧工廠”的重要前提。隨著無線技術日益普及，各家供應商正在提供一系列軟硬體技術，協助在產品中增加通信功能。這些技術支援的通信標準包括藍牙、Wi-Fi、GPS、LTE以及WiMax等。然而，在增加無線連網功能時，晶片及相關軟體的選擇極具挑戰性，包括優化性能、功耗、成本和規模，都必須加以考慮，更重要的是，由于工廠需求不像消費市場一樣的標準化，必須因應生產需求，有更多彈性的選擇，最熱門的技術未必是最好的通信標準和客戶需要的技術。此外，無線技術雖然在布建便利性方面，對比有線顯然有相當的優勢，但無線技術目前的可靠性、準確性與即時性、相容性等還有待加強。因此，工業無線技術的定位，目前仍應是傳統有線技術的延伸，多數儀表以及自動化產品雖會嵌入無線傳輸的功能，但想要完全舍棄有線技術，顯然還言之過早。