制造企業智能制造轉型思考

胡 建

研究 Research

制造企業智能制造轉型思考

胡 建

（重慶川儀調節閥有限公司，重慶市 400000）

長期以來，企業為客戶創造價值的流程涵蓋研發、采購、生產、銷售和售后服務，大多數企業僅僅在銷售和服務環節直接面對客戶，如圖1所示。

圖1 傳統時代

在數字化時代，企業要滿足客戶需求，就必須在各個環節全面貼近客戶。因此，企業的數字化流程必須與上下游客戶的全流程對應、打通，才能高效地滿足客戶需求，才是高效的流程，如圖2所示。

因此，數字化轉型首先應實現全流程的數字化，利用各種信息系統打通數據鏈路管理，如圖3所示。比如產品全生命周期管理（PLM）系統、制造運營管理（MOM）系統、客戶關系管理（CRM）系統和倉儲管理系統（WMS）等，通過構建單點業務環節信息系統，全面優化企業的研發、生產和經營流程，提高管理效率。橫向價值流是價值產生和交付的過程，包括從訂單處理到產品設計、物料采購、生產加工和產品交付的整個價值鏈。

圖2 數字化時代

圖3 全流程數字化

全流程數字化實際是信息化深度應用階段，在大數據、工業互聯網、云技術和人工智能等新興技術的興起，驅動企業開始對原有的運營模式進行數字化轉型，包括營銷數字化、供應鏈數字化和制造數字化等。從原有的信息化階段向數字化階段進行轉變，通過數字化轉型將大數據技術、人工智能技術等先進數字技術與制造技術、產品研發和市場營銷等相關專業知識深度融合，在制造模式、制造方法及生態系統方面促成一場顛覆性變革，才能給企業帶來新的出路。在整個價值鏈的每一個環節都產生大量的數據，針對每個環節都進行縱向信息流的深度挖掘，最終實現數字化管控、數字化決策，從而實現智能制造。

要實現全流程數字化，首當其沖是精益化，即精益化的管理，通過精益管理，優化流程，建立標準的作業模式。因此，智能制造應遵循精益化—自動化—信息化—數字化—智能化的模式推進，如表1所示。

表1 智能制造推進模式

下面以重慶川儀調節閥有限公司的智能制造建設為例，說明調節閥公司智能制造建設之路。

智能制造是“中國制造2025”的主攻方向，是制造業轉型升級的重要手段，是未來工業發展的主要趨勢。智能調節閥是工業自動化控制系統重要的組成部分，是流程工業智能化生產的關鍵設備，承載著生產實時優化、節能降耗和安全保障的重任。隨著流程工業數字化、智能化發展，以及自主可控與國產化替代的迫切需求，智能調節閥生產制造呈現出高參數化（高溫、零泄漏）、高安全性、高附加值、多品種多規格和個性化定制的大趨勢，對生產制造信息化、設計系統智能化、關鍵設備數字化和網絡化的要求越來越高。企業要高質量發展，通過復制產線和人力的發展方式客觀條件已經不再具備，調節閥的數字化、智能化建設為必經之路。同時綜合應用5G、工業互聯網、人工智能、大數據、虛擬現實、數字孿生、云計算、物聯網和區塊鏈等新一代信息技術，打造企業5G內網、工業AR/VR和數字孿生等場景應用，提升生產制造能力，使企業降本增效，實現生產過程數字化、車間信息集成化和企業管理智能化水平有效提升，形成具有離散制造業特點的工業儀表創新智能示范 工廠。

智能工廠的技術架構搭建自下向上分為五層，如圖4所示。

1）現場層：基礎設施的5G/4G/WiFi等通信網絡、機房設施和安全設施等，也包括智能設備的傳感器、儀器儀表、射頻識別、數控機床、機器人等感知和執行單元，完成操作級的基礎自動化。

圖4 智能工廠平臺系統架構

2）控制層：包括可編程序邏輯控制器（PLC）、分布式控制系統（DCS）和工業無線控制系統等，完成機組執行級的過程控制。

3）業務管理和制造執行層：運行系統由控制生產線進行生產的系統所構成，主要包括制造執行系統（MES）、產品生命周期管理軟件（PLM）等，完成生產廠命令級的短期生產控制。管理系統由企業資源計劃系統（ERP）、供應鏈管理和客戶管理系統等構成，完成企業管理級的整體管控。

4）決策層：由決策分析、績效管理、商務智能和企業運營分析等構成，完成企業戰略級的長期經營決策支持。采用“云、大、移、物、智、數、區”新一代信息技術，實現制造資源間的連接及制造資源與企業管理系統間的連接，在保障信息安全的前提下，協同企業內外部的信息共享，造就了個性化定制、協同制造等服務型制造新模式。

基于此架構，公司充分設計了26個綜合應用場景，其中重點有設備聯網與數據采集、機器人遠程噴焊系統和數字化交付平臺等。

1 設備聯網與數據采集

產品制造5G+應用場景的角度，主要是圍繞傳統業務和運營優化的兩大應用組成，技術實施通過基于工業互聯網打通OT數據與IT數據，以數據為驅動實現生產管理從局部改善到綜合集成優化的方法。

針對川儀調節閥生產線物流AGV小車、加工機床以及壓力試驗裝置，根據不同設備的不同特點，對已有自控系統的設備，可采用通信讀取、寫入的方式進行設備運行狀態參數的遠程監測和控制；對沒有自控的，則采用加裝傳感器的方式進行設備能耗和啟停狀態參數的遠程監測和分析。

由于工業互聯網發展，對底層設備數據采集需求不斷增加，傳統工廠采用WiFi、NB-IoT和Zigbee等實現設備連接，但傳輸速率、覆蓋范圍、延遲、可靠性和安全性等方面還存在各自的局限性，在工業復雜網絡數據采集與傳輸中的應用較少。通過5G采集網卡與底層設備PLC進行通信，基于5G海量連接的工業互聯網，全面監控工廠人、機、料、法、環和測等生產數據，生產數據的采集和車間工況、設備狀態的監控愈發重要，能為生產的決策、調度和運維提供可靠的依據，如表2所示。

表2 生產設備數據采集點

5G網絡的大連接、低時延優勢，可將工廠內海量的生產設備及關鍵部件進行互聯，并提升生產數據采集的及時性，為生產流程優化管理提供網絡支撐，如圖5所示。

圖5 數據傳輸改造示意圖

結合5G通信模塊，采用多接入邊緣網絡技術（MEC），利用就近的網絡基站組成無線私有網絡，讓儀表數據在通信模塊、基站和數據服務器構成的網絡空間流動，如圖6、圖7所示。既滿足了高速的數據通信，又達到了數據網絡與互聯網公網的有效隔離，滿足了數據安全性的需求。

圖6 電流電量傳感器

圖7 現場信號箱

2 機器人遠程噴焊系統

智能噴焊系統設計中，利用5G高帶寬、低延時特性上傳執行視頻和噴涂過程數據下傳控制指令，整個控制系統采用基于5G的Ethernet/IP通信協議，實現一網到底；噴焊系統能獨立運行，也可以向ERP、MES等系統對接上傳、下載等功能，實現智能工廠的智能化管理；同時系統整合VR/AR/MR技術+5G傳輸技術，利用混合現實手段將實時噴涂畫面與感知數據進行數據疊加后，工程師可在噴焊房外第一人稱視角監控噴焊過程狀態，并進行遠程控制。

噴焊系統實現了對加熱裝置、合金粉熔化與控制裝置等關鍵設備的應急控制，對生產過程中突發事件，實現自主停機并報警，也可工程師實現一鍵應急控制，大大提高生產安全性。同時，通過建設智能噴焊系統，直接避免了工程師處于高溫和密閉空間的噴焊操作，做到了安心生產和放心生產，也極大地提高了生產效率和生產質量。

3 數字化交付平臺

將5G與增強現實技術（Augmented Reality, AR）相結合，對于閥門產品出售給客戶后，客戶發現閥門出現問題，需要川儀調節閥工程師現場巡檢及維修，需要聯系后端資深專家進行指導；建立一套“5G+AR”的遠程維保系統，資深專家在后端通過此系統指導普通技術工人完成閥門遠程售后技術支撐、閥門維修全過程的實時指導監控；供應商工程師佩戴AR智能眼鏡通過5G網絡將現場盤查視頻傳輸至川儀調節閥側，實現零件質量的遠程監測，最大限度地提高售后故障維修、零件供應檢查的工作效率。

“5G+AR”遠程維保系統利用鏡上人機界面將數據內容與現場實景內容進行疊加，如圖8所示。采集實景后利用5G技術的超低延時傳輸，在邊緣側進行圖像分析、信息提取、系統聯動和物聯數據聯動等，生成反饋內容并利用AR眼鏡進行光學成像，使維修工程師觀看維修區實際運轉狀態的同時，獲取多方面信息，大幅提升售后效率。

圖8 “5G+AR”遠程指導示意圖