關燈工廠的技術發展和應用

黃俊俊

【摘要】? ? 近年來，隨著國際化浪潮席卷全球，我國作為世界工廠的勞動力成本優勢逐漸減弱，隨著新一代信息通信技術的快速發展及與先進制造技術不斷深度融合，全球興起了以智能制造為代表的新一輪產業變革，數字化、網絡化、智能化日益成為未來制造業發展的主要趨勢。本文簡要論述關燈工廠在數字化方面的技術發展和應用。

【關鍵詞】? ? 智能制造? ? 關燈工廠? ? 數字化? ? 技術? ? 發展? ? 應用

一、概述

隨著新興技術的不斷發展成熟，在工業領域，世界各國陸續提出了諸多發展方向。美國提出國內制造業振興計劃，德國提出工業4.0 計劃，歐盟其他國家和日本等發達國家和地區也紛紛跟進的當下國際環境中，在越南等東南亞國家開始效仿中國走廉價勞動力推動制造業發展、與我國爭奪世界工廠地位的趨勢下，我國傳統制造業亟需尋找到一條適合自身產業特點的道路以邁向現代化、工業化、智能化的現代工業模式。關燈工廠充分利用現代信息技術和管理技術改造和升級未來制造車間，實現車間生產過程及其要素的智能化的集中管控，實現制造過程自動、高效、低耗和高質量發展。

二、關燈工廠的業務構建

關燈工廠的實現離不開信息化系統，企業在關燈工廠的構建過程中，各個信息化系統之間需要實現柔性裝配智能作業閉環的業務過程。目前企業廣泛應用的有企業資源計劃系統（ERP）、產品生命周期管理系統（PLM）、制造執行系統（MES）等系統，這些系統之間功能相互獨立，但在信息層面又相互協同。在關燈工廠構建業務過程中，它們之間任何一個系統的不勝任，都會引起企業數字化架構的整體性能大打折扣。因此，每個系統在其業務領域都必須是盡善盡美的，都能夠很好地滿足企業生產制造、數據管理和業務管理領域的各種信息事務處理工作，但同時它們之間數據通訊接口的完整性和健壯性又在很大程度上影響了三者之間的整體協同架構。

關燈工廠最大的特征是智能化無人操作，突出表現在無紙化、精細化和網絡化。借助ERP、PLM、MES、自動化倉儲物流系統（WMS）、工業物聯網、AI 大腦系統、看板系統以及先進的自動化制造技術，將生產過程特性進行動作分解，并與智能化制造技術充分融合，實現了從接到客戶訂單開始，到采購需求、庫存管理、生產計劃排產、生產制造過程，到產品交付的全過程的信息化管理，包括庫存管理、生產計劃下達、產品生產、設備聯網、品質管理、物流配送、包裝、交付等業務流程的信息化，實現業務流程數據采集，記錄生產過程信息、物料防錯信息、設備信息、產品追溯信息和關鍵生產資源的實時狀況，實現可追溯生產和透明化生產。

三、關燈工廠的技術發展路線

關燈工廠的技術基礎是信息化與智能化技術。然而在早期階段，大多數制造企業會沿著從基礎管理、標準化管理、集成化管理到智能化管理的技術發展路徑一步步演變，并在此過程中完成技術積累。如下圖2所示。

在基礎自動化到智能化發展階段，更多的工作是設備聯網、自動編程、物料管理、能效管理等。設備聯網目的在于建設一個集中統一管理、多線程通訊的加工網絡，將工藝人員、編程人員和現場機床操作人員統一到同一個管理平臺，有效降低工程師、工人的勞動強度，提高工作效率;應用層包含有公共數據網以及安裝應用軟件的PC、數據庫、服務器等。

部分制造企業還會通過自動編程軟件來提高數控程序編制效率。并且具有仿真和文檔管理功能。建立包含加工完整信息的數據庫，采用多種文件管理結構，并按照產品種類或加工過程進行分類、分層。每一級目錄對不同部門人員設定不同的管理權限。文件的多級權限管理不僅可以方便不同部門高效溝通，同時保證了系統數據的安全性。

在物料管理方面，通過編碼標準化以及準確識別。然后在此基礎上建立企業級的中央物料庫管理系統（立體物料庫+物料管理軟件）。以物料立體倉庫為中心，實現從物料的出入庫、采購、報廢等全程管理，并且與CAM、CAPP等對接，實現物料快速配置、流轉。建設立體倉庫可以通過WMS、AGV、RFID系統的應用，實現倉儲配送與生產計劃、制造執行以及企業資源管理等業務的集成，實現倉儲系統與生產系統的實時聯動，實現物料的存儲、分揀、配送自動化。

同時在能耗管理方面，通過安裝智能電表對加工設備生產過程耗能自動采集記錄。并生成產品加工能耗記錄表。為優化加工工藝提供數據支持。同時可以輔助生產工時的統計。向特定人員開放接口，并由研發人員根據能耗數據進行生產優化，實現精益生產。

四、關燈工廠的應用實施目標

關燈工廠通過建立車間總體設計、工藝流程及布局的數字化模型并采用計算機輔助設計、通過CAD、PLM等系統的應用，實現設計數字化。以MES為核心，對生產過程進行數字化、透明化管控，實現生產制造過程數字化。建設物流、生產、檢測自動化和實時采集的生產線，實現裝備數字化。以ERP為載體，推進研、產、供、銷的企業價值鏈智能化，實現企業經營管理數字化、制造過程數字化、物流控制精準化、質量管理數字化。

4.1 經營管理數字化

以ERP為載體，堅持以客戶為中心，以市場為主線，以效率倍增為目標，推進產、供、銷的企業價值鏈智能化，賦能企業經營核心流程，充分應用物聯網、云計算、大數據等信息技術、先進制造技術及必要的智能化手段，推動合作伙伴、供應商、員工提高生產效率。

4.2 制造過程數字化

工業互聯網IoT 建設，有效提取設備工藝、狀態信息、產量信息，實現內部互聯;圍繞關鍵工藝環節的需求，推進自動化生產線、工業機器人、智能傳感器、自動控制系統、在線檢測設備等深層次應用，集成了工藝分析、在線檢測和人工智能等技術。依托MES系統，對生產過程進行數字化、透明化管控，實時對制造過程進行監控，并實現產品的數據動態管理，實現生產過程的實時監控、異常預警、設備生命周期管理、維修換件管理、自動排產、過程質量管控、及時物耗跟蹤等管控功能的可視化。

4.3 質量管理的數字化

建設覆蓋產品全生命周期和全業務鏈的質量大數據分析系統，對生產全過程成品及零件的質量進行采集、跟蹤、預警、防呆、分析、統計和追溯，并結合質量管理體系進行制造管理，為所生產的產品都建立完整的質量檔案，確保生產合規。同時為售后質量追溯提供精確數據。

4.4 物流控制精準化

借助AGV、全自動碼垛系統、立體倉庫等技術，對生產現場物流進行智能化升級，提升物流輸送的效率，減少人員干預，實現生產過程的自動化、智能化。

物流設施、設備的自動化、智能化和數字化水平大幅度提高，推動物流追蹤與物資管理、智能調度與儲存運輸、無人搬運與智能碼垛等新技術應用。建立全過程物料流轉管控和全過程產品質量追溯體系。

五、關燈工廠的技術應用原則

在關燈工廠實施以數據規劃、數據分析、數據驅動為主線的車間數字化提升改造，通過對設備、管理、流程、產品等各方面的數據再利用，可以打造出有別于普通流水線的全新制造模式，同時應結合企業實際條件，科學規劃，避免盲目決策，建議遵循整體性、可擴展性和安全性原則，全面考慮，長遠決策。尤其注意信息安全管理。

1、項目建設首先基于創新思維，對具有良好市場前景，先進工藝及裝備的內容進行數字化建設。關燈工廠核心是實現整個價值鏈的端到端互聯，因此企業必須借助各種力量構筑生態圈或成為生態圈的一員，充分調動自身、外部咨詢機構、設備供應商、技術研發機構、政府機構等各方的資源，并結合企業自身的生產特點進行充分的數字化診斷，為后續工作的開展提供設計和規劃依據。

2、基于前瞻性思維，以制造過程數字化為核心打造軟硬集成、虛實結合的智能車間。結合工業化和信息化兩化融合，以物流自動化、加工自動化、檢測自動化為基礎，通過設計數字化，實現快速設計;并為運營數字化ERP 系統提供編碼、BOM，保證各部門作業流程的流暢貫通。

3、關燈工廠一定要結合產品特性，以精益和落地為原則，采用實用、可靠模式。首先，分析數字化系統的集成框架，以保證數字化系統的完整有效。一般來說，智能制造需要包括ERP 系統（企業資源計劃系統），MES 系統（制造執行系統）、PLM 系統（產品生命周期管理系統）和WMS（倉庫管理系統）在內的相互連接的一整套數字化管理體系。其次，分析數字化系統各項功能需求的可行性和重要性，在兩個維度上進行高、中、低三檔的排序。此過程應邀請盡可能多的利益相關者參加，尤其是硬件和軟件供應商。最后，根據可行性和重要性排序，制定數字化系統落地的實施路徑，明確短期、中期、長期的發展目標。

4、關燈工廠涉及系統眾多，各個系統數據接口處理應確保實用性，可靠性，易維護性。各個系統數據接口處理的實用性，可靠性，易維護性可以讓企業在業務增加，規模擴大，以及企業管理持續改進上能有較好的柔性。關燈工廠的打造有別于傳統業務模式，可以讓制造型企業從根本上改頭換面。項目建設涉及多種設備，多種應用軟件，涉及人員范圍眾多，專業知識復雜，建設團隊來源及知識體系不一，需要安排高層領導以及具有豐富經驗的項目經理進行專業化管理。

六、關燈工廠的信息安全問題

對于非密層級的數據，允許借用公共運營商的云服務器進行數據交互，與該層級有數據關聯的人員和客戶均可被授權查看。對于保密等級較高數據，應建立安全防護機制，另外，利用云技術對各項數據進行實時異地備份，對于限制上云的關鍵性數據，采用物理傳遞方式進行數據的異地備份，確保數據備份安全、及時、可靠。同時，應注意嚴格規范系統開發與測試的流程，對系統開發過程進行合理的監督，確保企業和車間信息和資料的安全性，根據最小權限原則規范系統管理員及其他用戶的授權，對系統升級、維護、變更等操作進行有效的控制，加強計算機終端、網絡設備、服務器、機房等的日常管理，加強病毒防控、入侵檢測等防御性安全管理，并安排專業人員對整個數字化車間系統運行狀態進行監控，嚴格控制系統的輸入輸出，同時加強對日常檢修、維護保養、數據備份等日常工作的管理和維護。

七、總結

隨著企業需求的變化更新，關燈工廠內部各系統間的互聯互通也有待進一步提升，后期將深度挖掘數據價值，讓數據說話，向數據要效益。未來關燈工廠的技術應用實施在充分發揮5G技術、區塊鏈溯源等先進技術優勢的同時，還應重視人才的培養過程，如算法工程師、視覺工程師、大數據工程師等高素質人才。同時還應關注并積極探索工業行業生產制造創新應用新模式。

參? 考? 文? 獻

[1]李保峰.淺析智能化工廠設計要點[J]. 自動化工程，2011（4）：37-38.

[2]王琪.數字化車間技術探討及設計要點分析[J].工程與技術，2016（17）.

[3]李立.淺談人工智能在工業制造領域的應用[J]. 城市建設理論研究， 2015（12）.