智慧制造在電子工廠的應(yīng)用及展望

陳微

摘要：從18世紀(jì)60年代以來，人類社會(huì)已經(jīng)經(jīng)歷了3次工業(yè)革命，而現(xiàn)在，我們正在經(jīng)歷第四次工業(yè)革命。由于全球數(shù)字革命，其他行業(yè)都跟著起了翻天覆地的變化，整個(gè)工業(yè)世界都變得跟以往截然不同：以往前三次工業(yè)革命，都能看到生產(chǎn)工具，制造資產(chǎn)的升級(jí)，如第一次工業(yè)革命，機(jī)械化代替了人力，第二次工業(yè)革命又引入了電力，第三次工業(yè)革命開始有了自動(dòng)化，第四次工業(yè)化，則主要是引入了跟機(jī)械升級(jí)無關(guān)的顛覆性技術(shù)：AI和5G技術(shù)。AI和5G技術(shù)的介入，不僅僅是提升了工業(yè)制造的效率，還促使了新的商業(yè)模式的實(shí)現(xiàn)。相應(yīng)的制造業(yè)等實(shí)體經(jīng)濟(jì)為了緊跟時(shí)代潮流，提升競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，也面臨產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)迫切需求。從最開始的只是制造產(chǎn)品，到現(xiàn)在的制造業(yè)服務(wù)化，工廠傾向于提供更多的服務(wù)，如安裝，售后，給客戶提供一站式解決方案，甚至設(shè)立服務(wù)中心，以驅(qū)動(dòng)業(yè)務(wù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：智慧制造;制造業(yè)服務(wù)化;ISA95標(biāo)準(zhǔn)制造構(gòu)架

工廠在制造服務(wù)化的過程中，信息（數(shù)據(jù)分析）正在改變工廠查看監(jiān)督人、機(jī)、法、料的方式。生產(chǎn)流程的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，對(duì)生產(chǎn)效率和專業(yè)話的提升，帶來巨大的便利。工廠為了實(shí)現(xiàn)高效、靈活、防呆，通常需要做好四項(xiàng)工作：

1.收集資料。隨時(shí)檢測(cè)設(shè)備、資產(chǎn)、人工、制程，以收集數(shù)據(jù)

2.建立數(shù)據(jù)庫，以適當(dāng)?shù)谋砀瘛⒛０婧侠砘尸F(xiàn)收集到的數(shù)據(jù)。

3.分析和建模，用數(shù)據(jù)庫中得到的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，建立模型，預(yù)測(cè)人、機(jī)、法、料趨勢(shì)，簡(jiǎn)化流程。

4.總結(jié)。建立在分析和建模的基礎(chǔ)上，同過機(jī)器的自我學(xué)習(xí)，和操作人員的其他方面的認(rèn)知，來優(yōu)化模型，提高參與度。

每個(gè)工廠的每一條產(chǎn)品線，都會(huì)配備不同的設(shè)備和機(jī)器，作業(yè)人員則按照格式化常規(guī)文件的指令，來執(zhí)行特定任務(wù)。為了做好如上四項(xiàng)工作，我們通常以ISA95標(biāo)準(zhǔn)制造架構(gòu)設(shè)立不同的系統(tǒng)。包括PLC、DCS、SCADA、MES、ERP系統(tǒng)。

1.PLC（可編輯邏輯控制器系統(tǒng)）。相當(dāng)于一個(gè)小型計(jì)算器，現(xiàn)在的PLC不僅僅生產(chǎn)流程，甚至還可以面相系統(tǒng)級(jí)，可以控制整個(gè)車間的流程，實(shí)現(xiàn)制程控制、直接控制、系統(tǒng)控制。它的核心就是控制。任何需要可靠控制的機(jī)器或數(shù)字化設(shè)備，都可以用PLC來控制，它不僅易于變成，還能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理故障，從ISA95標(biāo)準(zhǔn)來看，PLC處于第一層上的一個(gè)設(shè)備;

2.DCS（分布式控制系統(tǒng)）。面相現(xiàn)場(chǎng)控制，同時(shí)兼?zhèn)淞藬?shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的功能，但本質(zhì)上，DSC設(shè)備還是一個(gè)高端的，努力向L2層跨越的控制器;

3.SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)）。它具備一定的控制功能，同時(shí)側(cè)重于數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)測(cè)，及時(shí)快速的向作業(yè)員提供資料，一旦發(fā)生狀況，則會(huì)發(fā)出警報(bào)和通知。SCADA已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)控、監(jiān)督、警報(bào)處理、自動(dòng)化等功能，在ISA95標(biāo)準(zhǔn)制造架構(gòu)中，處于L2層。

4.MES（制造執(zhí)行控制系統(tǒng)）。主要用于制造的電腦化系統(tǒng)，用于營運(yùn)信息的收集和生產(chǎn)控管，處于ISA95標(biāo)準(zhǔn)制造構(gòu)架中的L3層。它的主要功能之一除了用于監(jiān)控，同時(shí)具備業(yè)務(wù)管理等功能，通過同L4層ERP系統(tǒng)的對(duì)話，來獲取更多的營運(yùn)信息，更好的實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)的管控。

ERP（企業(yè)資源管理系統(tǒng)）。所有的企業(yè)資源配置，都將在這一層實(shí)現(xiàn)，包括企業(yè)的六種經(jīng)營活動(dòng)：技術(shù)活動(dòng)、商業(yè)活動(dòng)、財(cái)務(wù)活動(dòng)、保障活動(dòng)、會(huì)計(jì)活動(dòng)、經(jīng)營活動(dòng)。它控制和指揮了企業(yè)所有的業(yè)務(wù)流程和生產(chǎn)排程處于ISA95標(biāo)準(zhǔn)制造構(gòu)架中的L5層。

智慧制造已經(jīng)是西方發(fā)達(dá)國家的主要制造技術(shù)和高端科技，面對(duì)制造業(yè)產(chǎn)能的日益擴(kuò)大，制造業(yè)面臨人力穩(wěn)定，制造技術(shù)與品質(zhì)穩(wěn)定，產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力內(nèi)外部的各種壓力，發(fā)達(dá)的智慧制造不僅解決了“勞動(dòng)密集”工廠的人力管理成本與問題，也同事能夠提升制造品質(zhì)的穩(wěn)定度。

企業(yè)在建立制造模型的過程中，應(yīng)充分考慮沒想經(jīng)營活動(dòng)的實(shí)際狀況，平衡并優(yōu)化不同經(jīng)營活動(dòng)的工作量、特性，建立不同層次，在用不同的分層方法，擴(kuò)展當(dāng)前的制造架構(gòu)，以達(dá)到效率最優(yōu)化。在智慧制造中，為整合各項(xiàng)資源，需要將不同供應(yīng)商的邊緣、設(shè)備的不同技術(shù)互相直接相互結(jié)合，通過對(duì)制造構(gòu)架系統(tǒng)中添加分析、物聯(lián)網(wǎng)以及人工智慧來降低風(fēng)險(xiǎn)、成本，并提高效率。企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營活動(dòng)，為了獲得好的制造構(gòu)架模型，需要同時(shí)解決垂直方向和水平方向上的整合。由上至下可分為邊緣級(jí)別、工廠或工作間級(jí)別、企業(yè)或后端級(jí)別。

1.邊緣級(jí)別。以產(chǎn)品質(zhì)量檢查為例，當(dāng)今社會(huì)人們對(duì)于產(chǎn)品外觀和質(zhì)量要求越來越高，制造廠商對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量和外觀檢查的要求也越來越高，一般企業(yè)，至少有3+2道質(zhì)量管控，包括制造廠商的進(jìn)料檢驗(yàn)、線檢驗(yàn)、出貨檢驗(yàn)，以及供應(yīng)商的出貨檢驗(yàn)和客戶的進(jìn)料檢驗(yàn)。相關(guān)的質(zhì)量檢驗(yàn)人員每天重復(fù)數(shù)百上千次的重復(fù)性工作，不僅僅容易引起疲勞誤檢，對(duì)成本、標(biāo)準(zhǔn)型、一致性也是一大挑戰(zhàn)，有些檢驗(yàn)工作甚至?xí)?duì)人體造成危險(xiǎn)或者危害。 通過智慧制造，我們至少有如下幾種解決方案：

1）視覺檢查系統(tǒng)基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法。以檢查光效為例，工廠設(shè)立暗箱工站，內(nèi)置攝像頭和計(jì)算器，對(duì)不同角度留明度、顏色進(jìn)行值計(jì)算，并在不斷的生產(chǎn)過程中得出最佳留明值，從而取代人工檢驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)智慧制造。

2） 基于圖形對(duì)比的自動(dòng)檢驗(yàn)，如雜質(zhì)、高度、縫隙、重量等基于幾何形狀的檢測(cè)，通過紋理和區(qū)域?qū)Ρ龋瑏硖崛『万?yàn)證缺陷。取消人工檢驗(yàn)，

3）基于聲音對(duì)比的自動(dòng)檢測(cè)，如在測(cè)量產(chǎn)品厚度、音質(zhì)等方面，通過計(jì)算重音和低音的赫茲，來設(shè)定檢驗(yàn)合格線，取消人工檢驗(yàn)。

當(dāng)前的智慧制造，機(jī)器人的可操作性已經(jīng)越來越高，作業(yè)員通過控制智慧設(shè)備控制過程，而智慧設(shè)備的健康則由標(biāo)準(zhǔn)制造構(gòu)架系統(tǒng)的預(yù)測(cè)性維護(hù)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)來維護(hù)，真正能實(shí)現(xiàn)解放人工。

2.工廠或工作間級(jí)別。以IBM的PSB制造構(gòu)架系統(tǒng)為例。PSB是指工廠服務(wù)匯流排，它主要用于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)廠房和IT廠房直接工廠級(jí)層整合的軟體組件，整合人、機(jī)、法、料4個(gè)層次，使之形成一個(gè)閉合的連接，它為信息提供了路徑、轉(zhuǎn)換、中介、配置和工作流，并相互之間能夠即時(shí)傳遞所需信息。該系統(tǒng)主要通過如下4個(gè)途徑實(shí)現(xiàn)人、機(jī)、法、料的整合：

1）轉(zhuǎn)換和鏈接：由PLC系統(tǒng)對(duì)機(jī)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行即時(shí)的解讀，并通過SCADA系統(tǒng)鏈接進(jìn)入ERP系統(tǒng)，從而整合機(jī)器與數(shù)據(jù)之間的邏輯，實(shí)現(xiàn)維護(hù)和發(fā)布管理的標(biāo)準(zhǔn)化管理。

2）規(guī)則配置管理和組合：對(duì)廠房、機(jī)器、整合層對(duì)人、機(jī)、法、料進(jìn)行合理的資源配置，這些配置基于產(chǎn)房、機(jī)器、整合、產(chǎn)品等特性定義規(guī)則，再由生產(chǎn)計(jì)劃人員進(jìn)行安排和檢驗(yàn)。

在工廠層，PSB系統(tǒng)按照產(chǎn)品類型和優(yōu)先級(jí)進(jìn)行整理，對(duì)特殊情況，如品質(zhì)，進(jìn)行連續(xù)性管控，對(duì)工廠預(yù)測(cè)分析循環(huán)產(chǎn)生的警報(bào)進(jìn)行顯示，從而為工廠決策人員提供決策邏輯;在整合層，PSB系統(tǒng)根據(jù)訊息內(nèi)容和業(yè)務(wù)狀況，規(guī)定線路，制定優(yōu)先級(jí)、警報(bào)信息、異常信息，對(duì)如上信息再做出商業(yè)文字訊息驗(yàn)證，對(duì)信息內(nèi)容強(qiáng)化進(jìn)行彈性處理;在邊緣層，主要是對(duì)儲(chǔ)存區(qū)域?qū)?yīng)到工廠數(shù)據(jù)模型進(jìn)行配置管理，即插即用。對(duì)警報(bào)、信號(hào)轉(zhuǎn)撥等信息，根據(jù)產(chǎn)品參數(shù)的螺絲驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行動(dòng)態(tài)行為管控。對(duì)基于預(yù)測(cè)分析事件的機(jī)器進(jìn)行行為控制。

PSB通過管理本地活動(dòng)與PLC、SCADA、ERP、邊緣的鏈接，使得用戶在該制造構(gòu)架系統(tǒng)中能夠建立業(yè)務(wù)規(guī)則，為使用者提供了一種自然的方式來管理策略，并生成一整套的程序，使得作業(yè)人員可以自動(dòng)執(zhí)行頻繁發(fā)生的決策。

3.企業(yè)或后端級(jí)別。企業(yè)級(jí)別則需要分析所有邊緣級(jí)別和工廠級(jí)別的所有數(shù)據(jù)。在手機(jī)資料和建立數(shù)據(jù)庫完成后，以適當(dāng)?shù)谋砀瘛⒛０娉尸F(xiàn)給到相應(yīng)的邊緣級(jí)別和工廠級(jí)別做相應(yīng)的分析和建模。針對(duì)企業(yè)級(jí)別制造構(gòu)架系統(tǒng)的建立，需要為應(yīng)用程式提供相應(yīng)的設(shè)備，在分析的基礎(chǔ)上提出解決的方案。通過分析工作流程、上下端和環(huán)境等各項(xiàng)因素來提高企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和運(yùn)行效率，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)工廠價(jià)值鏈的超過那本，并提高運(yùn)營效率。

從商業(yè)角度來看，智慧制造的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，圍繞生產(chǎn)品質(zhì)和生產(chǎn)優(yōu)化，創(chuàng)造了傳統(tǒng)制造業(yè)所無法實(shí)現(xiàn)的生產(chǎn)率和專業(yè)化。智慧制造的目標(biāo)是能夠以大量成本制造個(gè)性化產(chǎn)品，為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，有必須考慮改善生產(chǎn)工具，制造業(yè)應(yīng)該引進(jìn)更多的智慧制造，同時(shí)改善供應(yīng)，銷售，制造，工程，研發(fā)，人力和運(yùn)營之間的合作，根據(jù)自身的不同特性建立不同的制造構(gòu)架系統(tǒng)。

總結(jié)

中國在改革開放以后的40年時(shí)間里，跨越了第一次工業(yè)革命到第三次工業(yè)革命，并進(jìn)入了第四次工業(yè)革命。上個(gè)世紀(jì)開始，西方國家把制造業(yè)外包給了中國，把服務(wù)業(yè)外包給了印度，這不是自主選擇的結(jié)果，而是市場(chǎng)看不見的手調(diào)控的結(jié)果。我們經(jīng)歷了第一階段的國產(chǎn)品牌代工時(shí)代、經(jīng)歷了第二階段的世界產(chǎn)品中國造、經(jīng)歷了第三階段世界新物中國造，近幾年由于貿(mào)易戰(zhàn)和降低人工成本，制造業(yè)逐漸開始向南亞國家轉(zhuǎn)移，中國為了提高競(jìng)爭(zhēng)力，實(shí)現(xiàn)彎道超車，必須集中力量，建立新階段：支持中國創(chuàng)造的創(chuàng)新體系，大力研究相應(yīng)制造場(chǎng)景的5G應(yīng)用技術(shù)，滿足智慧制造領(lǐng)域物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的需求，建立IIOT（工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)），實(shí)現(xiàn)資訊技術(shù)與營運(yùn)技術(shù)的高端結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)從“邊緣創(chuàng)造”走向“中國名牌”。