汪志演 葉建華 陳利玨 柯國林 黃少國 張 梅

（浙江正泰建筑電器有限公司 溫州 325000）

引言

《工業4.0計劃白皮書》提出制造業要準確把握新一輪科技革命和產業變革趨勢，加快轉型升級和提質增效，切實提高制造業的核心競爭力和可持續發展能力，通過10年的努力，使中國邁入制造強國行列。

在此背景下，作者以工業4.0為發展目標，緊跟制造業智能化發展潮流，秉承正泰企業使命和經營理念，堅持以市場為導向的原則，作者通過創新驅動，大力發展高智能、高柔性、高敏捷的智能制造，提升信息化管理水平，打造綠色智能工廠，使得公司為客戶提供優質高效的產品，進一步穩定和擴大市場占有率，力爭成為行業智能制造領跑者。

在中國，國務院在 2015 年印發了《中國制造 2025》[2]，智能制造是其中的五大工程之一。智能制造將為公司帶來巨大的技術邊革以及效益產出。

在此背景下，項目組開始實施第三代智能制造項目，從柔性化制造升級迭代為平臺化制造，使其具有更高的生產柔性及更快的敏捷性。從產品設計端介入智能制造理念，從產品設計、開發初期同步輸入設備特性，同步進行工裝夾具的通用化設計，使產品設計與智能制造設計理念相同，打通設計端與制造端上下流協同[3,4]。

1 智能工廠架構設計

基于本企業系列標準的支持和企業級別的信息安全要求，在信息物理融合系統（CPS）的支持下，構建智能設計、智能產品、智能經營、智能服務、智能生產、智能決策六大系統。其中，通過服務網、物聯網將企業設施、設備、組織、人互通互聯， 集計算機、信息通訊系統、電子感知系統一體化，實現對基礎硬件實施的安全可靠、實時、協調感知和控制[5]；同時通過企業信息門戶（EIP）實現與客戶、供應商、合作伙伴的橫向集成（如協同商務和信息共享），以及實現企業內部的縱向集成（如不同系統之間的業務協同）。構建的智能工廠總體框架模型如圖1所示。

圖1 智能工廠架構圖

2 工廠設計數字化

為實現工廠的設備布局合理、工藝流程和物流配送科學，在工廠建設前期建立了數字化模型，導入工廠布局可視化管理理念，實現了計劃、生產、物流、質量等制造過程的數字化管理[6]，見圖2所示。

圖2 工廠設計布局圖

以第三代自動化為基礎理念，引入敏捷化、標準化、柔性化自動產線，通過信息化系統實現自動排產、自動檢測、自動數據采集分析，從而更加貼合目前墻壁開關個性化、智能化的市場要求。

3 產品設計、管理數字化

公司所有產品開發均采用數字化設計，二維CAD、三維Proe按需切換；電子線路采用Protel設計。產品從立項、開發到轉產上市，所有數據和文檔均采用PLM產品全生命周期管理系統統一管理。

1）產品設計數字化

產品設計采用CAD、Proe、Protel等設計工具（圖3），提高產品設計開發效率和質量，縮短開發周期，降低成本費用，提高勞動生產率及企業科技創新能力。

圖3 數字化零部件設計

使用Protel電路自動化設計軟件，實現電路原理圖設計，PCB布線設計，可編程邏輯器件PLD設計，電路仿真模擬等功能。

2）產品仿真分析數字化

采用Moldfolw注塑模流分析技術，將“優化設計”的理念貫穿于產品設計、模具設計制造和注塑生產的全過程。Moldfolw的重要性在于項目開發的前期對產品的材料選擇提供建議、對產品設計進行改進及優化、對模具設計進行改進與優化。

3）產品全生命周期管理數字化

PLM系統可實現基礎管理、變更管理、工作流管理、項目管理、指派任務管理、編碼管理、CAD集成管理、ERP集成管理等。通過該系統實施，實現BOM管理，快速高效的進行產品結構設計履歷比較；實現圖文檔在線查詢，實現設計協同，設計開發速度有效加快；實現圖文檔集中管理，技術管理水平得到提高；實現文檔的創建、流轉、引用、審批、歸檔、發布、變更、版本管理的過程與狀態管理，支持多種方式查詢與可視化顯示。公司產品研發能力得到有效提高，產品設計開發速度有效加快，技術管理水平得到提高，產品開發周期顯著縮短，切實增強產品創新能力和市場綜合競爭能力，管理產品數據與技術圖紙等資料文件，管理產品開發項目，在集成化的信息環境中進行協同設計，并與CAD，ERP等系統緊密集成。

4 制造過程裝備數字化

公司新引進設備、產線全部為數字化設備，支持數據采集和系統集成。通用零部件采用載具+自動上料機上料，專用零部件選用振動盤+直振方式上料；主體轉動模式采用載具循環流水線模式，裝配采用機器人，機器人夾手采用快換模式；采用快速定位裝置、一鍵通用模塊化（錯料機構載具模塊、主體機構載具模塊、振動盤機架模塊、機器人夾手模塊），實現柔性化、敏捷化的自動生產。

第一代智能制造基于產品降本增效方向出發，設計開發適合于大批量產品的生產制造，但不利用產品換型，且有一定的設備利用局限性。

第二代智能制造基于一定的柔性化制造出發，利用機器人的特性、信息化數據采用，自動物流系統，設計開發適合于多品種、多型號的產品制造生產；產線具有一定的柔性生產能力，但仍對原料有一定精密尺寸要求，且換型需要一定時間；

第三代智能制造基于第二代智能制造技術，從柔性化制造升級迭代為平臺化制造，具有更高的柔性以及更快的敏捷性，通過改變原料上料方式，解決產品精度不一致等技術問題。并從產品設計端介入智能制造理念，從產品設計、開發初期同步輸入設備特性，同步進行工裝夾具的通用化設計，使產品設計與智能制造設計理念相同，打通設計端與制造端上下流協同。

項目建設完成后，主要有以下技術亮點：

一個流自動模式: 以自動裝配為前提，結合注塑生產，AGV智能物流、行業首創注塑、裝配、包裝、物流自動無人化一個流自動生產模式。

創新通用性載具: 創新性的對塑料件、銅件使用通用性載具，解決了傳統自動化裝配無法自動上料難題，實現了以機器人為核心的柔性化生產。

一鍵快速換型: 通過WMS系統，智能儲存產品參數，一鍵快速換型，使得一條自動線最多可以生產百種型號產品。

一片式包裝：通過一片式包裝技術，實現在線自動折盒、分揀、裝盒、打碼、貼標、裝箱、堆垛全流程自動無人包裝，大幅度解決包裝物成本。

延展性、可塑性、敏捷性：可進行自主設計完成通用性插座類的技改，真正意義上實現生產產品型號快速換型，做到敏捷性生產；

增加質量管控點、實現三碼合一：滿足現有的質量管控點后增加上料機CCD用于管控物流周轉缺料判斷，枕式包裝增加稱重工序。解決現有亂碼、混碼現象。

通用性、空中物流：通用現有所有A類插座類、并延伸至B類插座類、單線通用生產產品型號可突破百種產品型號；實現中盒空中物流及智能物流空中物流，優化物流路線。

智能倉儲、智能物流：圍繞生產進行倉儲部署，增加倉儲物流強適應性，優化各AGV的運行路徑。結合WMS系統，實現倉儲的自動物料管理、自動運輸。

1）企業資源計劃系統（ERP）

采用國際領先的SAP S/4 HANA作為新的ERP數字核心，通過SAP系統集成，大大增加了管理的透明度；多角貿易、替代料、成本還原等較為特殊的業務問題都得到很好的滿足；系統的成熟、穩定確保企業數字系統整體穩定運行。

SAP系統的成功導入便于實時掌握各部門硬件資源使用情況、方便管理成品物料電子檔案、管理零部件電子檔案、物料收發憑證電子憑證，有效實現財務精細化管理。通過SAP系統創建物料B OM，為生產工單做基礎數據。

2）制造執行系統（MES）

如圖4所示，MES系統連接著生產作業現場與ERP系統，對于產品的生產過程管控、生產信息的實時采集與分析、產品追溯發揮了重要的作用，它匯聚了生產全過程的軟硬件控制流程、利用各種數據來引導車間的各項活動。MES系統通過實時采集現場數據，實現車間設備的運行監控、質量異常報警、管理報表生成等，提高現場生產過程的透明度與生產效率，實現車間現場的實時動態管理[8]。

圖4 MES可視化管理界面

通過MES 系統實現生產追溯，監控生產過程，實現生產過程透明化。通過MES系統實現數據采集，實時監控設備運行狀況和生產進度。通過MES系統實現生產管理功能，實現生產工單的創建、執行、暫停、完工、調度等功能，提升生產計劃執行的精細化管控，通過生產訂單全制程管控實現基于批次的節點追溯。

3）生產計劃排程系統建設（APS）

APS是一種基于供應鏈管理和約束理論的先進計劃與排產軟件系統。它通過同步考慮多種有限能力資源的約束，依據各種預設規則，通過非常復雜的智能化數學算法，反復模擬、試探、優化、計算，最終給出相對最優的詳細計劃。

4）倉儲管理系統 （WMS）

如圖5所示，WMS系統是倉庫信息集成的紐帶，也是管理者控制庫存，實現倉庫作業透明化、敏捷化的基本手段。WMS系統通過信息傳遞對從采購入庫到銷售出庫的整個倉庫環節進行優化管理，減少不必要的作業流程以及失誤，準確實時掌握所需的倉庫庫存數據、運營數據，從而使其既能倉庫的作業能力，加快產品流通速度，又能降低成本，獲取盈利。

圖5 WMS可視化管理界面

5）SCM系統

如圖6所示，實施供應鏈管理系統，實現采購在線下單，實時對賬，實現供應鏈、生產過程物流與物料的精準管控。

圖6 SCM架構圖

6 數據互聯互通建設

如圖7所示，智能工廠的自動化控制和信息集成，離不開基礎網絡建設。智能工廠的底層就是物聯網。因此智能工廠的物聯網需要建設一張從產線設備層網絡到車間級工業網絡再到廠級協同網絡之間實現多層次的安全可控的互聯互通的網絡。

圖7 工廠物聯網架構示意圖

1）工廠級網絡建設

智能化工廠整體網絡架構分成3個部分，最上層為管理網，主要的用途是一方面向廠區內的管理人員、技術人員等提供網絡互聯，另一方面是提供對底層網絡、鏈接、設備、服務、數據、訂單、安全等等方面的統籌管理。工業以太網層向下與車間級傳感網連接，車間級工業網絡為廠區的生產提供網連接基礎、實現網絡傳輸、邏輯鏈路控制、網絡管理、設備聯網等網絡功能。

2）車間現場數據采集網絡建設

如圖8所示，隨著工廠信息系統的建設與應用，工廠對于通信系統與網絡的需求也越來越高。從自動化生產線設備之間的網絡連接到生產線之間的數據通信，以及生產工位的信息采集，都需要快速、安全的通信網絡。

圖8 車間級網絡架構示意圖

3） 5G應用

5G技術可有效解決工業有線技術移動性差、組網不靈活、特殊環境鋪設困難等問題，本項目采用5G作為數據采集主干網，通過5G解決不同基礎硬件、自動化、物流之間對接信息傳輸問題，最大程度上解決信息傳輸干擾問題。

7 物流配送信息化

1）數字化倉儲

通過信息識別技術（條形碼識別系統、RFID技術），貨物分揀系統、堆垛機認址系統、堆垛機控制系統，WMS系統、AGV小車、智能立體庫等，實現倉貨物的自動存放、自動存取、標準化管理、智能化作業。

通過智能識別技術，WMS系統，AGV小車，智能立庫等可以互聯互通，實現倉儲貨物的自動存放，標準化管，智能化作業。

2）RCS 系統與MES 系統對接，MES系統負責管理物料、貨架、儲位信息，并根據機臺生產狀態下發相應任務至RCS 系統；RCS 系統負責調度AGV執行搬運任務。

8 能源資源管理系統建設（EMS）

通過EMS系統（能源管理系統），對工廠內各用能系統（氣、電）的能耗信息予以采集、顯示、分析、診斷、維護及優化管理，通過信息整合連接基礎硬件部分作出相對于的歸納總結，并以表格方式存儲，用以數據自動分析。

9 效益分析

1）經濟效益

通過項目實施預計減少人力227人，人工費用減少876萬元/年，材料降本節省1 091萬元/年，第一年合計節約費用1 470.3萬元。根據生產數據統計表明生產效率同比增長109.6 %，指標達成率超400 %，人均生產產值大大提高。同時，產品生產不良率下降率為24.49 %，指標達成率超122.45 %。

2）社會效益

智能工廠項目的實施，有利于推進產品的結構調整和產業升級，使產品組裝由手工制造躍升至智能化生產模式，促進傳統手工產業的升級換代，形成新型產業群。有利于帶動一批與智能制造技術密切關聯的配套產業的快速發展，如：CCD、機器人、物聯網、智能物流、智能分揀、MES、WMS等等，形成以智能制造為核心的產業聚集和產業集群。大力發展區域智能化產業，既可以培養一批專業從事智能化的高級工程技術人才，亦可以培養出一大批智能化設備設計的高技能人才，改變了區域內人才緊缺的局面。

10 結束語

在智能制造浪潮下，作者圍繞企業的長期發展戰略，根據低壓電器產品的工藝、設備和個性化的特點，通過精益化-標準化-自動化-信息化-數據化推動發展思路，穩步推進智能工廠的整體規劃及建設，建立明確的智能工廠核心數據指標、對接、系統集成等各類標準。企業在推進規范化、標準化的基礎上，從最需要解決的問題入手，逐步落實并推進智能工廠的實施。