基于工業互聯網的數字化工廠建設方案研究

【關鍵詞】工業互聯網；數字化；智能化

引言

工業強大與否直接體現一個國家的綜合實力和國際競爭力[1]，是推動經濟發展的主要引擎。世界工業史的發展經歷了從人工向機械化和大規模生產轉變的蒸汽時代、從機械化向自動化轉變的電氣時代、從自動化向數字化轉變的信息時代以及從數字化向智能化轉變的智能時代。制造業作為工業里面的一個重要分支，直接體現一個國家的生產力水平，是區別發展中國家與發達國家的重要因素。

當今的工業領域，工業自動化經過多年的發展并取得了顯著的進步，成為提升生產效率的重要手段，有效支撐企業實現高效、精準和可靠的生產。隨著技術的不斷進步，在工業生產中的各個場景中都廣泛應用了自動化設備，比如裝配組裝、焊接、檢驗、搬運、噴涂等各個環節，使得工業生產過程更加智能化和可控化。在實現自動化過程中，企業加速數字化融合并向數字化轉型，從而實現生產過程的實時監控、數據分析、信息處理和生產流程優化控制。

近年來，隨著人工智能、云計算、大數據、物聯網、區塊鏈等新興技術的發展，為制造業轉型帶來了新的機遇與挑戰。未來的工業設備和工業系統將更加的智能和完善，通過自主數據收集、分析與處理，形成有助于智能決策的數據價值流。隨著社會化分工加深，企業間各司其職，產業鏈分工日益精細與明確，這一發展趨勢要求企業對外部資源的集成與調用能力提出了更高的要求。隨著全球環境問題的日益突出，綠色制造變得越來越迫切，在實現智能化生產過程的同時，必須注重能源消耗和環境污染，實現可持續發展。通過以上分析，智能化、協同化、綠色化成為工業企業發展的趨勢和必由之路。

一、工業互聯網概述

工業互聯網是互聯網從消費領域向生產領域、從虛擬經濟向實體經濟拓展的核心載體，是新一代信息通信技術與現代工業技術深度融合的產物[2]，是第四次工業革命的重要基石[3]，通過人、機、物的全面互聯，實現全要素、全產業鏈、全價值鏈的全面連接，打破傳統的信息孤島局面[4]。工業互聯網通過智能設備、智能系統、智能決策三個重要思想和方法實現物理世界與數字世界的深度連接，可以解決面向生產過程的生產過程優化、面向企業運營的管理決策優化、面向社會化生產的資源優化配置與協同、面向產品全生命周期的管理與服務優化等問題，從而實現推動企業的高端化、智能化、綠色化發展。工業互聯網利用ICT技術優勢，通過對各類數據進行采集、傳輸、存儲、分析并形成智能反饋去改造傳統企業，實現整個產業鏈的數字化轉型。

二、數字化工廠建設方案研究

近年來，智能制造作為我國制造業轉型升級的重要契機被大力推行，開展對于數字化工廠建設的研究項目具有重要的意義。制造業實施數字化工廠建設、智能工廠建設成為企業轉型、推動發展的必然選擇和必走路徑。

（一）建設思路

智能制造需要充分考慮產品全生命周期的各個要素，包括工廠內部的生產過程、企業上下游的高度協同及資源調度、產品的售后及服務等。工業互聯網是制造業數字化轉型的重要引擎[5]，為了提高生產效率、提升產品品質以及提高客戶滿意度，下面筆者將基于工業互聯網的智能化生產、網絡化協同、服務化延伸、個性化定制這四大應用模式分析如何進行數字化工廠的建設。

（二）建設方案

如圖1所示，數字化工廠建設總體方案包括基于工廠內部現場全面連接的智能生產、企業上下游互聯實現網絡化協同、基于智慧產品的服務延伸以及實現與客戶需求對接的產品定制化。

1.全面連接生產要素的智能生產

人、機、料、法、環是影響生產效率和產品質量五大關鍵要素，所以在生產現場需要對這五大要素進行全面的管理，通過數據采集、分析、處理形成決策流，再作用于生產現場并反饋到生產管理系統，從而保障生產過程的效率和產品質量。如圖2所示，以制造完成一件產品的其中一個工序為例，完成該工序后產品已經與完成該工序涉及的人員、機器設備工具、物料、方法工藝、環境參數實現了強關聯，便于后續數據溯源以及質量管控。同時制造過程中對這五個生產要素進行管控，比如操作人員是否具備符合該工序的技能、當前設備的性能參數是否滿足當前工藝要求、設備運行過程中的狀態監測、物料是否滿足產品型號要求且質量是否合格、產品當前是否應該執行這個工藝，當前工序是否全部合格，環境參數是否滿足工藝要求等等。

2.企業互聯的網絡化協同

在互聯網+這個大時代背景下，企業生產的產品想要滿足客戶的大規模個性化定制需求，企業從顧客需求開始，到接受訂單、產品設計研發、原材料采購、生產制造、物流整個環節都需要進行深度的集成互聯和通信。隨著社會分工的深度細化，企業傳統的高度集成價值鏈轉向分散到各專業化企業。對內，工廠把完成整個產品的制造分成多個工序步驟，每個員工或機器只完成其中的某一個工序或者某一操作，但是各個工序之間、各個工序的生產要素之間又是需要相互聯通的；對外，不同的企業各自擅長研發設計、物料供應、倉儲運輸、銷售服務等不同領域，產品的全流程分布于各企業。

如圖3所示，企業互聯可以分為企業內部垂直互聯和企業間橫向互聯兩種。根據企業管理的不同時間需求，企業在不同時期開發了不同的系統。不同系統的功能不同，研發方式可能是自主研發或外購方式。隨著企業的發展，對各個系統的互聯協同需求加大。比如企業根據客戶需求生成訂單合同之后，計劃部門需要將客戶的訂單轉換成生產任務，這個計劃過程就會涉及人員、設備、倉儲等其他信息，需要綜合各個產線、車間的設備布局、設備參數、設備產能信息，才能提升設備的利用率，進而提高生產效率并降低成本；同時，這一過程還需要將計劃所需的物料信息同步給原材料庫房，庫房根據計劃信息下發采購訂單。所以，要完成生產計劃排程，就需要企業內部各個系統之間的互聯互通。

3.基于智慧產品的制造+服務模式

在當今的數字化、智能時代驅動下，制造業從原來的單一提供產品，逐漸轉變成產品與服務相結合，即制造+服務的經營模式，并且逐漸打破制造業與服務業的邊界，推動企業向服務型制造的轉型。如圖4所示，服務型制造應該以客戶為中心，向用戶輸出產品、支持服務、技術知識等有形無形的價值。產品研發過程，充分考慮客戶的定制化需求，通過仿真系統向用戶展示設計成果并收集客戶反饋信息；產品制造過程中充分關聯了人、機、料、法、環等所有生產要素，因此可以為產品信息溯源、防偽查詢、售后質量保障等提供支撐；訂單上線生產之后，可以向用戶提供訂單完成狀態信息；訂單完成發貨之后，向客戶提供出貨和物流信息；除此之外，通過在產品上疊加智能模塊，為客戶提供產品遠程健康管理與運維等增值服務，提升客戶滿意度。

4.基于按訂單生產的個性化定制

隨著消費者的需求不斷增加，多品種小批量的按訂單生產方式逐漸成為工廠的主要生產方式，傳統的按庫房生產方式很難滿足市場的多元性需求，也不利于企業的生產管理，企業的柔性生產能力成為衡量其應變能力的主要指標。為了滿足按需生產，必須有較高的柔性生產能力來快速響應客戶的多變需求。基于按訂單生產的個性化定制生產方式給企業的制造生產帶來了巨大的挑戰，比如個性化定制的產品具有不同的物料清單和工藝，這種非標生產會降低生產效率；生產線處于對品種并行的生產狀態，要求企業對工廠資源進行適當的調配才能很好地滿足資源共享；小批量、多品種的材料采購也需要加大對供應鏈的風險管理。

以上描述的數字化工廠建設方案的幾個方面不是相互獨立，而是相輔相成的。工廠必須構建基于生產現場的全面連接并實現企業內部、外部的網絡協同，才能夠從效率、質量、成本、交期、服務等各方面提升自身的競爭力，才有可能實現多品種小批量的個性化定制生產模式，才可以實現基于產品聯網的制造+服務模式。

（三）案例分析

制造過程中的零部件識別是生產工程中不可或缺的一個環節，幾乎所有的生產工序都會涉及零部件的識別。多品種小批量的生產模式導致零部件的種類很多，而且同一種零部件的型號又非常多。同一種零部件的不同型號有時從外觀上又很難區分，這就導致零部件的識別容易出錯，從而出現產品質量問題。除此之外，可能還會存在同一種型號的零部件，不同客戶的產品的數量要求是不一樣的，這無疑又增加了物料識別難度。在一些人工操作的工序，如果由人來進行物料識別，往往就要求操作員工非常熟悉各種零部件型號、外觀、特點等等，就需要操作員工進行長時間的培訓并具備較高的技能要求，從而增加了人力成本。因此，如何保證正確數量、正確型號的零部件識別成為制造過程中的重點和難點問題。

基于前面分析的數字化工廠建設方案，零部件識別方案可以通過產品型號分解從物料清單系統中獲取該產品在該生產工序所需的物料信息；結合線邊庫房管理，比如指示燈等方式，實現對所需物料信息的指示；同時，還需要從檢驗系統中獲取物料的檢驗信息，確保物料的質量沒有問題，如果發現有物料質量問題，還需要獲取物料的供應商、批次等信息進行過程管控。除此之外，需要記錄該工序操作的人員信息、工藝信息，以及采用的哪些物料等所有過程信息，便于后續的信息溯源與質量問題追溯。通過以上措施，只要保障每一個工序不接收、不制造、不流出不合格品，那么就能保障產品的質量。

結束語

工業互聯網作為支撐新一輪工業革命的基石，制造業的智能制造轉型離不開工業互聯網的支撐。一些中小企業目前還沒有形成數字化工廠的概念，亟須加快數字化工廠建設的步伐。然而數字化工廠建設存在效率低、實施難度大等問題，部分企業想要開展數字化工廠建設，可能還存在不知道如何建設的問題。本文在分析工業發展現狀和趨勢的基礎上，提出的基于工業互聯網的數字化工廠建設方案，可以給企業開展數字化工廠建設提供相關的參考價值，促進數字化轉型建設工作的開展。