隨著未來智能工廠發(fā)展浪潮的逼近，智能工廠為哪些行業(yè)帶來發(fā)展動力
2016-5-17 來源： 作者：
未來智能工廠的發(fā)展將帶動虛擬仿真設計、網(wǎng)絡化智能設備、模塊化定制生產(chǎn)、大數(shù)據(jù)化精益管理及柔性化新型人機交互五大行業(yè)領域發(fā)展高潮。
流程工業(yè)智能工廠由商業(yè)智能、運營智能、操作智能三個層次組成，由于自身的自動化水平較高，因此實施智能工廠相對比較容易。與流程工業(yè)相比，離散制造業(yè)首先在底層制造環(huán)節(jié)由于生產(chǎn)工藝的復雜性，如車、銑、刨、磨、鑄、鍛、鉚、焊對生產(chǎn)設備的智能化要求很高，投資很大。特別是裝備制造業(yè)、家電、汽車、機械、模具、航空航天、消費電子等產(chǎn)品大都要求產(chǎn)品智能化，設計智能。
在中國制造2025及工業(yè)4.0信息物理融合系統(tǒng)CPS的支持下，離散制造業(yè)需要實現(xiàn)生產(chǎn)設備網(wǎng)絡化、生產(chǎn)數(shù)據(jù)可視化、生產(chǎn)文檔無紙化、生產(chǎn)過程透明化、生產(chǎn)現(xiàn)場無人化等先進技術應用，做到縱向、橫向和端到端的集成，以實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔、靈活的生產(chǎn)，從而建立基于工業(yè)大數(shù)據(jù)和“互聯(lián)網(wǎng)+”的智能工廠。
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的提出給“中國制造2025”、工業(yè)4.0提供了一個新的突破口。物聯(lián)網(wǎng)是指通過各種信息傳感設備，實時采集任何需要監(jiān)控、連接、互動的物體或過程等各種需要的信息，其目的是實現(xiàn)物與物、物與人，所有的物品與網(wǎng)絡的連接，方便識別、管理和控制。傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)采用M2M(MachinetoMachine)的通信模式，實現(xiàn)了設備與設備間的通信，而物聯(lián)網(wǎng)通過ThingstoThings的通信方式實現(xiàn)人、設備和系統(tǒng)三者之間的智能化、交互式無縫連接。
在離散制造企業(yè)車間，數(shù)控車、銑、刨、磨、鑄、鍛、鉚、焊、加工中心等是主要的生產(chǎn)資源。在生產(chǎn)過程中，將所有的設備及工位統(tǒng)一聯(lián)網(wǎng)管理，使設備與設備之間、設備與計算機之間能夠聯(lián)網(wǎng)通訊，設備與工位人員緊密關聯(lián)。如：數(shù)控編程人員可以在自己的計算機上進行編程，將加工程序上傳至DNC服務器，設備操作人員可以在生產(chǎn)現(xiàn)場通過設備控制器下載所需要的程序，待加工任務完成后，再通過DNC網(wǎng)絡將數(shù)控程序回傳至服務器中，由程序管理員或工藝人員進行比較或歸檔，整個生產(chǎn)過程實現(xiàn)網(wǎng)絡化、追溯化管理。
在生產(chǎn)現(xiàn)場，每隔幾秒就收集一次數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)很多形式的分析，包括設備開機率、主軸運轉(zhuǎn)率、主軸負載率、運行率、故障率、生產(chǎn)率、設備綜合利用率(OEE)、零部件合格率、質(zhì)量百分比等。首先，在生產(chǎn)工藝改進方面，在生產(chǎn)過程中使用這些大數(shù)據(jù)，就能分析整個生產(chǎn)流程，了解每個環(huán)節(jié)是如何執(zhí)行的。一旦有某個流程偏離了標準工藝，就會產(chǎn)生一個報警信號，能更快速地發(fā)現(xiàn)錯誤或者瓶頸所在，也就能更容易解決問題。利用大數(shù)據(jù)技術，還可以對產(chǎn)品的生產(chǎn)過程建立虛擬模型，仿真并優(yōu)化生產(chǎn)流程，當所有流程和績效數(shù)據(jù)都能在系統(tǒng)中重建時，這種透明度將有助于制造企業(yè)改進其生產(chǎn)流程。再如，在能耗分析方面，在設備生產(chǎn)過程中利用傳感器集中監(jiān)控所有的生產(chǎn)流程，能夠發(fā)現(xiàn)能耗的異常或峰值情形，由此便可在生產(chǎn)過程中優(yōu)化能源的消耗，對所有流程進行分析將會大大降低能耗。
構建綠色制造體系，建設綠色工廠，實現(xiàn)生產(chǎn)潔凈化、廢物資源化、能源低碳化是中國制造2025實現(xiàn)“制造大國”走向“制造強國”的重要戰(zhàn)略之一。目前，在離散制造企業(yè)中產(chǎn)生繁多的紙質(zhì)文件，如工藝過程卡片、零件藍圖、三維數(shù)模、刀具清單、質(zhì)量文件、數(shù)控程序等等，這些紙質(zhì)文件大多分散管理，不便于快速查找、集中共享和實時追蹤，而且易產(chǎn)生大量的紙張浪費、丟失等。生產(chǎn)文檔進行無紙化管理后，工作人員在生產(chǎn)現(xiàn)場即可快速查詢、瀏覽、下載所需要的生產(chǎn)信息，生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的資料能夠即時進行歸檔保存，大幅降低基于紙質(zhì)文檔的人工傳遞及流轉(zhuǎn)，從而杜絕了文件、數(shù)據(jù)丟失，進一步提高了生產(chǎn)準備效率和生產(chǎn)作業(yè)效率，實現(xiàn)綠色、無紙化生產(chǎn)。
離散制造企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，MES在實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化、智能化、數(shù)字化等方面發(fā)揮著巨大作用。首先，MES借助信息傳遞對從訂單下達到產(chǎn)品完成的整個生產(chǎn)過程進行優(yōu)化管理，減少企業(yè)內(nèi)部無附加值活動，有效地指導工廠生產(chǎn)運作過程，提高企業(yè)及時交貨能力。其次，MES在企業(yè)和供應鏈間以雙向交互的形式提供生產(chǎn)活動的基礎信息，使計劃、生產(chǎn)、資源三者密切配合，從而確保決策者和各級管理者可以在最短的時間內(nèi)掌握生產(chǎn)現(xiàn)場的變化，做出準確的判斷并制定快速的應對措施，保證生產(chǎn)計劃得到合理而快速的修正、生產(chǎn)流程暢通、資源充分有效地得到利用，進而最大限度地發(fā)揮生產(chǎn)效率。
智能工廠是在數(shù)字化工廠的基礎上，利用物聯(lián)網(wǎng)技術和監(jiān)控技術加強信息管理服務，提高生產(chǎn)過程可控性、減少生產(chǎn)線人工干預，以及合理計劃排程。同時，集初步智能手段和智能系統(tǒng)等新興技術于一體，構建高效、節(jié)能、綠色、環(huán)保、舒適的人性化工廠。
智能工廠已經(jīng)具有了自主能力，可采集、分析、判斷、規(guī)劃；通過整體可視技術進行推理預測，利用仿真及多媒體技術，將實境擴增展示設計與制造過程。系統(tǒng)中各組成部分可自行組成最佳系統(tǒng)結構，具備協(xié)調(diào)、重組及擴充特性。已系統(tǒng)具備了自我學習、自行維護能力。因此，智能工廠實現(xiàn)了人與機器的相互協(xié)調(diào)合作，其本質(zhì)是人機交互。
智能工廠是在數(shù)字化工廠基礎上的升級版，但是與智能制造還有很大差距。智能制造系統(tǒng)在制造過程中能進行智能活動，諸如分析、推理、判斷、構思和決策等。通過人與智能機器的合作，去擴大、延伸和部分地取代技術專家在制造過程中的腦力勞動。它把制造自動化擴展到柔性化、智能化和高度集成化。
智能制造系統(tǒng)不只是“人工智能系統(tǒng)，而是人機一體化智能系統(tǒng)，是混合智能。系統(tǒng)可獨立承擔分析、判斷、決策等任務，突出人在制造系統(tǒng)中的核心地位，同時在智能機器配合下，更好發(fā)揮人的潛能。機器智能和人的智能真正地集成在一起，互相配合，相得益彰。本質(zhì)是人機一體化。
國內(nèi)很多企業(yè)都在炒作智能制造，但是絕大多數(shù)企業(yè)還處在部分使用應用軟件的階段，少數(shù)企業(yè)也只是實現(xiàn)了信息集成，也就是可以達到數(shù)字化工廠的水平；極少數(shù)企業(yè)，能夠?qū)崿F(xiàn)人機的有效交互，也就是達到智能工廠的水平。
那么，隨著未來智能工廠發(fā)展浪潮的逼近。未來，將有幾個行業(yè)或者領域迎來發(fā)展高潮。
首先是虛擬仿真設計。隨著三維數(shù)字化技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的以經(jīng)驗為主的模擬設計模式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榛谌S建模和仿真的虛擬設計模式，使未來的智能工廠能夠通過三維數(shù)字建模、工藝虛擬仿真、三維可視化工藝現(xiàn)場應用，避免傳統(tǒng)的“三維設計模型→二維紙質(zhì)圖紙→三維工藝模型”研制過程中信息傳遞鏈條的斷裂，摒棄二維、三維之間轉(zhuǎn)換，提高產(chǎn)品研發(fā)設計效率，保證產(chǎn)品研發(fā)設計質(zhì)量。
隨著仿真技術的發(fā)展，原有的對工件幾何參數(shù)及干涉進行校驗的幾何仿真逐漸轉(zhuǎn)變成產(chǎn)品加工、裝配、拆卸、切削和成型過程的物理仿真，使未來的智能工廠實現(xiàn)在復雜虛擬環(huán)境下對產(chǎn)品運行生產(chǎn)效果進行仿真分析和驗證，以達到產(chǎn)品開發(fā)周期和成本的最低化、產(chǎn)品設計質(zhì)量的最優(yōu)化和生產(chǎn)效率的最高化，增強企業(yè)的競爭能力。
未來我國應著重突破MBD技術、物理仿真引擎系統(tǒng)架構、仿真模型三個環(huán)節(jié)。
其次是網(wǎng)絡化智能設備。生產(chǎn)設備的智能化程度將在網(wǎng)絡化條件下得到快速提升，傳統(tǒng)制造模式出現(xiàn)顛覆性的變革，具體表現(xiàn)高度密集的生產(chǎn)設備、生產(chǎn)設備智能化和柔性化制造方式這三個方面。
隨著技術的進步以及人工成本的逐漸上升，未來工廠內(nèi)所有工作逐漸由系統(tǒng)控制的核心生產(chǎn)設備來實現(xiàn)，工作人員不直接參與生產(chǎn)第一線工作，只是從事一些新產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)工藝改進、新機器設備發(fā)明創(chuàng)新等高質(zhì)量復雜勞動。高度密集的生產(chǎn)設備將使未來智能工廠的生產(chǎn)成本逐漸降低，產(chǎn)品質(zhì)量將得到大幅提升。
在生產(chǎn)設備智能化方面，生產(chǎn)設備聯(lián)網(wǎng)助力未來工廠日益智能化。生產(chǎn)設備依托安全的生產(chǎn)網(wǎng)絡和系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)智能校正、智能診斷、智能控制、智能管理等功能和生產(chǎn)設備之間的智能化信息交換，協(xié)同性和開放性明顯提升。智能化生產(chǎn)設備的應用，使未來智能工廠生產(chǎn)過程更加靈活、高效并具有可持續(xù)發(fā)展性。
在柔性化制造方式方面，增材制造方式促進智能工廠日漸綠色化和柔性化。傳統(tǒng)的材料去除加工方法將逐漸被低耗能、低污染甚至無污染的增材制造方式所取代，這種制造方式尤其適合動力設備、航空航天、汽車等高端產(chǎn)品上的關鍵零部件的生產(chǎn)。
再次是模塊化定制生產(chǎn)。多批次、小產(chǎn)量的生產(chǎn)盈利能力在模塊化生產(chǎn)方式下逐漸得到提升，產(chǎn)品日益滿足消費者個性化需求，具體表現(xiàn)在模塊生產(chǎn)和模塊組裝這兩個方面。
在模塊生產(chǎn)方面，生產(chǎn)可自由組合的模塊助力智能工廠日益集約化。傳統(tǒng)的固定生產(chǎn)線將無法滿足客戶定制化需求而逐漸消失，可動態(tài)組合的模塊化生產(chǎn)方式將成為主流。在模塊化生產(chǎn)方式下，產(chǎn)品被分解成無數(shù)個具有不同用途或性能的模塊。每個模塊將通過制造執(zhí)行系統(tǒng)被生產(chǎn)出來，杜絕未來智能工廠的浪費環(huán)節(jié)，保證質(zhì)量、優(yōu)化成本、縮短周期。
在模塊組裝方面，標準化、通用化模塊之間的組合提升智能工廠定制化生產(chǎn)盈利能力。根據(jù)產(chǎn)品的性能、結構選擇滿足需求的模塊，通過模塊結構的標準化，將選取出的各模塊自由組裝出滿足客戶個性化需求的產(chǎn)品，使未來智能工廠產(chǎn)品的品種更豐富、功能更齊全、性能更穩(wěn)定。
大數(shù)據(jù)化精益管理。產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)和管理方式通過工業(yè)大數(shù)據(jù)挖掘和分析逐漸得到創(chuàng)新，工廠管理日趨精益化。具體表現(xiàn)在客戶價值管理、精益生產(chǎn)和精益供應鏈這三個方面。
在客戶價值管理方面，基于大數(shù)據(jù)的客戶價值提升趨勢明顯。隨著移動互聯(lián)、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術逐漸滲透到產(chǎn)品生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，大數(shù)據(jù)配套軟硬件的日益完善，安全性和標準化程度的逐步提升，通過對客戶與工業(yè)企業(yè)之間的交互和交易行為方面大數(shù)據(jù)的分析，產(chǎn)品的研發(fā)設計呈現(xiàn)出眾包化發(fā)展趨勢，同時產(chǎn)品售后服務得到不斷改進和完善。
在精益生產(chǎn)方面，基于大數(shù)據(jù)的生產(chǎn)制造日益精益化。制造企業(yè)通過實時收集生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)，對生產(chǎn)設備診斷、用電量、能耗、質(zhì)量事故等方面進行分析與預測，能夠及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的錯誤與瓶頸并進行優(yōu)化。通過運用大數(shù)據(jù)技術，未來智能工廠實現(xiàn)生產(chǎn)制造的精益化，提升生產(chǎn)過程的透明度、綠色性、安全性和產(chǎn)品的質(zhì)量。
在精益供應鏈方面，基于大數(shù)據(jù)的供應鏈優(yōu)化趨勢顯著。隨著大數(shù)據(jù)基礎條件的日益成熟，制造企業(yè)能夠獲得完整的產(chǎn)品供應鏈方面的大數(shù)據(jù)，通過對這些大數(shù)據(jù)的分析，預測零配件價格走勢、庫存等情況，克服傳統(tǒng)供應鏈中缺乏協(xié)調(diào)和信息共享等問題，避免牛鞭效應的發(fā)生，實現(xiàn)供應鏈的優(yōu)化。基于大數(shù)據(jù)的精益供應鏈管理消減了智能工廠整個供應鏈條中成本和浪費情況，提升了倉儲和配送效率，實現(xiàn)了無庫存或庫存達到極小。
最后是柔性化新型人機交互。人與機器的信息交換方式隨著技術融合步伐的加快向更高層次邁進，新型人機交互方式被逐漸應用于生產(chǎn)制造領域。具體表現(xiàn)在智能交互設備柔性化和智能交互設備工業(yè)領域應用這兩個方面。
在智能交互設備柔性化方面，技術和硬件的不斷更新有利于智能交互設備日益柔性化優(yōu)勢的形成。隨著移動互聯(lián)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、人機交互和識別技術等核心技術的發(fā)展，交互設備硬件日趨柔性化，智能交互設備逐漸呈現(xiàn)出設計自由新穎、低功耗、經(jīng)摔耐用、貼近人體等優(yōu)勢，這就為未來智能工廠新型人機交互的實現(xiàn)提供了基礎。
在智能交互設備工業(yè)領域應用方面，柔性化智能交互設備助力智能工廠新型人機交互方式的實現(xiàn)。隨著技術融合步伐的加快，柔性化智能交互設備從個人消費領域被逐漸引入到制造業(yè)，作為生產(chǎn)線裝配及特殊環(huán)節(jié)工作人員的技術輔助工具，使工作人員與周邊的智能設備進行語音、體感等新型交互。智能交互設備工業(yè)領域的應用，提升了未來智能工廠的透明度和靈活性。（來源：信息化顧問團）
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