在當前智能制造的熱潮之下，很多企業(yè)都在規(guī)劃建設智能工廠。那么，智能工廠的規(guī)劃要考慮哪些核心要素？關注哪些維度？

本文結合中國電子科技集團十四所的智能工廠建設實踐、作者與企業(yè)進行溝通交流以及e-works的國際考察和咨詢服務實踐，就此問題進行深入探討，敬請業(yè)內專家指正。

本文作者：

中國電子科技集團十四所 姚克榮

e-works總編 黃培博士

e-works知識資源服務中心主任 孫亞婷

制造工藝的分析與優(yōu)化

在新工廠建設時，首先需要根據(jù)企業(yè)在產業(yè)鏈的定位，擬生產的主要產品、生產類型（單件、小批量多品種、大批量少品種等）、生產模式（離散、流程及混合制造）、核心工藝（例如機械制造行業(yè)的熱加工、冷加工、熱處理等），以及生產綱領，對加工、裝配、包裝、檢測等工藝進行分析與優(yōu)化。企業(yè)需要充分考慮智能裝備、智能產線、新材料和新工藝的應用對制造工藝帶來的優(yōu)化。同時，企業(yè)也應當基于綠色制造和循環(huán)經濟的理念，通過工藝改進節(jié)能降耗、減少污染排放；還可以應用工藝仿真軟件，來對制造工藝進行分析與優(yōu)化。

數(shù)據(jù)采集

生產過程中需要及時采集產量、質量、能耗、加工精度和設備狀態(tài)等數(shù)據(jù)，并與訂單、工序、人員進行關聯(lián)，以實現(xiàn)生產過程的全程追溯。出現(xiàn)問題可以及時報警，并追溯到生產的批次、零部件和原材料的供應商。此外，還可以計算出產品生產過程產生的實際成本。有些行業(yè)還需要采集環(huán)境數(shù)據(jù)，如溫度、濕度、空氣潔凈度等數(shù)據(jù)。

企業(yè)需要根據(jù)采集的頻率要求來確定采集方式，對于需要高頻率采集的數(shù)據(jù)，應當從設備控制系統(tǒng)中自動采集。企業(yè)在進行智能工廠規(guī)劃時，要預先考慮好數(shù)據(jù)采集的接口規(guī)范，以及SCADA（監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集）系統(tǒng)的應用。不少廠商開發(fā)了數(shù)據(jù)采集終端，可以外接在機床上，解決老設備數(shù)據(jù)采集的問題，企業(yè)可以進行選型應用。

設備聯(lián)網

實現(xiàn)智能工廠乃至工業(yè)4.0，推進工業(yè)互聯(lián)網建設，實現(xiàn)MES應用，最重要的基礎就是要實現(xiàn)M2M，也就是設備與設備之間的互聯(lián)，建立工廠網絡。那么，設備與設備之間如何互聯(lián)？采用怎樣的通信方式（有線、無線）、通信協(xié)議和接口方式？采集的數(shù)據(jù)如何處理？這些問題企業(yè)應當建立統(tǒng)一的標準。

在此基礎上，企業(yè)可以實現(xiàn)對設備的遠程監(jiān)控，機床聯(lián)網之后，可以實現(xiàn)DNC（分布式數(shù)控）應用。設備聯(lián)網和數(shù)據(jù)采集是企業(yè)建設工業(yè)互聯(lián)網的基礎。

工廠智能物流

推進智能工廠建設，生產現(xiàn)場的智能物流十分重要，尤其是對于離散制造企業(yè)。智能工廠規(guī)劃時，要盡量減少無效的物料搬運。很多優(yōu)秀的制造企業(yè)在裝配車間建立了集中揀貨區(qū)（Kitting Area），根據(jù)每個客戶訂單集中配貨，并通過DPS（Digital Picking System）方式進行快速揀貨，配送到裝配線，消除了線邊倉。

集中揀貨和RGV應用

離散制造企業(yè)在兩道機械工序之間可以采用帶有導軌的工業(yè)機器人、桁架式機械手等方式來傳遞物料，還可以采用AGV、RGV（有軌穿梭車）或者懸掛式輸送鏈等方式傳遞物料。在車間現(xiàn)場還需要根據(jù)前后道工序之間產能的差異，設立生產緩沖區(qū)。立體倉庫和輥道系統(tǒng)的應用，也是企業(yè)在規(guī)劃智能工廠時，需要進行系統(tǒng)分析的問題。

生產質量管理

提高質量是工廠管理永恒的主題，在智能工廠規(guī)劃時，生產質量管理更是核心的業(yè)務流程。質量保證體系和質量控制活動必須在生產管理信息系統(tǒng)建設時統(tǒng)一規(guī)劃、同步實施，貫徹質量是設計、生產出來，而非檢驗出來的理念。

質量控制在信息系統(tǒng)中需嵌入生產主流程，如檢驗、試驗在生產訂單中作為工序或工步來處理；質量審理以檢驗表單為依據(jù)啟動流程開展活動；質量控制的流程、表單、數(shù)據(jù)與生產訂單相互關聯(lián)、穿透；按結構化數(shù)據(jù)存儲質量記錄，為產品單機檔案提供基本的質量數(shù)據(jù)，為質量追溯提供依據(jù)；構建質量管理的基本工作路線：質量控制設置-檢測-記錄-評判-分析-持續(xù)改進；質量控制點需根據(jù)生產工藝特點科學設置，質量控制點太多影響效率，太少使質量風險放大；檢驗作為質量控制的活動之一，可分為自檢、互檢、專檢，也可分為過程檢驗和終檢；質量管理還應關注質量損失，以便從成本的角度促進質量的持續(xù)改進。對于采集的質量數(shù)據(jù)，可以利用SPC系統(tǒng)進行分析。制造企業(yè)應當提升對QIS（質量管理信息系統(tǒng)）的重視程度。

設備管理

設備是生產要素，發(fā)揮設備的效能（OEE—設備綜合效率）是智能工廠生產管理的基本要求，OEE的提升標志產能的提高和成本的降低。生產管理信息系統(tǒng)需設置設備管理模塊，使設備釋放出最高的產能，通過生產的合理安排，使設備尤其是關鍵、瓶頸設備減少等待時間；在設備管理模塊中，要建立各類設備數(shù)據(jù)庫，設置編碼，及時對設備進行維保；通過實時采集設備狀態(tài)數(shù)據(jù)，為生產排產提供設備的能力數(shù)據(jù)；企業(yè)應建立設備的健康管理檔案，根據(jù)積累的設備運行數(shù)據(jù)建立故障預測模型，進行預測性維護，最大限度地減少設備的非計劃性停機；要進行設備的備品備件管理。

智能廠房設計

智能工廠的廠房設計需要引入BIM（建筑信息模型），通過三維設計軟件進行建筑設計，尤其是水、電、氣、網絡、通信等管線的設計。同時，智能廠房要規(guī)劃智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)、智能采光與照明系統(tǒng)、通風與空調系統(tǒng)、智能安防報警系統(tǒng)、智能門禁一卡通系統(tǒng)、智能火災報警系統(tǒng)等。采用智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)，通過人臉識別技術以及其他圖像處理技術，可以過濾掉視頻畫面中無用的或干擾信息、自動識別不同物體和人員，分析抽取視頻源中關鍵有用信息，判斷監(jiān)控畫面中的異常情況，并以最快和最佳的方式發(fā)出警報或觸發(fā)其它動作。

整個廠房的的工作分區(qū)（加工、裝配、檢驗、進貨、出貨、倉儲等）應根據(jù)工業(yè)工程的原理進行分析，可以使用數(shù)字化制造仿真軟件對設備布局、產線布置、車間物流進行仿真。在廠房設計時，還應當思考如何降低噪音，如何能夠便于設備靈活調整布局，多層廠房如何進行物流輸送等問題。

智能裝備的應用

制造企業(yè)在規(guī)劃智能工廠時，必須高度關注智能裝備的最新發(fā)展。機床設備正在從數(shù)控化走向智能化，實現(xiàn)邊測量、邊加工，對熱變形、刀具磨損產生的誤差進行補償，企業(yè)也開始應用車銑復合加工中心，很多企業(yè)在設備上下料時采用了工業(yè)機器人。

未來的工廠中，金屬增材制造設備將與切削加工（減材）、成型加工（等材）等設備組合起來，極大地提高材料利用率。除了六軸的工業(yè)機器人之外，還應該考慮SCARA機器人和并聯(lián)機器人的應用，而協(xié)作機器人則將會出現(xiàn)在生產線上，配合工人提高作業(yè)效率。

智能產線規(guī)劃

智能產線是智能工廠規(guī)劃的核心環(huán)節(jié)，企業(yè)需要根據(jù)生產線要生產的產品族、產能和生產節(jié)拍，采用價值流圖等方法來合理規(guī)劃智能產線。智能產線的特點是：在生產和裝配的過程中，能夠通過傳感器、數(shù)控系統(tǒng)或RFID自動進行生產、質量、能耗、設備績效（OEE）等數(shù)據(jù)采集，并通過電子看板顯示實時的生產狀態(tài)，能夠防呆防錯；通過安燈系統(tǒng)實現(xiàn)工序之間的協(xié)作；生產線能夠實現(xiàn)快速換模，實現(xiàn)柔性自動化；能夠支持多種相似產品的混線生產和裝配，靈活調整工藝，適應小批量、多品種的生產模式；具有一定冗余，如果生產線上有設備出現(xiàn)故障，能夠調整到其他設備生產；針對人工操作的工位，能夠給予智能的提示，并充分利用人機協(xié)作。

設計智能產線需要考慮如何節(jié)約空間，如何減少人員的移動，如何進行自動檢測，從而提高生產效率和生產質量。企業(yè)建立新工廠非常強調少人化，因此要分析哪些工位應用自動化設備及機器人，哪些工位采用人工。對于重復性強、變化少的工位盡可能采用自動化設備，反之則采用人工工位。

制造執(zhí)行系統(tǒng)

MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）是智能工廠規(guī)劃落地的著力點，MES是面向車間執(zhí)行層的生產信息化管理系統(tǒng)，上接ERP系統(tǒng)，下接現(xiàn)場的PLC程控器、數(shù)據(jù)采集器、條形碼、檢測儀器等設備。MES旨在加強MRP計劃的執(zhí)行功能，貫徹落實生產策劃，執(zhí)行生產調度，實時反饋生產進展；

面向生產一線工人：指令做什么、怎么做、滿足什么標準，什么時候開工，什么時候完工，使用什么工具等等；記錄“人、機、料、法、環(huán)、測”等生產數(shù)據(jù)，建立可用于產品追溯的數(shù)據(jù)鏈；反饋進展、反饋問題、申請支援、拉動配合等；

面向班組：發(fā)揮基層班組長的管理效能，班組任務管理和派工；

面向一線生產保障人員：確保生產現(xiàn)場的各項需求，如料、工裝刀量具的配送，工件的周轉等等。

為提高產品準時交付率、提升設備效能、減少等待時間，MES系統(tǒng)需導入生產作業(yè)排程功能，為生產計劃安排和生產調度提供輔助工具，提升計劃的準確性。在獲取產品制造的實際工時、制造BOM信息的基礎上，企業(yè)可以應用APS（先進生產排程）軟件進行排產，提高設備資源的利用率和生產排程的效率。

能源管理

為了降低智能工廠的綜合能耗，提高勞動生產率，特別是對于高能耗的工廠，進行能源管理是非常有必要的。采集能耗監(jiān)測點（變配電、照明、空調、電梯、給排水、熱水機組和重點設備）的能耗和運行信息，形成能耗的分類、分項、分區(qū)域統(tǒng)計分析，可以對能源進行統(tǒng)一調度、優(yōu)化能源介質平衡，達到優(yōu)化使用能源的目的。

同時，通過采集重點設備的實時能耗，還可以準確知道設備的運行狀態(tài)（關機、開機還是在加工），從而自動計算OEE。通過感知設備能耗的突發(fā)波動，還可以預測刀具和設備故障。此外，企業(yè)也可以考慮在工廠的屋頂部署光伏系統(tǒng)，提供部分能源。

施耐德電氣的Ecostructure平臺提供了企業(yè)能效管理的整體解決方案；三菱電機則提出了能源JIT理念，福山制作所對空調系統(tǒng)、空壓機、鍋爐等耗能設備進行重點監(jiān)控，對于非生產時間的能耗進行追溯，對生產線每個工位的能耗進行檢測，將節(jié)能的責任分配到班組，從而節(jié)約能源。

生產無紙化

生產過程中工件配有圖紙、工藝卡、生產過程記錄卡、更改單等紙質文件作為生產依據(jù)。隨著信息化技術的提高和智能終端成本的降低，在智能工廠規(guī)劃可以普及信息化終端到每個工位，結合輕量化三維模型和MES系統(tǒng)，操作工人將可在終端接受工作指令，接受圖紙、工藝、更單等生產數(shù)據(jù)，可以靈活第適應生產計劃變更、圖紙變更和工藝變更。有很多廠商提供工業(yè)平板顯示器，甚至可以利用智能手機作為終端，完成生產信息查詢和報工等工作。

工業(yè)安全

企業(yè)在進行新工廠規(guī)劃時，需要充分考慮各種安全隱患，包括機電設備的安全，員工的安全防護，設立安全報警裝置等安防設施和消防設備。同時，隨著企業(yè)應用越來越多的智能裝備和控制系統(tǒng)，并實現(xiàn)設備聯(lián)網，建立整個工廠的智能工廠系統(tǒng)，隨之而來的安全隱患和風險也會迅速提高，現(xiàn)在已出現(xiàn)了專門攻擊工業(yè)自動化系統(tǒng)的病毒。因此，企業(yè)在做智能工廠規(guī)劃時，也必須將工業(yè)安全作為一個專門的領域進行規(guī)劃。

精益生產

精益生產的核心思想是消除一切浪費，確保工人以最高效的方式進行協(xié)作。很多制造企業(yè)采取按訂單生產或按訂單設計，滿足小批量、多品種的生產模式。智能工廠需要實現(xiàn)零部件和原材料的準時配送，成品和半成品按照訂單的交貨期進行及時生產，建立生產現(xiàn)場的電子看板，通過拉動方式組織生產，采用安東系統(tǒng)及時發(fā)現(xiàn)和解決生產過程中出現(xiàn)的異常問題；同時，推進目視化、快速換模。很多企業(yè)采用了U型的生產線和組裝線，建立了智能制造單元。推進精益生產是一個持續(xù)改善的長期過程，要與信息化和自動化的推進緊密結合。

人工智能技術應用

人工智能技術正在被不斷地被應用到圖像識別、語音識別、智能機器人、故障診斷與預測性維護、質量監(jiān)控等各個領域，覆蓋從研發(fā)創(chuàng)新、生產管理、質量控制、故障診斷等多個方面。在智能工廠建設過程中，應當充分應用人工智能技術。

例如，可以利用機器學習技術，挖掘產品缺陷與歷史數(shù)據(jù)之間的關系，形成控制規(guī)則，并通過增強學習技術和實時反饋，控制生產過程減少產品缺陷。同時集成專家經驗，不斷改進學習結果。利用機器視覺代替人眼，提高生產柔性和自動化程度，提升產品質檢效率和可靠性。IBM開展了通過人工智能算法來分析質量問題，并找出改進措施的實踐，取得了實效。

生產監(jiān)控與指揮系統(tǒng)

流程行業(yè)企業(yè)的生產線配置了DCS系統(tǒng)或PLC控制系統(tǒng)，通過組態(tài)軟件可以查看生產線上各個設備和儀表的狀態(tài)，但絕大多數(shù)離散制造企業(yè)還沒有建立生產監(jiān)控與指揮系統(tǒng)。

實際上，離散制造企業(yè)也非常需要建設集中的生產監(jiān)控與指揮系統(tǒng)，在系統(tǒng)中呈現(xiàn)關鍵的設備狀態(tài)、生產狀態(tài)、質量數(shù)據(jù)，以及各種實時的分析圖表。在一些國際廠商的MES軟件系統(tǒng)中，設置了MII（Manufacturing Ingetration and Intelligence）模塊，其核心功能就是呈現(xiàn)出工廠的關鍵KPI數(shù)據(jù)和圖表，輔助決策。

數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)是智能工廠建設的血液，在各應用系統(tǒng)之間流動。在智能工廠運轉的過程中，會產生設計、工藝、制造、倉儲、物流、質量、人員等業(yè)務數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可能分別來自ERP、MES、APS、WMS、QIS等應用系統(tǒng)。因此，在智能工廠的建設過程中，需要一套統(tǒng)一的標準體系來規(guī)范數(shù)據(jù)管理的全過程，建立數(shù)據(jù)命名、數(shù)據(jù)編碼和數(shù)據(jù)安全等一系列數(shù)據(jù)管理規(guī)范，保證數(shù)據(jù)的一致性和準確性。

另外，必要時，還應當建立專門的數(shù)據(jù)管理部門，明確數(shù)據(jù)管理的原則和構建方法，確立數(shù)據(jù)管理流程與制度，協(xié)調執(zhí)行中存在的問題，并定期檢查落實優(yōu)化數(shù)據(jù)管理的技術標準、流程和執(zhí)行情況。企業(yè)需要規(guī)劃邊緣計算、霧計算、云計算的平臺，確定哪些數(shù)據(jù)在設備端進行處理，哪些數(shù)據(jù)需要在工廠范圍內處理，哪些數(shù)據(jù)要上傳到企業(yè)的云平臺進行處理。

勞動力管理

在智能工廠規(guī)劃中，還應當重視整體人員績效的提升。設備管理有OEE，人員管理同樣有整體績效-OLE（整體勞動效能）。通過對整體勞動效能指標的分析，可以清楚了解勞動力績效，找出人員績效改進的方向和辦法，而分析勞動力績效的基礎是及時、完整、真實的數(shù)據(jù)。通過考勤機、排班管理軟件、MES系統(tǒng)等實時收集的考勤、工時和車間生產的基礎數(shù)據(jù)，用數(shù)據(jù)分析的手段，可以衡量人工與資源（如庫存或機器）在可用性、績效和質量方面的相互關系。讓決策層對工廠的勞動生產率和人工安排具備實時的可視性，通過及時準確地考勤數(shù)據(jù)分析評估出勞動力成本和服務水平，從而實現(xiàn)整個工廠真正的人力資本最優(yōu)化和整體勞動效能的提高。

總之，要做好智能工廠的規(guī)劃，需要綜合運用這“十八般武藝”，從各個視角綜合考慮，從投資預算、技術先進性、投資回收期、系統(tǒng)復雜性、生產的柔性等多個方面進行綜合權衡、統(tǒng)一規(guī)劃，從一開始就避免產生新的信息孤島和自動化孤島，才能確保做出真正可落地，既具有前瞻性，又有實效性的智能工廠規(guī)劃方案。同時，還可以基于這些維度來建立智能工廠的評估體系。

智能工廠的規(guī)劃是一個十分復雜的系統(tǒng)工程，需要企業(yè)的生產、工藝、IT、自動化、設備和精益等部門通力協(xié)作；同時，也需要引入專業(yè)的工廠設計和智能制造咨詢服務機構深入合作。

原文標題：智能工廠規(guī)劃的“十八般武藝”

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責任編輯：haq