陳奇志

摘 要：世界上主要工業(yè)國(guó)先后都提出了先進(jìn)制造業(yè)的振興計(jì)劃，那么到底什么樣的工廠才能稱得上是先進(jìn)制造業(yè)工廠呢？本文認(rèn)為先進(jìn)制造業(yè)工廠的主要特征是數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化，然后再對(duì)這些特征的具體表現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)的論述。

關(guān)鍵詞：先進(jìn)制造業(yè);數(shù)字化;網(wǎng)絡(luò)化;智能化;數(shù)字雙胞胎;透明工廠;黑燈工廠

中圖分類號(hào)：F40 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）06-0211-02

0 引言

2006年德國(guó)制定了包括制造業(yè)在內(nèi)17個(gè)領(lǐng)域的高科技戰(zhàn)略，2010年德國(guó)又發(fā)布了《2020高技術(shù)戰(zhàn)略》報(bào)告，按照人類需求5個(gè)方面提出5大主導(dǎo)市場(chǎng)。在德國(guó)工程院、西門子和博世兩大公司及產(chǎn)業(yè)界建議推動(dòng)下，2013年正式推出《德國(guó)工業(yè)4.0戰(zhàn)略》。美國(guó)在2011年發(fā)布了《先進(jìn)制造業(yè)伙伴計(jì)劃》，2012年發(fā)布了《先進(jìn)制造業(yè)國(guó)家戰(zhàn)略計(jì)劃》，2015年又發(fā)布了《美國(guó)國(guó)家創(chuàng)新戰(zhàn)略》，把創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)看作是實(shí)現(xiàn)全民創(chuàng)新和提升國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵所在。為了追趕先進(jìn)制造業(yè)，我國(guó)先后提出互聯(lián)網(wǎng)+、兩化融合和中國(guó)制造2025，為國(guó)內(nèi)企業(yè)進(jìn)入先進(jìn)制造業(yè)加油打氣，那么什么樣的工廠才能算得上是先進(jìn)制造業(yè)呢？

1 先進(jìn)制造業(yè)的主特征：數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化

德國(guó)工業(yè)4.0、美國(guó)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和中國(guó)制造2025，“數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化”是共同交集，數(shù)字化是基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)化是支撐，智能化是方向。也就是說(shuō)，智能制造是在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)的，首先是數(shù)字化然后才是智能化。為了表述先進(jìn)制造業(yè)的工廠特征，先后有各種名稱提出，如：黑燈工廠（工廠幾乎沒有人，正常生產(chǎn)時(shí)不再需要燈光照明）、透明工廠（為企業(yè)打通生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)流程，打通數(shù)據(jù)及平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)管理、運(yùn)營(yíng)、服務(wù)的“通透”;為企業(yè)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部縱向垂直，企業(yè)外部橫向包括與上下游之間的“通透”）、數(shù)字雙胞胎（也叫數(shù)字孿生，建立一個(gè)鏡像的數(shù)字虛擬工廠，使虛實(shí)工廠之間同步運(yùn)行）等先進(jìn)制造業(yè)工廠概念。

2 先進(jìn)制造業(yè)主要特征的具體表現(xiàn)

2.1數(shù)字工廠的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、仿真

數(shù)字化工廠整體規(guī)劃包括從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的自動(dòng)化改造、產(chǎn)線的整體集成、智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的建設(shè)，到操作層數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)硬件之間的互聯(lián)互通等。而位于企業(yè)層和管理層的產(chǎn)品全生命周期管理系統(tǒng)則幫助企業(yè)建立從客戶需求輸入到產(chǎn)品整個(gè)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、性能驗(yàn)證、工藝設(shè)計(jì)、工藝過程仿真、虛擬制造到最后的產(chǎn)品實(shí)物生產(chǎn)交付全生命周期的數(shù)字化研發(fā)設(shè)計(jì)體系，再通過生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)MES將PLM系統(tǒng)中產(chǎn)品的虛擬制造和現(xiàn)實(shí)產(chǎn)線中的實(shí)際生產(chǎn)制造有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，形成虛擬和現(xiàn)實(shí)的數(shù)字化雙胞胎。在此基礎(chǔ)上，位于中央控制層的智能運(yùn)維管理平臺(tái)將各系統(tǒng)在統(tǒng)一的三維可視化平臺(tái)上進(jìn)行集成，并結(jié)合工業(yè)大數(shù)據(jù)分析和人工智能的應(yīng)用，幫助企業(yè)進(jìn)行快速的運(yùn)營(yíng)管理決策。

先搭建一個(gè)完全虛擬的數(shù)字化工廠，在3D布局設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之上，設(shè)立物流的流動(dòng)狀態(tài)以及車間各個(gè)設(shè)備、設(shè)施、工裝的運(yùn)作時(shí)間和規(guī)律，從而對(duì)車間物流進(jìn)行仿真。然后在虛擬世界中對(duì)生產(chǎn)這種產(chǎn)品的物料在車間內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行模擬，通過模擬不僅可以分析出產(chǎn)能瓶頸，還可以驗(yàn)證工藝規(guī)劃的合理性以及給車間物流帶來(lái)的影響，從而規(guī)劃出更為合理的工藝路線和車間物流路線[1]。

2.2數(shù)字化設(shè)備（產(chǎn)線）設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造是“試錯(cuò)”模式，典型流程是“設(shè)計(jì)→制造→測(cè)試→再設(shè)計(jì)”。也就是產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成之后制造出樣品測(cè)試，發(fā)現(xiàn)問題再去修改設(shè)計(jì)，如此往復(fù)達(dá)成產(chǎn)品設(shè)計(jì)的功能和性能目標(biāo)。在生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)也是“試錯(cuò)”模式，在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)問題再去更改工藝。

2.3數(shù)字化生產(chǎn)

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成之后，傳統(tǒng)的制造業(yè)企業(yè)在工藝階段要完成編制工藝路線、設(shè)計(jì)工裝夾具、工時(shí)定額等工作，按照這份工藝文件指導(dǎo)產(chǎn)品的制造工作，在制造的過程中發(fā)現(xiàn)問題再回來(lái)修改工藝文件。

數(shù)字化制造技術(shù)在虛擬的環(huán)境中構(gòu)建一個(gè)三維可視化的工廠，在計(jì)算機(jī)里進(jìn)行零件工藝規(guī)劃與仿真、裝配工藝規(guī)劃與仿真、機(jī)器人仿真與編程，還可以通過產(chǎn)線仿真模擬整個(gè)制造過程直到完善才進(jìn)入實(shí)際的生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)。當(dāng)驗(yàn)證過程中發(fā)現(xiàn)問題時(shí)，只需要在模型中進(jìn)行修正即可，真正實(shí)現(xiàn)面向制造的設(shè)計(jì)。通過數(shù)字化雙胞胎模型，可以達(dá)成產(chǎn)品制造一次成功的目標(biāo)。

2.4數(shù)據(jù)互聯(lián)、共享和集成

數(shù)據(jù)互聯(lián)共享和集成是先進(jìn)制造業(yè)非常重要的基礎(chǔ)，PLM（產(chǎn)品生命周期管理）、MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）、TIA（全集成自動(dòng)化）三大平臺(tái)的數(shù)據(jù)必須打通和整合。它貫穿從產(chǎn)品概念到生命結(jié)束的所有階段，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、制造和工程的緊密集成，同時(shí)設(shè)計(jì)、工藝、仿真、驗(yàn)證工作都在同一個(gè)共享數(shù)據(jù)的平臺(tái)上進(jìn)行。該平臺(tái)提供全球協(xié)同工作環(huán)境，連接所有人員，確保在正確的時(shí)間，以正確的方式獲得正確的信息。

通過MES系統(tǒng)制造過程透明化、數(shù)字化，經(jīng)由MES提供的信息使用戶能看到一個(gè)動(dòng)態(tài)的、更加真實(shí)的、可度量的制造過程。MES系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)整個(gè)生產(chǎn)過程的優(yōu)化，幫助企業(yè)提高了產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率，降低了材料和人力等資源的消耗，成為企業(yè)生產(chǎn)管理的有效工具。

通過TIA、PLM、MOM等系統(tǒng)的建設(shè)，數(shù)字化企業(yè)已初現(xiàn)雛形，但要達(dá)到真正意義上的數(shù)字化企業(yè)，還需進(jìn)行系統(tǒng)之間的深度集成。具體來(lái)看，深度集成主要包括三個(gè)方面：（1）橫向集成：實(shí)現(xiàn)企業(yè)間的無(wú)縫合作，信息共享和業(yè)務(wù)協(xié)同。（2）縱向集成：生產(chǎn)系統(tǒng)將不同層面的自動(dòng)化系統(tǒng)集成在一起（執(zhí)行器、傳感器、控制器、制造執(zhí)行系統(tǒng)、企業(yè)計(jì)劃系統(tǒng)等層面），靈活地按照生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行組織，實(shí)現(xiàn)全集成自動(dòng)化。（3）端到端的工程數(shù)字化集成：即產(chǎn)品全生命周期的數(shù)據(jù)集成，通過產(chǎn)品研發(fā)的虛擬世界和生產(chǎn)的現(xiàn)實(shí)世界的鏈接，從流程層面實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)-制造-服務(wù)的閉環(huán)控制。

2.5先進(jìn)制造業(yè)數(shù)據(jù)管理

有了數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的基礎(chǔ)后，下一步就是智能化。結(jié)合現(xiàn)階段工業(yè)大數(shù)據(jù)、云技術(shù)、人工智能等前沿技術(shù)，可以開發(fā)出智能運(yùn)維管理平臺(tái)。該平臺(tái)基于三維地理信息系統(tǒng)，以工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，以工廠數(shù)字化業(yè)務(wù)為驅(qū)動(dòng)，通過豐富的二維、三維表現(xiàn)形式，提供基于三維模型的可視化的數(shù)字化企業(yè)運(yùn)維管理綜合應(yīng)用，幫助企業(yè)進(jìn)行更加智能的決策。

2.5.1 三維地理信息管理

三維地理信息系統(tǒng)提供基礎(chǔ)地圖服務(wù)級(jí)數(shù)據(jù)共享服務(wù)，可將企業(yè)各子公司、分廠的場(chǎng)景模型和地理信息集成到同一個(gè)平臺(tái)上，企業(yè)管理者可輕松快速查看各單位的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)狀態(tài)信息。通過企業(yè)三維場(chǎng)景的建立，從分區(qū)廠房到設(shè)備設(shè)施，管理者均可在系統(tǒng)中快速定位，直觀查看。且系統(tǒng)可接入實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)，對(duì)風(fēng)、云、雨、霧、雪、光照等氣象效果進(jìn)行真實(shí)模擬。還能夠根據(jù)用戶需要，對(duì)各種地理信息、裝置設(shè)備等進(jìn)行分類管理。通過圖層設(shè)置各種顯示方案，實(shí)現(xiàn)用戶在三維場(chǎng)景下對(duì)信息進(jìn)行圖形化控制。

2.5.2數(shù)字資產(chǎn)管理

在智能運(yùn)維管理平臺(tái)中，管理者能夠在企業(yè)數(shù)字化雙胞胎模型中模擬巡檢員視角在廠區(qū)漫游，通過各種方法快速搜索定位指定設(shè)備，隨時(shí)查看設(shè)備屬性信息（包括設(shè)備的名稱、編號(hào)、功能、關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)、生產(chǎn)廠商、使用年限等）。還可提供設(shè)備培訓(xùn)功能，包括設(shè)備結(jié)構(gòu)拆分、工作原理講解、設(shè)備故障分析、設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)操作指導(dǎo)等。通過設(shè)備維護(hù)功能，將工單信息與設(shè)備模型綁定，可隨時(shí)查看設(shè)備工單狀態(tài)、維護(hù)人員及維護(hù)流程等信息。此外，基于數(shù)字化雙胞胎模型，還可實(shí)現(xiàn)所有圖紙、施工數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)設(shè)備進(jìn)行掛接，為現(xiàn)場(chǎng)施工、設(shè)備維護(hù)提供數(shù)據(jù)參考。

2.5.3工廠監(jiān)控管理

通過讀取SCADA、DCS等系統(tǒng)的后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)工藝裝置運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)時(shí)顯示設(shè)備設(shè)施的壓力、溫度、流量、流速等運(yùn)行數(shù)據(jù)以及計(jì)劃訂單完成情況等生產(chǎn)數(shù)據(jù)，當(dāng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)，可視化平臺(tái)會(huì)發(fā)出報(bào)警，同時(shí)顯示故障點(diǎn)信息，在企業(yè)數(shù)字化雙胞胎平臺(tái)上精確定位，實(shí)現(xiàn)用戶實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)狀態(tài)的功能需求。

2.5.4虛擬巡檢管理

在智能運(yùn)維管理平臺(tái)中可以自定義巡檢路線，也可在系統(tǒng)中預(yù)置標(biāo)準(zhǔn)巡檢路線，根據(jù)業(yè)務(wù)需求的不同，劃分出多種巡檢計(jì)劃類型，包括線路巡檢、重點(diǎn)設(shè)備設(shè)施巡檢、重大危險(xiǎn)源巡檢、重點(diǎn)區(qū)域巡檢等。系統(tǒng)獲取人員的實(shí)時(shí)位置信息，與電子地圖進(jìn)行疊加，從而查看記錄巡檢人員行走的歷史軌跡，實(shí)現(xiàn)對(duì)巡檢人員的實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證工作人員巡視到位，提高巡視質(zhì)量，同時(shí)也便于管理者對(duì)巡檢人員進(jìn)行指揮調(diào)度。在巡檢現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)故障隱患時(shí)，巡檢人員可通過手持終端現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行信息上報(bào)，以此滿足信息實(shí)時(shí)性和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理的同步性要求。系統(tǒng)對(duì)于巡檢歷史數(shù)據(jù)會(huì)進(jìn)行存儲(chǔ)并提供功能強(qiáng)大、操作簡(jiǎn)單的查詢統(tǒng)計(jì)功能，可根據(jù)查詢和統(tǒng)計(jì)條件類別進(jìn)行操作?？砂凑諘r(shí)間、巡檢人員、巡檢類型、上報(bào)事件類型等不同的條目對(duì)巡檢日志進(jìn)行查詢統(tǒng)計(jì)，并提供可視化的分析結(jié)果[2]。

2.5.5生產(chǎn)調(diào)度管理

在智能運(yùn)維管理平臺(tái)中，管理者可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)進(jìn)行分析，協(xié)調(diào)工廠生產(chǎn)計(jì)劃，為產(chǎn)量運(yùn)行跟蹤、調(diào)度指揮管理、生產(chǎn)計(jì)劃管理、計(jì)量管理提供科學(xué)依據(jù)。當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)可通過運(yùn)維平臺(tái)實(shí)時(shí)發(fā)送生產(chǎn)調(diào)度指令，及時(shí)進(jìn)行調(diào)度指揮滿足現(xiàn)場(chǎng)需求。通過與MES、WMS、SCADA等系統(tǒng)的集成應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)在運(yùn)維平臺(tái)上對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程開停機(jī)，物料配送路徑、閥門開關(guān)度等的遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造過程的實(shí)時(shí)調(diào)度。

2.5.6設(shè)備預(yù)防性維護(hù)

智能運(yùn)維管理平臺(tái)可導(dǎo)入設(shè)備的維護(hù)計(jì)劃，并對(duì)維護(hù)情況進(jìn)行記錄監(jiān)控，當(dāng)設(shè)備即將到達(dá)維護(hù)時(shí)間節(jié)點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)彈出維護(hù)通知，提醒管理人員按照計(jì)劃對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，從而保障設(shè)備的按時(shí)維保，提高設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性及使用壽命。除了按照計(jì)劃的維護(hù)保養(yǎng)提醒外，智能運(yùn)維管理平臺(tái)還通過讀取SCADA、DCS等系統(tǒng)采集的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息，如：轉(zhuǎn)速、震動(dòng)、電流、電壓等，利用工業(yè)大數(shù)據(jù)分析，對(duì)比相關(guān)參數(shù)與正常閾值的關(guān)系，結(jié)合質(zhì)量控制圖等工具，可提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常，并根據(jù)異常情況開展維護(hù)保養(yǎng)、停機(jī)搶修、備品備件準(zhǔn)備等預(yù)防性維護(hù)，從而減少因設(shè)備非計(jì)劃停機(jī)帶來(lái)的時(shí)間和成本的損失。同時(shí)提前發(fā)現(xiàn)異常，可最大限度地降低異常對(duì)設(shè)備的損害，提高設(shè)備使用壽命。

2.5.7多系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成展示

智能運(yùn)維管理平臺(tái)可讀取PLM、ERP、MES、DNC、CRM、SCADA、DCS等系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)分析在中央控制大屏集成進(jìn)行展示，形成直觀的數(shù)據(jù)圖表，為企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度、質(zhì)量控制、安全生產(chǎn)、成本分析、KPI管理等數(shù)據(jù)分析，為企業(yè)經(jīng)營(yíng)者提供輔助決策支撐。

3 結(jié)語(yǔ)

總之，先進(jìn)制造業(yè)工廠依托物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云技術(shù)、人工智能等新技術(shù)，呈現(xiàn)出數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的特征。通過先進(jìn)數(shù)字化規(guī)劃和設(shè)計(jì)，制造出具有感知、分析、決策、執(zhí)行、維護(hù)等功能的工廠，從而實(shí)現(xiàn)自組織、自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)化、協(xié)同化、智能化生產(chǎn)系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用智能化、產(chǎn)業(yè)生態(tài)智能化。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳明，梁乃明，方志剛，等.智能制造之路：數(shù)字化工廠[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016.

[2] 高歌.德國(guó)“工業(yè)4.0”對(duì)我國(guó)制造業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的啟示[J].中國(guó)特色社會(huì)主義研究，2017（2）：41-47.