智能工廠的規(guī)劃

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

智能工廠的智能化基因

在智能工廠里，人、機器和資源如同在一個社交網(wǎng)絡(luò)里自然地相互溝通協(xié)作，生產(chǎn)出來的智能產(chǎn)品能夠理解自己被制造的細節(jié)以及將如何使用，能夠回答"哪組參數(shù)被用來處理我"、"我應(yīng)該被傳送到哪里"等問題。

同時，智能輔助系統(tǒng)將從執(zhí)行例行任務(wù)中解放出來，使他們能夠?qū)Ｗ⒂趧?chuàng)新；靈活的工作組織能夠幫助工人把生活和工作實現(xiàn)更好地結(jié)合，個體顧客的需求將得到滿足。

No.1

智能工廠核心架構(gòu)

1.建一個網(wǎng)絡(luò)（CPS）

CPS讓物理設(shè)備具有計算、通信、精確控制、遠程協(xié)調(diào)和自治等五大功能，從而實現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡(luò)世界與現(xiàn)實物理世界的融合，將網(wǎng)絡(luò)空間的高級計算能力有效的運用于現(xiàn)實世界中，從而在生產(chǎn)制造過程中，與設(shè)計、開發(fā)、生產(chǎn)有關(guān)的所有數(shù)據(jù)將通過傳感器采集并進行分析，形成可自律操作的智能生產(chǎn)系統(tǒng)。

2. 三個集成

工業(yè)4.0中的三項集成包括：橫向集成、縱向集成與端對端的集成。

工業(yè)4.0將無處不在的傳感器、嵌入式終端系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、通信設(shè)施通過CPS形成一個智能網(wǎng)絡(luò)，使人與人、人與機器、機器與機器以及服務(wù)與服務(wù)之間能夠互聯(lián)，從而實現(xiàn)橫向、縱向和端對端的高度集成，集成是實現(xiàn)工廠智能化的重點也是難點。

3. 數(shù)據(jù)處理：大數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)是智能工廠建設(shè)的血液，在各應(yīng)用系統(tǒng)之間流動。在智能工廠運轉(zhuǎn)的過程中，會產(chǎn)生設(shè)計、工藝、制造、倉儲、物流、質(zhì)量、人員等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可能分別來自ERP、MES、APS、WMS、QIS等應(yīng)用系統(tǒng)。

因此，在智能工廠的建設(shè)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(yīng)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(gòu)建方法，確立數(shù)據(jù)管理流程與制度，協(xié)調(diào)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(shù)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(shè)備端進行處理，哪些數(shù)據(jù)需要在工廠范圍內(nèi)處理，哪些數(shù)據(jù)要上傳到企業(yè)的云平臺進行處理。

No.2

智能工廠主要建設(shè)模式

由于各個行業(yè)生產(chǎn)流程不同，加上各個行業(yè)智能化情況不同，智能工廠有以下幾個不同的建設(shè)模式。

▍第一種模式是從生產(chǎn)過程數(shù)字化到智能工廠。在石化、鋼鐵、冶金、建材、紡織、造紙、醫(yī)藥、食品等流程制造領(lǐng)域，企業(yè)發(fā)展智能制造的內(nèi)在動力在于產(chǎn)品品質(zhì)可控，側(cè)重從生產(chǎn)數(shù)字化建設(shè)起步，基于品控需求從產(chǎn)品末端控制向全流程控制轉(zhuǎn)變。

▍第二種模式是從智能制造生產(chǎn)單元(裝備和產(chǎn)品)到智能工廠。在機械、汽車、航空、船舶、輕工、家用電器和電子信息等離散制造領(lǐng)域，企業(yè)發(fā)展智能制造的核心目的是拓展產(chǎn)品價值空間，側(cè)重從單臺設(shè)備自動化和產(chǎn)品智能化入手，基于生產(chǎn)效率和產(chǎn)品效能的提升實現(xiàn)價值增長。

▍第三種模式是從個性化定制到互聯(lián)工廠。在家電、服裝、家居等距離用戶最近的消費品制造領(lǐng)域，企業(yè)發(fā)展智能制造的重點在于充分滿足消費者多元化需求的同時實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟生產(chǎn)，側(cè)重通過互聯(lián)網(wǎng)平臺開展大規(guī)模個性定制模式創(chuàng)新。

智能工廠規(guī)劃的核心要素

智能廠房設(shè)計

智能工廠的廠房設(shè)計需要引入BIM（建筑信息模型），通過三維設(shè)計軟件進行建筑設(shè)計，尤其是水、電、汽、網(wǎng)絡(luò)、通信等管線的設(shè)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(fēng)與空調(diào)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(zāi)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(shù)以及其他圖像處理技術(shù)，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(guān)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(yīng)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(shè)備布局、產(chǎn)線布置、車間物流進行仿真。在廠房設(shè)計時，還應(yīng)當思考如何降低噪音，如何能夠便于設(shè)備靈活調(diào)整布局，多層廠房如何進行物流輸送等問題。

智能產(chǎn)線規(guī)劃

智能產(chǎn)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(chǎn)線要生產(chǎn)的產(chǎn)品族、產(chǎn)能和生產(chǎn)節(jié)拍，采用價值流圖等方法來合理規(guī)劃智能產(chǎn)線。

智能產(chǎn)線的特點是：

1）在生產(chǎn)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(chǎn)、質(zhì)量、能耗、設(shè)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(chǎn)狀態(tài)，能夠防呆防錯；

2）通過安燈系統(tǒng)實現(xiàn)工序之間的協(xié)作；

3）生產(chǎn)線能夠?qū)崿F(xiàn)快速換模，實現(xiàn)柔性自動化；

4）能夠支持多種相似產(chǎn)品的混線生產(chǎn)和裝配，靈活調(diào)整工藝，適應(yīng)小批量、多品種的生產(chǎn)模式；

5）具有一定冗余，如果生產(chǎn)線上有設(shè)備出現(xiàn)故障，能夠調(diào)整到其他設(shè)備生產(chǎn)；

6）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(shè)計智能產(chǎn)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(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。

企業(yè)建立新工廠非常強調(diào)少人化，因此要分析哪些工位應(yīng)用自動化設(shè)備及機器人，哪些工位采用人工。對于重復(fù)性強、變化少的工位盡可能采用自動化設(shè)備，反之則采用人工工位。

精益生產(chǎn)

精益生產(chǎn)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(chǎn)或按訂單設(shè)計，滿足小批量、多品種的生產(chǎn)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(chǎn)，建立生產(chǎn)現(xiàn)場的電子看板，通過拉動方式組織生產(chǎn)，采用安東系統(tǒng)及時發(fā)現(xiàn)和解決生產(chǎn)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(chǎn)線和組裝線，建立了智能制造單元。推進精益生產(chǎn)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(jié)合。

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(chǎn)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(shè)備。MES旨在加強MRP計劃的執(zhí)行功能，貫徹落實生產(chǎn)策劃，執(zhí)行生產(chǎn)調(diào)度，實時反饋生產(chǎn)進展。

1）面向生產(chǎn)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(chǎn)數(shù)據(jù)，建立可用于產(chǎn)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；

2）面向班組：發(fā)揮基層班組長的管理效能，班組任務(wù)管理和派工；

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

為提高產(chǎn)品準時交付率、提升設(shè)備效能、減少等待時間，MES系統(tǒng)需導(dǎo)入生產(chǎn)作業(yè)排程功能，為生產(chǎn)計劃安排和生產(chǎn)調(diào)度提供輔助工具，提升計劃的準確性。

工廠智能物流

推進智能工廠建設(shè)，生產(chǎn)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。根據(jù)每個客戶訂單集中配貨，并通過RGV配送到裝配線，消除了線邊倉。離散制造企業(yè)在兩道工序之間可以采用帶有導(dǎo)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(chǎn)能的差異，設(shè)立生產(chǎn)緩沖區(qū)。立體倉庫和輥道系統(tǒng)的應(yīng)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。

設(shè)備管理

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

能源管理

為了降低智能工廠的綜合能耗，提高勞動生產(chǎn)率，特別是對于高能耗的用電單元，進行能源管理是非常有必要的。采集能耗監(jiān)測點（烘箱、變配電、照明、空調(diào)、電梯和重點設(shè)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(diào)度、優(yōu)化能源介質(zhì)平衡，達到優(yōu)化使用能源的目的。同時，通過采集重點設(shè)備的實時能耗，還可以準確知道設(shè)備的運行狀態(tài)（關(guān)機、開機還是在加工），從而自動計算OEE。通過感知設(shè)備能耗的突發(fā)波動，還可以預(yù)測刀具和設(shè)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，對烘箱、澆注設(shè)備、空調(diào)系統(tǒng)等耗能設(shè)備進行重點監(jiān)控，對于非生產(chǎn)時間的能耗進行追溯，對生產(chǎn)線每個工位的能耗進行檢測，將節(jié)能的責(zé)任分配到班組，從而節(jié)約能源。

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智能工廠的規(guī)劃