打造“智慧工厂” 设备装备大有可为

文/晓雷

打造“智慧工厂” 设备装备大有可为

文/晓雷

开栏的话：去年《中德合作行动纲要》的发表，使工业4.0开始走向前台，聚集了无数的目光，成为行业热议的话题。在解读酷似我国“两化融合”这个异国概念的同时，本刊不禁再一次关注我国推进已久的两化融合；关注现今信息化发展对于工业化发展的推动和影响；关注正在国内逐渐兴起的、与推进两化融合息息相关的“智慧工厂”的建设；关注在这个充满了产业转型升级变革的时代，国有设备装备的智能化管理大课题。

针对智能化管理大课题的探索践行，本刊自本期起，将深入各大企业进行重点报道，敬请期待。

近日，安徽合肥市两化融合工作又取得新成果。由合肥市经信委评出的首批智慧工厂，江淮汽车、京东方、皖维集团3家企业在15家申报企业中脱颖而出，成为合肥市首批“智慧工厂”。

“智慧工厂”是现代工厂信息化发展的新阶段。是在数字化工厂的基础上，利用物联网的技术和设备监控技术加强信息管理和服务；清楚掌握产销流程、提高生产过程的可控性、减少生产线上人工的干预、即时正确地采集生产线数据，以及合理的编排生产计划、调整生产进度；再加上绿色智能的手段和智能系统等新兴技术于一体，构建一个高效节能的、绿色环保的、环境舒适的人性化工厂。

设备装备作为“智慧工厂”的核心部件，无疑面临着智能管理的大课题。

智能制造：工业发展主攻方向

在过去的一年里，中德两国作为战略伙伴，互访频繁，合作日趋紧密。2014年10月10日，国务院总理李克强在柏林同德意志联邦共和国总理安格拉・默克尔共同主持第三轮中德政府磋商，发表《中德合作行动纲要：共塑创新》（以下简称《纲要》）。

《纲要》共计110条，涵盖了政治、经济、文化、农业、工业、文明等领域。其中“工业4.0合作”内容有4条，明确提出工业生产的数字化（“工业4.0”）对于未来中德经济发展具有重大意义。双方明确了开展该领域合作的牵头部门，并决定建立中德“工业4.0”对话，欢迎两国企业在该领域开展自愿、平等的互利合作，支持两国企业集团及行业协会之间加强交流。为此，两国政府将提供更为有利的框架条件和政策支持，并在中德标准化合作委员会框架下着眼“工业4.0”开展更具系统性和战略性的合作。

双方还将以中国担任2015年德国汉诺威消费电子、信息及通信博览会（CeBIT）合作伙伴国为契机，进一步深化两国在移动互联网、物联网、云计算、大数据等领域的合作。

所谓工业4.0，最早于2013年4月的汉诺威工业博览会上由德国正式推出。与工业1.0的蒸汽机时代、2.0的电气化时代及3.0是信息化时代不同的是，“工业4.0”流水线可实现小批量、多批次生产，可以为消费者个性定制孤版商品。这是一个利用信息化技术促进产业变革的手段，一个智能化手段。

那么该如何应对新常态下的工业变革，把握信息化技术的发展方向？

其实，我国也很早就注意到了信息化对产业变革的影响。早在2002年，政府就提出要走新型工业化的道路。而所谓的新型工业化道路，其实就是工业化与信息化的相互融合。另外，近十几年间，随着互联网技术的巨大变化，使一切都成为可能，也赋予了两化融合以新的变化，形成了具有我国自身特点的两化融合之路。

“发达国家是先工业化后信息化，而我国则是工业化与信息化同步发展。这些年互联网在我国已经有了非常广泛的应用，但这种应用更多地是在消费领域，而不是在产业。”中国工程院原副院长、院士邬贺铨认为，我国的工业4.0要求互联网新技术向产业渗透。

年前在北京召开的工业4.0高峰论坛上，工业和信息化部电子信息司副司长安筱鹏将工业4.0归纳为“系统的系统”，指出新一轮的产业革命的核心为智能制造，要实现产品智能化、装备智能化、生产智能化、管理智能化和服务智能化。明确指出，未来要把智能制造作为主攻方向，构建智能制造的产业生态系统。

同样，业内很多人士都将智能制造视为未来工业发展的方向。那将是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化智能系统，它在制造过程中可自行分析、推理、判断、构思和决策等。通过人与智能机器的合作，去扩大、延伸和部分地取代人类专家在制造过程中的脑力劳动。它把制造自动化的概念更新，扩展到柔性化、智能化和高度集成化。

毫无疑问，制造智能化需要广泛应用大量成熟的人工智能技术，而人工智能的成熟和完善，绝不是一朝一夕所能实现的，显而易见，要在企业制造的全过程中全部实现智能化，仍有很长的路要走。或许局部环节的智能化制造来得更现实一些。

谈及智能制造，自然是离不开智慧工厂的构建。智能制造无法一蹴而就，于是，打造“智慧工厂”被很多人视为智能制造的先崛之路。甚至有着智能制造与“智慧工厂”是工业4.0双核心的说法。

智能设备装备：“智慧工厂”的“顶梁柱”

对于“智慧工厂”的构建，将“品质改变世界”视为企业座右铭的三一集团更是不遗余力。2014年8月，由湖大海捷、华工制造、华中科大、三一重工共同承担的“工程机械产品加工数字化车间系统的研制与应用示范”项目通过验收。

据三一集团高级副总裁、首席流程信息官贺东东介绍，受益于该项目的成功，三一重工18号厂房成为亚洲最大的智能化制造车间、行业最先进的数字化工厂。“18号厂房经过智慧化改造后，在制品减少8%，物料齐套性提高14%，单台套能耗平均降低8%，人均产值提高24%，现场质量信息匹配率100%，原材料库存降低30%，效率和效能都得到了极大提升。”

放在厂区旁边的电子屏幕里的数字仿真和三维作业指导，可以随时供员工学习和了解整个装配工艺。“三一的三维作业现场指导模式，已经成为了世界著名企业达索公司的全球最佳案例。”

从超级工厂升级到“智慧工厂”，从IT工具的运用到推动企业智慧化运营，三一集团高级副总裁贺东东把这些成果都归结为信息化的力量。实际上，18号厂房只是三一大力推进信息化，促进企业升级转型的一个缩影。

“智慧工厂”由智能制造装备、控制和信息系统构成。智能制造装备由智能部件和其他相关基本部件构成。

CPS（信息物理融合系统）在生产过程的实现构成了“智慧工厂”。CPS是计算和物理过程的整合集成：计算机和网络对物理过程进行监测和控制。

物联网和服务网是“智慧工厂”的信息技术基础。与生产计划、物流、能源和经营相关的ERP、SCR、CRM等和产品设计、技术相关的PLM与服务网紧紧相连；与制造生产设备和生产线控制、调度、排产等相关的PCS、MES功能通过CPS物理信息系统实现。这一层和工业物联网紧紧相连。

此外，从产品制造和产品全寿命周期服务的角度来看，还需要具有智能的原材料供应及智能售后来构成实时互联互通的信息交换。智能的原材料供应和智能售后，需要充分利用服务网和物联网的功能。

事实上，智能化的设备装备是智慧工厂的“顶梁柱”。在现实中，由于工程技术、生产制造和供应链的数字化不是十分成熟，没有得到广泛的推广应用。所以“智慧工厂”现阶段可理解为：基于制造智能化的自动化生产线和成套装置；企业业务运营系统（ERP）和制造执行系统（MES）的管理；建立在完善的CAD、CAPP、CAM基础上的PDM、PLM及延伸到产品售后的技术支持和服务。

“智慧工厂”：设备装备的机遇与挑战

随着企业信息化的不断深入，企业业务的扩张、商业模式的创新使得制造企业更多的业务与网络绑定，网络与业务、用户、终端需深度融合协同运作，才能更好的共同支撑企业的运维与业务部署。传统的制造业网络面临着诸多机遇和挑战。

“智慧工厂”有三大特征：首先是高度信息互联，包括生产设备、机器人、操作人员、物料和成品；其次是制造过程数据具备实时性，生产数据具有平稳的节拍和到达流，数据的存储与处理也具有实时性；最后是可以利用存储的数据从事数据挖掘分析，有自学功能，还可以改善与优化制造工艺过程。因此，企业不仅需要快速、高效的生产、检测过程，而且还需要有一个快速的决策过程，这些都需要有大量的数据作为依托，才能得出正确的结论。

从自动化到智慧化，要走的路还很长，智慧工厂的发展，其实与工业自动化的趋势息息相关，根据经济部工业局统计，自动化设备、自动化产品与自动化规划服务业，2011年三者合计产值已达到8650亿元，显示在科技日新月异和产品制造复杂性的趋势下，如何有效的智慧化管理自动化设备，确实已经成为未来产业发展的重点之一。

无线感测器将是未来实现智慧工厂的重要利器。如果要让制造流程有智慧判断的能力，仪器、仪表、感测器等控制系统的基本构成要素，仍是关注焦点。目前仪器仪表的智慧化，主要是以微处理器和人工智慧技术的发展与应用为主，包括运用神经网路、遗传演算法、进化计算、溷沌控制等智慧技术，使仪器仪表实现高速、高效、多功能、高机动灵活等性能。

控制系统网路化将是未来实现智慧工厂的必由之路。随着工厂制造流程连接的嵌入式设备越来越多，透过云端架构部署控制系统，无疑已是当今最重要的趋势之一。在工业自动化领域，随着应用和服务向云端运算转移，资料和运算位置的主要模式都已经被改变了，由此也给嵌入式设备领域带来颠覆性变革。云端运算将可提供更完整的系统和服务，生产设备将不再是过去单一而独立的个体。但将孤立的嵌入式设备接入工厂制造流程，甚至是云端，其实具有高度的颠覆性，必定会对工厂制造流程产生重大的影响。一旦完成连线，一切的制造规则都可能会改变。包括体系结构、控制方法以及人机协作方法等，都会因为控制系统网路化，而产生变化，如控制与通信的耦合、时间延迟、资讯调度方法、分散式控制方式与故障诊断等，都使得自动控制理论在网路环境下的控制方法和演算法，都需要不断地创新。

工业通信无线化将是未来实现“智慧工厂”的重要前提。随着无线技术日益普及，各家供应商正在提供一系列软硬体技术，协助在产品中增加通信功能。这些技术支援的通信标准包括蓝牙、Wi-Fi、GPS、LTE以及WiMax等。然而，在增加无线连网功能时，晶片及相关软体的选择极具挑战性，包括优化性能、功耗、成本和规模，都必须加以考虑，更重要的是，由于工厂需求不像消费市场一样的标准化，必须因应生产需求，有更多弹性的选择，最热门的技术未必是最好的通信标准和客户需要的技术。此外，无线技术虽然在布建便利性方面，对比有线显然有相当的优势，但无线技术目前的可靠性、准确性与即时性、相容性等还有待加强。因此，工业无线技术的定位，目前仍应是传统有线技术的延伸，多数仪表以及自动化产品虽会嵌入无线传输的功能，但想要完全舍弃有线技术，显然还言之过早。