工业4.0时代智能制造新模式的思考与探索

（广西中烟工业有限责任公司，广西 南宁 530001）

【摘 要】文章以卷烟生产为例，探讨工业4.0时代智能制造新模式。文章提出通过大数据平台建立核心业务的端到端模型，积极打造产品面向客户定制的智能生产模式，从供应、生产、能源、物流、服务等全方位地实现生产制造全过程的数字化、网络化和智能化。构建的基于大数据分析的智能生产模式，是对传统工业企业如何从制造向“智造”转型升级的思考，可以延伸至工业生产各领域，引导的是一种思维上的创新与探讨。

【关键词】工业4.0；智能制造；大数据；制造模式

【中图分类号】F424 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2016）07-0028-03

0 引言

当前，全球新一轮科技革命和产业变革风起云涌，增材制造、工业互联网、工业大数据、工业4.0等新的生产理念不断涌现。以互联网为核心的新一代信息技术融合创新，已经成为驱动信息技术与实体产业融合发展的新引擎。在这样的时代潮流下，传统工业企业应该抓住“中国制造2025”发展战略机遇，积极运用工业4.0思维探索和创新制造模式。

1 构建大数据分析的智能制造模式

工业4.0时代的生产模式是满足新一代产品设计、工艺、制造、检验、物流等全生命周期的智能化要求，以智能装备为依托，将信息互联提升到物联网层面，减少人力干涉，实现产品与机器、产品与人的对话，打造出能自主调配“人、机、料、能、信”等资源并输出成品的智能制造模式。

智能生产模式不仅是基础自动化和传感器带来的大量数据，更重要的是，建立起大数据分析的智能生产模块，就数据维度而言，应该进入大数据平台系统，由量化分析上升到分析模型的高度。通过大数据平台，将这些数据与给定的目标建立联系，建立起基于大数据的分析模型，而这个分析模型通过实证和不断完善，最终使目标得以实现。而大数据建模与分析的出发和归宿都是业务，核心业务的端到端就是大数据建模与分析的根本前提条件。从产品设计到供应、生产、物流、销售、回溯整个过程的信息数据进行快速收集、整合，建立核心业务的端到端模型（如图1所示）。

2 打造核心业务模块

2.1 面向客户的专属定制服务网络

工业4.0通过将制造过程中的设计、规划、工程、生产及服务等信息数字化、网络化和智能化，开启一个人与物、物与物相连的大世界。这其中，大规模低成本的定制化生产将成为可能。本文以卷烟生产为例，将传统生产线与信息化技术相结合，实现生产线上多种牌号卷烟的切换生产，创造出流水线上不同产品配方、生产工艺、生产原料、烟支型号、包装等之间的灵活转换，以满足产品动态式的、柔性调整的要求，打造一条开放的、创新的、动态的面向客户专属定制的智慧生产线。

产品面向客户需求，不同牌号卷烟的全部信息储存在大数据中，项目建立从设计到生产资料、生产设备、产品信息之间信息交互和自治，相关资源在虚拟网络中进行规划。将产品按照不同的加工特性进行分组并确定工艺过程，选择相应的加工设备和工艺参数及物料储运系统等，并由计算机进行控制，因此能够自动调整并实现要求范围内多种物料的成批高效生产（即具有柔性），并能及时地改变产品结构，以满足客户定制需求。

2.2 智慧供应网络

智慧供应网络，即能够针对多样化的客户定制需求和产品需求，及时满足生产的供应网络；能够对生产过程中的产品需求自动响应、自动预测分析、自动优化、自动控制风险的高度智慧化网络。纵向上，它覆盖从操作、运营到战略的各个层次；横向上，它与客户网络、生产网络、物流网络、服务网络紧密地联系在一起；确保对从需求开始的产品全生命周期的支持。

建立企业资源计划管理系统（ERP），面向产品生命周期进行物质资源、资金资源和信息资源集成一体化管理，在客户需求数据、生产数据、服务数据、产品数据等大数据基础上进行挖掘和分析，建立供应链模型，对资源供应需求做出精确的预测。ERP系统集供应链管理、销售与市场、分销、客户服务、财务管理、制造管理、库存管理、工厂与设备维护、人力资源、报表、制造执行系统（MES）、工作流服务和企业信息系统等为一体。此外，还包括采购管理、金融投资管理、质量管理、运输管理、项目管理、法规与标准和过程控制等补充功能。

2.3 智慧生产网络

智能生产网络的核心基础是CPS（信息物理系统），通过把人、物料、机器、产品通过横纵多维度连接和融合，形成全新的高度智慧化的生产网络，也使得人—机和人—环境之间的互动达到全新的水平。

2.3.1 智能计划排产

制造执行系统（MES），包含制造数据全面管理、生产计划管理、能力平衡分析、任务派工管理、库存管理、内嵌式高级智能排产引擎（Plug-in APS）、全面质量管理体系、生产系统可视化管理等，实现多种产品/规格混合生产的排产和生产管理。支持多种自动排产算法，具有按交货期、精益生产、生产周期、最优库存、订单优先等多种排产方式，可准确到每一道工序、每一台设备、每一分钟，可最大限度地满足各类复杂的排产要求，并可根据实际情况进行动态调整，确保生产计划准确科学，从生产源头上做到智能化。

2.3.2 智能生产协同

ERP系统和MES系统可以为企业提供包括制造数据管理、计划排程管理、生产调度管理、库存管理、质量管理、人力资源管理、工作中心/设备管理、工具工装管理、采购管理、成本管理、项目看板管理、生产过程控制、底层数据集成分析、上层数据集成分解等管理模块，为企业打造一个扎实、可靠、全面、可行的制造协同管理平台。

2.3.3 智能的设备互联互通

采用强大的数据采集引擎、整合数据采集渠道（RFID、条码设备、PLC、Sensor、IPC、PC等）覆盖整个工厂制造现场，保证海量现场数据的实时、准确、全面的采集。通过采集生產过程实时信息，准确地采集现场设备的各种生产、质量、消耗数据，统一协调控制与调度，实现生产设备智能化的互联互通。这是智能工厂的核心，也是CPS概念的最佳体现。将不同接口（如RS232、RJ45等）、不同控制系统（如“西门子”“欧姆龙”等）、不同通信协议的数控设备连接成一个网络，由一台计算机实现对所有数据的网络分布式集中管理，包括程序集中管理、程序网络传输、程序虚拟制造检查等，并实现设备状态的实时采集与监控，实现网络分布式的生产管理模式。通过生产设备智能化的互联互通，能够自动联络各种生产资源，自主组织生产、自主切换生产模式和更换生产资料，从而调整为最优的生产作业。网络中所有单元产生的数据及生产过程的数据都被采集起来，构成工业大数据的数据元，并通过挖掘分析，为生产网络和产品的优化提供支持。

2.3.4 智能化的生产资源管理

智慧供应网络实现了ERP资源管理系统和MES生产执行系统互联，通过传感技术、检测技术、网络技术实现整个供应网络的可视化，通过计算机智能控制，根据不同牌号的卷烟，投放生产所需的物料，各种物料通过建立专属二维码，均有各自的“身份信息”，系统基于RFID技术识别出物料的“身份信息”，通过“身份信息”知道什么时候、哪条生产线或工艺过程需要它们，系统还会记录所使用的资源数量并对库存及时更新，当库存达到阈值下限，会发出预警信号，提示采购。

2.3.5 智能化的决策支持

建立生产过程数据库，深度采集制造进度、现场操作、设备状态等生产现场信息，并将信息上传大数据平台，为企业各级管理提供数据服务，通过大数据分析等技术，实现对车间生产全过程的透明化管理，比如计划执行情况、生产执行情况、库存情况、质量情况、设备情况等，形成具有智能决策支持的各种报表、图形，为生产管理进一步科学管理提供理论基础。

2.4 智慧能源网络

智能能源管控系统，对企业产能、用能进行统一管理，通过整合能源生产、输配和消耗数据，建立能源生产运行的监测、管理和调度信息，实现“一网到底”。构建智能化能源运行监测、管理技术平台，使能源输出端和使用终端基于互联网进行双向通信和智能调控；完善能源计量核算体系，对企业用能情况进行全面计量；建立需求侧能源管理体系（DSM），与MES进行开放通信，接收下发生产任务和工藝参数功能，建立双向数据传输途径，接收生产执行及综合管理系统下发的总体生产计划、车间作业计划、作业工单，对能源动力供需进行平衡，对能源动力及环境设备投入进行调度，对各子系统运行状态及其控制做出安排，合理调度企业用能；对能源动力环境各子系统及总体运行情况进行信息汇总，提供交接班管理、运行记录管理、报警及故障记录等信息。

经过加工、整理、运算、分析、储存、传递过程，使大量杂乱、无序的数据变成对生产有用的信息，结合能源动力设备运行状况，为厂级信息管理系统的能源动力生产调度与管理提供分析支持，提高能源利用效率，降低能源消耗，推动节能减排，为实现企业生产统一管理、企业生产成本核算、能源考核提供数据依据。

2.5 智慧物流网络

智慧物流网络集仓储、运输、配送、生产输送、信息服务等多功能于一体，提供从生产端到客户端的集成。

2.5.1 智能生产物流

生产物流的设计涵盖整个生产制造全过程。卷烟生产物流从片烟配方入库、辅料平衡入库开始，途经制叶、制丝、送丝、滤棒成型发送、辅料输送、卷接包、条盒输送、装封箱、成品输送、成品码垛，一直到成品入库的全过程。通过应用现代信息技术对物流过程中产生的全部或部分信息进行采集、分类、传递、汇总、识别、跟踪、查询等，实现了对货物生产流动过程的全程监控。

2.5.2 智能仓储物流

搭建“互联网+仓储管理”平台，简化库房仓储管理中各个业务流程环节的数据采集、识别与信息交互过程，实现对仓库的控制自动化、管理信息化和业务标准化，稳步推进“智能化仓储”进程，加快科技物流建设，逐步建立工厂无线网络架构和物联网数据平台，实现仓储物流信息的自动采集，为上层资源配置优化提供基础数据。

2.5.3 智能运输物流

运输物流包含原料、辅料及成品等运输物流。智能运输物流，将货物的信息、运输车辆的信息、站点的信息、运输线路的信息、仓储信息等各种元素通过网络连接起来，并借助其他信息技术的支持，使得物流过程逐步实现自动化、可视化、可控化、自治化、自主优化等智能化特征。运输人员可通过手机扫描运输物料或成品的二维码，获取其信息，包含取货地址及送货地址、取货时间要求及到货时间要求、运输路线、站点联系方式甚至天气信息等相关数据。通过这些数据的采集和大数据分析，能够帮助运输人员优化物流线路，降低物流成本。

智慧物流网络还建立了相关的监测系统、风险评估系统、应急响应系统和危机决策系统，在出现突发状况时，尽可能维持物流网络的运行，并把成本和损失降到最低。系统通过对物流系统持续化降低物流成本，实现端到端的物流支持；通过对物流风险的监测和提前预警，降低物流损失；通过综合信息技术的利用，实现物流管理可视化，让物流过程精准透明。

3 结论

本文所构建的基于大数据分析的智能生产模式，是在工业4.0时代浪潮下，对传统工业企业如何从制造向“智造”转型升级的思考。虽以卷烟生产为例，但提出的思维模式和理念却可以延伸至工业生产各领域，引导的是一种思维上的创新与探讨。对传统工业企业来说，工业4.0必然是一场艰难的跋涉，工业4.0的实现绝非简单地引入更多智能设备，而是将着眼于更高层次的人机交互领域。通过CPS网络实现人、设备与产品的互联，积极打造产品面向客户定制的智能生产模式，从供应、生产、能源、物流、服务等全方位，实现生产制造全过程的数字化、网络化和智能化。而与之相伴随的，必然是管理理念与模式的革新。在这当中，“人”的因素尤为突出，技术工程师和管理人员的思维模式在这场变革中急需升级再造。但这同时也伴随着企业转型与发展的机遇。

参 考 文 献

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[责任编辑：邓进利]

【作者简介】陆文佳，女，广西柳州人，硕士，广西中烟工业有限责任公司柳州卷烟厂技术改造办公室项目总控，工程师，研究方向：工程项目管理。