“十四五”表面处理行业智能制造发展趋势

张定能，潘浩宇，许涛，吴林蔚

（江苏宏联环保科技有限公司，江苏 无锡 214171）

表面处理作为现代工业不可或缺的一部分，是航空航天、海洋装备、电子电路、装备制造、民生保障提供的关键生产环节，是提高产品性能的保证。在《中国制造2025》以及相关政策的指导下，对表面处理行业进行智能制造升级，提升行业技术水平成为一个必然。在此，对表面处理行业智能制造的方向以及如何落地进行相关探讨。

1 表面处理行业面临的问题及智能制造现状

1.1 表面处理行业面临的问题

当前表面处理行业面临着一些共性问题，包括：对安全环保生产的严格监管，对产能提升的需求，对生产质量的管控，对柔性生产的需求以及上下游企业更加深入的信息对接要求，对员工职业健康卫生的提高和用工问题。

社会上对表面处理的认识基本还停留在工作环境脏乱差、能耗大、对职业健康的危害大以及对环境污染严重的固有认识，结合当前的人口形势，未来表面处理企业的劳动力需求压力不小。再加上表面处理企业的很多日常运营以及工艺参数掌握在一小部分员工手中，属于“人智”状态，不利于企业的持续发展运营。另外，安全生产、清洁生产、柔性生产以及上下游企业对生产信息互通的需求，都给表面处理企业的日常生产运营管理提出了更高的要求。所以，对表面处理行业来说，实施智能制造，完成生产和运营模式升级转型，才是未来的发展道路[1-2]。

1.2 表面处理行业智能制造的现状

当前，根据各地政府部门的政策要求，绝大多数表面处理企业已经实现了生产线的自动化改造。除了PCB(印刷线路板)企业外，其他表面处理企业的信息化建设还停留在生产线自动化、视频监控和数据采集的层面。在软件层面，仍以财务软件、Office办公软件以及OA系统为主，针对生产的专业软件极少使用，并且生产任务下达、生产过程、质检、仓储等相关记录基本依靠纸质文档，降低了生产管理的效率，难以实现生产的分析和优化。

2 表面处理行业智能制造的方向

2.1 表面处理行业智能制造包含的内容

智能制造包括制造和智能两个方面。制造是经济基础、立国之本，而智能，就是把与制造相关的知识积累起来，利用信息化技术进行大范围的资源优化调配，令工业知识软件化，解决原有生产过程“聋、哑、傻”的问题，实现生产互联以及生产过程和资源调配的智能化。

普遍认为表面处理的智能制造就是表面处理线的自动化，然而对整个表面处理生产流程来讲，生产线只是一个关键环节而已，要实现表面处理智能制造，就要将表面处理生产流程和管控整体纳入到智能制造的范畴中来，如图1所示。

图1 表面处理智能制造整体范围示意Figure 1 Schematic diagram showing the overall intelligent manufacturing for surface treatment

同时在深度方面，可以解决之前提出的行业亟待解决的问题，将生产过程的整体或者核心环节纳入到智能制造软件体系的调度、配置、指令下达以及参数修正的过程中，人和设备成为整个智能制造体系的执行环节。这样才能真正实现表面处理行业的智能制造[3]。

2.2 系统框架

从整个生产过程的智能化、信息化来考虑，由仪表、系统和自动化协会(ISA)通过和维护的 ISA-95标准已经给出了标准结构框架，如图2[4]所示。

图2 ISA-95标准结构框架Figure 2 Framework of the ISA-95 standard

基于以上框架，针对表面处理行业的智能制造体系架构应如图3所示。在这样的架构中，下面3层是传统自动化控制层，主要实现设备的数据采集和控制，以及现场生产操作人员的监控与参数调整。在智能制造体系中，这一层级属于数据采集层以及控制执行层，其核心是完成数据采集和执行生产管控层下达的生产指令。

图3 表面处理智能制造结构框架Figure 3 Structure of intelligent manufacturing for surface treatment

第四层为生产管控层，其核心功能即常规的MES(制造执行系统)功能。但需要结合表面处理行业的特性，有针对性地进行功能建模，实现诸如槽体模型、生产线模型、质量管控模型、排产模型等的建立。这一层级完成整个表面处理智能制造体系的核心功能。

第五层用于实现表面处理企业的领导管控和日常综合管理，并与上下游生产环节需求共享，与外部环节的资源优化整合。

2.3 针对表面处理的工业软件解决方案

智能制造的“智能”由软件载体实现。大部分表面处理企业属于智能水平不高的企业，首先面临的任务仍然是将生产要素连接起来。但是，仅有连接而没有后续的环节，并不能给企业带来直接的效益。针对表面处理行业的工业软件解决方案才是实现智能制造的核心所在。

生产环节的工业软件除了常规的生产过程监控外，核心就是对生产过程的管控，即图3中的第四层。这一层的模块基于ISA-95标准，但要考虑表面处理行业的实际来进行单独的建模和定制研发。比如质量管控模型，需要基于表面处理过程的电化学或者化学动力学原理完成机理建模，然后根据工艺的设计，选择合适的质量控制模式。利用生产过程数据以及质检反馈，在工艺参数规定范围内给出控制参数的调整建议，从而保证批次生产条件变动下的质量一致性[5]。

表面处理行业工业软件的核心不在于流程业务软件的使用，而在于汇聚了行业知识的模块的建立，使用生产大数据不断地进行优化、迭代，最终由“人智”转向“机智”。

2.4 基于云计算的SaaS(软件即服务)服务

很多表面处理企业还处在基于 Excel进行生产管理的阶段，缺少落实智能制造必要的软硬件基础及技术维护能力。在这种情况下，建设针对表面处理行业的智能制造云，抽取行业共性的解决方案，并且利用公有云提供SaaS服务。这样一来，中小企业对生产设备进行互联改造后，通过接入云平台，就可以使用平台功能实现自身的智能制造转型[6]。对于表面处理园区而言，也可以提供对应的SaaS云服务，将园区运营管理的常规应用模块以SaaS的方式实现，便于园区进行信息化管理。同时，SaaS服务也降低了表面处理企业和园区的初始部署成本，并且方便借鉴其他企业和园区的使用经验。

2.5 信息安全及自主可控

最近几年的中美贸易战和科技战使全社会提高了技术和产品的自主化意识。但是工业互联网的技术架构，从最底层的工业设备连接总线和协议，到云服务器和通信设备，再到操作系统、数据库等基础软件，直到最上层的工业软件，大部分都掌握在外资企业手中。这些属于广义的基础IT技术，全社会都已经意识到了这些基础IT技术对国民经济和国防建设的重要性。我国在过去几年已经加强了对这些领域的发展部署，也写进了“十四五”战略规划中[7]。

针对航空航天、海洋装备、电子电路、装备制造等行业的高端表面处理智能制造需求，整个体系所采用的技术必须自主可控。对于常规表面处理企业的生产运营，若全部基于智能制造软件体系建设，也要考虑信息安全，以免影响企业的正常生产。

3 表面处理企业智能制造的实施路径

3.1 企业准备

表面处理企业的智能化转型需要对智能化所带来的改变有所准备，包括决策模式转型、制造模式转型、运营模式转型、服务模式转型、商业模式转型等。同时，人才是企业推进转型面临的主要问题，企业也需要有所准备。还有，企业要从战略发展上对智能制造体系的建设给予足够的重视。

企业需要根据自身所处的不同阶段来选择不同的智能制造建设路径。可包括新建智能工厂和生产线(如图4所示)，也可对老工厂进行信息化升级，对生产线进行智能化改造。具体的路径需要根据企业的实际情况进行单独分析。

图4 表面处理智能制造工厂Figure 4 Intelligent manufacturing plant for surface treatment

3.2 系统集成商和解决方案

当前很多集成商都在推广自己的智能制造解决方案，但很多公司并不具备完整的产品及专业积累，向客户推销的重点仍然是云、通信设备，大部分软件和硬件依靠第三方合作厂家来提供，在底层工业物联方面只能覆盖客户企业一小部分生产要素，而在上层工业软件方面，无法用通用软件去满足行业客户的需求，更不要提生产优化、数据分析和建模了。

表面处理行业智能制造的解决方案需要在行业内深耕。从目前来看，还没有通用的智能制造方案能够不经改动就跨行业实施。而深耕就需要系统集成商提高服务意识，深入了解表面处理企业的需求、工作方式、难点痛点等，为客户精心定制解决方案。由于表面处理智能制造是新生事物，成功的案例不多，让客户参与到解决方案的设计和实施中也是十分必要的。另外，由于表面处理企业所涉及的表面处理工艺、环节众多，系统集成商必须有针对性地给出整体方案来解决生产痛点，因此对系统集成商的选择也是关键所在。

3.3 制造与企业发展的关联

智能制造是表面处理企业发展的必经之路，两者也是一个互相促进、螺旋上升的过程。智能制造系统实施后会令企业原有的生产、运营模式发生改变，而企业的持续升级又会对原有的智能制造体系提出新的要求，如此互相促进，不断优化，从而帮助企业增强竞争力，提升产品附加值，最终实现整个表面处理行业的智能制造。

4 展望

4.1 未来一段时间的趋势

当前我国的智能制造还处于供给侧和需求侧的博弈阶段，主要的认知差距在于供给侧和需求侧的对话，双方的目标并不完全匹配。未来一段时间，系统集成商会转向提供完整的解决方案，而不是让需求方来自己开发应用程序，因为大部分企业缺少(也不需要)这样的开发技术能力。只有对行业足够深入并积累到一定程度，行业的智能制造才会进入平稳发展的阶段，从一个点展开，推广到行业。表面处理行业的智能制造也是这样的一个过程。通过对行业头部客户需求的深入了解和对解决方案的逐步完善，形成行业通用的解决方案，然后结合云计算以及边缘计算技术，在普通表面处理企业进行大面积的推广，最终实现整个行业的智能制造升级。

4.2 行业示范及积累

工业软件系统的应用都是从部分头部企业开始做起，然后在行业内推广。回顾欧美等国的工业软件发展过程会发现都是从航空、航天、汽车、能源行业的大量应用中成熟起来，然后向其他装备制造和过程工业领域进行快速推广。表面处理行业也会是这样的一个过程，先建设表面处理示范项目，待有足够积累和优化后，向常规表面处理生产企业进行推广应用。所以建设好行业示范项目，利用示范项目实现针对表面处理智能制造体系的数据积累和不断优化，是在行业内进行智能制造推广的最佳路线。

4.3 表面处理智能制造云的推广

针对绝大多数表面处理企业、园区，在其内部实现设备互联，完成底层的数据采集和控制接口对接的同时，利用边缘计算设备与云端SaaS服务对接，实现企业智能制造软件系统与生产过程的互联，利用行业成熟的经验实现智能制造的转型，从智能制造项目变成智能制造的体系化服务，更好地融入智能制造体系，就可以实现行业的整体升级。