智能工廠在智能制造企業(yè)中的實(shí)踐應(yīng)用

文/王永紅

在“新基建、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)”等新興技術(shù)熱潮的推動(dòng)下，各行業(yè)制造企業(yè)都在積極探索智能制造的應(yīng)用以及智能工廠的建設(shè)。智能工廠是以設(shè)計(jì)、制造、管理為中心的數(shù)字化制造，利用定制開(kāi)發(fā)軟件[1]，能夠完整表達(dá)圍繞產(chǎn)品設(shè)計(jì)、技術(shù)支持、生產(chǎn)制造以及原材料供應(yīng)、銷售和市場(chǎng)相關(guān)的所有環(huán)節(jié)的活動(dòng)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)指令下達(dá)來(lái)指導(dǎo)這些活動(dòng)，全面優(yōu)化在三個(gè)維度之間互動(dòng)。

在智能工廠中，借助于各種生產(chǎn)管理工具、軟件、系統(tǒng)和智能設(shè)備，打通企業(yè)從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、銷售、維護(hù)的各個(gè)環(huán)節(jié)[1]，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品仿真設(shè)計(jì)、生產(chǎn)自動(dòng)排程、信息上傳下達(dá)、生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控、質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)、物料自動(dòng)配送等智能化生產(chǎn)。

一、智能工廠的概述

智能工廠是在數(shù)字化工廠的基礎(chǔ)上，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和監(jiān)控技術(shù)加強(qiáng)信息管理服務(wù)，通過(guò)合理計(jì)劃排程，提高生產(chǎn)過(guò)程可控性、減少生產(chǎn)環(huán)節(jié)的人工干預(yù)，構(gòu)建高效、節(jié)能、綠色、環(huán)保、舒適的人性化工廠。

具體來(lái)說(shuō)，智能工廠的特征主要有以下幾點(diǎn)：

圖1 智能工廠系統(tǒng)架構(gòu)

1.信息化

自動(dòng)化、數(shù)字化、可視化、集成化、精細(xì)化以及模塊化[1]。

2.智能化

通過(guò)先進(jìn)設(shè)備以及傳感器的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自我感知、學(xué)習(xí)和維護(hù)功能，加快信息數(shù)據(jù)的分析和處理[2]，保證生產(chǎn)的有序進(jìn)行。

3.預(yù)測(cè)性

利用智能系統(tǒng)中的自我預(yù)測(cè)和感知能力，能夠及時(shí)了解運(yùn)行中存在的故障問(wèn)題[3]，并在第一時(shí)間內(nèi)進(jìn)行故障報(bào)警，降低故障威脅。

4.協(xié)同性

通過(guò)云平臺(tái)的建立和應(yīng)用實(shí)現(xiàn)企業(yè)之間的相互連接，做到信息數(shù)據(jù)的共享和快速傳遞[3]。

二、智能工廠的關(guān)鍵技術(shù)

1.人工智能

人工智能是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)分支，它企圖了解智能的實(shí)質(zhì)，并生產(chǎn)出一種新的能以人類智能相似的方式做出反應(yīng)[4]，該領(lǐng)域的研究包括機(jī)器人、語(yǔ)言識(shí)別、圖像識(shí)別、自然語(yǔ)言處理和專家系統(tǒng)等。

人工智能是對(duì)人的意識(shí)、思維的信息過(guò)程的模擬，不是人的智能，但能像人那樣思考、也可能超過(guò)人的智能。

2.智能化控制技術(shù)

智能化控制技術(shù)包括：自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器檢測(cè)技術(shù)、程控技術(shù)、遙控技術(shù)等，核心就是控制。例如通過(guò)對(duì)機(jī)器人的控制技術(shù)，由機(jī)器人執(zhí)行取代或是協(xié)助人類的工作，例如制造業(yè)、建筑業(yè)或是危險(xiǎn)的工作。機(jī)器人是高級(jí)整合控制論、機(jī)械電子、計(jì)算機(jī)、材料和仿生學(xué)的產(chǎn)物[5]。

3.大數(shù)據(jù)和云計(jì)算

大數(shù)據(jù)指無(wú)法在一定時(shí)間范圍內(nèi)用常規(guī)軟件工具進(jìn)行捕捉、管理和處理的數(shù)據(jù)集合，是需要新處理模式才能具有更強(qiáng)的決策力[6]、洞察發(fā)現(xiàn)力和流程優(yōu)化能力的海量、高增長(zhǎng)率和多樣化的信息資產(chǎn)。

云計(jì)算是基于互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)服務(wù)的增加、使用和交付模式，通常涉及通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)來(lái)提供動(dòng)態(tài)易擴(kuò)展且經(jīng)常是虛擬化的資源。

云計(jì)算將計(jì)算資源作為服務(wù)支撐大數(shù)據(jù)的挖掘，而大數(shù)據(jù)的發(fā)展趨勢(shì)是對(duì)實(shí)時(shí)交互的海量數(shù)據(jù)查詢、分析提供了各自需要的價(jià)值信息[7]；大數(shù)據(jù)挖掘處理需要云計(jì)算作為平臺(tái)，而大數(shù)據(jù)涵蓋的價(jià)值和規(guī)律則能夠使云計(jì)算更好的與行業(yè)應(yīng)用結(jié)合并發(fā)揮更大的作用；大數(shù)據(jù)的信息隱私保護(hù)是云計(jì)算大數(shù)據(jù)快速發(fā)展和運(yùn)用的重要前提，而云計(jì)算與大數(shù)據(jù)相結(jié)合將可能成為人類認(rèn)識(shí)事物的新的工具，兩者相輔相成。

三、智能工廠在智能制造企業(yè)的實(shí)踐應(yīng)用

下面以東杰智能科技集團(tuán)股份有限公司 “中北工業(yè)園智能工廠項(xiàng)目”為例進(jìn)行闡述。

圖2 機(jī)器人工作站

圖3 數(shù)控加工設(shè)備

圖4 設(shè)計(jì)圖到加工中心的工作流程

該項(xiàng)目在ERP的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步搭建了SCM、WMS、MES、QMS等信息管理系統(tǒng)。從管理更新、利益分配、安全責(zé)任、技術(shù)支撐、理論研究等角度進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，消除信息孤島現(xiàn)象；同時(shí)通過(guò)建設(shè)的企業(yè)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，對(duì)轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)挖掘，對(duì)業(yè)務(wù)做出更深入、更優(yōu)化的決策。

1.制造加工硬件采用智能化、數(shù)控類先進(jìn)設(shè)備

本項(xiàng)目加工設(shè)備配置為機(jī)器人自動(dòng)焊接生產(chǎn)線、智能化鋼構(gòu)聯(lián)合生產(chǎn)線、邊梁自動(dòng)切割焊接碼垛工作站、數(shù)控液壓沖孔機(jī)、自動(dòng)碼垛機(jī)器人、自動(dòng)粉末涂裝線、數(shù)控激光切割機(jī)、數(shù)控板料剪板折彎?rùn)C(jī)、數(shù)控鉆銑床、數(shù)控沖床、數(shù)控冷彎成型線等自動(dòng)化先進(jìn)設(shè)備；通過(guò)“智慧平臺(tái)”統(tǒng)一調(diào)度管理，各設(shè)備之間既相對(duì)獨(dú)立，又信息互通，形成系統(tǒng)間的有機(jī)配合，協(xié)同工作。

2.智慧物流管控平臺(tái)

項(xiàng)目采用SCM(供應(yīng)鏈管理)、WMS(倉(cāng)儲(chǔ)管理)平臺(tái)，利用AGV和智能化立體倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行物品的智能搬運(yùn)和儲(chǔ)存，完成了對(duì)供應(yīng)商發(fā)貨、廠內(nèi)周轉(zhuǎn)、物品儲(chǔ)存及客戶發(fā)貨等環(huán)節(jié)的管理。

其中SCM利用大數(shù)據(jù)處理技術(shù)實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，完成對(duì)供應(yīng)商、廠區(qū)和客戶等多環(huán)節(jié)的物流過(guò)程管控；利用AGV小車實(shí)現(xiàn)無(wú)人化物料領(lǐng)用、半成品自動(dòng)周轉(zhuǎn)、成品自動(dòng)入庫(kù)等流程；利用WMS通過(guò)智能倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)貨管理、出貨管理、庫(kù)內(nèi)管理、系統(tǒng)管理等功能的管控；通過(guò)條碼、PDA等設(shè)備的使用，提高數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)的準(zhǔn)確性、及時(shí)性；通過(guò)儲(chǔ)位的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)導(dǎo)入，搭建倉(cāng)庫(kù)貨位的一一對(duì)應(yīng)，做到實(shí)物流與數(shù)據(jù)流保持一致，實(shí)現(xiàn)倉(cāng)庫(kù)的精益化管理[8]。

圖5 物品搬運(yùn)AGV

圖6 智能化倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)

圖7 生產(chǎn)執(zhí)行跟蹤系統(tǒng)

3.生產(chǎn)管理系統(tǒng)的應(yīng)用

項(xiàng)目采用MES系統(tǒng)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了制造過(guò)程中人、機(jī)、料等相關(guān)生產(chǎn)資源的管理。通過(guò)對(duì)BOM單的自動(dòng)生成、原材料及輔料的領(lǐng)用、半成品與線邊倉(cāng)的管理、成品的投入產(chǎn)出情況等指標(biāo)的監(jiān)控與分析，確保制造資源及時(shí)到位、高效流轉(zhuǎn)、降損再造等。項(xiàng)目通過(guò)在零部件上配置條形碼、在生產(chǎn)線關(guān)鍵部位安裝條碼標(biāo)簽和產(chǎn)品內(nèi)設(shè)置標(biāo)識(shí)碼等多種識(shí)別技術(shù)的綜合運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)品的實(shí)時(shí)跟蹤，多種規(guī)格產(chǎn)品的同時(shí)在線生產(chǎn)，不僅滿足大批量產(chǎn)品生產(chǎn)需要，又能隨時(shí)插入小批量定單，也為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量全生命周期追溯提供了技術(shù)保障。

項(xiàng)目MES系統(tǒng)可通過(guò)對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃執(zhí)行過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控以及對(duì)執(zhí)行結(jié)果的管理決策，讓各層級(jí)管理人員隨時(shí)了解生產(chǎn)動(dòng)態(tài)，包括出勤情況、計(jì)劃生產(chǎn)進(jìn)度、計(jì)劃完成率及效率等，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)異常在線分析和閉環(huán)跟進(jìn)，優(yōu)化數(shù)據(jù)提取及分析模式，減負(fù)賦能，提前管理。

4.QMS質(zhì)量管理體系

本項(xiàng)目建設(shè)的QMS（質(zhì)量管理體系）采用條碼自動(dòng)識(shí)別技術(shù)、序列號(hào)管理方法，有效收集產(chǎn)品或物料在生產(chǎn)和物流作業(yè)環(huán)節(jié)的相關(guān)信息數(shù)據(jù)，跟蹤其生命周期中流轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的全過(guò)程，使企業(yè)實(shí)現(xiàn)對(duì)采、銷、生產(chǎn)中物資的追蹤監(jiān)控、產(chǎn)品質(zhì)量追溯、銷售竄貨追蹤等目標(biāo)，建立更完整，更精確的產(chǎn)品質(zhì)量追溯系統(tǒng)。同時(shí)在生產(chǎn)線各個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)立多個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)全面采集，并上傳到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)中心；通過(guò)對(duì)實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，及時(shí)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題發(fā)出預(yù)警，預(yù)防嚴(yán)重質(zhì)量問(wèn)題的發(fā)生。

四、展望

東杰智能“中北工業(yè)園智能工廠”項(xiàng)目的建設(shè)和實(shí)施，有效提升了公司在制造環(huán)節(jié)的智能化、信息化管理水平，為公司增產(chǎn)提效發(fā)揮了重要的作用。隨著新技術(shù)、新理念的誕生，智能工廠的應(yīng)用實(shí)踐遠(yuǎn)不止于此，智能工廠也將在新時(shí)代有新的表現(xiàn)形式。智能制造必須以全局的視角來(lái)認(rèn)識(shí)，它不僅是技術(shù)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，更是企業(yè)戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型需求下的核心之一。