陈洪军:面向未来的智能工厂及行业典型

当前在我国，工业4.0战略的体现是“中国制造2025”，其主线为“信息化”和“工业化”的两化融合——以信息化带动工业化、以工业化促进信息化，走新型工业化道路。为帮助广大制造业用户进行企业数字化规划和建设，电气时代杂志社计划分别从高端智能制造装备、工业通信和5G、数据采集和分析，以及机器安全等几个方面的话题入手，今天分享高级工程师陈洪军带来的演讲“面向未来的智能工厂及行业典型”。

1.工业4.0定义

工业4.0（第四次工业革命）是基于工业发展的不同阶段作出的划分，按照共识，工业1.0是蒸汽机时代，其核心是机械化、模块化；工业2.0是电气化时代，核心内容是流水线自动化；工业3.0是信息化时代，核心内容是电子信息控制；工业4.0则是利用信息化技术促进产业变革的时代，也就是智能化时代。

工业4.0是德国在2013年汉诺威工业博览会上提出的，很快在业内引发了轰动的效应。其核心目的是为了提高德国的工业竞争力，旨在提升德国制造业的智能化水平，建立具有适应性、资源效率及基因工程学的智能工厂。工业4.0的技术基础是网络实体系统及物联网，作为德国国家战略，其核心内容是数字化、网络化和智能化。

2.工业4.0是远景规划

工业4.0是德国基于当前工增进自动化3.0的基础上，实现数字化、网络化、智能化、社会化的生产模式，是先进的理想化的智能制造模式，是在物联网与服务互联网的基础上，以智能生产为主线，分别实现智能物料、智能工厂、智能产品，工业4.0涵盖的范围非常广，是一种远景规划模式。

3.工业4.0是基于工业发展的不同阶段作出的划分

工业1.0是蒸汽机促进了机械化生产，大量的农民和手工业者成为了产业工人，机械化革命成就了英国的工业传奇，也促使人类从农耕文明走向了工业文明。工业2.0是电气化时代，标志事件是1870年美国新兴大型屠宰场的智能化生产线的产生，以及以福特汽车为代表的汽车工业的崛起，工业进入了大批量的生产阶段。工业3.0就是信息化革命，是从20世纪70年代开始的，核心技术是PLC以及后来的互联网，技术进步呈加速状态，新兴技术转化为产品的周期越来越短。

第四次工业革命就是现在的工业4.0，通过信息物理系统，将智能机器存储系统和生产设施融入整个生产系统中，人、机、料能够相互独立的自动交换信息，触发动作和自主控制，实现一种智能的、高效的、个性化的生产方式，推动制造业向智能化转型。

4.工业4.0的五大特征

德国的工业4.0是指“互联网+制造”，美国叫“工业互联网”，我国叫“中国制造2025”，这三者的核心都是智能制造，但是有着很大的不同之处。德国工业4.0引领制造业潮流，以强大的机械工业制造为基础，实现嵌入式以及控制设备的先进技术和能力。美国的工业互联网是以占据新工业世界翘楚地位，对传统工业进行物联网式的互联互通，实现对大数据进行智能分析和智能管理。我国的“中国制造2025”是制造大国向制造强国转变，以加快新一代信息技术与制造技术深度融合为主线，实现弯道超车。

工业4.0有五大特征，即互联、数据、集成、创新和转型。互联是设备生产线、供应商、产品和客户部联系在一起，数据是指工业4.0连接企业各类数据，集成是通过信息物理系统形成智能网络，创新是指实施过程是制造业创新发展的过程。转型是指从工业2.0、3.0到4.0，生产形态从大规模生产转向个性化定制，生产过程柔性化、个性化、定制化。

5.工业4.0的四大主题

工业4.0是由集中式控制向分散式增强型控制的基本模式转变，目标是建立一个高度灵活的、个性化和数字化的产品与服务的生产模式。它包含四大主题，即智能工厂、智能生产、智能物流和智能服务。

6.工业4.0的九大技术支柱

工业4.0有九大技术支柱，分别是工业物联网、云计算、工业大数据、工业机器人、3D打印，知识工作自动化、工业网络安全，虚拟现实和人工智能。

7.工业4.0的战略要点

工业4.0的战略要点可以概括为建设一个网络，研究四大主题，实现三项集成，实施八项计划。

一个网络即信息物理系统网络，也叫CPS网络。信息物理系统就是将物理设备连接到互联网上，让物理设备具有计算、通信、精确控制、远程协调等五大功能，从而实现网络世界与现实物理世界的融合，这是实现工业4.0的一个基础。四大主题包括智能生产、智能工厂、智能物流、智能服务。智能工厂是未来智能基础设施的关键组成部分，重点研究智能化生产系统及过程以及网络化分布生产设施的实现。智能生产的侧重点在于将人机互动、智能物流管理、神力打印等先进技术应用于整个工业生产过程，从而形成高度灵活、个性化、网络化的产业链。生产流程自动化是实现工业4.0的一个关键。

三项集成即横向集成、纵向集成和端对端集成，横向集成是指企业之间通过价值链以及信息网络所实现的一种资源整合，是为了实现各企业间的无缝合作，提供实时产品与服务。纵向集成是基于未来智能工厂中网络化的制造体系，实现个性化生产定制，替代传统的固定式生产流程，如生产流水线等。端对端集成是在贯穿整个价值链中所有终端数字化的前提下，实现基于价值链与不同公司之间的一种整合。

八项计划是工业4.0得以实现的基本保障，其中，标准化和参考构架是建立共同标准，实现不同工程之间网络连接和集成；管理复杂系统是开发具备适当的计划和解释性的管理体系与模型；工业宽带基础设施、通信网络是工业4.0的一个关键要求；安全和保障主要包括人身安全以及信息安全；工作的组织和设计是指随着工作内容、流程和环境的变化，对管理流程工作提出了新的要求；培训和持续性职业发展是要建立终身学习和职业发展计划，帮助职工适应工作和技能的新要求；监管构架创新带来的诸多新问题，需要建立包括标准、审计等，在适当的时候加以监督；资源利用效率则需要考虑和权衡在原材料和能源上的大量消耗，给环境和安全供给带来的诸多风险。

8.关于智能制造

智能制造作为广义概念，它包括5个方面的内容，分别为产品智能化、装备智能化、生产方式智能化、管理智能化和服务智能化。产品智能化是把传感器处理器、存储器通信系统融入产品，使得产品具备动态存储、感知和通信能力，实现产品可追溯、可识别和定位。装备智能化是指先进制造技术、信息技术以及人工智能制造技术在制造装备上的集成和深度融合，可以实现在线管理监督、检测补偿等功能。生产智能化是指个性化定制、小批量生产、服务型制造以及云制造等新业态、新模式，重构生产体系中的信息流、产品流、资金流的运行模式，重建新的产业价值链、生态系统和竞争格局。管理智能化是管理运营走向精细化、智能化，体现在管理与移动应用、云计算和电子商务的结合。服务智能化是基于传感器和物联网感知产品的状态，进行预防性维护、维修，及时帮助客户更换备件产品，了解产品运行的状态，给客户带来商业机会。

工业4.0这条路刚刚开始，但给了我们大概的一个方向，未来企业将是数据的企业、创新的企业、集成的企业、不断快速变化的企业。

1.智能工厂的定义

智能工厂也叫智慧工厂，是传统制造企业发展的一个新的阶段，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，清楚地掌握产销流程，提高生产过程的可控率，减少生产线上的人工干预，及时采集生产线数据，配置生产计划与生产进度，并加上绿色制造的手段，构建一个高效节能、绿色环保、环境舒适的人性化工厂。智能工厂的本质是人机有效交互。

2.智能工厂主要特征

智能工厂有六大特征。一是设备互联，实现设备与设备互联，以及设备控制系统集成，实时采集设备的状态信息、生产完工的信息及质量信息，实现生产过程的可追溯。二是软件控制，广泛应用各种工业软件，实现生产现场的可视化和透明化，实现实时自动管理、流程控制、能源监控、质量管理等。三是柔性化自动化，结合企业的产品和生产特点，持续提升生产设备、检测手段和工厂物流的智能化程度，合理使用助力设备，减轻工人劳动强度。四是精益生产，通过大数据的分析整合，使产业链可视化，达到生产最优化、流程最简化、效率最大化、成本最低化和质量最优化的精益生产理念。五是实时监控，建立生产指挥系统，实时监控工厂的生产质量、能耗和设备状态信息，管理生产现场的状态，实现从排产到完工信息的闭环反馈。六是绿色制造，及时采集设备和生产线的能源损耗，实现能源高效利用。

3.对智能工厂建设的认知

对智能工厂建设的认知主要有几个以下几个方面：一是采用三维数字化设计和仿真技术，实现产品研发设计的效率和质量。二是采用工业机器人、高端数控机床、PLC等智能制造设备，提高制造装备的自动化和智能化水平。三是把传感器、处理器、通信模块融入产品中，实现产品的可追溯、可识别和可定位。四是构建基于互联网的C2B模式，实现产品个性化自主设计，满足消费者个性化定制需求等。

这些对智能工厂的认知主要集中在产品、装备、生产、管理服务等多个方面，以及研发设计、生产制造、售后服务等环节的智能制造改造，全面性和系统性较为不足。而基于对智能工厂的不同认知，各个行业之间水平分化差距也比较大。

4.智能工厂的五层级构架

按照德国的Scheer教授提出的智能工厂构架理论，智能工厂可以分为基础设施层、智能装备层、智能产线层、智能车间层和工厂管控层五个层级。一是基础设施层，它是企业建立工厂网络，实现生产指令的自动下达和设备与产线信息的自动采集，形成集成化的车间联网环境，解决不同通信协议的设备之间的联网问题，利用系统对车间环境人员行为进行监控、识别以及报警。此外，工厂在温度、湿度、清晰度的控制和工业安全等方面达到智能化的水平。二是智能装备层，智能装备是智能工厂运作的重要手段和工具。智能装备主要包含智能生产设备、智能检测设备和智能物流设备。智能化的加工中心具有误差补偿、温度补偿等功能，能够实现边检测边加工。三是智能产线层，在生产和装配的过程中，能够通过传感器售后系统或射频识别，自动进行生产质量、能耗设备等数据的采集，并通过电子看板显示实时的生产状态，通过max系统实现供需之间的协作，生产线能够实现柔性自动化，能够支持多种相似产品的混线生产和装配，灵活调整工艺，适应小批量多品种的生产模式。针对人工操作的工位，然后可以智能的提示。四是智能车间层，在设备互联网的基础上，利用制造执行系统等软件进行高效的生产排产和合理的人员安排，实现对生产过程进行有效管控，实现生产过程的追溯，减少成品库存，还可以利用数字映射技术，将max系统采集到的数据在虚拟三维车间模型中实时展现，还可以显示设备的实际状态，实现虚实结合，企业需要充分利用智能物流装备，实现生产过程中所需物料的及时配送。五是工厂管控层，通过生产指挥系统实时监控工厂的运营，实现多个车间之间的协作与资源的调度。制造企业以广泛应用分布式控制系统或PLC控制系统来进行生产管控，实时显示工厂的运营数据和图表，显示设备的运行状态，并可以通过图像识别技术，对视频监控中发现的问题自动报警。

5.智能工厂建设的六维理论

如何打造中国特色的智能工厂，从哪几个方面入手？智能能做到什么程度？针对这些企业关心的问题，蓝光创新提出了“六维智能理论”，即从六个维度打造中国特色的智能工厂，这六个维度包括智能计划排产、智能生产过程系统、智能设备互联互通，智能生产资源管控、智能质量过程控制，智能大数据分析与决策支持。该理论分别从计划源头、过程协同、设备底层资源优化、质量控制、智能决策支持到等六个方面着手，实现全面的精细化、精准化、自动化、信息化、网络化的智能化管理与控制。

总之，通过这六个方面的智能化打造，可极大地提升企业的计划科学性、生产过程协同化、生产设备与信息化的深度融合，并通过基于大数据分析的决策支持，对企业进行透明化、量化的管理，可明显提升企业的生产效率与产品质量，是一种很好的数字化、网络化的智能生产模式。总体来说，工厂的智能化发展需要依据企业的产品范围和特性进行定制规划，从企业精益化生产做起，打好企业管理和人员作业思维的基础，接着引入自动化设备和相应的人员，再将各个单元的自动化连接起来，形成初步的信息化系统，最终利用这些基础的数据进行大数据分析，反馈生产问题，形成成熟的数字化工厂，再根据节点进行智能化改造，逐步构建智能工厂。

1. 我国装备工业现状

原机械工业部副部长沈烈初提出，中国装备工业现阶段还处于加强科学化、信息化管理，距离智能化还有很长一段过程。智能制造是长期的过程，不能一蹴而就。首先要认识我国装备制造业的国情。目前我国装备制造业企业大多处于工业1.0和2.0的时代，制造业水平不同于德国，推进智能制造发展，工业4.0可作为参考，而不能简单地进行复制，必须通过实践找到属于我们自己的成功之路。通过两化融合，智能制造等专项，制造业已经广泛使用CAD、CAM、CAPP、CAE等，但还没有超过工业3.0的特征。而且同一个企业工业1.0、2.0、3.0并存，只有小部分企业从正在从工业3.0迈向工业4.0。

2．制造企业面临着巨大的转型压力

竞争环境方面，劳动力成本迅速攀升、产能过剩、竞争激烈及客户个性化需求日益增长等因素，迫使制造企业从低成本竞争策略转向建立差异化竞争优势。工厂人力方面，制造业面临着招工难，以缺乏专业技师的巨大压力，迫切需要推进智能化工厂建设。技术保障方面，物联网、机器人、增材制造、机器视觉等新兴技术信息迅速升级，为制造业推进智能工厂建设提供了良好的技术支撑。政策扶持方面，国家和地方政府都在大力支持智能化，至少两化融合等项目，使各个行业间越来越多的大中型企业开启了智能工厂建设的新征程。近些年，在工业4.0、工业互联网、物联网、云计算等热潮下，全国众多优秀制造企业都开展了智能工厂建设的实践，我国汽车、家电、轨道交通、食品饮料、制药、装备制造、家居等行业的企业，对生产和装配线进行自动化、智能化改造，以及建立全新的智能工厂的需求十分旺盛。目前涌现出了海尔、美的、东莞劲盛、尚品宅配等智能工厂建设的样板。

3.国内智能工厂建设情况

下面以我国两家企业作为典型案例，为大家介绍一下我国智能工厂建设情况。第一个是三一重工智能化车间。三一重工18号厂房——工程机械总装车间是亚洲最大的智能化制造车间，于2008年开始筹建，2012年全面投产，总面积约10万平方米。技术工人凭借计算机可以为每个工位提供物料和零件提取配送服务;加入了视觉识别模块的智能焊接机器人，可以自动识别物料并进行焊接；重型AGV满载物料配送;在智能化系统的指挥下，上百台机器人能够协同工作。目前三一集团已建成车间智能监控网络和高级管理系统，公共制造资源定位与物料跟踪管理系统，计划物流质量管控系统，生产控制中心，中央控制系统等智能系统。第二个宁夏共享装备铸造3D打印智能工厂。宁夏共享装备铸造3D打印智能工厂于2016年11月开工建设、2018年投产。3D打印智能工厂基于3D打印机、AGV、桁架机器人、立体库等智能装备、传感器、智能单元管理与控制系统等建设，通过建设物联网实现设备数据采集、存储、上传至云信息系统，在行业云（共享工业云）上实现业务集成，打通人、设备、系统之间的数据通道，实现高效协同。

4.发展建议

关于智能制造，沈烈初指出，工业4.0是高度信息化向智能化过渡，这一过程需要很长时间完成。智能制造是一项长期的系统过程，不能一蹴而就；要在考虑企业效益的前提下，用投入产出经济学理论审视实施。而在智能制造的热潮下，企业不宜盲目跟风。建设智能工厂，应围绕企业的中长期发展战略，根据自身产品、工艺、设备和订单的特点，合理建设蓝图，从最紧迫需要解决的问题入手，务实推进智能工厂的建设。