近年來，智能制造熱潮席卷神州大地，成為推進“中國制造2025”國家戰略最重要的舉措。其中，智能工廠（Smart Factory）作為智能制造重要的實踐領域，已引起了制造企業的廣泛關注和各級政府的高度重視。冠猴智能作為專業的自動化智能化解決方案供應商，今日和大家一起探討下國內外智能工廠建設的現狀與問題，智能工廠的內涵，以及推進智能工廠建設的成功之道。

三、智能工廠的體系架構

著名業務流程管理專家August-Wilhelm Scheer教授提出的智能工廠框架強調了MES系統在智能工廠建設中的樞紐作用。

▲Scheer教授提出的智能工廠架構

智能工廠可以分為基礎設施層、智能裝備層、智能產線層、智能車間層和工廠管控層五個層級：

▲智能工廠五級金字塔

① 基礎設施層

企業首先應當建立有線或者無線的工廠網絡，實現生產指令的自動下達和設備與產線信息的自動采集；形成集成化的車間聯網環境，解決不同通訊協議的設備之間，以及PLC、CNC、機器人、儀表/傳感器和工控/IT系統之間的聯網問題；利用視頻監控系統對車間的環境，人員行為進行監控、識別與報警；此外，工廠應當在溫度、濕度、潔凈度的控制和工業安全（包括工業自動化系統的安全、生產環境的安全和人員安全）等方面達到智能化水平。

② 智能裝備層

智能裝備是智能工廠運作的重要手段和工具。智能裝備主要包含智能生產設備、智能檢測設備和智能物流設備。制造裝備在經歷了機械裝備到數控裝備后，目前正在逐步向智能裝備發展。智能化的加工中心具有誤差補償、溫度補償等功能，能夠實現邊檢測、邊加工。工業機器人通過集成視覺、力覺等傳感器，能夠準確識別工件，自主進行裝配，自動避讓人，實現人機協作。金屬增材制造設備可以直接制造零件，DMG MORI已開發出能夠實現同時實現增材制造和切削加工的混合制造加工中心。智能物流設備則包括自動化立體倉庫、智能夾具、AGV、桁架式機械手、懸掛式輸送鏈等。例如，Fanuc工廠就應用了自動化立體倉庫作為智能加工單元之間的物料傳遞工具。

③ 智能產線層

智能產線的特點是，在生產和裝配的過程中，能夠通過傳感器、數控系統或RFID自動進行生產、質量、能耗、設備績效（OEE）等數據采集，并通過電子看板顯示實時的生產狀態；通過安燈系統實現工序之間的協作；生產線能夠實現快速換模，實現柔性自動化；能夠支持多種相似產品的混線生產和裝配，靈活調整工藝，適應小批量、多品種的生產模式；具有一定冗余，如果生產線上有設備出現故障，能夠調整到其他設備生產；針對人工操作的工位，能夠給予智能的提示。

④ 智能車間層

要實現對生產過程進行有效管控，需要在設備聯網的基礎上，利用制造執行系統（MES）、先進生產排產（APS）、勞動力管理等軟件進行高效的生產排產和合理的人員排班，提高設備利用率（OEE），實現生產過程的追溯，減少在制品庫存，應用人機界面（HMI），以及工業平板等移動終端，實現生產過程的無紙化。另外，還可以利用Digital Twin(數字映射)技術將MES系統采集到的數據在虛擬的三維車間模型中實時地展現出來，不僅提供車間的VR（虛擬現實）環境，而且還可以顯示設備的實際狀態，實現虛實融合。

車間物流的智能化對于實現智能工廠至關重要。企業需要充分利用智能物流裝備實現生產過程中所需物料的及時配送。企業可以用DPS系統(Digital Picking System)實現物料揀選的自動化。

⑤ 工廠管控層

工廠管控層主要是實現對生產過程的監控，通過生產指揮系統實時洞察工廠的運營，實現多個車間之間的協作和資源的調度。流程制造企業已廣泛應用DCS或PLC控制系統進行生產管控，近年來，離散制造企業也開始建立中央控制室，實時顯示工廠的運營數據和圖表，展示設備的運行狀態，并可以通過圖像識別技術對視頻監控中發現的問題進行自動報警。

四、智能工廠的成功之道

① 進行智能工廠整體規劃

智能工廠的建設需要實現IT系統與自動化系統的信息集成；處理來源多樣的異構數據，包括設備、生產、物料、質量、能耗等海量數據；應當進行科學的廠房布局規劃，在滿足生產工藝要求，優化業務流程的基礎上，提升物流效率，提高工人工作的舒適程度。智能工廠的推進需要企業的IT部門、自動化部門、精益推進部門和業務部門的通力合作。制造企業應當做好智能工廠相關技術的培訓，選擇有實戰經驗的智能制造咨詢服務機構，共同規劃推進智能工廠建設的藍圖。在規劃時應注意行業差異性，因為不同行業的產品制造工藝差別很大，智能工廠建設的目標和重點也有顯著差異。

② 建立明確的智能工廠標準

在智能工廠的建設中，企業往往會忽視管理與技術標準的建立，容易造成缺少數據標準，一物多碼；作業標準執行不到位；缺失設備管理標準，不同的設備采用不同的通訊協議，造成設備集成難度大；管理流程復雜，職權利不匹配；質檢標準執行不到位，導致批次質量問題多等問題。因此，需要建立明確的智能工廠標準，例如，業務流程管理規范、設備點檢維護標準和智能工廠評估標準等管理規范，智能裝備標準、智能工廠系統集成標準、工業互聯網標準以及主數據管理標準等技術標準。

③ 重視智能加工單元建設

目前，智能加工單元在我國制造企業的應用還處于起步階段，但必然是發展的方向。智能加工單元可以利用智能技術將CNC、工業機器人、加工中心以及自動化程度較低的設備集成起來，使其具有更高的柔性，提高生產效率。

④ 強調人機協作而不是機器換人

智能工廠的終極目標并不是要建設成無人工廠，而應追求在合理成本的前提下，滿足市場個性化定制的需求。因此，人機協作將成為智能工廠未來發展的主要趨勢。人機協作的最大特點是可以充分利用人的靈活性完成復雜多變的工作任務，在關鍵崗位上，更需要人的判斷能力和決策能力顯得更為重要，而機器人則擅長重復勞動。

⑤ 積極應用新興技術

未來，AR（Augmented Reality，增強現實）技術將被大量應用到工廠的設備維護和人員培訓中。工人帶上AR眼鏡，就可以“看到”需要操作的工作位置。例如，需要擰緊螺栓的地方，當擰到位時，會有相應提示，從而提高作業人員的工作效率；維修人員可以通過實物掃碼，使虛擬模型與實物模型重合疊加，同時在虛擬模型中顯示出設備型號、工作參數等信息，并根據AR中的提示進行維修操作；AR技術還可以幫助設備維修人員將實物運行參數與數字模型進行對比，盡快定位問題，并給予可能的故障原因分析。此外，數字工廠仿真技術可以基于離散事件建模、3D幾何建模、可視化仿真與優化等技術實現對工廠靜態布局、動態物流過程等綜合仿真和分析，從而能夠先建立數字化的生產系統甚至全部工廠，依據既定工藝進行運行仿真。

五、總結

在智能制造的熱潮下，企業不宜盲目跟風。建設智能工廠，應圍繞企業的中長期發展戰略，根據自身產品、工藝、設備和訂單的特點，合理規劃智能工廠的建設藍圖。在推進規范化、標準化的基礎上，從最緊迫需要解決的問題入手，務實推進智能工廠的建設。