扼住智能製造的喉嚨——智能工廠

06-29

扼住智能製造的喉嚨——智能工廠

一、智能工廠概念及框架分析

智能工廠是在數字化工廠的基礎上，利用物聯網技術和監控技術加強

信息管理服務，提高生產過程可控性、減少生產線人工干預，以及合理計劃排程。同時，集初步智能手段和智能系統等新興技術於一體，構建高效、節能、綠色、環保、舒適的人性化工廠。

智能工廠由賽博空間中的虛擬數字工廠和物理系統中的實體工廠共同構成。其中，實體工厂部署有大量的車間、生產線、加工裝備等，為製造過程提供硬體基礎設施與製造資源，也是實際製造流程的最終載體；虛擬數字工廠則是在這些製造資源以及製造流程的數字化模型基礎上，在實體工廠的生產之前，對整個製造流程進行全面的建模與驗證。為了實現實體工廠與虛擬數字工廠之間的通信與融合，實體工廠的各製造單元中還配備有大量的智能元器件，用於製造過程中的工況感知與製造數據採集。在虛擬製造過程中，智能決策與管理系統對製造過程進行不斷的迭代優化，使製造流程達到最優；在實際製造中，智能決策與管理系統則對製造過程進行實時的監控與調整，進而使得製造過程體現出自適應、自優化等智能化特徵。

由上述可知，智能工廠的基本框架體系中包括智能決策與管理系統、企業虛擬製造平台、智能製造車間等關鍵組成部分。

圖表　智能工廠基本框架

二、智能工廠建設原則及維度

1、建設原則

（1）智能工廠的實施廣度

參考德國工業4.0中對「智能工廠」的定義：重點研究智能化生產系統及過程，以及網路化分散式生產設施的實現。前半句「智能化生產系統及過程」，是說除了包括智能化的機床、機器人等生產設施以外，還包括對生產過程的智能化管控，站在信息化的角度，就是智能化的MES製造執行系統。而後半句：「以及網路分散式生產設施的實現」，是指將生產所用的生產設施（如機床、熱處理設備、機器人、AGV、測量測試等各種數字化設備），進行互聯互通、智能化的管理，實現信息化系統與物理系統的深度融合。目前很多企業實施的DNC/MDC(設備聯網、設備監控系統)是其重要的基礎。

（2）智能工廠的實施深度

按照工業4.0戰略的描述，理想狀態的智能製造是一種高度自動化、高度信息化、高度網路化的生產模式，工廠內人、機、料自主協同，自組織、高效運轉；工廠間，通過端對端集成、橫向集成，實現了價值鏈的共享、協作，效率、成本、質量、個性化都得到了質的飛躍。

對於中國製造企業而言，現在恰逢「三期交疊」的困難期，企業希望既要符合工業4.0或者是中國製造2025的發展方向，又要投資小、見效快、確保成功率，如何在兩者之間平衡，是一個很現實、也很重要的問題。

在本次智能化製造的革命中，企業一定要「著眼長遠、立足當下」。既要符合工業4.0的理念，體現出其主要特點，又要本著務實的原則實施工業4.0戰略。比如，要汲取以前CIMS實施的經驗與教訓，不要過於理想化，不要過多強調自組織、自學習、自執行等高難度的智能技術，企業不是突破什麼關鍵智能製造技術的研究單位，而是以創造效益為根本目的，要總體規劃、分步實施，以效益為驅動，確保成功率。在自動化的基礎上，實現信息化、網路化，在管理方面深挖潛力，充分發揮人的作用，構建具有適度智能的數字化、網路化、高效化、個性化的智能生產模式，切實做到明顯的「提質增效」。並以量化為指標，循序漸進，全面提升企業的競爭力。假如通過3年時間，能將設備利用率提高100%，就極有可能「確保企業的未來」，這些作法就是符合工業4.0戰略思想的。

（3）建設智能工廠要有全局的、系統的思想

企業在智能工廠建設時一定要從全局思考，打造一個全面的、有體系的智能工廠管理系統，從各個方面進行優化、挖掘潛力，最大程度地提升企業的生產效率及管理水平。

2、建設維度

從6個維度的「智能」打造中國特色的智能工廠：智能計劃排產、智能生產過程協同、智能設備互聯互通、智能生產資源管控、智能質量過程式控制制、智能大數據分析與決策支持。分別從計劃源頭、過程協同、設備底層、資源優化、質量控制、決策支持等6個方面著手，實現全面的精細化、精準化、自動化、信息化、網路化的智能化管理與控制，既很好地符合了德國智能工廠的定義，又能與美國工業互聯網、以及中國製造2025等理念完全吻合。

圖表　六維智能工廠理論

三、智能工廠產業布局分析

產業鏈示範效應信息網路技術應用從流程行業向離散行業延伸，離散製造企業開始積極布局智能工廠建設。以鋼鐵、石化為代表的流程製造行業較早運用信息技術進行產業改造，自動化、數字化程度較高，為物聯網、移動互聯、雲計算等信息網路技術在流程行業的融合應用奠定了良好的基礎。相比之下，離散製造行業具有生產過程複雜、產品種類繁多、工藝路線和設備使用靈活、車間形態多樣等特點，離散製造企業底層自動化、數字化的基礎較為薄弱，應用信息網路技術進行智能工廠建設的難度也相對較大。目前，信息網路技術應用已經從流程行業延伸到離散行業，汽車、電子、工程機械、航空航天等部分大型離散製造企業積極進行探索，將信息網路技術引入研發設計、生產製造、過程管理等環節，不斷提升產品、裝備、生產、管理和服務的智能化水平。

智能工廠促進企業間信息共享和業務協同，龍頭離散製造企業智能工廠建設的產業鏈示範效應初步顯現。智能工廠通過價值鏈以及信息網路，進行信息資源整合，能夠實現產業鏈上各企業間的研發、設計、生產製造、供應鏈管理、服務等方面的無縫合作和綜合集成，為龍頭企業建設智能工廠發揮產業鏈示範帶動效應提供了基礎。目前，工程機械行業部分龍頭企業已經建立以自身為核心、上下游企業間「鏈合」創新的研發體系，實現研發設計環節的協同創新，提升了行業整體研發設計水平;汽車行業部分龍頭企業實行模塊化設計和生產，推動相關零部件供應商加大資金投入和研發力度，有效降低產業鏈總成本的同時，實現零部件企業的同步開發、集成製造、系統供貨等。

四、工業物聯網推動智能工廠發展

工業物聯網已進入實質性應用推進階段，積極推動智能工廠實現趕超發展。

目前，我國工業物聯網在汽車、鋼鐵冶金、石油化工、工程機械、橡膠輪胎等行業應用較為突出，主要集中在智能工廠領域的生產過程工藝優化、產品設備監控、供應鏈管理、工業安全生產管理等環節。如部分汽車企業通過運用工廠物聯繫統管理車間，將車間中的機器、人員、物料、工藝、圖紙、刀具等生產要素進行無線聯網，實時採集車間中任何需要監控、連接、互動的物體或過程，建立實時的生產管理信息上傳下達系統。部分橡膠輪胎企業通過感測器、RFID技術、工業以大網和現場匯流排技術的應用，實現生產過程數據的實時採集，生產設備的遠程監控和預警顯示，促進企業生產向"精益生產"以及"敏捷製造"的柔性化生產模式轉變。

五、數字化車間市場分析

（一）結構及優勢

數字化車間（DF）是以產品生命周期的相關數據為基礎，根據虛擬製造原理（MES）對整個生產過程進行模擬、評估和優化，並進一步擴展到整個產品生命周期的新型生產組織方式。數字化車間技術是數字化製造技術在生產製造領域的重要應用，已成為先進位造技術在實際製造過程中的實現基礎。

圖表　數字化車間結構示意圖

其優越性主要體現在：

（1）時間：減少工藝規劃時間和試生產時間，縮短生產準備周期；

（2）質量：提高規劃質量，優化生產線的配置；

（3）成本：減少物理原型的使用，減少了工程更改量，降低設備人員的投入。

圖表　數字化車間對製造業效率的提升效果

（二）市場容量

數字化車間市場容量：製造業數字化車間市場容量將達3 萬億級。

製造業自動化的發展背景是人力成本上升。其內涵廣泛，自動化率水平不一，我們認為從自動化工廠級、自動化車間級、自動化生產線級、自動化設備級、相關零配件級都具備可觀的空間。「數字化車間」最值得關注，其核心在於「系統集成」。在車間層級，製造業可歸為同一類型，即製造過程自動化，不同領域生產模式近似，具備複製效應。目前中國製造業年產值接近2萬億美元，擁有幾十萬企業及車間，但自動化率低於20%；假設未來自動化率提升至80%、自動化費用為年產值1/3，則自動化改造與建設潛力將接近3 萬億級，自動化企業做大的空間非常可觀。

圖表　製造業自動化市場容量

六、數字化車間構建整體思路

1、建設思路的整體考慮

數字化車間的建設，是要建設實實在在、進行實際加工製造的生產車間，而不是某個理論或某個模型的概念，因此數字化車間的建設一定要實事求是、因地制宜，在踐行建設理論、管理思想的基礎上，切實結合企業情況，建設符合企業實際、具有應用價值的數字化車間，切不可盲目教條、照搬照弄和本本主義。數字化車間的整體建設思路，應該從實際出發，以信息技術和工業技術的應用為手段，以改善工藝流程、提高生產效率為目標，建設符合企業實際，切實提高企業技術和管理水平的數字化車間。

2、數字化車間的建設範圍

數字化車間的建設範圍，應當以企業實際業務範圍為主，業務涉及的加工製造、物流、管理和維修等環節均應納入數字化車間的管理範圍，即數字化車間應該是一個整體的解決方案，需涉及車間業務的方方面面，這樣才能發揮各個環節的聯動作用，提高整體水平。雖然從建設步驟上可以考慮從某個單一業務環節入手繼而逐步展開，但從數字化車間的整體建設範圍及規划上，應當通盤考慮，應用到業務流程的每一個環節www.cechina.cn，使車間業務的點、線、面各個層次均納入管理範圍。

3、數字化車間的建設模型

數字化車間的建設，應當充分發揮信息技術、工業控制技術的優勢，以建設高度自動化和高度智能化，儘可能降低人工參與的自動運轉的製造車間為目標。通過智能設備、數控機床、自動化技術、自動識別技術、AGV等技術的應用，實現實體設備的自動控制和運轉，通過信息技術的數據採集、智能分析、信息傳遞、指令下達、監控和廣播等技術的應用，實現對實體設備的控制及各個業務環節的聯動，進而實現將整個車間建設成一台結構合理、動力充沛的自動運轉的機器的數字化車間建設目標。

綜合考慮各種因素的數字化車間建設模型下所示。

圖表　數字化車間建設模型

七、智能工廠產業鏈分析

（一）上遊行業——感測器

近年來，感測器正處於傳統型向新型感測器轉型的發展階段。新型感測器的特點是微型化、數字化、智能化、多功能化、系統化、網路化，它不僅促進了傳統產業的改造，而且可導致建立新型工業，是21世紀新的經濟增長點。

不管「工業4.0」還是「中國製造2025」，其實最本質的變化是智能化生產，而在谷榮祥看來，感測器是整個智能化的關鍵。因為「工業4.0」和「中國製造2025」最核心的方面是智能製造，不管網路化還是數字化，最前端都將是智能化，但所有的這些都將離不開感測器

感測器產業作為國內外公認的具有發展前途的高技術產業www.cechina.cn，以其技術含量高、經濟效益好、滲透能力強、市場前景廣等特點為世人矚目。

2007-2014年我國感測器行業得到較好的發展，行業工業總產值總體呈上升趨勢，在GDP中的佔比維持在0.10%-0.15%之間。

在國家大力加強感測器的開發和應用的一系列政策引導和支持下，我國感測器行業面臨良好的發展前景，未來成長空間可期。

（二）上遊行業——工業乙太網

工業乙太網作為一種高效的區域網絡，從誕生之初，就擔負著感測器數據傳輸、生產設備控制等功能，是現代工業自動化生產體系中的重要組成部分和工廠信息化的基礎。它的構建也就成為智能工廠建設的核心。

如果說第三次工業革命的自動化，僅是將生產過程作為對象，對其進行信息技術的應用。工業4.0將信息技術的應用大幅擴大，進而衍生出「智能工廠」的概念。它的關鍵技術是信息技術。

工業乙太網，互聯互通、實時控制，進而實現安全、節能將是智能工廠的核心技術。具體而言，包括生產設備聯網實現自律協調作業的M2M，通過網路獲取大數據的應用，開發、銷售、ERP、PLM、SCM等業務管理系統與實際生產過程之間的協同等。

（三）中遊行業——工業軟體

智能工廠將是工業軟體產品創新的主線。機器層面，提高設備智能水平，改善性能和生產效率；車間層面，加強機器間通信協作，提高生產線的協同水平；工廠層面，優化和調度多車間、多生產線等生產資源，實現生產能力、供應鏈及市場需求的動態匹配。

（四）中遊行業——工業機器人

近兩年隨著國家戰略性新興產業的提出，兩化融合的穩步推進，中國智能製造裝備領域得到了全社會範圍的廣泛關注。隨著產品性能提升的內在需求增加和中國勞動力價格上漲，產業轉型升級的壓力不斷加大。工業機器人作為智能製造領域的代表，在產業轉型升級的過程中正發揮著越來越重要的作用。

工業機器人作為高科技裝備，無論在推動國防軍事、智能製造、資源開發，還是在培育發展未來機器人產業上都具有重要意義。目前一些新興的中低端市場也迅速擴大，如工程機械領域，某些過去傳統的勞動密集型企業如石化、糧食、建材、化肥、飼料等領域市場需求也迅速發展起來。近年來，通過拓展下游應用服務，開拓傳統市場接納新興生產方式，家電、軌道交通、船舶等領域是機器人未來應用的主戰場。在一般工業應用的新領域，如光伏產業、動力電池製造業，包括酒類、飲料、乳業、糖等在內的食品工業，以及化纖、玻璃纖維、五金打磨、冶金澆鑄、醫藥等行業，都有工業機器人的應用空間。

（五）下遊行業——智能物流

智能物流是工業4.0核心組成部分，是降低社會倉儲物流成本的終極方案：在工業4.0的智能工廠框架中，智能物流倉儲位於後端，是連接製造端和客戶端的核心環節。與美國、日本國外發達國家相比，單位GDP中我國的倉儲成本佔比是其他國家的2-3倍，並且這一差值近些年來呈現逐步擴大的趨勢，而智能物流倉儲系統具備勞動力成本的節約、對租金成本的節約、管理效率的提升等方面優勢（我們估算自動化倉儲在保證同等儲存能力的條件下，可至少節約70%以上的土地和80%以上的勞動力），是降低社會倉儲物流成本的終極解決方案。

多重因素影響下，智能物流設備在諸多領域成為企業替代人工、謀求轉型升級的不二選擇，物流領域也不例外。智能化物流裝備正是在這樣的背景下逐漸發展起來的。雖然從短期看，採用智能化物流裝備會導致企業投入增加，然而從長遠發展來看，智能化裝備給企業帶來的人力成本的節約和效率的提升，將使企業持續受益。

八、智能工廠發展趨勢

智能工廠將更加智能、靈活和動態。

製造工藝的組織將不同，會與整個生產鏈協同——從供應商到物流到產品的生命周期管理——跨越企業的各個部門緊密相連。

各個生產步驟將實現無縫連接。影響的過程將包括：工廠和生產規劃；產品開發；物流；企業資源規劃（ERP）；製造執行系統（MES）；控制技術；現場的各個感測器和執行器。

在智能工廠里，機器和設備將具有提升的自我優化和自主決策的能力。這與今天運行固定程序操作的情況形成了鮮明的對比。（來源：中投顧問產業研究中心）