專題|智能製造的主線——智能生產（工廠/車間數字化）

　　·西門子安貝格工廠：實現了多品種工控機的混線生產，產品合格率高達99.9988%

　　·FANUC公司：實現了機器人和伺服電機生產過程的高度自動化和智能化，最高720小時無人值守

       ·施耐德電氣：實現了電氣開關製造和包裝過程的全自動化

　　·美國哈雷戴維森公司：普遍利用以加工中心和機器人構成的智能製造單元，實現大批量定製

　　·三菱電機名古屋製做:所採用人機結合的新型機器人裝配產線,顯著提升了單位生產面積的產量

　　·重卡巨頭MAN公司:搭建了完備的廠內物流體系,並創建了物料超市

　　發展智能製造對於中國製造業乃至中國經濟的重要性不言而喻，先進製造業全媒體做爲深耕製造業領域的專業媒體，長期關注智能製造發展，助力中國製造轉型升級，努力作「中國製造2025」的推進者。先進製造業全媒體將陸續推出智能製造專題，試圖從智能製造產業鏈、智能工廠、智能裝備、智能產品、智能服務、產業變革模式、產業集羣發展等方面，全面深度的剖析智能製造的發展，以期勾勒智能製造的全貌，更多信息請關注先進製造業微信號（ID：amdaily）或先進製造業網站（http://www.amdaily.com）。　　

　　智能製造專題第二期：智能生產——智能製造的主線（工廠/車間數字化），從智能工廠的建設以及重要環節瞭解智能生產過程。

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　　近年來，全球各主要經濟體都在大力推動製造業的復興。在工業4.0、工業互聯網、物聯網、雲計算等熱潮下，全球衆多優秀製造企業都開展了智能工廠建設實踐。

　　據中國工程院院長賙濟介紹，智能生產是智能製造的主線，而智能工廠是智能生產的主要載體。隨着新一代人工智能的應用，從此20年，中國企業將要向自學習、自適應、自控制的新一代智能工廠進軍。新一代人工智能技術和先進製造技術的融合，將使得生產線、車間、工廠發生革命性大變革，提高到歷史性的新高度，將從根本上提升製造業質量、效率和企業競爭力。在從此至關一段時間裏面，生產線、車間，工廠的智能升級將成爲推動智能製造的一個主要戰場。

　　1、智能工廠的內涵及建設重點

智能工廠是實現智能製造的重要載體，主要經過構建智能化生產系統、網絡化分佈生產設施，實現生產過程的智能化。智能工廠已經具備了自主能力，可採集、分析、判斷、規劃；經過總體可視技術進行推理預測，利用仿真及多媒體技術，將實境擴增展現設計與製造過程。系統中各組成部分可自行組成最佳系統結構，具有協調、重組及擴充特性。已係統具有了自我學習、自行維護能力。所以，智能工廠實現了人與機器的相互協調合做，其本質是人機交互。

　　人機料法環是對全面質量管理理論中的五個影響產品質量的主要因素的簡稱。人，指製造產品的人員；機，製造產品所用的設備；料，指製造產品所使用的原材料；法，指製造產品所使用的方法；環，指產品製造過程當中所處的環境。而智能生產就是以智能工廠爲核心，將人、機、法、料、環鏈接起來，多維度融合的過程。

在智能工廠的體系架構中，質量管理的五要素也相應的發生變化，由於在將來智能工廠中，人類、機器和資源可以互相通訊。智能產品「知道」它們如何被製造出來的細節，也知道它們的用途。它們將主動地對製造流程，回答諸如「我何時被製造的」、「對我進行處理應該使用哪一種參數」、「我應該被傳送到何處」等問題。企業基於CPS和工業互聯網構建的智能工廠原型，主要包括物理層、信息層、大數據層、工業雲層、決策層。其中，物理層包含工廠內不一樣層級的硬件設備，從最小的嵌入設備和基礎元器件開始，到感知設備、製造設備、製造單元和生產線，相互間均實現互聯互通。以此爲基礎，構建了一個「可測可控、可產可管」的縱向集成環境。信息層涵蓋企業經營業務各個環節，包含研發設計、生產製造、營銷服務、物流配送等各種經營管理活動，以及由此產生的衆創、個性化定製、電子商務、可視追蹤等相關業務。在此基礎上，造成了企業內部價值鏈的橫向集成環境，實現數據和信息的流通和交換。

　　縱向集成和橫向集成均以CPS和工業互聯網爲基礎，產品、設備、製造單元、生產線、車間、工廠等製造系統的互聯互通，及其與企業不一樣環節業務的集成統一，則是經過數據應用和工業雲服務實現，並在決策層基於產品、服務、設備管理支撐企業最高決策。這些共同構建了一個智能工廠完整的價值網絡體系，爲用戶提供端到端的解決方案。

　　因爲產品製造工藝過程的明顯差別，離散製造業和流程製造業在智能工廠建設的重點內容有所不一樣。對於離散製造業而言，產品每每由多個零部件通過一系列不連續的工序裝配而成，其過程包含不少變化和不肯定因素，在必定程度上增長了離散型製造生產組織的難度和配套複雜性。企業經常按照主要的工藝流程安排生產設備的位置，以使物料的傳輸距離最小。面向訂單的離散型製造企業具備多品種、小批量的特色，其工藝路線和設備的使用較靈活，所以，離散製造型企業更加劇視生產的柔性，其智能工廠建設的重點是智能製造生產線。

　　2、智能工廠主要建設模式

　　因爲各個行業生產流程不一樣，加上各個行業智能化狀況不一樣，智能工廠有如下幾個不一樣的建設模式。

　　第一種模式是從生產過程數字化到智能工廠。在石化、鋼鐵、冶金、建材、紡織、造紙、醫藥、食品等流程製造領域，企業發展智能製造的內在動力在於產品品質可控，側重從生產數字化建設起步，基於品控需求從產品末端控制向全流程控制轉變。

　　第二種模式是從智能製造生產單元(裝備和產品)到智能工廠。在機械、汽車、航空、船舶、輕工、家用電器和電子信息等離散製造領域，企業發展智能製造的核心目的是拓展產品價值空間，側重從單臺設備自動化和產品智能化入手，基於生產效率和產品效能的提高實現價值增加。

　　第三種模式是從個性化定製到互聯工廠。在家電、服裝、家居等距離用戶最近的消費品製造領域，企業發展智能製造的重點在於充分知足消費者多元化需求的同時實現規模經濟生產，側重經過互聯網平臺開展大規模個性定製模式創新。

　　3、智能工廠發展重點環節

　　智能生產的側重點在於將人機互動、3D打印等先進技術應用於整個工業生產過程，並對整個生產流程進行監控、數據採集，便於進行數據分析，從而造成高度靈活、個性化、網絡化的產業鏈。

　　3D打印

　　3D打印是一項顛覆性的創新技術，被美國天然科學基金會稱爲20世紀最重要的製造技術創新。製造業的全流程均可以引入3D打印，起到節約成本、加快進度、減小材料浪費等效果。在設計環節，藉助3D打印技術，設計師可以得到更大的自由度和創意空間，能夠專一於產品形態創意和功能創新，而沒必要考慮形狀複雜度的影響，由於3D打印幾乎能夠完成任何形狀的物品構建。在生產環節，3D打印能夠直接從數字化模型生成零部件，不須要專門的模具製做等工序，既節約了成本，又能加快產品上市。此外，傳統制造工藝在鑄造、拋光和組裝部件的過程當中一般會產生廢料，而相同部件使用3D打印則能夠一次性成形，基本不會產生廢料。在分銷環節，3D打印可能會挑戰現有的物流分銷網絡。將來，零部件再也不須要從原廠家採購和運輸，而是從製造商的在線數據庫中下載3D打印模型文件，而後在本地快速打印出來，由此可能致使遍及全球的零部件倉儲與配送體系失去存在的意義。

　　3D打印通過了近 40年的發展，龍頭公司開始實現顯著盈利，市場承認度快速上升，行業收入增加加速。根據典型的產品生命週期理論，技術產品從導入期進入成長期的過程當中每每表現出加速增加的特徵，判斷目前3D打印產業正在進入加速成長期。

　　圖表：2008-2015年全球3D打印設備出貨量增加狀況

　　Source：賽瑞研究

　　整個3D打印行業產業鏈大概可分爲三個部分，上游基礎配件行業，3D打印設備生產企業、3D打印材料生產企業和支持配套企業，下游主要是3D打印的各大應用領域。一般意義上的3D打印行業則主要是指3D打印設備、材料及服務企業。

　　圖表：3D打印行業產業鏈

　　3D打印已經造成了一條完整的產業鏈。產業鏈的每一個環節都彙集了一批領先企業。全球範圍來看，以Stratasys、3D Systems爲表明的設備企業在產業鏈中佔據了主導做用，且這些設備企業一般可以提供材料和打印服務業務，如具備較強的話語權。

　　圖表：2015年全球工業級/專業級3D打印設備出貨量TOP5企業

　　Source：賽瑞研究整理

　　人機交互

　　將來各種交互方式都會進行深度融合，使智能設備會更加天然地與人類生物反應及處理過程同步，包括思惟過程、動覺，甚至一我的的文化偏好等，這個領域充滿着各類各樣新奇的可能性。

　　人與機器的信息交換方式隨着技術融合步伐的加快向更高層次邁進，新型人機交互方式被逐漸應用於生產製造領域。具體表如今智能交互設備柔性化和智能交互設備工業領域應用這兩個方面。在生產過程當中，智能製造系統可獨立承擔分析、判斷、決策等任務，突出人在製造系統中的核心地位，同時在工業機器人、無軌agv等智能設備配合下，更好發揮人的潛能。機器智能和人的智能真正地集成在一塊兒，互相配合，相得益彰。本質是人機一體化。

　　傳感器

　　中國已經基本造成較爲完整的產業鏈結構，在材料、器件、系統、網絡等各方面水平不斷完善，自主產品已達6000種，國內創建了三大傳感器生產基地，分別爲：安徽基地，陝西基地和黑龍江基地。政府對國內傳感器產業提出了加快力度加快發展的指導方針，將來的傳感器發展將向着智能化的方向改善。

　　工業軟件

　　智能工廠的建設離不開工業軟件的普遍應用。工業軟件包括基礎和應用軟件兩大類，其中系統、中間件、嵌入式屬於基礎技術範圍，並不與特定工業管理流程和工藝流程緊密相關，如下提到的工業軟件主要指應用軟件，包括運營管理類、生產管理類和研發設計類軟件等。

　　在《中國製造2025》的大背景下，工業企業轉變發展模式、加快兩化融合成爲大勢所趨，工業軟件以及信息化服務的需求仍將繼續增長，中國繼續保持着全球工業軟件市場增加生力軍的地位。

　　具體來看，2016年我國工業軟件行業中產品研發類如CAD、CAE、CAM、CAPP等佔比約爲8.3%，信息管理類如ERP、CRM、HRM等，佔比約爲15.5%；生產控制類如MES、PCS、PLC等佔比約爲13.2%；其他63%均爲嵌入式軟件開發。

　　分區域來看，華北、華東是工業軟件應用最多的區域，合計佔到全國一半左右，具體到省市來看，北京、上海、廣東、江蘇是工業軟件實力雄厚的區域，約佔中國工業軟件市場規模的一半以上。

　　普遍應用MES（製造執行系統）、APS（先進生產排程）、PLM(產品生命週期管理) 、ERP(企業資源計劃)、質量管理等工業軟件，實現生產現場的可視化和透明化。在新建工廠時，能夠經過數字化工廠仿真軟件，進行設備和產線佈局、工廠物流、人機工程等仿真，確保工廠結構合理。在推動數字化轉型的過程當中，必須確保工廠的數據安全和設備和自動化系統安全。在經過專業檢測設備檢出次品時，不只要可以自動與合格品分流，並且可以經過SPC（統計過程控制）等軟件，分析出現質量問題的緣由。

　　雲製造

　　雲製造即製造企業將先進的信息技術、製造技術以及新興物聯網技術等交叉融合，工廠產能、工藝等數據都集中於雲平臺，製造商可在雲端進行大數據分析與客戶關係管理，發揮企業最佳效能。

　　圖片展現了雲製造的概念，以及從傳統制造，到智能製造，到智慧製造，到今天的雲製造的過程。

　　咱們國內，能夠看到有航天科工集團開發的面向航天覆雜產品的集團企業雲製造服務平臺，接入了集團下屬各院所和基地擁有豐富的製造資源和能力；中車集團面向軌道交通裝備的集團企業雲製造服務平臺，打通了軌道車輛、工程機械、機電設備、電子設備及相關部件等產品的研發、設計、製造、修理和服務等業務；面向中小企業的雲製造平臺，也陸續出如今了裝備製造、箱包鞋帽等行業領域。

　　雲製造爲製造業信息化提供了一種嶄新的理念與模式，雲製造做爲一種初生的概念，其將來具備巨大的發展空間。但云製造的將來發展仍面臨着衆多關鍵技術的挑戰，除了對於雲計算、物聯網、語義Web、高性能計算、嵌入式系統等技術的綜合集成，基於知識的製造資源雲端化、製造雲管理引擎、雲製造應用協同、雲製造可視化與用戶界面等技術均是將來須要攻克的重要技術。關注先進製造業微信公衆號（ID:amdaily）獲取更多智能製造資訊。

　　總結

　　建設智能工廠無疑是製造企業轉型升級的重要方式，同時應圍繞企業的中長期發展戰略，根據自身產品、工藝、設備和訂單的特色，合理規劃智能工廠的建設藍圖。在推動規範化、標準化的基礎上，從最緊迫須要解決的問題入手，務實推動智能工廠的建設。