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國内外智能工廠建設的現狀分析
近年來，全球各主要經濟體都在大力推進制造業的複興。在工業4.0、工業網際網路、物聯網、雲計算等熱潮下，全球衆多優秀制造企業都開展了智能工廠建設實踐。
例如，西門子安貝格電子工廠實作了多品種工控機的混線生産；FANUC公司實作了機器人和伺服電機生産過程的高度自動化和智能化，并利用自動化立體倉庫在工廠中的房間内的各個智能制造單元之間傳遞物料，實作了最高720小時無人值守；施耐德電氣實作了電氣開關制造和包裝過程的全自動化；三菱電機名古屋制作所采用人機結合的新型機器人裝配産線，實作從自動化到智能化的轉變，顯著提高了機關生産面積的産量；全球重卡巨頭MAN公司搭建了完備的廠内物流體系，利用AGV裝載進行裝配的部件和整車，便于靈活調整裝配線，并建立了物料超市，取得明顯成效。
目前，大陸制造企業面臨着巨大的轉型壓力。
一方面，勞動力成本迅速攀升、産能過剩、競争激烈、客戶個性化需求日益增長等因素，迫使制造企業從低成本競争政策轉向建立差異化競争優勢。在工廠層面，制造企業面臨着招工難，以及缺乏專業技師的巨大壓力，必須實作減員增效，迫切需要推進智能工廠建設。
另一方面，物聯網、協作機器人、增材制造、預測性維護、機器視覺等新興技術迅速興起，為制造企業推進智能工廠建設提供了良好的技術支撐。再加上國家和地方政府的大力扶持，使各行業越來越多的大中型企業開啟了智能工廠建設的征程。
大陸汽車、家電、軌道交通、食品飲料、制藥、裝備制造、家居等行業的企業對生産和裝配線進行自動化、智能化改造，以及建立全新的智能工廠的需求十分旺盛，湧現出海爾、美的、東莞勁勝、尚品宅配等智能工廠建設的樣闆。
例如，海爾佛山滾筒洗衣機工廠可以實作按訂單配置、生産和裝配，采用高柔性的自動無人生産線，廣泛應用精密裝配機器人，采用MES系統全程訂單執行管理系統，通過RFID進行全程追溯，實作了機機互聯、機物互聯和人機互聯；尚品宅配實作了從款式設計到構造尺寸的全方位個性定制，建立了高度智能化的生産加工控制系統，能夠滿足消費者個性化定制所産生的特殊尺寸與構造闆材的切削加工需求；東莞勁勝全面采用國産加工中心、國産數控系統和國産工業軟體，實作了裝置資料的自動采集和工廠中的房間聯網，建立了工廠的數字映射模型（Digital Twin），建構了手機殼加工的智能工廠。
但是，大陸制造企業在推進智能工廠建設方面，還存在諸多問題與誤區：
① 盲目購買自動化裝置和自動化産線。很多制造企業仍然認為推進智能工廠就是自動化和機器人化，盲目追求“黑燈工廠”，推進單工位的機器人改造，推行機器換人，上馬隻能加工或裝配單一産品的剛性自動化生産線。隻注重購買高端數控裝置，但卻沒有配備相應的軟體系統。
② 尚未實作裝置資料的自動采集和工廠中的房間聯網。企業在購買裝置時沒有要求開放資料接口，大部分裝置還不能自動采集資料，沒有實作工廠中的房間聯網。目前，各大自動化廠商都有自己的工業總線和通信協定，OPC UA标準的應用還不普及。
③ 工廠營運層還是黑箱。在工廠營運方面還缺乏資訊系統支撐，工廠中的房間仍然是一個黑箱，生産過程還難以實作全程追溯，與生産管理息息相關的制造BOM資料、工時資料也不準确。
④ 裝置績效不高。生産裝置沒有得到充分利用，裝置的健康狀态未進行有效管理，常常由于裝置故障造成非計劃性停機，影響生産。
⑤ 依然存在大量資訊化孤島和自動化孤島。智能工廠建設涉及到智能裝備、自動化控制、傳感器、工業軟體等領域的供應商，內建難度很大。很多企業不僅存在諸多資訊孤島，也存在很多自動化孤島，自動化生産線沒有進行統一規劃，生産線之間還需要中轉庫轉運。
究其原因，是智能制造和智能工廠涵蓋領域很多，系統極其複雜，企業還缺乏深刻了解。在這種狀況下，制造企業不能貿然推進，搞“大躍進”，以免造成企業的投資打水漂。應當依托有實戰經驗的咨詢服務機構，結合企業内部的IT、自動化和精益團隊，高層積極參與，根據企業的産品和生産工藝，做好需求分析和整體規劃，在此基礎上穩妥推進，才能取得實效。
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何謂智能工廠？
究竟何謂智能工廠？智能工廠具有以下六個顯著特征：
① 裝置互聯。能夠實作裝置與裝置互聯（M2M），通過與裝置控制系統內建，以及外接傳感器等方式，由SCADA（資料采集與監控系統）實時采集裝置的狀态，生産完工的資訊、品質資訊，并通過應用RFID（無線射頻技術）、條碼（一維和二維）等技術，實作生産過程的可追溯。
② 廣泛應用工業軟體。廣泛應用MES（制造執行系統）、APS（先進生産排程）、能源管理、品質管理等工業軟體，實作生産現場的可視化和透明化。在建立工廠時，可以通過數字化工廠仿真軟體，進行裝置和産線布局、工廠物流、人機工程等仿真，確定工廠結構合理。在推進數字化轉型的過程中，必須確定工廠的資料安全和裝置和自動化系統安全。在通過專業檢測裝置檢出次品時，不僅要能夠自動與合格品分流，而且能夠通過SPC（統計過程控制）等軟體，分析出現品質問題的原因。
③ 充分結合精益生産理念。充分展現工業工程和精益生産的理念，能夠實作按訂單驅動，拉動式生産，盡量減少在制品庫存，消除浪費。推進智能工廠建設要充分結合企業産品和工藝特點。在研發階段也需要大力推進标準化、子產品化和系列化，奠定推進精益生産的基礎。
④ 實作柔性自動化。結合企業的産品和生産特點，持續提升生産、檢測和工廠物流的自動化程度。産品品種少、生産批量大的企業可以實作高度自動化，乃至建立黑燈工廠；小批量、多品種的企業則應當注重少人化、人機結合，不要盲目推進自動化，應當特别注重建立智能制造單元。工廠的自動化生産線和裝配線應當适當考慮備援，避免由于關鍵裝置故障而停線；同時，應當充分考慮如何快速換模，能夠适應多品種的混線生産。物流自動化對于實作智能工廠至關重要，企業可以通過AGV、行架式機械手、懸挂式輸送鍊等物流裝置實作工序之間的物料傳遞，并配置物料超市，盡量将物料配送到線邊。品質檢測的自動化也非常重要，機器視覺在智能工廠的應用将會越來越廣泛。此外，還需要仔細考慮如何使用助力裝置，減輕勞工勞動強度。
⑤ 注重環境友好，實作綠色制造。能夠及時采集裝置和産線的能源消耗，實作能源高效利用。在危險和存在污染的環節，優先用機器人替代人工，能夠實作廢料的回收和再利用。
⑥ 可以實作實時洞察。從生産排産指令的下達到完工資訊的回報，實作閉環。通過建立生産指揮系統，實時洞察工廠的生産、品質、能耗和裝置狀态資訊，避免非計劃性停機。通過建立工廠的Digital Twin（數字映射），友善地洞察生産現場的狀态，輔助各級管理人員做出正确決策。
僅有自動化生産線和工業機器人的工廠，還不能稱為智能工廠。智能工廠不僅生産過程應實作自動化、透明化、可視化、精益化，而且，在産品檢測、品質檢驗和分析、生産物流等環節也應當與生産過程實作閉環內建。一個工廠的多個工廠中的房間之間也要實作資訊共享、準時配送和協同作業。
智能工廠的建設充分融合了資訊技術、先進制造技術、自動化技術、通信技術和人工智能技術。每個企業在建設智能工廠時，都應該考慮如何能夠有效融合這五大領域的新興技術，與企業的産品特點和制造技術緊密結合，确定自身的智能工廠推進方案。
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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架構強調了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、智能産線層、智能工廠中的房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，實作生産指令的自動下達和裝置與産線資訊的自動采集；形成內建化的工廠中的房間聯網環境，解決不同通訊協定的裝置之間，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；利用視訊監控系統對工廠中的房間的環境，人員行為進行監控、識别與報警；此外，工廠應當在溫度、濕度、潔淨度的控制和工業安全（包括工業自動化系統的安全、生産環境的安全和人員安全）等方面達到智能化水準。
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産裝置、智能檢測裝置和智能物流裝置。制造裝備在經曆了機械裝備到數控裝備後，目前正在逐漸向智能裝備發展。智能化的加工中心具有誤差補償、溫度補償等功能，能夠實作邊檢測、邊加工。工業機器人通過內建視覺、力覺等傳感器，能夠準确識别工件，自主進行裝配，自動避讓人，實作人機協作。金屬增材制造裝置可以直接制造零件，DMG MORI已開發出能夠實作同時實作增材制造和切削加工的混合制造加工中心。智能物流裝置則包括自動化立體倉庫、智能夾具、AGV、桁架式機械手、懸挂式輸送鍊等。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、智能産線層
智能産線的特點是，在生産和裝配的過程中，能夠通過傳感器、數控系統或RFID自動進行生産、品質、能耗、裝置績效（OEE）等資料采集，并通過電子看闆顯示實時的生産狀态；通過安燈系統實作工序之間的協作；生産線能夠實作快速換模，實作柔性自動化；能夠支援多種相似産品的混線生産和裝配，靈活調整工藝，适應小批量、多品種的生産模式；具有一定備援，如果生産線上有裝置出現故障，能夠調整到其他裝置生産；針對人工操作的工位，能夠給予智能的提示。
4、智能工廠中的房間層
要實作對生産過程進行有效管控，需要在裝置聯網的基礎上，利用制造執行系統（MES）、先進生産排産（APS）、勞動力管理等軟體進行高效的生産排産和合理的人員排班，提高裝置使用率（OEE），實作生産過程的追溯，減少在制品庫存，應用人機界面（HMI），以及工業平闆等移動終端，實作生産過程的無紙化。另外，還可以利用Digital Twin(數字映射)技術将MES系統采集到的資料在虛拟的三維工廠中的房間模型中實時地展現出來，不僅提供工廠中的房間的VR（虛拟現實）環境，而且還可以顯示裝置的實際狀态，實作虛實融合。
工廠中的房間物流的智能化對于實作智能工廠至關重要。企業需要充分利用智能物流裝備實作生産過程中所需物料的及時配送。企業可以用DPS系統(Digital Picking System)實作物料揀選的自動化。
5、工廠管控層
工廠管控層主要是實作對生産過程的監控，通過生産指揮系統實時洞察工廠的營運，實作多個工廠中的房間之間的協作和資源的排程。流程制造企業已廣泛應用DCS或PLC控制系統進行生産管控，近年來，離散制造企業也開始建立中央控制室，實時顯示工廠的營運資料和圖表，展示裝置的運作狀态，并可以通過圖像識别技術對視訊監控中發現的問題進行自動報警。
美的工廠的生産監控中心
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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作IT系統與自動化系統的資訊內建；處理來源多樣的異構資料，包括裝置、生産、物料、品質、能耗等海量資料；應當進行科學的廠房布局規劃，在滿足生産工藝要求，優化業務流程的基礎上，提升物流效率，提高勞工工作的舒适程度。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教育訓練，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，因為不同行業的産品制造技術差别很大，智能工廠建設的目标和重點也有顯著差異。
2、建立明确的智能工廠标準
在智能工廠的建設中，企業往往會忽視管理與技術标準的建立，容易造成缺少資料标準，一物多碼；作業标準執行不到位；缺失裝置管理标準，不同的裝置采用不同的通訊協定，造成裝置內建難度大；管理流程複雜，職權利不比對；質檢标準執行不到位，導緻批次品質問題多等問題。是以，需要建立明确的智能工廠标準，例如，業務流程管理規範、裝置點檢維護标準和智能工廠評估标準等管理規範，智能裝備标準、智能工廠系統內建标準、工業網際網路标準以及主資料管理标準等技術标準。
3、重視智能加工單元建設
目前，智能加工單元在大陸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将CNC、工業機器人、加工中心以及自動化程度較低的裝置內建起來，使其具有更高的柔性，提高生産效率。
4、強調人機協作而不是機器換人
智能工廠的終極目标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。是以，人機協作将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複雜多變的工作任務，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，而機器人則擅長重複勞動。
5、積極應用新興技術
未來，AR（Augmented Reality，增強現實）技術将被大量應用到工廠的裝置維護和人員教育訓練中。勞工帶上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，進而提高作業人員的工作效率；維修人員可以通過實物掃碼，使虛拟模型與實物模型重合疊加，同時在虛拟模型中顯示出裝置型号、工作參數等資訊，并根據AR中的提示進行維修操作；AR技術還可以幫助裝置維修人員将實物運作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模組化、3D幾何模組化、可視化仿真與優化等技術實作對工廠靜态布局、動态物流過程等綜合仿真和分析，進而能夠先建立數字化的生産系統甚至全部工廠，依據既定工藝進行運作仿真。
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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，根據自身産品、工藝、裝置和訂單的特點，合理規劃智能工廠的建設藍圖。在推進規範化、标準化的基礎上，從最緊迫需要解決的問題入手，務實推進智能工廠的建設。
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