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當前,我國大多數(shù)企業(yè)、行業(yè)智能制造系統(tǒng)都還處于局部應用階段,只有少數(shù)大企業(yè)單項業(yè)務信息技術覆蓋面較高,關鍵業(yè)務環(huán)節(jié)應用系統(tǒng)之間實現(xiàn)了一定的協(xié)同和集成。從制造企業(yè)生產(chǎn)力水平來看,大量企業(yè)處于工業(yè)2.0要補課,有些企業(yè)處于工業(yè)3.0待普及,有個別企業(yè)處于工業(yè)4.0要示范。
智能制造系統(tǒng)解決方案的兩大發(fā)展趨勢
據(jù)行業(yè)專業(yè)人士分析,今后國內(nèi)智能制造系統(tǒng)解決方案將面臨三大發(fā)展趨勢。
第一大趨勢:智能制造是一項系統(tǒng)性工程,系統(tǒng)解決方案領域的合作將更加活躍。
智能制造發(fā)展具有復雜性、系統(tǒng)性,涉及設計、生產(chǎn)、物流、銷售、服務等產(chǎn)品全生命周期,涉及執(zhí)行設備層、控制層、管理層、企業(yè)層、云服務層、網(wǎng)絡層等企業(yè)系統(tǒng)架構(gòu),需要實現(xiàn)橫向集成、縱向集成和端到端集成。限于資金投入不足、技術研發(fā)周期較長以及工藝壁壘等因素,單個系統(tǒng)解決方案商很難滿足各個細分行業(yè)的智能制造發(fā)展需要,企業(yè)間將不斷加強協(xié)同創(chuàng)新,以強化智能制造系統(tǒng)解決方案供應能力。
第二大趨勢:智能制造系統(tǒng)架構(gòu)將進一步完善,工業(yè)軟件領域的集成與發(fā)展將成為重點。
從企業(yè)系統(tǒng)架構(gòu)來看,國內(nèi)目前還沒有出現(xiàn)能夠打通整個架構(gòu)體系的智能制造解決方案商,但隨著技術水平的不斷進步,系統(tǒng)解決方案提供商將不斷完善架構(gòu)體系。智能制造系統(tǒng)解決方案主要依托于軟硬件產(chǎn)品及系統(tǒng),實現(xiàn)制造要素和資源的相互識別、實時交互、信息集成。 從硬件層面來看,基于成本大幅降低的現(xiàn)實需要,硬件中通用性強的部分將日趨模塊化、標準化發(fā)展。從軟件層面來看,工業(yè)軟件存在于智能制造的每個角落,智能制造解決方案將更加倚重于與硬件層關系密切的軟件部分(SFC、MES、ERP、PLM)的集成與發(fā)展,其中MES是 軟件層中最核心部分。
我國智能工廠發(fā)展趨勢分析
當前,智能制造熱度高企,石化、鋼鐵、機械裝備制造、汽車制造、航空航天、飛機制造等行業(yè)紛紛開始探索建設智能工廠?!吨袊圃?025》明確提出要推進制造過程智能化,在重點領域試點建設智能工廠/數(shù)字化車間,這必將加速智能工廠在工業(yè)行業(yè)領域的應用推廣。預計未來3-5年,全國將涌現(xiàn)出一批智能工廠。
智能工廠的內(nèi)涵及建設重點
智能工廠是實現(xiàn)智能制造的重要載體,主要通過構(gòu)建智能化生產(chǎn)系統(tǒng)、網(wǎng)絡化分布生產(chǎn)設施,實現(xiàn)生產(chǎn)過程的智能化。企業(yè)基于CPS和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建的智能工廠原型,主要包括物理層、信息層、大數(shù)據(jù)層、工業(yè)云層、決策層。其中,物理層包含工廠內(nèi)不同層級的硬件設備,從最小的嵌入設備和基礎元器件開始,到感知設備、制造設備、制造單元和生產(chǎn)線,相互間均實現(xiàn)互聯(lián)互通。以此為基礎,構(gòu)建了一個“可測可控、可產(chǎn)可管”的縱向集成環(huán)境。信息層涵蓋企業(yè)經(jīng)營業(yè)務各個環(huán)節(jié),包含研發(fā)設計、生產(chǎn)制造、營銷服務、物流配送等各類經(jīng)營管理活動,以及由此產(chǎn)生的眾創(chuàng)、個性化定制、電子商務、可視追蹤等相關業(yè)務。在此基礎上,形成了企業(yè)內(nèi)部價值鏈的橫向集成環(huán)境,實現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息的流通和交換。
縱向集成和橫向集成均以CPS和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為基礎,產(chǎn)品、設備、制造單元、生產(chǎn)線、車間、工廠等制造系統(tǒng)的互聯(lián)互通,及其與企業(yè)不同環(huán)節(jié)業(yè)務的集成統(tǒng)一,則是通過數(shù)據(jù)應用和工業(yè)云服務實現(xiàn),并在決策層基于產(chǎn)品、服務、設備管理支撐企業(yè)最高決策。這些共同構(gòu)建了一個智能工廠完整的價值網(wǎng)絡體系,為用戶提供端到端的解決方案。
由于產(chǎn)品制造工藝過程的明顯差異,離散制造業(yè)和流程制造業(yè)在智能工廠建設的重點內(nèi)容有所不同。對于離散制造業(yè)而言,產(chǎn)品往往由多個零部件經(jīng)過一系列不連續(xù)的工序裝配而成,其過程包含很多變化和不確定因素,在一定程度上增加了離散型制造生產(chǎn)組織的難度和配套復雜性。企業(yè)常常按照主要的工藝流程安排生產(chǎn)設備的位置,以使物料的傳輸距離最小。面向訂單的離散型制造企業(yè)具有多品種、小批量的特點,其工藝路線和設備的使用較靈活,因此,離散制造型企業(yè)更加重視生產(chǎn)的柔性,其智能工廠建設的重點是智能制造生產(chǎn)線。
流程型制造業(yè)的特點是管道式物料輸送,生產(chǎn)連續(xù)性強,流程比較規(guī)范,工藝柔性比較小,產(chǎn)品比較單一,原料比較穩(wěn)定。對于流程制造業(yè)而言,由于原材料在整個物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中進行的是物理化學過程,難以實現(xiàn)數(shù)字化,而工序的連續(xù)性使得上一個工序?qū)ο乱粋€工序的影響具有傳導作用,即如果第一道工序的原料不可用,就會影響第二道工序。因此,流程型制造業(yè)智能工廠建設的重點在于實現(xiàn)生產(chǎn)工藝的智能優(yōu)化和生產(chǎn)全流程的智能優(yōu)化,即智能感知生產(chǎn)條件變化,自主決策系統(tǒng)控制指令,自動控制設備,在出現(xiàn)異常工況時,即時預測和進行自愈控制,排除異常、實現(xiàn)安全優(yōu)化運行;在此基礎上,智能感知物流、能源流和信息流的狀況,自主學習和主動響應,實現(xiàn)自動決策。
智能工廠主要建設模式
由于各個行業(yè)生產(chǎn)流程不同,加上各個行業(yè)智能化情況不同,智能工廠有以下幾個不同的建設模式。
第一種模式是從生產(chǎn)過程數(shù)字化到智能工廠。在石化、鋼鐵、冶金、建材、紡織、造紙、醫(yī)藥、食品等流程制造領域,企業(yè)發(fā)展智能制造的內(nèi)在動力在于產(chǎn)品品質(zhì)可控,側(cè)重從生產(chǎn)數(shù)字化建設起步,基于品控需求從產(chǎn)品末端控制向全流程控制轉(zhuǎn)變。因此其智能工廠建設模式為:一是推進生產(chǎn)過程數(shù)字化,在生產(chǎn)制造、過程管理等單個環(huán)節(jié)信息化系統(tǒng)建設的基礎上,構(gòu)建覆蓋全流程的動態(tài)透明可追溯體系,基于統(tǒng)一的可視化平臺實現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)全過程跨部門協(xié)同控制;二是推進生產(chǎn)管理一體化,搭建企業(yè)CPS系統(tǒng),深化生產(chǎn)制造與運營管理、采購銷售等核心業(yè)務系統(tǒng)集成,促進企業(yè)內(nèi)部資源和信息的整合和共享;三是推進供應鏈協(xié)同化,基于原材料采購和配送需求,將CPS系統(tǒng)拓展至供應商和物流企業(yè),橫向集成供應商和物料配送協(xié)同資源和網(wǎng)絡,實現(xiàn)外部原材料供應和內(nèi)部生產(chǎn)配送的系統(tǒng)化、流程化,提高工廠內(nèi)外供應鏈運行效率;四是整體打造大數(shù)據(jù)化智能工廠,推進端到端集成,開展個性化定制業(yè)務。
第二種模式是從智能制造生產(chǎn)單元(裝備和產(chǎn)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制造領域,企業(yè)發(fā)展智能制造的核心目的是拓展產(chǎn)品價值空間,側(cè)重從單臺設備自動化和產(chǎn)品智能化入手,基于生產(chǎn)效率和產(chǎn)品效能的提升實現(xiàn)價值增長。因此其智能工廠建設模式為:一是推進生產(chǎn)設備(生產(chǎn)線)智能化,通過引進各類符合生產(chǎn)所需的智能裝備,建立基于CPS系統(tǒng)的車間級智能生產(chǎn)單元,提高精準制造、敏捷制造能力。二是拓展基于產(chǎn)品智能化的增值服務,利用產(chǎn)品的智能裝置實現(xiàn)與CPS系統(tǒng)的互聯(lián)互通,支持產(chǎn)品的遠程故障診斷和實時診斷等服務;三是推進車間級與企業(yè)級系統(tǒng)集成,實現(xiàn)生產(chǎn)和經(jīng)營的無縫集成和上下游企業(yè)間的信息共享,開展基于橫向價值網(wǎng)絡的協(xié)同創(chuàng)新。四是推進生產(chǎn)與服務的集成,基于智能工廠實現(xiàn)服務化轉(zhuǎn)型,提高產(chǎn)業(yè)效率和核心競爭力。
第三種模式是從個性化定制到互聯(lián)工廠。在家電、服裝、家居等距離用戶最近的消費品制造領域,企業(yè)發(fā)展智能制造的重點在于充分滿足消費者多元化需求的同時實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟生產(chǎn),側(cè)重通過互聯(lián)網(wǎng)平臺開展大規(guī)模個性定制模式創(chuàng)新。因此其智能工廠建設模式為:一是推進個性化定制生產(chǎn),引入柔性化生產(chǎn)線,搭建互聯(lián)網(wǎng)平臺,促進企業(yè)與用戶深度交互、廣泛征集需求,基于需求數(shù)據(jù)模型開展精益生產(chǎn);二是推進設計虛擬化,依托互聯(lián)網(wǎng)逆向整合設計環(huán)節(jié),打通設計、生產(chǎn)、服務數(shù)據(jù)鏈,采用虛擬仿真技術優(yōu)化生產(chǎn)工藝;三是推進制造網(wǎng)絡協(xié)同化,變革傳統(tǒng)垂直組織模式,以扁平化、虛擬化新型制造平臺為紐帶集聚產(chǎn)業(yè)鏈上下游資源,發(fā)展遠程定制、異地設計、當?shù)厣a(chǎn)的網(wǎng)絡協(xié)同制造新模式。
智能工廠發(fā)展重點環(huán)節(jié)
隨著未來智能工廠發(fā)展浪潮的逼近。未來,將有幾個行業(yè)或者領域迎來發(fā)展高潮。
首先是虛擬仿真設計。隨著三維數(shù)字化技術的發(fā)展,傳統(tǒng)的以經(jīng)驗為主的模擬設計模式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榛谌S建模和仿真的虛擬設計模式,使未來的智能工廠能夠通過三維數(shù)字建模、工藝虛擬仿真、三維可視化工藝現(xiàn)場應用,避免傳統(tǒng)的“三維設計模型→二維紙質(zhì)圖紙→三維工藝模型”研制過程中信息傳遞鏈條的斷裂,摒棄二維、三維之間轉(zhuǎn)換,提高產(chǎn)品研發(fā)設計效率,保證產(chǎn)品研發(fā)設計質(zhì)量。
隨著仿真技術的發(fā)展,原有的對工件幾何參數(shù)及干涉進行校驗的幾何仿真逐漸轉(zhuǎn)變成產(chǎn)品加工、裝配、拆卸、切削和成型過程的物理仿真,使未來的智能工廠實現(xiàn)在復雜虛擬環(huán)境下對產(chǎn)品運行生產(chǎn)效果進行仿真分析和驗證,以達到產(chǎn)品開發(fā)周期和成本的最低化、產(chǎn)品設計質(zhì)量的最優(yōu)化和生產(chǎn)效率的最高化,增強企業(yè)的競爭能力。
未來我國應著重突破MBD技術、物理仿真引擎系統(tǒng)架構(gòu)、仿真模型三個環(huán)節(jié)。
其次是網(wǎng)絡化智能設備。生產(chǎn)設備的智能化程度將在網(wǎng)絡化條件下得到快速提升,傳統(tǒng)制造模式出現(xiàn)顛覆性的變革,具體表現(xiàn)高度密集的生產(chǎn)設備、生產(chǎn)設備智能化和柔性化制造方式這三個方面。
隨著技術的進步以及人工成本的逐漸上升,未來工廠內(nèi)所有工作逐漸由系統(tǒng)控制的核心生產(chǎn)設備來實現(xiàn),工作人員不直接參與生產(chǎn)第一線工作,只是從事一些新產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)工藝改進、新機器設備發(fā)明創(chuàng)新等高質(zhì)量復雜勞動。高度密集的生產(chǎn)設備將使未來智能工廠的生產(chǎn)成本逐漸降低,產(chǎn)品質(zhì)量將得到大幅提升。
在生產(chǎn)設備智能化方面,生產(chǎn)設備聯(lián)網(wǎng)助力未來工廠日益智能化。生產(chǎn)設備依托安全的生產(chǎn)網(wǎng)絡和系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)智能校正、智能診斷、智能控制、智能管理等功能和生產(chǎn)設備之間的智能化信息交換,協(xié)同性和開放性明顯提升。智能化生產(chǎn)設備的應用,使未來智能工廠生產(chǎn)過程更加靈活、高效并具有可持續(xù)發(fā)展性。
在柔性化制造方式方面,增材制造方式促進智能工廠日漸綠色化和柔性化。傳統(tǒng)的材料去除加工方法將逐漸被低耗能、低污染甚至無污染的增材制造方式所取代,這種制造方式尤其適合動力設備、航空航天、汽車等高端產(chǎn)品上的關鍵零部件的生產(chǎn)。
再次是模塊化定制生產(chǎn)。多批次、小產(chǎn)量的生產(chǎn)盈利能力在模塊化生產(chǎn)方式下逐漸得到提升,產(chǎn)品日益滿足消費者個性化需求,具體表現(xiàn)在模塊生產(chǎn)和模塊組裝這兩個方面。
在模塊生產(chǎn)方面,生產(chǎn)可自由組合的模塊助力智能工廠日益集約化。傳統(tǒng)的固定生產(chǎn)線將無法滿足客戶定制化需求而逐漸消失,可動態(tài)組合的模塊化生產(chǎn)方式將成為主流。在模塊化生產(chǎn)方式下,產(chǎn)品被分解成無數(shù)個具有不同用途或性能的模塊。每個模塊將通過制造執(zhí)行系統(tǒng)被生產(chǎn)出來,杜絕未來智能工廠的浪費環(huán)節(jié),保證質(zhì)量、優(yōu)化成本、縮短周期。
在模塊組裝方面,標準化、通用化模塊之間的組合提升智能工廠定制化生產(chǎn)盈利能力。根據(jù)產(chǎn)品的性能、結(jié)構(gòu)選擇滿足需求的模塊,通過模塊結(jié)構(gòu)的標準化,將選取出的各模塊自由組裝出滿足客戶個性化需求的產(chǎn)品,使未來智能工廠產(chǎn)品的品種更豐富、功能更齊全、性能更穩(wěn)定。
大數(shù)據(jù)化精益管理。產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)和管理方式通過工業(yè)大數(shù)據(jù)挖掘和分析逐漸得到創(chuàng)新,工廠管理日趨精益化。具體表現(xiàn)在客戶價值管理、精益生產(chǎn)和精益供應鏈這三個方面。
在客戶價值管理方面,基于大數(shù)據(jù)的客戶價值提升趨勢明顯。隨著移動互聯(lián)、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術逐漸滲透到產(chǎn)品生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié),大數(shù)據(jù)配套軟硬件的日益完善,安全性和標準化程度的逐步提升,通過對客戶與工業(yè)企業(yè)之間的交互和交易行為方面大數(shù)據(jù)的分析,產(chǎn)品的研發(fā)設計呈現(xiàn)出眾包化發(fā)展趨勢,同時產(chǎn)品售后服務得到不斷改進和完善。
在精益生產(chǎn)方面,基于大數(shù)據(jù)的生產(chǎn)制造日益精益化。制造企業(yè)通過實時收集生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的大數(shù)據(jù),對生產(chǎn)設備診斷、用電量、能耗、質(zhì)量事故等方面進行分析與預測,能夠及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的錯誤與瓶頸并進行優(yōu)化。通過運用大數(shù)據(jù)技術,未來智能工廠實現(xiàn)生產(chǎn)制造的精益化,提升生產(chǎn)過程的透明度、綠色性、安全性和產(chǎn)品的質(zhì)量。
在精益供應鏈方面,基于大數(shù)據(jù)的供應鏈優(yōu)化趨勢顯著。隨著大數(shù)據(jù)基礎條件的日益成熟,制造企業(yè)能夠獲得完整的產(chǎn)品供應鏈方面的大數(shù)據(jù),通過對這些大數(shù)據(jù)的分析,預測零配件價格走勢、庫存等情況,克服傳統(tǒng)供應鏈中缺乏協(xié)調(diào)和信息共享等問題,避免牛鞭效應的發(fā)生,實現(xiàn)供應鏈的優(yōu)化。基于大數(shù)據(jù)的精益供應鏈管理消減了智能工廠整個供應鏈條中成本和浪費情況,提升了倉儲和配送效率,實現(xiàn)了無庫存或庫存達到極小。
最后是柔性化新型人機交互。人與機器的信息交換方式隨著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于生產(chǎn)制造領域。具體表現(xiàn)在智能交互設備柔性化和智能交互設備工業(yè)領域應用這兩個方面。
在智能交互設備柔性化方面,技術和硬件的不斷更新有利于智能交互設備日益柔性化優(yōu)勢的形成。隨著移動互聯(lián)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、人機交互和識別技術等核心技術的發(fā)展,交互設備硬件日趨柔性化,智能交互設備逐漸呈現(xiàn)出設計自由新穎、低功耗、經(jīng)摔耐用、貼近人體等優(yōu)勢,這就為未來智能工廠新型人機交互的實現(xiàn)提供了基礎。
在智能交互設備工業(yè)領域應用方面,柔性化智能交互設備助力智能工廠新型人機交互方式的實現(xiàn)。隨著技術融合步伐的加快,柔性化智能交互設備從個人消費領域被逐漸引入到制造業(yè),作為生產(chǎn)線裝配及特殊環(huán)節(jié)工作人員的技術輔助工具,使工作人員與周邊的智能設備進行語音、體感等新型交互。智能交互設備工業(yè)領域的應用,提升了未來智能工廠的透明度和靈活性。
北京機械工業(yè)自動化研究所有限公司(以下簡稱北自所)創(chuàng)建于1954年,是原機械工業(yè)部直屬的綜合性科研機構(gòu),1999年轉(zhuǎn)制為中央直屬大型科技企業(yè),現(xiàn)隸屬于國資委監(jiān)管的中國機械科學研究總院集團有限公司。...
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