智能工廠綜述

張泉靈,洪艷萍

(1.浙江大學(xué)智能系統(tǒng)與控制研究所，浙江 杭州 310027;2.浙江中控軟件技術(shù)有限公司,浙江 杭州 310053)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能制造已成為當今制造業(yè)的主題。2013年，德國“工業(yè)4.0”在漢諾威工業(yè)博覽會上正式推出后，就在全球范圍內(nèi)引發(fā)了新一輪的工業(yè)轉(zhuǎn)型競賽。德國“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略計劃是以智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命。其涉及兩大主題：一是智能工廠，重點研究智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及過程，以及網(wǎng)絡(luò)化分布式生產(chǎn)設(shè)施的實現(xiàn)；二是智能生產(chǎn)，主要涉及整個企業(yè)的生產(chǎn)物流管理、人機互動以及增材制造在工業(yè)生產(chǎn)過程中的應(yīng)用等。在中國，國務(wù)院在2015年印發(fā)了《中國制造2025》[1]，智能制造是其中的五大工程之一。作為流程工業(yè)的智能制造，智能工廠的建設(shè)已經(jīng)成為流程工業(yè)企業(yè)的熱點之一。

1 智能工廠政策環(huán)境

1.1 智能制造政策

智能制造是當今全球制造業(yè)的發(fā)展趨勢和核心內(nèi)容，也是制造業(yè)升級的方向。我國針對智能制造推出了一系列政策。

①《中國制造2025》[1]。該文件于2015年5月8日正式發(fā)布，描繪了建設(shè)制造強國的藍圖：通過30年的努力，到中國建國一百周年時，中國從制造大國成為世界一流的制造強國。按照《中國制造2025》的要求，要把智能制造作為制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要突破口和抓手，而智能工廠是智能制造的關(guān)鍵之一。

②智能制造試點示范專項活動。2015～2017年，工信部連續(xù)三年印發(fā)《關(guān)于開展2015年智能制造試點示范專項行動的通知》，共有198個智能制造試點示范項目，涉及流程型智能制造、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造、大規(guī)模個性化定制等智能制造新模式，分布已經(jīng)逐步拓展到全國范圍。

③智能制造綜合標準化與新模式。智能制造綜合標準化與新模式應(yīng)用重點項目庫包括兩類：一是智能制造綜合標準化試驗驗證類項目；二是智能制造新模式應(yīng)用類項目。2017年，智能工廠標準列入工信部第四季度標準計劃。2018年3月，工信部正式印發(fā)《智能制造綜合標準化與新模式應(yīng)用項目管理工作細則》，進一步明確智能制造綜合標準化與新模式應(yīng)用項目的組織管理。

1.2 大數(shù)據(jù)政策

2015年，國務(wù)院印發(fā)《促進大數(shù)據(jù)發(fā)展行動綱要》，明確大數(shù)據(jù)行業(yè)的發(fā)展方向。2016年，工信部印發(fā)《大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2016-2020年)》，全面部署“十三五”時期大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展工作，強化大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展能力，推動促進數(shù)據(jù)開放與共享、加強技術(shù)產(chǎn)品研發(fā)、深化應(yīng)用創(chuàng)新、完善發(fā)展環(huán)境和提升安全保障能力。

1.3 “互聯(lián)網(wǎng)+”政策

2015年7月，《國務(wù)院關(guān)于積極推進“互聯(lián)網(wǎng)+”行動的指導(dǎo)意見》正式發(fā)布。該文件提出“互聯(lián)網(wǎng)+”協(xié)同制造，推動互聯(lián)網(wǎng)與制造業(yè)融合，提升制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化水平，加強產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)作，發(fā)展基于互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)同制造新模式。該行動計劃與智能工廠最緊密的聯(lián)系是：“互聯(lián)網(wǎng)+”協(xié)同制造、“互聯(lián)網(wǎng)+”電子商務(wù)和“互聯(lián)網(wǎng)+”人工智能。以智能工廠為發(fā)展方向，開展智能制造試點示范，將有效支撐制造業(yè)智能化轉(zhuǎn)型，構(gòu)建開放、共享、協(xié)作的智能制造產(chǎn)業(yè)生態(tài)。

2017年11月19日，國務(wù)院印發(fā)《關(guān)于深化“互聯(lián)網(wǎng)+先進制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的指導(dǎo)意見》，提出到21世紀中葉，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展能力、技術(shù)產(chǎn)業(yè)體系以及融合應(yīng)用等全面達到國際先進水平，綜合實力進入世界前列。2017年，《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)(版本1.0)》、《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標準體系框架(版本1.0)》發(fā)布，涌現(xiàn)出一批典型平臺和企業(yè)。

1.4 物聯(lián)網(wǎng)政策

近年來，我國高度重視物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，且把物聯(lián)網(wǎng)上升為國家戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)。2017年1月，工信部發(fā)布《物聯(lián)網(wǎng)“十三五”規(guī)劃》，明確了物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)“十三五”的發(fā)展目標。2017年6月，工信部辦公廳下發(fā)了《關(guān)于全面推進移動物聯(lián)網(wǎng)(narrow band Internet of Things,NB-IoT)建設(shè)發(fā)展》的通知。未來物聯(lián)網(wǎng)的扎實落地將助力智能工廠進一步升級。

2 智能工廠國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 智能工廠國外發(fā)展現(xiàn)狀

21世紀，為了在新一輪工業(yè)革命中搶占先機，世界各國紛紛加快智能制造的發(fā)展腳步。2006年，美國國會發(fā)布《美國競爭力計劃》，正式提出要重點研究信息物理系統(tǒng)(cyber-physical system,CPS)，并將其用于交通、能源、制造等重點領(lǐng)域[2]。

“工業(yè)4.0”最早由德國聯(lián)邦教研部與聯(lián)邦經(jīng)濟技術(shù)部聯(lián)手資助，在德國工程院、弗勞恩霍夫協(xié)會、西門子公司等德國學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的建議和推動下形成，并上升為國家戰(zhàn)略。2011年，德國政府公布《高技術(shù)戰(zhàn)略2020》，全面部署工業(yè)4.0戰(zhàn)略的實施[3]；2013年正式發(fā)布工業(yè)4.0，展示了工業(yè)4.0基礎(chǔ)平臺，正式上升為德國國家戰(zhàn)略[1]。德國工業(yè)4.0戰(zhàn)略正是以CPS為基本模型[4]。CPS強調(diào)控制技術(shù)、計算技術(shù)和通信技術(shù)的深度融合和互相協(xié)作[5]，并把通信放在與計算和控制的同等地位上。學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界對CPS的應(yīng)用理論研究主要涉及系統(tǒng)模型、系統(tǒng)調(diào)度策略、系統(tǒng)分布式計算等方面[6]，近年對于智能工廠具體實現(xiàn)的研究也不斷深入、細化。

2009年，奧巴馬政府公布《重振美國制造業(yè)框架》，將引領(lǐng)美國經(jīng)濟走出困境的突破口聚焦在“再工業(yè)化”，并于2011年和2012年相繼出臺《先進制造伙伴計劃》和《先進制造業(yè)國家戰(zhàn)略計劃》。在這場工業(yè)變革中，通用電氣(general electric，GE)試圖將大型的工業(yè)機器與傳感器和軟件等分析工具連接起來，從海量數(shù)據(jù)的分析中尋找價值，占領(lǐng)戰(zhàn)略高地。在GE的倡導(dǎo)下，美國多家科技巨頭籌建了“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟(indnstrial internet consortium,IIC)”，嘗試建立互聯(lián)網(wǎng)工業(yè)標準體系[7-8]。

韓國、日本等也相繼開始了智能工廠研究計劃。韓國2009年制定《新增長動力規(guī)劃及發(fā)展戰(zhàn)略》，確定綠色技術(shù)、尖端產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域的17項新興產(chǎn)業(yè)為新增長動力；2015年5月，日本政府設(shè)立了“機器人革命行動協(xié)議會”。2015年6月，民間團體“Industrial Value Chain Initiative(IVI)”成立，其目標是構(gòu)建智能工廠“參考模型”。印度2011年啟動《信息物理系統(tǒng)創(chuàng)新中心》，大幅提升印度企業(yè)使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水平。

目前，世界上尚無完整意義上的智能工廠案例，各國都在進行積極探索。世界知名的流程型能源化工企業(yè)在智能化建設(shè)方面走在世界前列。例如，Shell公司采用以羅密歐(ROMeo)為基礎(chǔ)的實時優(yōu)化(real time optimization,RTO)技術(shù)，識別并采取最佳的措施應(yīng)對工況變化，對生產(chǎn)過程進行在線智能優(yōu)化；BP公司應(yīng)用三維虛擬技術(shù)，在三維數(shù)字工廠中實現(xiàn)了設(shè)備的智能化管理和維護；ExxonMobil公司采用商業(yè)智能、數(shù)據(jù)可視化等技術(shù)，建立統(tǒng)一的關(guān)鍵績效指標(key performance indicator,KPI)信息平臺，實現(xiàn)了決策智能化[9]。

國外典型的智能工廠服務(wù)商如下。

①西門子。專注于電氣化、自動化和數(shù)字化領(lǐng)域，西門子數(shù)字化工廠集團的產(chǎn)品組合將產(chǎn)品生命周期的主要環(huán)節(jié)順暢地連接起來，為制造企業(yè)提供無縫集成的軟硬件和技術(shù)服務(wù)。如借助產(chǎn)品生命周期管理(product life-cycle management,PLM)軟件，西門子可以在完全虛擬的基礎(chǔ)上開發(fā)和優(yōu)化新產(chǎn)品；在真實的制造領(lǐng)域，全集成自動化(totally intergrated automation,TIA)概念已在20年來證實了其價值，可確保所有自動化組件的互操作性。2016年，西門子還發(fā)布了基于云的開放式物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)MindSpehere。其智能工廠案例有：德國安貝格智能工廠、成都數(shù)字化工廠。

②GE。2015年，GE回歸“制造為主業(yè)”，是世界上最大的、提供技術(shù)和服務(wù)業(yè)務(wù)的跨國工業(yè)公司。GE在2016年推出了助力數(shù)字工業(yè)企業(yè)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺Predix，由微軟提供基礎(chǔ)云服務(wù)，同時與華為、英特爾等硬件制造商合作，為其供應(yīng)傳感器、網(wǎng)關(guān)等數(shù)據(jù)采集傳輸設(shè)備。目前，GE已推出各類工業(yè)應(yīng)用超過250個。其智能工廠案例有：波蘭智能工廠。

③ABB。2017年ABB發(fā)布了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺ABB Ability，定義為從設(shè)備、邊緣計算到云服務(wù)的跨行業(yè)、一體化的數(shù)字化解決方案。該解決方案整合了現(xiàn)有ABB產(chǎn)品組合和服務(wù)方案，覆蓋所有客戶行業(yè)。

④施耐德。不同于2007定位能效管理平臺的EcoStruxure，施耐德2017年發(fā)布的新一代EcoStruxure，是基于物聯(lián)網(wǎng)、開放的、具有交互性的系統(tǒng)化架構(gòu)與平臺。它將所有行業(yè)應(yīng)用分為互聯(lián)互通的產(chǎn)品、邊緣控制與應(yīng)用、分析與服務(wù)3個層級。

⑤艾默生。通過工業(yè)自動化、網(wǎng)絡(luò)能源、過程管理等技術(shù)，艾默生扎根技術(shù)與工程領(lǐng)域，有全面的智能儀表產(chǎn)品線。2017年發(fā)布的Plantweb數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)，是原有Plantweb數(shù)字工廠結(jié)構(gòu)的擴展，包含一系列基于標準、規(guī)模可變的硬件、軟件、數(shù)字設(shè)備和服務(wù)，可安全地實現(xiàn)工業(yè)物聯(lián)。其智能工廠解決方案有：Plantweb數(shù)字工廠。

⑥霍尼韋爾。2016年，霍尼韋爾正式將工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(industrial Internet of Things,IIOT)作為集團發(fā)展的重要戰(zhàn)略，在過程控制部成立了數(shù)字化轉(zhuǎn)型業(yè)務(wù)單元?；裟犴f爾工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)注與實時生產(chǎn)的緊密結(jié)合，將工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)定義為六層立體架構(gòu)，由下而上包括實時感知層、數(shù)據(jù)連接層、接口層、云服務(wù)層、分析計算層以及應(yīng)用層。

2.2 智能工廠國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

當前，我國制造企業(yè)正面臨巨大的轉(zhuǎn)型壓力。勞動力成本迅速攀升、產(chǎn)能過剩、競爭激烈、客戶個性化需求日益增長等因素，迫使制造企業(yè)從低成本競爭策略轉(zhuǎn)向建立差異化競爭優(yōu)勢。同時，物聯(lián)網(wǎng)、智能機器人、增材制造、預(yù)測性維護、機器視覺等新興技術(shù)迅速興起，為制造企業(yè)推進智能工廠建設(shè)提供了良好的技術(shù)支撐。隨著國家和地方政府的大力扶持，多方因素促使各行業(yè)中越來越多的大中型企業(yè)開啟了智能工廠建設(shè)的征程。

2.2.1 智能制造試點示范專項行動

目前，工信部已經(jīng)連續(xù)3年實施智能制造試點示范專項行動。2015年，有46個試點示范項目入選，覆蓋了38個行業(yè)；2016年，有63個試點示范項目，覆蓋了45個行業(yè)；2017年，項目數(shù)量達到了97個。據(jù)不完全統(tǒng)計，流程工業(yè)智能制造入選項目如表1所示。

表1 智能制造試點示范項目

2.2.2 智能制造綜合標準與新模式應(yīng)用

工信部發(fā)布了“2016年智能制造綜合標準化與新模式應(yīng)用項目”，144個如智能工廠、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、機器人等有典型意義的項目入選。2017年“智能制造綜合標準化與新模式應(yīng)用項目”中，標準化類項目有43個，新模式類項目有165個。據(jù)不完全統(tǒng)計，流程工業(yè)智能制造入選智能制造綜合標準化與新模式應(yīng)用項目如表2所示。

表2 智能制造綜合標準化與新模式應(yīng)用項目

2.2.3 國內(nèi)典型服務(wù)商

①石化盈科。在立足國內(nèi)石化行業(yè)的基礎(chǔ)上，積極開拓其他市場。它以智能工廠為抓手，“平臺+服務(wù)”為核心，期望將智能制造平臺打造成流程行業(yè)智能工廠的操作系統(tǒng)標準，降低流程企業(yè)走向智能工廠的門檻。

石化盈科智能工廠解決方案如圖1所示。

圖1 智能工廠解決方案

②中控。針對流程工業(yè)企業(yè)這樣的復(fù)雜系統(tǒng)，中控提出了智能工廠建設(shè)整體解決方案。中控流程工業(yè)企業(yè)智能工廠功能架構(gòu)如圖2所示[10]。

圖2 智能工廠功能架構(gòu)

方案主要包括：智能服務(wù)數(shù)據(jù)交換體系、3個智能化管控平臺(以分布式控制系統(tǒng)為核心的生產(chǎn)過程自動化智能控制平臺；以制造執(zhí)行系統(tǒng)為核心的企業(yè)生產(chǎn)管理智能服務(wù)平臺；以企業(yè)資源計劃為核心的企業(yè)生產(chǎn)運營智能服務(wù)平臺)、十大智能業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)。

2.2.4 國內(nèi)典型應(yīng)用

①九江石化。2015年，中石化九江石化智能工廠試點被工信部列為2015年國家智能制造試點示范項目，成為石化行業(yè)唯一入選單位。九江石化的智能制造信息一體化模式如圖3所示[11]。

圖3 智能制造信息一體化模式

其效果主要表現(xiàn)為：加工噸原油邊際效益在沿江排名第一；2013年，實現(xiàn)自成立以來首次扭虧為盈；2014年，煉油外排污水達到行業(yè)先進水平；化學(xué)需氧量 53.7 mg/L(同比下降41.6%)，氨氮2.7 mg/L(同比下降79.1%)；汽油占原油收率位居集團公司第2位；97#汽油占原油收率位居集團公司首位；增值指數(shù)位列集團公司首位。

②新疆天業(yè)。新疆天業(yè)2016年入選工信部智能制造試點單位。該企業(yè)與中控圍繞企業(yè)“節(jié)能減排、流程優(yōu)化、減人增效、綠色安全”等管理目標，以智能工廠建設(shè)為契機，建設(shè)了生產(chǎn)管控信息化支撐系統(tǒng)，為企業(yè)創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟效益。在裝備自動化方面，對PVC、燒堿車間的生產(chǎn)線進行了智能化改造，人工減少50%，操作誤差降低80%；在智能檢測層面，對涉及12個生產(chǎn)板塊的10萬多塊儀表進行了改造、聯(lián)網(wǎng)，為企業(yè)實現(xiàn)泛在感知奠定了堅實的基礎(chǔ)；在智能控制層面，建設(shè)了13個分廠的9套控制系統(tǒng)，控制效果達到設(shè)計要求；在智能操作層面，針對不同板塊分別實施先進控制或能源管理，效果顯著；在生產(chǎn)運營方面，建立了企業(yè)資源計劃、辦公自動化等管理平臺，通過智能工作流引擎促進經(jīng)營管理業(yè)務(wù)的高效與協(xié)同，大大提高了生產(chǎn)管理的質(zhì)量和效率。同時，基于工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺，建立了基于原料、產(chǎn)量、質(zhì)量、設(shè)備等主題的分析模型，幫助管理者進行科學(xué)決策，優(yōu)化管理與生產(chǎn)。新疆天業(yè)和中控合作建設(shè)的 “六層面”智能工廠解決方案如圖4所示。

圖4 “六層面”智能工廠解決方案

3 智能工廠發(fā)展趨勢

一方面，從全球來看，工業(yè)控制系統(tǒng)領(lǐng)域的巨頭都紛紛以工業(yè)互聯(lián)和智能為核心的產(chǎn)業(yè)協(xié)同模式，搭建企業(yè)信息全集成的工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺，進一步提升工業(yè)信息化水平。從工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的競爭格局可知，未來智能工廠發(fā)展的新浪潮是趨向平臺化、系統(tǒng)化的大工程。另一方面，智能工廠建設(shè)主要依托于軟硬件產(chǎn)品及系統(tǒng)。工業(yè)軟件的集成與發(fā)展作為其核心，必將成為重點，尤其是與硬件層關(guān)系密切的軟件部分，如制造執(zhí)行系統(tǒng)、企業(yè)資源計劃、PLM等。此外，通用性強的硬件也將朝著模塊化、標準化方向發(fā)展。未來的智能工廠是更加自動化、信息化、智能化、平臺化的，將借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)人、設(shè)備與產(chǎn)品的實時聯(lián)通、精準識別、有效交互與智能控制，幫助企業(yè)實現(xiàn)安全、綠色、高效、節(jié)能的生產(chǎn)愿景，全面提升企業(yè)競爭力。

4 結(jié)束語

在智能制造的熱潮下，企業(yè)不宜盲目跟風(fēng)。建設(shè)智能工廠應(yīng)圍繞企業(yè)的中長期發(fā)展戰(zhàn)略，根據(jù)自身產(chǎn)品、工藝、設(shè)備和個性化的特點，合理進行智能工廠的整體規(guī)劃，建立明確的智能工廠管理規(guī)范和評估、維護、系統(tǒng)集成等各類標準。企業(yè)在推進規(guī)范化、標準化的基礎(chǔ)上，從最迫切需要解決的問題入手，務(wù)實推進智能工廠的建設(shè)。