光電裝備制造業(yè)智能工廠建設研究

劉曉莉

（焦作大學機電工程學院，河南 焦作454003）

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計算等新技術的發(fā)展，全球工業(yè)面臨著前所未有的機遇和挑戰(zhàn)。以信息通信技術為支撐，各國致力于制造業(yè)的轉型升級，以確保在全球新的制造業(yè)格局中占據(jù)領先地位。德國提出工業(yè)4.0發(fā)展戰(zhàn)略，美國提出工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)策略，中國發(fā)布《中國制造2025》戰(zhàn)略，表明制造業(yè)已經進入“互聯(lián)網(wǎng)+”時代，智能制造已成為未來制造業(yè)發(fā)展的核心，智能工廠是實現(xiàn)智能制造技術的關鍵[1]。

1.智能工廠的發(fā)展現(xiàn)狀

智能制造是信息化與工業(yè)化深度融合的產物，是互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)在數(shù)字化工廠領域的創(chuàng)新應用。智能制造系統(tǒng)具有一定程度的人工智能，通過分析、學習、思考、決策，指揮制造設備進行制造活動。智能工廠不單純依靠人工智能系統(tǒng)，它將人的智慧與機器的智能相結合，是人機高度一體化的體現(xiàn)。智能工廠能更好地發(fā)揮人的主體作用，使人類擺脫某些環(huán)節(jié)的腦力和體力勞動，實現(xiàn)生產管理效率與經濟效益的最大化。

傳統(tǒng)離散制造業(yè)加工工藝復雜，從原材料到零件加工完成，經過鑄、鍛、車、刨、銑、磨等工藝，加工車間大部分處于人工、半自動化、自動化的混合模式。要實現(xiàn)對零部件加工過程的精確控制，合理的生產規(guī)劃是前提條件，生產計劃的動態(tài)調整亦不可或缺。在傳統(tǒng)離散制造業(yè)中，生產過程管理的各個環(huán)節(jié)都依靠人來實現(xiàn)，生產管理效率的進一步提升勢在必行。面對全球制造業(yè)轉型升級的熱潮，為提升生產管理效率，提高生產管理水平，增強行業(yè)競爭力，國內制造業(yè)正在積極探索適合中國工業(yè)實際的智能工廠的發(fā)展模式[2]。

作為首批智能制造試點企業(yè)之一，海爾集團從2008年起對生產制造系統(tǒng)進行智能化改造,建成多條智能化生產線，探索出互聯(lián)工廠發(fā)展模式[2]，為家電行業(yè)的智能化改造樹立起典范。海爾打造的互聯(lián)工廠采用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術，構建面向用戶的智能制造平臺，將用戶的個性化需求與智能制造系統(tǒng)對接，實現(xiàn)柔性化、大規(guī)模定制的生產。此外，海爾還提供實時信息以供查詢，用戶可以跟蹤產品設計、制造及物流每個環(huán)節(jié)?；ヂ?lián)工廠模式下，海爾的產能進一步提升，產品交付周期縮短了6～14 d，能源利用率提升5%。

三一重工是裝備制造業(yè)的領軍者，積極探索“互聯(lián)網(wǎng)+”工業(yè)模式，在長沙投建了亞洲最大的數(shù)字化制造車間，成為機械制造業(yè)數(shù)字化車間的一個樣本。三一重工推廣應用集資源、質量、管控、精益于一體的數(shù)字化工廠技術；自主研發(fā)ECC“客戶服務平臺”，建立企業(yè)與設備的信息交互通道，對制造過程中設備的運行數(shù)據(jù)進行分析，同時通過客戶互動中心、CRM、互聯(lián)網(wǎng)產品的建設，打造智能服務云平臺。以數(shù)字化車間、智能裝備、智能服務為核心的全產業(yè)鏈的示范應用，全球協(xié)同化研發(fā)體系的實施，使得三一集團新品研發(fā)周期縮短30%，生產周期縮短28%，生產效率提高24%以上[3]。

2.智能工廠的關鍵因素

2.1 數(shù)字化技術

數(shù)字化技術不僅對產品三維幾何信息、制造信息和特征性進行描述，而且從性能仿真、工程試制，到市場推廣和服務，整個過程進行數(shù)字化定義，實現(xiàn)數(shù)字化制造。

數(shù)字化設備是構建智能工廠的必備硬件設施，是實現(xiàn)自動生產、智能控制、智能檢測的前提。應用智能輔助設計軟件構建三維虛擬樣機，以虛擬樣機代替實物樣機進行碰撞干涉檢查、運動軌跡仿真、人機工程測試，及時發(fā)現(xiàn)產品設計、工藝設計、工裝設計中是否存在性能與可制造性方面的問題。建立試驗數(shù)據(jù)庫，將模擬仿真與試驗數(shù)據(jù)相結合，通過智能化仿真試驗積累數(shù)據(jù)，進行回歸分析，形成系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，及時地將試驗結果回饋給設計，為設計階段提供有力支撐。

2.2 傳感器技術

傳感器是智能工廠的感知層，能夠感知制造環(huán)境的變化，用于監(jiān)測制造設備的運行情況，實時提供生產裝調狀態(tài)信息，是智能制造系統(tǒng)動態(tài)數(shù)據(jù)的主要來源之一。傳感器不斷檢測生產的各個環(huán)節(jié)，將采集到的數(shù)據(jù)通過信息處理系統(tǒng)呈現(xiàn)給管理人員，可實現(xiàn)生產進度的跟蹤，或傳遞到制造執(zhí)行系統(tǒng)實現(xiàn)對生產設備的動態(tài)控制。

2.3 通信技術

通過工業(yè)網(wǎng)絡技術和互聯(lián)網(wǎng)等通信技術把傳感器、控制器、機器、人員和物等聯(lián)在一起，實現(xiàn)人與機、機與物、機與機相互聯(lián)通，形成信息化、遠程管理控制和智能化的網(wǎng)絡[4]。通過互聯(lián)網(wǎng)，可快速獲取用戶需求，根據(jù)需求實現(xiàn)快速定制化生產，以需求為導向引發(fā)物流管理變革。在通信技術的影響下，制造業(yè)研制模式逐漸發(fā)展成跨地域、跨單位的協(xié)同設計、異地制造、全球服務，形成深度協(xié)作工作模式。

2.4 數(shù)據(jù)信息處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)信息處理系統(tǒng)對客戶交互平臺、數(shù)字化設備、傳感器網(wǎng)絡采集到的海量數(shù)據(jù)進行處理，動態(tài)更新系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，對生產現(xiàn)場的多元信息存儲、分析、計算、整理，實現(xiàn)倉儲、物流與配送自動化、科研與生產計劃動態(tài)管理；對設備故障進行預判、報警，根據(jù)設備運行狀態(tài)和產品加工流程，通過算法機制實現(xiàn)對加工設備的優(yōu)化選型[5]；根據(jù)產品檢測數(shù)據(jù)，自行判斷產品合格與否，實現(xiàn)質量檢驗全程的可追溯管理。

3.智能工廠的建設路線

當前，我國光電裝備制造業(yè)已經進入了國際化階段，但與發(fā)達國家制造業(yè)之間仍存在差距。光電裝備制造業(yè)產品種類多、批量小、工藝流程復雜多變，是典型的離散型制造業(yè)，智能工廠的建設極具推廣應用價值。河南平原光電有限公司作為中國兵器工業(yè)北方光電集團的一員，是光電制造行業(yè)國有企業(yè)的一個縮影。

公司經過近20年的建設和發(fā)展，建成了較為完善的數(shù)字化制造體系，在兵器數(shù)字化研制能力成熟度評估中，成熟度達到平臺級，位于兵器集團所屬企業(yè)的先進水平。公司已經制定數(shù)據(jù)庫標準體系，建立覆蓋設計、工藝、制造、管理等方面的基礎數(shù)據(jù)庫；建設完成集企業(yè)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)管理為一體的開放型數(shù)據(jù)庫平臺；搭建了適用于光電系統(tǒng)裝備產品的數(shù)字化協(xié)同研發(fā)環(huán)境，形成了規(guī)范的產品研制流程和有序的項目管控。

光電裝備制造業(yè)由于生產工藝的復雜性，對制造設備的智能化要求更高。但公司目前智能設施的占有率不高，也未達到開展全方位三維數(shù)字化樣機的虛擬仿真試驗的條件。產品的信息采集、人機交互、可追溯性以及智能化服務等還有待加強。與智能制造所要求的生產設備網(wǎng)絡化、生產數(shù)據(jù)可視化、生產文檔無紙化、生產過程透明化、生產現(xiàn)場無人化等先進技術的應用，縱向、橫向和端到端的集成、優(yōu)質、高效、低耗、清潔、靈活的生產之間存在很大差距，裝備智能化、智能檢測、智能的倉儲與物流管理等需進一步建設。

公司以“創(chuàng)新驅動、質量為先、綠色發(fā)展、人才為本”為指導思想，以裝備智能化、生產智能化、物流智能化、管理智能化、服務智能化為發(fā)展目標（圖1），提出智能工廠的架構（圖2）。

圖1 智能工廠的建設目標

以信息物理融合系統(tǒng)為基礎，以適用于光電行業(yè)的數(shù)字化標準體系、信息系統(tǒng)安全體系為支撐，圍繞光電智能產品，開展智能設計、智能生產、智能經營、智能決策的體系化建設，通過企業(yè)信息門戶實現(xiàn)企業(yè)智能制造過程綜合數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、決策數(shù)據(jù)的全面呈現(xiàn)[4]。加強管理信息化建設，改善客戶、供應商、合作伙伴關系，伴隨著生產方式、服務方式的不斷變化形成經營管理的快速響應機制。構建面向服務、可彈性擴展的一體化制造數(shù)據(jù)中心，為企業(yè)制造過程的大數(shù)據(jù)分析、存儲及計算提供強有力的基礎設施保障。

通過“光電系統(tǒng)信息化協(xié)同平臺”的建設，實現(xiàn)設計、工藝、加工仿真、分析一體化，在形成數(shù)字幾何樣機的基礎上，進一步實現(xiàn)性能樣機數(shù)字化、功能樣機測試化，全面提升光電產品的模塊化、智能化和可靠性。

重點開展精密機械制造車間、光電元件制造車間、裝配調試車間、物理樣機環(huán)境測試中心設備的智能化改造，采用有線或低頻無線一體化的網(wǎng)絡，重組工控網(wǎng)絡、生產網(wǎng)絡和辦公網(wǎng)絡，以現(xiàn)有工廠級MES系統(tǒng)為基礎，形成智能生產系統(tǒng)，實現(xiàn)智能化生產過程，開展企業(yè)生產物流管理、人機互動以及三維建模技術在工業(yè)生產過程中的深度應用等工作[5]。

統(tǒng)籌考慮設備和網(wǎng)絡開放帶來的安全風險，提供端到端的安全保障。同時，對智能制造設備和生產過程產生的大量數(shù)據(jù)有效加以利用，構建先進的制造云平臺，提供生產數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)分析和處理，優(yōu)化生產流程，保證產品質量，提高生產效率和生產安全；有效保障設備與設備之間、設備與制造云數(shù)據(jù)中心之間的數(shù)據(jù)交換，為智能工廠提供網(wǎng)絡基礎。

圖2 智能工廠架構

4.結論

采用全新的數(shù)字化技術，搭建數(shù)據(jù)集中、平臺統(tǒng)一、分層管理的信息集成平臺，建立數(shù)字化產品研發(fā)一體化和上下游協(xié)同設計與制造體系，不斷優(yōu)化核心業(yè)務管控流程，構筑扁平化的全新管理模式，建設業(yè)務透明化、制造智能化、物流自動化、管理程序化、監(jiān)控高效化、決策科學化、信息安全化的智能工廠，是光電制造業(yè)縮短制造周期、提高質量及生產效率的有效途徑。