數(shù)字化綠色智能工廠設(shè)計(jì)研究

歐陽澤敏，李晶晶

（1.合肥江淮汽車制管有限公司，安徽 合肥 230000；2.天津神州數(shù)碼有限公司，天津 300000）

0 引言

近些年來，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速，推動(dòng)了我國各個(gè)行業(yè)、領(lǐng)域的進(jìn)步，帶動(dòng)了工廠建設(shè)領(lǐng)域，數(shù)字化、智能化趨勢(shì)的興起，由此助力了企業(yè)的穩(wěn)定可持續(xù)發(fā)展。在工廠建設(shè)中，通過構(gòu)建生產(chǎn)智能化體系、全廠優(yōu)化體系、高效經(jīng)營體系、安全受控全面感知體系，可以順利達(dá)成自動(dòng)化生產(chǎn)、信息化管理、智能化企業(yè)的戰(zhàn)略目標(biāo)，保證企業(yè)智能化發(fā)展。在工廠生產(chǎn)作業(yè)過程中，還要注意維持良好的生產(chǎn)環(huán)境，由此提升職工的工作熱情以及對(duì)企業(yè)的認(rèn)同感。為此，需應(yīng)用綠色化、數(shù)字智能技術(shù)進(jìn)行工廠設(shè)計(jì)，提高工廠建設(shè)效果。

1 數(shù)字化智能工廠的架構(gòu)設(shè)計(jì)

在進(jìn)行數(shù)字化綠色智能工廠設(shè)計(jì)的過程中，一般是以冶金流程學(xué)為理論基礎(chǔ)，其設(shè)計(jì)目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)整體制造生產(chǎn)流程及單元工序和裝置的功能-結(jié)構(gòu)-效率優(yōu)化，同時(shí)也需要對(duì)空間和平面的布置進(jìn)行優(yōu)化和完善，對(duì)于時(shí)間以及時(shí)序可以進(jìn)行較好的安排，對(duì)排放循環(huán)進(jìn)行一定的控制，這樣才能提升生產(chǎn)過程中的物質(zhì)流、能量流以及信息流的效率，提高工作質(zhì)量和工作效率[1]。

構(gòu)建數(shù)字化智能工廠的架構(gòu)，在這一過程中需要應(yīng)用較為先進(jìn)的建設(shè)工藝、制造過程，并且需要集中監(jiān)控建設(shè)生產(chǎn)的供應(yīng)鏈，同時(shí)也需要在制造的過程中采用先進(jìn)、科學(xué)的管理方式。工廠需要完善健全相關(guān)協(xié)同體系，比如說需要形成設(shè)備級(jí)、單元級(jí)、車間級(jí)、工廠級(jí)、企業(yè)級(jí)等，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、銷售、質(zhì)量、資源、運(yùn)輸、售后服務(wù)等產(chǎn)品相關(guān)功能模塊的智能化制造管控模式。

在設(shè)計(jì)工廠的過程中，應(yīng)用數(shù)字化、智能化以及綠色建設(shè)時(shí)，主要以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算等新興科學(xué)技術(shù)與生產(chǎn)制造相關(guān)的工作流程進(jìn)行完美融合，這樣才能健全智能裝備、智能工廠、智能互聯(lián)為一體的智能制造體系，積極利用應(yīng)用智能化技術(shù)進(jìn)行分析決策、全供應(yīng)鏈管控、產(chǎn)品生產(chǎn)制造。

目前階段，企業(yè)一般通過對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)銷售智能一體化進(jìn)行有效協(xié)調(diào)，并在這一過程中融合跨專業(yè)業(yè)務(wù)，以此提升管理工作的質(zhì)量和效率，同時(shí)也可以提高職工的執(zhí)行能力，提升工作效率和工作質(zhì)量。除此之外，需要在生產(chǎn)經(jīng)營整體過程中積極應(yīng)用模型化以及智能裝備，這樣才能在一定程度上提升整體生產(chǎn)操作的自動(dòng)化。

2 實(shí)施方案與工廠建設(shè)

2.1 智能工廠的實(shí)施方案

從當(dāng)前數(shù)字化綠色智能工廠設(shè)計(jì)的發(fā)展來看，主要是以“中國制造2025”為主要指導(dǎo)方向，基于生產(chǎn)制造的流程，設(shè)定特定流程網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)保證其有序運(yùn)行，同時(shí)需要將信息化系統(tǒng)與物理系統(tǒng)二者進(jìn)行完美融合，進(jìn)而展開相應(yīng)的設(shè)計(jì)，這樣才能構(gòu)建一種強(qiáng)化流程協(xié)同、多目標(biāo)優(yōu)化以及各層級(jí)相互聯(lián)系溝通的五級(jí)智能制造為一體化的生產(chǎn)經(jīng)營系統(tǒng)，才能在行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)作為只能制造的標(biāo)桿[2]。

2.1.1 統(tǒng)籌管控、智能決策

在進(jìn)行數(shù)字化綠色智能工廠設(shè)計(jì)的過程中，首先需要完善健全綜合管控中心，并以管控中心為基礎(chǔ)，對(duì)工廠內(nèi)外的各種信息資源進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、歸納、分類等，并對(duì)信息資源進(jìn)行統(tǒng)一、規(guī)模化的加工處理工作。應(yīng)用智能化科技對(duì)工廠的生產(chǎn)進(jìn)行監(jiān)督控制，并且對(duì)指揮工作進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)度，這樣可以展現(xiàn)出較為完整、科學(xué)、可靠的關(guān)鍵數(shù)據(jù)以及相關(guān)的圖表。除此之外，也需要對(duì)工廠的生產(chǎn)經(jīng)營、設(shè)備使用、產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品銷售、物流運(yùn)輸、能源使用、環(huán)境保護(hù)等工作環(huán)節(jié)進(jìn)行全面的掌控，并根據(jù)相應(yīng)的問題做出適合的決策，這樣才能形成智能化的分析決策方案。搭建完善健全的綜合管控中心，使生產(chǎn)經(jīng)營所涉及的各項(xiàng)工作環(huán)節(jié)和部門可以進(jìn)行有效的溝通、合作，解決在生產(chǎn)過程中遇見的各種問題，比如說生產(chǎn)問題、原材料問題、能源平衡問題以及物流運(yùn)輸問題等，使各個(gè)部門之間構(gòu)建良好的溝通渠道，同樣也可以使信息資源做到快遞共享，統(tǒng)一明確上級(jí)下達(dá)的各項(xiàng)指令，這樣有助于提升企業(yè)決策的效率以及企業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量，保證企業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。

除此之外，綜合管控中心可以改善在實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)營過程中的不良習(xí)慣，用準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和進(jìn)行相關(guān)決策，管理人員以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行對(duì)問題進(jìn)行思考，同時(shí)提升管理工作的質(zhì)量和效率，這樣做也可以營造一個(gè)數(shù)字化的工作環(huán)境，有效地提升了工廠的軟實(shí)力，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)工廠數(shù)字化發(fā)展的目標(biāo)。

2.1.2 精益生產(chǎn)、工序協(xié)同

為了提高對(duì)生產(chǎn)過程中精準(zhǔn)度的可控性，需要綜合生產(chǎn)使用的機(jī)械設(shè)備、生產(chǎn)運(yùn)用的生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量、物料、能源使用以及物流運(yùn)輸?shù)?，并以時(shí)間和空間數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以連續(xù)緊湊、動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)為生產(chǎn)目標(biāo)，對(duì)資源進(jìn)行最優(yōu)配置、對(duì)指揮進(jìn)行調(diào)度以及安排計(jì)劃[3]。協(xié)同處理生產(chǎn)經(jīng)營中的各項(xiàng)工作的過程中，需要有效地處理工序關(guān)系集合的相關(guān)關(guān)系，比如說低溫工序與高溫工序、上游工序與下游工序、間歇工序與連續(xù)工序、以及串聯(lián)工序與并聯(lián)工序等等之間存在的關(guān)系。制定工廠內(nèi)部各生產(chǎn)制造部門之間的工序合作計(jì)劃，這樣才能形成具有實(shí)時(shí)性的可視化看板，實(shí)時(shí)監(jiān)督各工序的運(yùn)行狀態(tài)、生產(chǎn)情況、設(shè)備情況以及作業(yè)時(shí)間等環(huán)境因素，當(dāng)工序節(jié)奏發(fā)生變化時(shí)可以及時(shí)對(duì)計(jì)劃進(jìn)行安排，處理日常生產(chǎn)過程中遇見的各項(xiàng)問題，并進(jìn)行更為有效的管理工作。

相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)人員對(duì)工廠的整體生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)形成工序電子化看板，在進(jìn)行生產(chǎn)經(jīng)營的過程中積極運(yùn)用拉動(dòng)方式進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)，可以即使發(fā)現(xiàn)在實(shí)際生產(chǎn)的過程中出現(xiàn)的工序間異常問題，并針對(duì)具體問題制定科學(xué)、合理的解決措施，這樣做在很大程度上減少了在工序間出現(xiàn)等待的問題，最大程度上保證了間歇運(yùn)行裝置可以進(jìn)行服從連續(xù)運(yùn)行裝置，同時(shí)也讓間歇運(yùn)行過程中出現(xiàn)的各項(xiàng)工作流程，可以完美的與連續(xù)運(yùn)行進(jìn)行融合，使各項(xiàng)運(yùn)行裝置相結(jié)合，形成完善的準(zhǔn)連續(xù)運(yùn)行的系統(tǒng)，這樣在很大程度上提升了生產(chǎn)流程的準(zhǔn)連續(xù)性以及連續(xù)性程度，保證了生產(chǎn)活動(dòng)可以高效穩(wěn)定的開展。

2.1.3 全局控制、精準(zhǔn)執(zhí)行

在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，可以根據(jù)生產(chǎn)活動(dòng)的實(shí)際情況以及所需要使用的各項(xiàng)能源、設(shè)備、物流運(yùn)輸?shù)龋源藶榛A(chǔ)建立相互剛性聯(lián)系和互聯(lián)互通的信息化系統(tǒng)，這樣在能在最大限度上實(shí)現(xiàn)智能化工廠的建設(shè)，并將生產(chǎn)過程中的各項(xiàng)業(yè)務(wù)功能與完整工序功能進(jìn)行聚集，除此之外，也需要對(duì)生產(chǎn)工序以及全流程系統(tǒng)運(yùn)行等不同階層的信息進(jìn)行全面的收集、歸納和整理。工廠在進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)的過程中，需要對(duì)物料、訂單等各項(xiàng)控制信息以及各種生產(chǎn)指令，進(jìn)行科學(xué)化的分類，并將各項(xiàng)工作流程和工作細(xì)節(jié)通過系統(tǒng)下發(fā)至相關(guān)的子系統(tǒng)和人機(jī)界面，并實(shí)時(shí)進(jìn)行更加精準(zhǔn)化的控制，然后對(duì)實(shí)時(shí)信息和生產(chǎn)過程中進(jìn)行相關(guān)的監(jiān)督，并反饋各項(xiàng)細(xì)節(jié)以及問題和措施，建立完善健全的追溯數(shù)據(jù)鏈，可以在物料、訂單、生產(chǎn)工序等方面進(jìn)行全面的追蹤和監(jiān)督，這樣可以在一定程度上使生產(chǎn)和管理工作更加細(xì)致化，而且也使管理工作滲透到各項(xiàng)工作環(huán)節(jié)和細(xì)節(jié)之中，實(shí)現(xiàn)綜合精益管理的發(fā)展目標(biāo)。同時(shí)也讓生產(chǎn)進(jìn)度透明化，隨時(shí)查看生產(chǎn)進(jìn)度；實(shí)時(shí)了解原材料的庫存情況，避免由于缺少原材料導(dǎo)致生產(chǎn)延期；對(duì)出現(xiàn)異常的訂單為工作人員提供相應(yīng)的預(yù)警；制作更為全面的生產(chǎn)報(bào)表，并對(duì)相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)序的分析和歸納總結(jié)；對(duì)于出現(xiàn)的質(zhì)量問題可以追溯問題的源頭；除此之外到達(dá)了全局控制、精準(zhǔn)執(zhí)行的發(fā)展目標(biāo)。

2.1.4 工藝模型、人工智能

工廠在進(jìn)行智能化、數(shù)字化的發(fā)展時(shí)，一般會(huì)引進(jìn)較為先進(jìn)的模型，同時(shí)也會(huì)根據(jù)工廠的實(shí)際情況進(jìn)行自主開發(fā)，并對(duì)已經(jīng)在使用過程中的技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化完善，在這一過程中會(huì)應(yīng)用到大量數(shù)字化技術(shù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等科學(xué)技術(shù)，這樣在能在最大程度上提升對(duì)模型控制的精準(zhǔn)度[4]。在生產(chǎn)經(jīng)營的過程中，可以應(yīng)用智能物料管理控制系統(tǒng)、自動(dòng)化生產(chǎn)智能化系統(tǒng)、智能判定系統(tǒng)以及性能預(yù)警系統(tǒng)等。工廠在進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)的過程中，應(yīng)用多元化的智能模型，在很大程度上提升了工藝的精準(zhǔn)控制程度，同時(shí)也有助于提升工作質(zhì)量和工作效率，保證工廠的經(jīng)濟(jì)效益，進(jìn)而促進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展。

目前階段，我國機(jī)器人裝備和無人裝備等智能化技術(shù)發(fā)展良好，并且也在進(jìn)一步的進(jìn)行完善和優(yōu)化，因此工廠在進(jìn)行生產(chǎn)經(jīng)營的過程中也可以積極應(yīng)用這類智能化裝置設(shè)備，比如說無人天車等裝置。這些裝備的應(yīng)用可以改善高危作業(yè)的工作環(huán)境，在一定程度上保證了工作人員的人身安全，保證了生產(chǎn)的工作效率，同時(shí)也保證了產(chǎn)品的質(zhì)量，提升企業(yè)企業(yè)形象，除此之外也保證無人化和智能化在生產(chǎn)運(yùn)營中使用的穩(wěn)定性和可靠性。

2.2 數(shù)字化智能工廠建設(shè)

設(shè)計(jì)是一切工程建設(shè)的基礎(chǔ)和源頭，對(duì)于三位數(shù)字化設(shè)計(jì)來講更是重中之重，不可或缺，一般在進(jìn)行薩內(nèi)數(shù)字化設(shè)計(jì)的過程中以數(shù)字化以及智能化工廠的數(shù)據(jù)信息作為基礎(chǔ)，以此設(shè)計(jì)相關(guān)的工藝模型和信息。在進(jìn)行工程項(xiàng)目的過程中，會(huì)涉及工藝、管道、電氣、水源、混凝土、鋼結(jié)構(gòu)等是多種專業(yè)領(lǐng)域和行業(yè)，建設(shè)時(shí)需要以“工廠對(duì)象”為核心標(biāo)準(zhǔn)，將設(shè)計(jì)過程中由采購、制造、安裝等階段產(chǎn)生的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)化的統(tǒng)計(jì)處理，使數(shù)據(jù)資源具有規(guī)?；徒Y(jié)構(gòu)化的特點(diǎn)，同時(shí)也需要根據(jù)工廠對(duì)象的實(shí)際情況構(gòu)建符合生產(chǎn)運(yùn)營所需要的數(shù)據(jù)庫資源，將建設(shè)制造的整體過程進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，搭建符合實(shí)際情況的數(shù)據(jù)地圖，進(jìn)而形成構(gòu)建數(shù)字化、智能化綠色工廠所需要的各項(xiàng)企業(yè)靜態(tài)資產(chǎn)數(shù)據(jù)。

2.3 數(shù)字化、智能化工廠建設(shè)中的綠色設(shè)計(jì)

2.3.1 總圖布置以及能源應(yīng)用

在進(jìn)行工廠建設(shè)的過程中，需要根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)經(jīng)營規(guī)模以及特點(diǎn)應(yīng)用一次規(guī)劃和分期實(shí)施，比如說建設(shè)廠房的過程中可以分期建設(shè)，對(duì)于生產(chǎn)過程中需要應(yīng)用的生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行分期采購等方式，這樣可以滿足產(chǎn)品的生產(chǎn)，同時(shí)也可以促進(jìn)企業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。相關(guān)工作人員在進(jìn)行總體工藝設(shè)計(jì)的過程中需啊喲充分考慮到分期銜接的問題，對(duì)資源和能源進(jìn)行充分、有效的利用，保證其利用率，同時(shí)也需要注意投資的技術(shù)經(jīng)濟(jì)的合理性[5]。因此在進(jìn)行廠區(qū)設(shè)計(jì)的過程中，需要以工廠生產(chǎn)產(chǎn)品的特點(diǎn)為基礎(chǔ)，同時(shí)也需要考慮到生產(chǎn)工藝，進(jìn)而對(duì)廠區(qū)進(jìn)行科學(xué)、合理的規(guī)劃，比如說可以按照生產(chǎn)工藝或者是生產(chǎn)流程對(duì)各個(gè)廠房進(jìn)行分區(qū)建設(shè)和布置，各廠房之間可以使用機(jī)械化設(shè)備建設(shè)成為運(yùn)輸連廊，這樣可以縮短運(yùn)輸距離，提升運(yùn)行效率，也在一定程度上降低了能源消耗程度。除此之外，也需要對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行精心布置，對(duì)于設(shè)備方面需要考慮到節(jié)能問題，選擇節(jié)能高效的設(shè)備，這樣也可以提升設(shè)備的開動(dòng)率，在一定程度上降低了設(shè)備的空載時(shí)間，有助于節(jié)約能源。合理選擇能源種類，可以保證企業(yè)的而經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也可以降低工廠的綜合能源消耗情況，推動(dòng)工廠綠色發(fā)展。

2.3.2 工廠能源選擇

一般工廠在進(jìn)行生產(chǎn)的過程中，機(jī)械設(shè)備所需要使用的能源量比較大，因此在進(jìn)行能源選擇的過程中，需要堅(jiān)持“減量化，再利用，資源化”的原則，這樣可以從根本上對(duì)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行保護(hù)，同時(shí)也可以從根源上對(duì)資源以及能源消耗進(jìn)行控制，提升能源的利用率。選擇能源種類的過程中一定要選擇那些使用環(huán)保、節(jié)能、可再生的資源。從目前資源利用的情況來看，除了比較傳統(tǒng)的資源以外，較為常見的就是太陽能、風(fēng)能、余熱回收等資源。地源熱泵也在近階段廣泛應(yīng)用的一種能源，主要是對(duì)土壤內(nèi)所處儲(chǔ)存的太陽能資源進(jìn)行有效利用，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，進(jìn)而形成供暖制冷空調(diào)系統(tǒng)。目前我國太陽能資源較為豐富，太陽能發(fā)電也是一種清潔能源方式，也被大范圍地應(yīng)用，因此我國也加強(qiáng)了對(duì)新能源的開發(fā)和利用，降低二氧化碳排放量，對(duì)太陽能發(fā)電技術(shù)也進(jìn)行了進(jìn)一步的研究。

3 結(jié)語

綜上所述，隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷進(jìn)步，人們?cè)絹碓介_始重視新能源、綠色發(fā)展，更重視環(huán)境保護(hù)，因此在工廠設(shè)計(jì)的過程中，也逐漸向此方向靠攏，積極建設(shè)“綠色工廠”。受到當(dāng)前先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)的影響，在建造綠色工廠的過程中，通常會(huì)應(yīng)用到先進(jìn)的數(shù)字化、智能化技術(shù)，以此保證工廠智能化發(fā)展，并且也促進(jìn)生產(chǎn)、管理、運(yùn)輸、銷售等一體化發(fā)展。