工業(yè)化和信息化的深度融合，正在加速中國制造向智能制造轉(zhuǎn)型的步伐。而在眾多智能制造實踐中，智能工廠主要是借助于各種生產(chǎn)管理工具、軟件、系統(tǒng)和智能設(shè)備，打通企業(yè)從設(shè)計、生產(chǎn)到銷售、維護(hù)的各個環(huán)節(jié)，實現(xiàn)產(chǎn)品仿真設(shè)計、生產(chǎn)自動排程、信息上傳下達(dá)、生產(chǎn)過程監(jiān)控、質(zhì)量在線監(jiān)測、物料自動配送等智能化生產(chǎn)。借此，將進(jìn)一步推動企業(yè)運(yùn)作的眾多運(yùn)營系統(tǒng)間橫向整合的能力，互聯(lián)制造系統(tǒng)間垂直整合的能力，以及整個價值鏈端到端、全面整合的能力。

在后繼可預(yù)見的相當(dāng)長一段時間內(nèi)，基于智能制造理念下的智能工廠建設(shè)，將成為中國工業(yè)企業(yè)自身發(fā)展的主旋律，并持續(xù)演進(jìn)提升、不斷優(yōu)化。

智能工廠是什么

“智能工廠”一詞表示通過互聯(lián)互通的信息技術(shù)/運(yùn)營技術(shù)格局，實現(xiàn)工廠車間決策及洞察與供應(yīng)鏈以及整個企業(yè)其他部分的融合。也就是說，智能工廠并不僅僅是簡單的自動化，更是一個柔性系統(tǒng)，能夠自行優(yōu)化整個網(wǎng)絡(luò)的表現(xiàn)，自行適應(yīng)并實時或近實時學(xué)習(xí)新的環(huán)境條件，并自動運(yùn)行整個生產(chǎn)流程，在工廠車間內(nèi)自動運(yùn)作，同時與具有類似生產(chǎn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)甚至整個數(shù)字化供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。

智能工廠真正強(qiáng)大之處在于能夠根據(jù)企業(yè)不斷變化的需要發(fā)展和成長。由于具備更為強(qiáng)大的計算和分析能力，并擁有更為廣泛的智能互聯(lián)資產(chǎn)生態(tài)系統(tǒng)，智能工廠能使企業(yè)以過去相對困難甚至不可能完成的方式適應(yīng)變化。

從信息化技術(shù)角度來看，智能工廠是在數(shù)字化的基礎(chǔ)上，利用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)加強(qiáng)信息管理服務(wù)，提高生產(chǎn)過程可控性、減少生產(chǎn)線人工干預(yù)，以及合理計劃排程。同時，集智能系統(tǒng)等新興技術(shù)于一體，構(gòu)建高效、節(jié)能、綠色、環(huán)保、舒適的人性化工廠。

智能工廠的建設(shè)要素

智能工廠沒有唯一結(jié)構(gòu)，成功打造智能工廠也沒有唯一途徑。雖然存在生產(chǎn)線布局、產(chǎn)品、自動化設(shè)備等方面的差異性，但每個智能工廠獲得成功的必要技術(shù)元素其實有共同之處，例如網(wǎng)絡(luò)能力、數(shù)據(jù)處理、設(shè)備管理、質(zhì)量管理、產(chǎn)線計劃、管控指揮等。

1.網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)

互聯(lián)互通是智能工廠的基礎(chǔ)。企業(yè)應(yīng)該對設(shè)備與設(shè)備之間如何互聯(lián)，采用怎樣的通信方式、通信協(xié)議和接口方式等問題建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而實現(xiàn)對設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和機(jī)床聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。設(shè)備聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)采集是企業(yè)建設(shè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，而生產(chǎn)現(xiàn)場的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議繁多，各類現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)無線網(wǎng)技術(shù)為智能工廠的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)也帶來了較高的復(fù)雜性。

在當(dāng)前眾多工廠網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，IT和OT兩層網(wǎng)絡(luò)之間的融合通信是關(guān)鍵。這要求工廠構(gòu)建扁平、融合、開放的工廠網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提供低延時、高可靠的通信網(wǎng)絡(luò)，將IT和OT設(shè)備都統(tǒng)一接入到同一個網(wǎng)絡(luò)中，實現(xiàn)控制信息等實時數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)信息等非實時數(shù)據(jù)在同一網(wǎng)絡(luò)中傳輸，滿足工業(yè)生產(chǎn)過程實時監(jiān)控、自動控制、業(yè)務(wù)管理等需求。此外，還要按需部署無線網(wǎng)絡(luò)，采用Wi-Fi、RFID、4G/5G、NB-IoT、LoRa、ZigBee、藍(lán)牙等多種無線技術(shù)和定位技術(shù)，實現(xiàn)工廠有線無線網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，解決信息孤島問題，滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)對于生產(chǎn)全流程、無死角的網(wǎng)絡(luò)覆蓋需求，支撐工廠的信息采集、生產(chǎn)控制等應(yīng)用需求。

2.數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)是智能工廠建設(shè)的血液。在智能工廠運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，會產(chǎn)生設(shè)計、工藝、制造、倉儲、物流、質(zhì)量、人員等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可能分別來自ERP、MES、APS、WMS、QIS等應(yīng)用系統(tǒng)。

而工業(yè)大數(shù)據(jù)主要遍布在智能工廠信息化和自動化系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)，通過與人工智能模型和各類機(jī)理模型的結(jié)合，能有效提升數(shù)據(jù)的利用價值，為實現(xiàn)更高階智能工廠提供關(guān)鍵技術(shù)。

從數(shù)據(jù)采集開始，生產(chǎn)階段工業(yè)大數(shù)據(jù)的驅(qū)動力體現(xiàn)在數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析和數(shù)據(jù)反饋指導(dǎo)生產(chǎn)。在生產(chǎn)階段，需要對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、篩選、關(guān)聯(lián)、融合、索引、挖掘，構(gòu)建應(yīng)用分析模式；在制造階段，通過對制造執(zhí)行系統(tǒng)中所采集的生產(chǎn)單元分配、資源狀態(tài)管理、產(chǎn)品跟蹤管理等信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，能夠為合理的庫存管理、計劃排程制定提供數(shù)據(jù)支撐，同時，通過結(jié)合實時數(shù)據(jù)，還能對產(chǎn)品生產(chǎn)流程進(jìn)行評估及預(yù)測，對生產(chǎn)過程進(jìn)行實時監(jiān)控、調(diào)整，實現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同優(yōu)化，完成數(shù)據(jù)由信息到價值的轉(zhuǎn)變。

3.設(shè)備管理

設(shè)備是生產(chǎn)要素，發(fā)揮設(shè)備的效能是智能工廠生產(chǎn)管理的基本要求。因此，生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)需要完善設(shè)備管理能力，使設(shè)備釋放出最高的產(chǎn)能，通過生產(chǎn)的合理安排，使設(shè)備尤其是關(guān)鍵、瓶頸設(shè)備減少等待時間。

在工業(yè)領(lǐng)域，面向設(shè)備管理的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)該滿足以下要求：

數(shù)據(jù)收集和分析：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)部署在數(shù)據(jù)管理和部署規(guī)模方面具有獨特的特征。它使用的數(shù)據(jù)類型、收集方法和分析可能來自于高度復(fù)雜和定制的機(jī)器中部署的傳感器和軟件；具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境：在許多情況下，用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的傳感器和其他敏感網(wǎng)絡(luò)設(shè)備大多部署在惡劣環(huán)境中，包括高溫、極冷、高濕度和通風(fēng)不良的環(huán)境中，這時就需要特殊的物聯(lián)網(wǎng)傳感器和網(wǎng)絡(luò)硬件。

質(zhì)量控制：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵特性之一是系統(tǒng)收集的大部分?jǐn)?shù)據(jù)都涉及自動化質(zhì)量控制流程。

提高效率：提升能源效率是設(shè)備管理的關(guān)鍵任務(wù)之一，將人工智能實施到工廠設(shè)備中以使其保持最佳運(yùn)行水平，并有針對性地實現(xiàn)現(xiàn)代化工廠。

提高供應(yīng)鏈可視性：許多工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)項目旨在提供端到端供應(yīng)鏈可視性，以此避免配備內(nèi)置數(shù)字化筒倉的供應(yīng)鏈典型盲點。

改造設(shè)備：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)項目通常涉及使用物聯(lián)網(wǎng)傳感器改造工業(yè)設(shè)備，包括制造設(shè)備、叉車和存儲容器。

4.質(zhì)量控制

質(zhì)量控制在信息系統(tǒng)中需嵌入生產(chǎn)主流程，如檢驗、試驗等，并在生產(chǎn)訂單中作為工序或任務(wù)來處理；質(zhì)量控制的流程、表單、數(shù)據(jù)需與生產(chǎn)訂單相互關(guān)聯(lián)、穿透；此外，企業(yè)還需要構(gòu)建質(zhì)量管理的基本工作路線并持續(xù)改進(jìn)。

在眾多質(zhì)量控制理論、檢測控制裝備和各種實踐方法中，基于新一代人工智能和機(jī)器視覺為主導(dǎo)的工業(yè)質(zhì)量檢測方式已經(jīng)逐步發(fā)展成熟。在深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展起來之前，機(jī)器視覺已經(jīng)長期應(yīng)用在工業(yè)自動化系統(tǒng)中，如儀表板智能集成測試、金屬板表面自動控傷、汽車車身檢測、紙幣印刷質(zhì)量檢測、金相分析、流水線生產(chǎn)檢測等等。

此外，在制造流水線上，還有大量的工業(yè)機(jī)器人。如果其中一個機(jī)器人出現(xiàn)了故障，可能造成大量的不合格品。如果能在故障發(fā)生以前檢知，就可以有效做出預(yù)防，減少損失。基于人工智能和IOT技術(shù)，通過在工廠各個設(shè)備加裝傳感器，對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，并利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立設(shè)備故障的模型，則可以在故障發(fā)生前，對故障提前進(jìn)行預(yù)測，并將可能發(fā)生故障的工件進(jìn)行替換，從而保障設(shè)備的持續(xù)無故障運(yùn)行。

5.生產(chǎn)計劃

首先從計劃源頭上確保計劃的科學(xué)化、精準(zhǔn)化。通過集成，從ERP等上游系統(tǒng)讀取主生產(chǎn)計劃后，利用信息化手段進(jìn)行自動排產(chǎn)，按交貨期、精益生產(chǎn)、生產(chǎn)周期、最優(yōu)庫存、同一裝夾優(yōu)先、已投產(chǎn)訂單優(yōu)先等多種高級排產(chǎn)算法，自動生成的生產(chǎn)計劃可準(zhǔn)確到每一道工序、每一臺設(shè)備、每一分鐘，并使交貨期最短、生產(chǎn)效率最高、生產(chǎn)最均衡化。這是對整個生產(chǎn)過程進(jìn)行科學(xué)管理的基礎(chǔ)。

目前，將產(chǎn)品、設(shè)備、整條生產(chǎn)線和工廠基礎(chǔ)設(shè)施以數(shù)字化的方式呈現(xiàn)，實現(xiàn)“數(shù)字孿生”已經(jīng)成為可能，并主要用于產(chǎn)品開發(fā)或生產(chǎn)規(guī)劃階段，能夠讓提升開發(fā)流程的效率，改善質(zhì)量，有助于利益相關(guān)方之間的信息共享。通過結(jié)合產(chǎn)品和生產(chǎn)線的數(shù)字孿生，能夠在實際啟動前模擬測試新的生產(chǎn)流程并進(jìn)行優(yōu)化。如果能與合作伙伴共同使用數(shù)字孿生，則能夠讓他們更好地優(yōu)化自己的流程進(jìn)行匹配。

6.指揮管控

智能工廠管控指揮系統(tǒng)是整個工廠的數(shù)字化窗口，通過企業(yè)全方位的數(shù)據(jù)采集和實時分析，能夠?qū)崿F(xiàn)智能工廠實時監(jiān)控、調(diào)度，生產(chǎn)過程監(jiān)控，實時洞察工廠運(yùn)營，并實現(xiàn)多個車間之間的協(xié)作和資源調(diào)度的日常管理輔助決策。在此基礎(chǔ)上，能夠幫助用戶實時掌握生產(chǎn)經(jīng)營狀態(tài)，實現(xiàn)對企業(yè)的精益管理。設(shè)備智能運(yùn)維、能耗管理等典型痛點解決方案，快速為企業(yè)實現(xiàn)降本增效。
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