全球正在掀起以智能制造為核心的新一輪工業(yè)革命,新一代信息技術(shù)與制造業(yè)的深度融合,正在引發(fā)影響深遠(yuǎn)的產(chǎn)業(yè)變革,形成新的生產(chǎn)方式、產(chǎn)業(yè)形態(tài)、商業(yè)模式和經(jīng)濟增長點。
被稱為世界“制造中心”的中國,正在德國率先提出的“工業(yè)4.0”概念的基礎(chǔ)上,開始一場規(guī)??涨暗墓I(yè)革命。一間間曾經(jīng)人聲鼎沸的生產(chǎn)車間,逐漸只有機器轟鳴的無人工廠取代。
“中國制造2025”,以中國制造業(yè)目前的整體發(fā)展水平為基礎(chǔ),提高制造業(yè)的智能化水平,向無人工廠、智能制造轉(zhuǎn)型。這是必然的模式。
德國與中國制造業(yè)基礎(chǔ)不同。德國工業(yè)的設(shè)備和車間制造基礎(chǔ)很好,工業(yè)機器人運用成熟而廣泛,嵌入式系統(tǒng)和自動化工程方面也有非常專業(yè)的技術(shù)。
因此,德國“工業(yè)4.0”是針對新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革制定的措施,依靠雄厚的技術(shù)基礎(chǔ),可以直接實施信息技術(shù)改造。
與世界先進水平相比,中國工業(yè)制造水平需要同時完成自動化與信息化改造的雙重任務(wù)。
但這后發(fā)優(yōu)勢,卻給了中國制造業(yè)建設(shè)智能工廠,加速轉(zhuǎn)型、一步到位的絕佳契機。
智能化的物質(zhì)基礎(chǔ),是自動化
從單臺設(shè)備自動化和產(chǎn)品智能化入手,緊扣關(guān)鍵工序智能化、關(guān)鍵崗位機器人替代、實現(xiàn)生產(chǎn)效率和產(chǎn)品效能的提升,這是智能化的物質(zhì)基礎(chǔ)。
隨著技術(shù)的成熟和造價的降低,推動了工業(yè)機器人、機械手臂等智能設(shè)備的廣泛應(yīng)用,使工廠無人化制造成為可能。
近年來,我國機器人市場快速發(fā)展。2014 年,中國工業(yè)機器人銷量達到5.6 萬臺,成為全球第一大工業(yè)機器人市場。
預(yù)計到2020 年工業(yè)機器人銷量將達到15 萬臺,保有量達到80 萬臺;到2025 年工業(yè)機器人銷量將達到26 萬臺,保有量達到180 萬臺。
在生產(chǎn)現(xiàn)場,工業(yè)機器人在焊接、搬運、噴涂、加工、裝配、檢測、清潔生產(chǎn)等方面都已實現(xiàn)規(guī)模化集成應(yīng)用。除了節(jié)約人工、提升生產(chǎn)效率,更重要的是,它工作效果更加均勻、穩(wěn)定性更好,產(chǎn)品質(zhì)量可控、可追蹤。這是數(shù)字化管理、提升產(chǎn)品品質(zhì)的重要依仗!
而與自動化生產(chǎn)線相結(jié)合,數(shù)控加工中心、智能機器人和三坐標(biāo)測量儀及其他所有柔性化制造單元進行自動化排產(chǎn)調(diào)度,工件、物料、刀具進行自動化裝卸調(diào)度,可以達到無人值守的全自動化生產(chǎn)模式。
還需要進一步研究視覺處理、情景感知、模式識別、自決策自執(zhí)行、可視化等關(guān)鍵技術(shù),提高機器人產(chǎn)品的三維空間定位、建模、搜索與交互技術(shù),提高控制性能、人機交互性能和可靠性性能,提升機器人任務(wù)重構(gòu)、偏差自適應(yīng)調(diào)整的能力,最終實現(xiàn)機器人在人機共存環(huán)境中完成精密復(fù)雜任務(wù)的能力。
智能化的信息基礎(chǔ),是互聯(lián)化
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的成熟,給制造自動化提供了一個新的突破口。
物聯(lián)網(wǎng)是指通過各種信息傳感設(shè)備,實時采集任何需要監(jiān)控、連接、互動的物體或過程等各種需要的信息,其目的是實現(xiàn)物與物、物與人,所有的物品與網(wǎng)絡(luò)的連接,方便識別、管理和控制。
傳統(tǒng)的自動化工廠,最多通過有線內(nèi)部網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)了車間部分設(shè)備與設(shè)備間的聯(lián)網(wǎng)通訊,而物聯(lián)網(wǎng)通過無線、廣域通信方式,實現(xiàn)人、設(shè)備和系統(tǒng)三者之間的智能化、交互式無縫連接。
而物聯(lián)網(wǎng)的核心信息設(shè)備,是制造過程各個環(huán)節(jié)實現(xiàn)信息獲取、實時通信的關(guān)鍵基礎(chǔ)。它主要包括基礎(chǔ)通信設(shè)備、控制系統(tǒng)、新型工業(yè)傳感器、制造物聯(lián)設(shè)備、儀器儀表和檢測設(shè)備、工業(yè)信息安全保障產(chǎn)品。
具體而言,包括適應(yīng)惡劣工業(yè)環(huán)境的高速工業(yè)交換機、高速工業(yè)無線路由器/中繼器、工業(yè)級低功耗遠(yuǎn)距/近場通訊設(shè)備、快速自組網(wǎng)工業(yè)無線通訊設(shè)備、工業(yè)協(xié)議轉(zhuǎn)換器/網(wǎng)關(guān)、工業(yè)通訊一致性檢測設(shè)備等工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)備;
具有現(xiàn)場總線通信功能的分布式控制系統(tǒng)、可編程控制系統(tǒng)、工控機系統(tǒng)、嵌入式控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng);光電傳感器、接近傳感器、高分辨率視覺傳感器、高精度流量傳感器等低功耗、高精度、高可靠的新型工業(yè)傳感器、檢測器;
RFID 芯片和讀寫設(shè)備、工業(yè)便攜/手持智能終端、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)、工業(yè)可穿戴設(shè)備等人機信息交互設(shè)備;工控系統(tǒng)防火墻/網(wǎng)閘、容災(zāi)備份系統(tǒng)、主動防御系統(tǒng)、入侵檢測設(shè)備等信息安全保障產(chǎn)品。
在這些無處不在的設(shè)備基礎(chǔ)之上,需要制訂制造設(shè)備信息互聯(lián)互通的接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),設(shè)備與設(shè)備之間、設(shè)備與系統(tǒng)之間協(xié)議互操作整體框架,從而構(gòu)建起面向智能制造的高速、安全可靠的工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)人、設(shè)備與產(chǎn)品的實時聯(lián)通、精確識別、有效交互與智能控制。
智能化的管理體系,是自適應(yīng)控制
在物質(zhì)和信息基礎(chǔ)之上,實現(xiàn)制造過程的智能化,還需要建立智能化的自動管理體系。
這需要在線成分分析儀、在線無損檢測裝置、在線高精度三維數(shù)字超聲波探傷儀、在線高精度非接觸幾何精度檢測設(shè)備,以及諸多工業(yè)傳感器的配合,需要促進制造工藝的仿真優(yōu)化、數(shù)字化控制、狀態(tài)信息實時監(jiān)測和自適應(yīng)控制,進而實現(xiàn)整個過程的智能管控。
在不間斷單元自動化生產(chǎn)的情況下,遠(yuǎn)程查看管理單元內(nèi)的生產(chǎn)狀態(tài)情況,無人值守的智能管理生產(chǎn)任務(wù),整個生產(chǎn)現(xiàn)場無需人工參與,真正實現(xiàn)“無人”智能生產(chǎn)。
這就是智能制造控制系統(tǒng)。從生產(chǎn)現(xiàn)場無人,到生產(chǎn)過程無人,這又是一層飛躍.
但提供生產(chǎn)活動的基礎(chǔ)管理,實現(xiàn)自主安全可控,生產(chǎn)過程透明化、智能化,進一步提升生產(chǎn)作業(yè)效率,這還僅僅是智能化的管理體系的最初級一層。
其次,它要實現(xiàn)人、設(shè)備、環(huán)境與物料之間的互聯(lián)互通和綜合管理,實現(xiàn)智能制造過程中的質(zhì)量信息采集和質(zhì)量追溯。
最后,借助信息傳遞,在企業(yè)和供應(yīng)鏈之間,對從訂單下達到產(chǎn)品完成的整個生產(chǎn)過程進行優(yōu)化管理,以雙向交互的形式,使計劃、生產(chǎn)、資源三者密切配合,減少企業(yè)內(nèi)部無附加值活動,有效地指導(dǎo)工廠生產(chǎn)運作過程,提高企業(yè)及時交貨能力。
從生產(chǎn)管理直到動態(tài)控制,這就是幾十年來,制造業(yè)孜孜以求的精準(zhǔn)制造、敏捷制造、透明制造的能力。
以上這些,就是智能工廠的“神經(jīng)”系統(tǒng),它依賴于近年來飛速發(fā)展的信息、通信、計算技術(shù),以及人工智能管理成果的快速提升,全面提高智能制造的能力和水平。
以目前國內(nèi)最先進的海爾中央空調(diào)智能工廠為例,經(jīng)過復(fù)雜精密的布局,實現(xiàn)了全要素、端到端的系統(tǒng)互聯(lián),驅(qū)動全流程信息互聯(lián)感知的實現(xiàn)。
智能化的控制大腦,是大數(shù)據(jù)分析
僅僅實現(xiàn)生產(chǎn)作業(yè)管理,還不是完整的智能生產(chǎn)。全面解決設(shè)備現(xiàn)場自動化生產(chǎn)與上層管理系統(tǒng)間的“信息斷層”現(xiàn)象,利用大數(shù)據(jù)分析進行生產(chǎn)決策分析,才是智能化的最高水準(zhǔn)。
在智能化工廠,強大的信息化管理滲透到了企業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的各個環(huán)節(jié),企業(yè)生產(chǎn)線處于高速運轉(zhuǎn),由生產(chǎn)設(shè)備所產(chǎn)生、采集和處理的數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)大于企業(yè)中計算機和人工產(chǎn)生的數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)的實時性也更高。
在生產(chǎn)現(xiàn)場,每隔幾秒就收集一次數(shù)據(jù),利用這些數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)很多形式的分析,包括設(shè)備開機率、主軸運轉(zhuǎn)率、主軸負(fù)載率、運行率、故障率、生產(chǎn)率、設(shè)備綜合利用率(OEE)、零部件合格率、質(zhì)量百分比等。甚至能能追蹤到每一個工件在機床上加工過程的詳細(xì)數(shù)據(jù)。
首先,在生產(chǎn)工藝改進方面,使用這些大數(shù)據(jù),就能分析整個生產(chǎn)流程,了解每個環(huán)節(jié)是如何執(zhí)行的。一旦有某個流程偏離了標(biāo)準(zhǔn)工藝,就會產(chǎn)生一個報警信號,能更快速地發(fā)現(xiàn)錯誤或者瓶頸所在,也就能更容易解決問題。
再如,在能耗分析方面,在設(shè)備生產(chǎn)過程中利用傳感器集中監(jiān)控所有的生產(chǎn)流程,能夠發(fā)現(xiàn)能耗的異?;蚍逯登樾?,由此便可在生產(chǎn)過程中優(yōu)化能源的消耗,對所有流程進行分析將會大大降低能耗。
最后,經(jīng)過一段時間的積累,還可以對產(chǎn)品的生產(chǎn)過程建立虛擬模型,仿真并優(yōu)化生產(chǎn)流程,當(dāng)所有流程和績效數(shù)據(jù)都能在系統(tǒng)中重建時,這種透明度將有助于制造企業(yè)改進其生產(chǎn)流程。
利用大數(shù)據(jù)技術(shù)及生產(chǎn)數(shù)據(jù)可視化,從而確保決策者和各級管理者可以在最短的時間內(nèi)掌握生產(chǎn)現(xiàn)場的變化,做出準(zhǔn)確的判斷并制定快速的應(yīng)對措施,保證生產(chǎn)計劃得到合理而快速的修正,最終實現(xiàn)資源充分有效地得到利用、生產(chǎn)流程暢通,進而最大限度地發(fā)揮生產(chǎn)效率。
還是以目前國內(nèi)最先進的海爾中央空調(diào)智能工廠為例,它的智能工廠轉(zhuǎn)型升級,實現(xiàn)了生產(chǎn)計劃和線邊庫存的信息互聯(lián),實現(xiàn)物料時序配送到工位,行業(yè)首創(chuàng)容器智能裝配線、行業(yè)首創(chuàng)智慧能源管理系統(tǒng)、全球最大智能互聯(lián)測試臺技術(shù)等應(yīng)用,實現(xiàn)與攸關(guān)方、全流程的實時、無縫的用戶互聯(lián)、信息互聯(lián)、虛實互聯(lián)模式。
智能工廠是工廠升級的必然趨勢
“中國制造2025”明確提出推進通過建設(shè)智能工廠,推進中國制造業(yè)的全面變革。
如今,中國制造面臨“山雨欲來風(fēng)滿樓”,在人力成本快速推升的環(huán)境下,制造業(yè)仍然大而不強,在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)水平、資源利用效率、信息化程度、質(zhì)量效益等方面差距明顯,轉(zhuǎn)型升級和跨越發(fā)展的任務(wù)緊迫而艱巨。
如果企業(yè)不能及時滿足越來越復(fù)雜的需求,就將在新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革中,被競爭對手遠(yuǎn)遠(yuǎn)拋下。
推動智能制造,是解決我國制造業(yè)由大變強的根本路徑。我們認(rèn)為,加快各行業(yè)傳統(tǒng)生產(chǎn)設(shè)備的自動化-智能化雙重改造,需求迫切。
應(yīng)當(dāng)在基礎(chǔ)條件好的重點行業(yè)和企業(yè)中,分類實施高度集成的自動化制造、智能化管理流程改造、試點示范及應(yīng)用推廣,建立智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系,做到縱向、橫向和端到端的集成,并實現(xiàn)裝備、產(chǎn)品和系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化。
如今,中國已有以海爾為首的知名大型白電制造企業(yè),做出了在全球家電領(lǐng)域都堪稱“罕見”的智能工廠,并且還在不斷的迭代升級、進化提升,正在引領(lǐng)制造方式變革;令人稱奇。
智能工廠的實施,將顯著提升中國制造業(yè)水平,推動相關(guān)企業(yè)提供更高質(zhì)量、更符合人民群眾消費需求的產(chǎn)品,服務(wù)于我國供給側(cè)改革。在標(biāo)準(zhǔn)制定實施過程中,將鞏固自主技術(shù)布局占位,提高產(chǎn)業(yè)自主話語權(quán),為我國搶占新一輪產(chǎn)業(yè)革命制高點、爭奪國際市場話語權(quán)提供重要保障。
基于對中國制造業(yè)現(xiàn)狀、市場需求多樣化等方面的全面預(yù)測,未來5~10年,我國的智能生產(chǎn)設(shè)施、數(shù)字化車間/工廠的升級改造速度將進一步加快,制造業(yè)對智能制造與信息設(shè)備的需求也將大幅度增長。預(yù)計我國智能制造與信息設(shè)備市場規(guī)模將以30%左右的增速持續(xù)增長。