智慧工厂将是制造业寻找突破的最佳路径

一、智慧工厂将是制造业寻找突破的最佳路径

    智慧工厂是在制造业一系列科学管理实践的基础上，以工业服务网和工业物联网为基本框架，深度融合智能科学技术、信息通信技术和科技自动化技术，围绕数据、信息和知识建立核心竞争力的，更智能、更敏捷、更高效、更安全、更绿色、更和谐和可持续的新一代制造业企业及其生态系统。

    与生产计划、物流、能源和经营相关的企业资源计划(ERP)、供应链管理(SCM)、客户关系管理(CRM)、质量管理体系(QMS)以及与产品设计、技术相关的产品生命周期管理(PLM)与服务网紧紧相连；与制造生产设备和生产线控制、调度、排产等相关的过程控制与制造执行系统(PCS)、制造执行系统(MES)功能通过物理信息系统(CPS)实现，与物联网紧紧相连。

    总之，智慧工厂是打造“制造业数字化智能化转型升级和供应链协同服务产业集群”的终极目标，以实现：

    (1)生产过程横向集成；(2)生产过程纵向集成；(3)产品全生命周期点对点信息集成。

    1.1 全球制造业面临巨大挑战

    制造业面临的四大挑战：一是高消耗、高成本，缺乏技术创新。因为这与制造业的发展相辅相成。效率是一个决定性因素。以2013年为例，全国一次能源消耗近37.5亿吨标准煤，用占世界21.3%的能源消耗量，创造了占世界11.6%的GDP，粗放式的发展不仅无法形成新的增长点，并且带来严重后果——目前中国化学需氧量、氮氧化物、二氧化硫以及二氧化碳排放量均居世界首位，雾霾、水污染、土壤重金属超标已成为社会公害；二是产品越来越复杂情况下，交货期却越来越短。这也是全球都会面临的挑战；三是现在小批量、多批次的定制化或半定制化生产的需求越来越多，因此对生产线提出了柔性的要求；四是劳动力的短缺，特别是成熟的或熟练的劳动力短缺。发达国家，日本的少子化、欧美国家国家的人口老龄化；中国是结构性劳动力短缺。这都是全球人口结构的变化。

    1.2 智慧工厂可实现生产全过程优化“智慧工厂”的主要特征

    (1)采用数字化网络化装备，实现现场级和车间级自动化系统的横向集成，满足一定程度的柔性化生产需求；

    (2)能够对全厂资源能源消耗进行监测，采用自动化软件工具对系统能效进行优化；

    (3)设备和生产线安全得到充分保障，采用预测性维护技术大幅度减少停机维护时间；

    (4)主要设备互操作性和关键信息一致性得到解决，采用统一的数据库和软件平台对过程数据进行存储，数据得到初步的梳理和分析；

    (5)企业级信息系统ERP和工厂信息控制系统MES系统以及现场设备和生产线的实时过程数据采集系统实现纵向集成，信息可以自上而下和自下而上有效流动。

    1.3 智慧工厂三步打造中国制造业突围路径

    如何和转型与升级?广证恒生认为，建立基于产业协同与设备管理的智慧工厂是无疑是最佳路径，挖掘产业链的工业大数据价值实现工业产业链协同，为中国工业制造业转型升级提供增值服务。继而利用中国工业体系大而全的势能优势，带领中国优质企业与产品快速地、深度地参与全球化竞争，倒逼制造业加快转型升级。

    智慧工厂是工厂自动化向数字化、信息化、集成化的升级，关键的节点在于高端数控机床、机器人、3D打印以及工业软件的流程化控制：工业大数据和云计算以及通信基础设施构成的CPS 系统作为基础框架；工业软件PLM、ERP、MES充当大脑，提升生产柔性；SCM拉通物料流通通道，缩短货期，优化库存和生产节奏；工业机器人、自动化生产线、3D打印设备成为战略一环；高端数控机床则是4.0落地的践行者。

    1.3.1 “传感器+机器人+数控机床”--自动化智慧工厂执行层

    a.“传感器”—智慧工厂的根基要想实现设备的智能控制，首要问题就是要使信息在人、机器和环境三者之间能自由传递，让机器能够自主感知外界信息。而传感器正可以解决这些问题。从物联网的架构来看，传感器处于物联网系统最底层，是物联网系统的根基，也是重中之重。传感器能够感受和测量特定物体的状态变化，并转化为可传输、可处理、可储存的信号。由于传感器在物联网系统中的必要性和重要性，随着物联网市场的发展，对传感器的需求也会大幅上升。

    b.机器人+数控机床—提高各工艺节点的单点效率工业机器人对制造业增长具有显著驱动力。具体表现为以下几点：1.新材料技术的应 用和能源使用效率的提高。例如，碳素材料的推广，需要更先进的机器人。2.全球范围内的竞争 要求，各国须在质量和生产率上面脱颖而出。3.为了减少生命周期对产品的影响，提供更多样化 的产品线，这需要更加灵活可调整的自动化装备。 4.机器人作业质量的提高，使他们可以承担更 多对人类而言繁重、危险、恶劣，甚至是人力无法完成的工作。5.人类消费欲望的增长需要不断扩展生产能力。6.技术进步提供了进步，使得中小型机器人的使用成为可能。7.产品质量的要求更高，需要更加精密的生产者。

    数控机床品类繁多，按加工工艺分可以分为金属切削类、特种加工类和板材加工类三种。

    1.3.2 工业软件--信息化智慧工厂管理层

    根据软件功能的不同，工业软件一般可以划分为编程语言、系统软件、应用软件和中间件三个部分。系统软件提供基本功能，属通用型产品，一般不针对特定应用领域;应用软件和中间件则具有明显的应用导向特征，主要满足用户和所行业领域的实际需求。根据物理形态来划分，工业软件可分为嵌入式软件和非嵌入式软件。嵌入式软件指嵌入在控制器、通信、传感等装置设备中的软件，一般负责数据采集、控制、通信等与硬件集成非常紧密的功能，非嵌入式软件是安装并运行在通用计算机或者工业控制计算机上软件。

    根据国内外主要工业软件的分类，我们将工业软件分为研发设计、经营管理、生产控制、协同集成四个类别。

    1.3.3 人工智能--升华软硬融合下的智慧工厂关键节点

    基于云端控制、机器视觉、 C2M 模式、深度学习的柔性灵动生产方式的基础正是人工智能，这将给制造业带来一股升级颠覆的旋风。人工智能是智慧工厂追求的最高层次，信息融合生产系统(CPPS)需要正是感知和促动过程(更敏捷的人机界面、更快速的FMS系统)，数据平台、数据存储和数据挖掘技术的成型是人工智能得以发展的基础，同时下游的需求旺盛，二者将推动人工智能加速爆发。