【深度】智能制造与智能工厂的主要特征与典型案例

    01 智能制造的主要特征

    智能制造是新工业革命的核心，它并不在于进一步提高设备的效率和精度，而是更加合理化和智能化地使用设备，通过智能运维实现制造业的价值最大化；它聚焦生产领域，但又是一次全流程、端到端的转型过程，会让研发、生产、产品、渠道、销售、客户管理等一整条生态链为之发生剧变。对工业企业来说，在生产和工厂侧，它依然可以规模化、标准化、自动化为基础，但它还需被赋予柔性化、定制化、可视化、低碳化的新特性；在商业模式侧，会出现颠覆性的变化——生产者影响消费者的模式被消费者需求决定产品生产的模式取而代之；在国家层面，则需要建立一张比消费互联网更加安全可靠的工业互联网。

    智能制造作为广义的概念包含了五个方面：产品智能化、装备智能化、生产方式智能化、管理智能化和服务智能化。

    产品智能化。产品智能化是把传感器、处理器、存储器、通信模块、传输系统融入各种产品，使得产品具备动态存储、感知和通信能力，实现产品可追溯、可识别、可定位。计算机、智能手机、智能电视、智能机器人、智能穿戴都是物联网的“原住民”，这些产品从生产出来就是网络终端。而传统的空调、冰箱、汽车、机床等都是物联网的“移民”，未来这些产品都需要连接到网络世界。专家估计，到2020年这些物联网的“原住民”和“移民”加起来将超过500亿个，且这个进程将持续10年、20年甚至50年。

    装备智能化。通过先进制造、信息处理、人工智能等技术的集成和融合，可以形成具有感知、分析、推理、决策、执行、自主学习及维护等自组织、自适应功能的智能生产系统以及网络化、协同化的生产设施，这些都属于智能装备。在工业4.0时代，装备智能化的进程可以在两个维度上进行：单机智能化，以及单机设备的互联而形成的智能生产线、智能车间、智能工厂。

    需要强调的是，单纯的研发和生产端的改造不是智能制造的全部，基于渠道和消费者洞察的前段改造也是重要的一环。二者相互结合、相辅相成，才能完成端到端的全链条智能制造改造。

    生产方式智能化。个性化定制、极少量生产、服务型制造以及云制造等新业态、新模式，其本质是在重组客户、供应商、销售商以及企业内部组织的关系，重构生产体系中信息流、产品流、资金流的运行模式，重建新的产业价值链、生态系统和竞争格局。

    工业时代，产品价值由企业定义，企业生产什么产品，用户就买什么产品，企业定价多少钱，用户就花多少钱——主动权完全掌握在企业手中。而智能制造能够实现个性化定制，不仅打掉了中间环节，还加快了商业流动，产品价值不再有企业定义，而是由用户来定义——只有用户认可的，用户参与的，用户愿意分享的，用户不说你坏的产品，才具有市场价值。

    管理智能化。随着纵向集成、横向集成和端到端集成的不断深入，企业数据的及时性、完整性、准确性不断提高，必然使管理更加准确、更加高效、更加科学。

    服务智能化。智能服务是智能制造的核心内容，越来越多的制造企业已经意识到了从生产型制造向生产服务型制造转型的重要性。今后，将会实现线上与线下并行的O2O服务，两股力量在服务智能方面相向而行，一般力量是传统制造业不断拓展服务，另一股力量是从消费互联网进入产业互联网，比如微信未来连接的不仅是人，还包括设备和设备、服务和服务、人和服务。个性化的研发设计、总集成、总承包等新服务产品的全生命周期管理，会伴随着生产方式的变革不断出现。

    西门子以及弗劳恩霍夫应用研究促进协会的专家认为，工业4.0要建立一个智能生态系统，当智能无所不在、连接无处不在，数据无处不在的时候，设备和设备之间、人和人之间、物和物之间、人和物之间的联系就会越来越紧密，最终必然出现一个系统连接另一个系统、小系统组成大系统、大系统构成更大系统的情况——对于工业4.0的目标智能制造而言，它就是系统的系统。

    在德国乃至全球，一个超复杂的巨系统正在形成。车间里的一部机器，通过更新操作系统实现功能升级，通过工业应用程序实现各种功能即插即用，通过应用程序编程接口不断扩展制造生态系统，所有的机器、产品、零部件、能源、原材料，所有的研发工具、测试验证平台、虚拟产品和工厂，所有的产品管理、生产管理、运营流程管理，所有的研发、生产、管理、销售、员工、各级供应商、销售商以及成千上万个客户，都将是这一系统的重要组成部分。

    02 智能工厂的主要特征

    第四次工业革命的第二大目标是智能工厂。

    在工业3.0时代，工厂的最底层加工单元包括了3个环节，分别是传感器（相当于眼睛）、可编程控制器（PLC，相当于大脑）和执行器（相当于手足）。在加工单元的上层是车间，这里主要是生产过程执行管理系统（MES）,通俗说就是，这个系统负责拿到任务，并进行任务的分配。再到上面，则是企业资源计划（ERP）系统、产品生命周期管理（PLM）系统、供应链管理（SCM）系统和客户关系管理（CRM）系统等上层系统。其中，ERP负责企业内部资源的配置和协调，而PLM负责产品从开发到报废的“管理”，SCM负责企业资源和外部的对接，而CRM的作用在于促进企业和消费者的沟通。

    以上技术都是工业3.0已有技术，但工业4.0对他们提出了新要求，一是必须更加智能，反应更快。比如一辆汽车，未来的PLM系统甚至可以跟踪其使用过程，通过对其生产、损耗等数据的分析，最终“决定”其在接近使用年限之时，应该全面报废还是“器官移植”——回收有用的旧部件。

    另外，工业4.0要求技术更加集成化，即以上这些系统要实现横向和纵向的集成，从而实现更加智能化。智能化生产的图景如下：产品从设计到制造的所有环节都被打通，PLM的设计数据直接进入ERP系统，后者立即调配工厂资源，如需外界供货则由SCM系统自动调配。而借助于CRM系统，整个生产过程可以和客户保持实时沟通，比如顾客通过视频看到产品不符合自己口味，可以立即让生产线进行调整。

    工业4.0意味着智能工厂自己可以运转、连接并和机器进行交流，产品设备之间可以通信。所以德国人把工业4.0定义为“机器制造机器”，每台机器都是有生命力的，工厂越来越像一个人，有智商高低的区别。随着工厂“智商”的提高，其智能化程度越来越高。

    智能工厂是现代工厂信息化发展的新阶段，是在数字化工厂的基础上，利用物联网技术、设备监控技术加强信息管理和服务，清楚的掌握产销流程，提高生产过程的可控性，减少生产线上的人工干预，即时准确地采集生产线数据，以合理编排生产计划与生产进度，并通过绿色智能手段和智能系统等新兴技术的运用，构建一个高效节能、绿色环保、环境舒适的人性化工厂。

    智能工厂有三大特征。第一，信息基础设施高度互联，包括生产设备、机器人、操作人员、物料和成品。第二，有实时系统，可以及时进行信息传输和对接。第三，从柔性化、敏捷化、智能化到信息化，这是智能工厂的发展趋势。每个阶段，柔性化对环境的调整能力能够实现不同产品需要，实现多品种小批量生产，同时能控制这种个性化生产所带来的成本飙升问题。

    03 智能制造和智能工厂的典型案例

    西门子安贝格工厂

    西门子认为制造业存在三大需求，即提高生产效率、缩短产品上市时间以及增加制造的灵活性。所以西门子将战略重点放在了三个方面：

    第一个是制造执行系统（MES）将会起更加重要的作用。自动化层和MES之间的对接会变得更加重要、更加无缝化，而且会跨越企业来实现柔性的生产。所有的信息都要实时可用，可被生产网络化环节使用。

    第二个是虚拟与现实的结合，也就是产品设计以及工程当中的数字化世界和真实世界的融合，这就使我们能够满足生产效率越来越高、产品周期越来越短、产品变形越来越多等方面带来的挑战。

    第三个是信息物理系统（CPS）。信息物理系统可以体现有物理工厂的系统，也有在数字世界的仿真，最终能够实现生产过程的完全可控、可调。

    位于德国巴伐利亚州东部城市安贝格的西门子工厂经过25年的数字化发展，已经成为了智能化未来工厂典范。其自动化运作程度已达到75％左右，产能提升了8倍，该工厂的1150名员工主要是从事计算机操作和生产流程的监控。该工厂不仅实现了从管理、产品设计、研发、生产到物流配送的全过程数学化，还能通过先进的信息技术，与美国研发中心进行实时的数据互联。

    安贝格工厂创新性地提出了dpm-A的指标，即百万出错率，从而使得生产的产品质量迅速提升，从20世纪90年代560的百万出错率，下降到现今十几的水平。2014年，该厂的百万出错率仅为11.5，相当于质量水平达到了99.9989％。

    安贝格工厂的物流自动化与信息自动化在其生产过程中已经达到了相当程度的匹配。工厂的生产车间在二楼，而一楼是智能的物流配送系统。物流配送系统的运用方式是在正常的计划配送的基础上，根据生产线的使用情况，技术人员将快要用完的物流，扫描物流号后，通过RFID自动将信息传递中央物流区，中央物流区自动将相关物流准确地配送自相应的线边库，整个过程不需要人工参与，依靠信息系统全自动化完成，用时15分钟左右。

    安贝格工厂主要生产Simatic可编程控制器（PLC），以及其他工业自动化产品，产品种类达到了1000种。目前，每条生产线均实现了超过1000个站点的数据采集，而这些均使用西门子自己的产品。也就是说，Simatic系列产品的生产过程正是由它自身控制的，换句话说就是“自己生产自己”。其生产过程完全透明，1150名员工都可以看到实时的生产状态的信息，从而实现实时在线放映生产状态报告，利用统一的分析管理工具进行管理，还能够对生产过程的每个环节进行有效的监控，即真实的生产工厂与虚拟的数字式厂同步运行，真实工厂生产时的数据参数、生产环境等都会通过虚拟工厂反映出来，而人则通过虚拟工厂对真实工厂进行把控。

    不仅如此，为了配合自己的工业自动化产品，西门子推出一款名为“西门子工业支持中心”的APP。APP目前包含西门子的5000多份手册、操作指南，以及60000多个常见问题解答。

    特斯拉“超级工厂”

    “汽车界的苹果”特斯拉，在一定程度上已经与工来4.0的理念相匹配，它对自己所生产汽车的核心定位并非一辆电动车，而是一个大型可移动的智能终端，具有全新的人机交互方式，通过互联网终端把汽车做成了一个包含硬件、软件、内容和服务的体验工具。特斯拉的成功不仅仅体现在能源技术方面的突破，更在于其互联网思维融入了汽车制造。

    特斯拉可实现个性化定制。目前Model S有9种车身颜色供客户选择；除了车身颜色，客户还可以自定义车顶、车毂及内饰；订车时，客户可以选择不要天窗，也可以定制一个配有黑色车顶的白色车；如果觉得后备箱的电动开关无所谓，可以选择不要；其他定制需求，如在后备箱加一个儿童座椅，特斯拉都能一一实现。

    特斯拉的生产制造是在其位于美国北加州弗里蒙特市的“超级工厂”完成的。在这个花费巨资建造的“超级工厂”里，几乎能够完成特斯拉从原材料到成品的全部生产过程，整个制造过程将自动化发挥到了极致，其中“多才多艺”的机器人是生产线的主要力量。目前“超级工厂”内一共有160台机器人，分属四大制造环节：冲压生产线、车身中心、烤漆中心和组装中心。

    车身中心的“多工机器人”是目前最先进、使用频率最高的机器人。它们大多只有一个巨型机械臂，却能执行多种不同任务，包括车身冲压、焊接、铆接、胶合等工作。它们可以先用钳子进行点焊，然后放开钳子拿起夹子，胶合车身板件。

    当车体组装好以后，位于车间上方的“运输机器人”能将整个车身吊起，运往位于另一栋建筑的喷漆区。在那里，拥有可弯曲机械臂的“喷漆手机器人”不仅能全方位、不留死角地为车身上漆，还能使用把手开关车门与车厢盖。

    送到组装中心后，“多工机器人”除了能连续安装车门、车顶外，还能将一个完整的座椅直接放入汽车内部。组装中心的“安装机器人”还是个“拍照达人”，因为在为Model S安装全景天窗时，它会先在正上方拍张车顶的照片，通过照片测量出天窗的精确方位，再把一玻璃黏合上去。

    在车间里，车辆在不同环节间的运送基本都由一款自动引导机器人“聪明车”来完成。工作人员提前在地面上用磁性材料设计好行走路线，“聪明车”就能按照路线的指引，载着Model S穿梭于工厂之间。

    海尔集团

    海尔互联工厂是顺应全球新工业革命以及互联网时代的潮流，由大规模定制转型，积极探索基于物联网和务联网的智能、智慧工厂。

    海尔从2012年开始探索互联工厂，在这个探索的过程当中，从一个工序的无人，到一个车间的无人，再到整个工厂的自动化，最后再到整个互联工厂的示范，是一个不断的再积累、再沉淀的过程。目前海尔已在四大产业建成工业4.0示范工厂，包括沈阳冰箱互联工厂（全球家电业第一个智能互联工厂）、郑州空调互联工厂（全球空调行业最先进的互联工厂）、滚筒洗衣机互联工厂、青岛热水器互联工厂等。除了这些示范工厂，海尔还要在全球的供应链体系当中展开和复制，目的就是为了实现用户能够在任何一个时间的全球任何一地，通过其移动终端可以随时定制产品，互联工厂可以随时感知、随时满足用户需求。

    海尔互联工厂的前端是名为“众创汇”的用户交互定制平台，在这个平台上，海尔与用户能够零距离对话，用户可通过多种终端查看产品“诞生”的整个过程，如定制内容、定制下单、订单下线等10个关节性节点，根据个人喜好自由选择空调的颜色、款式、性能、结构等定制专属空调，用户提交订单后，订单信息实时传到工厂，智能制造系统自动排产，并将信息自动传递给各个工序生产线及所有模块商、物流商，海尔生产线可以兼容不同模块同时生产。用户通过收集终端可以实时获取整个订单的生产情况，产品生产过程都在用户“掌握”中。

    同时，用户还能对产品进行直接评价或提出意见，工厂可视化将用户评价体系由生产完成后提前到生产完成前，实现了用户对产品品质的提前“倒逼”，用户不仅仅是产品的“消费者”，更是产品的“创造者”，海尔开启了一个“人人自造”的时代。

    此外，海尔还可以运用3D打印来支撑专属定制，用户可以把一些个性化的需求、图片传上来，通过3D打印的方式打印出来，通过模具注塑技术最终整合在一起，使产品品质更加精细，提升了用户的体验。

    沈阳机床

    自2007年开始，沈阳机床集团连续五年累计投入研发资金11.5亿元，攻克了CNC运动控制技术、数字伺服驱动技术、实时数字总线技术等运动控制领域的核心底层技术，彻底突破和掌握了运动控制底层技术，并于2012年诞生了世界上首台具有网络智能功能的i5数控系统。

    i5是指工业化（industrialization）、信息化（informatization）、网络化（internet）、智能化（intelligent）和集成化（integrated）的有效集成。该系统误差补偿技术领先、控制精度达到纳米级、产品精度在不用光栅尺测量的情况下达到3微米。

    在此基础上推出的智能机床作为基于互联网的智能终端，实现了智能补偿、智能诊断、智能控制、智能管理。智能补偿可以智能校正，误差可以智能补偿，根据目标对象进行补偿，能够实现高精度；智能诊断能够实现故障及时报警，防止停机；智能控制能够实现主动控制，完成高效、低耗和精准控制；智能管理能够实现“指尖上的工厂”，实时传递和交换机床加工信息。

    i5数控技术的技术开发，不仅攻克了数字伺服驱动技术、实时数字总线技术等运动控制领域的底层核心技术，同时融汇了移动互联、大数据中心等时尚技术，使得特征编程、加工仿真、实时监控、智能诊断、远程控制等网络智能制造以及工厂分布式、分级式布局得以实现。原来70分钟的数控机床加工准备时间被缩短到5分钟。管理人员凭借一部手机就可以在千里之外实现管理。“i5”系统使工业机床“能说话、能思考”，满足了用户个性化需求，工业效率提升20%。

    由于“i5”智能机床已经实现了“互联网+”，沈阳机床计划打造出一个“I平台”，让智能制造从单机扩展到无限群体。“I平台”可通过网路对售出机床生命周期全过程实施监控。所有纳入平台的机床是正在使用还是处于停机状态、在加工什么、加工进度如何、质量如何、有没有问题、什么时候需要维修保养？“I平台”终端一目了然。