第10章 智能工厂
第1节 智能工厂的定义
1.工业4.0提出的时代背景
2.当前全球制造业面临的四大挑战及应对方法
四大挑战：一是能源资源利用效率的提高；二是在产品越来越复杂情况下，交货期却越来越短。三是现在小批量、多批次的定制化或者半定制化生产的需求越来越多。四是劳动力的短缺，特别是成熟的或熟练的劳动力短缺。
3.工业4.0相关概念
4.工业4.0的应用意义与逻辑
工业4.0的应用可以解决的问题：一是满足个性化需求。二是柔性。三是策略优化。四是资源的最佳利用。五是形成新的服务架构。六是应对人口结构变化。
工业4.0的核心内容：三个集成。
价值网络的横向集成：主要是指公司外部的商业模式和协作伙伴关系的集成。
全价值链的端到端的工程数字化集成：主要指的是产品的生命周期过程的集成，从设计到生产，再到后期服务等这一个价值链整体的集成。
垂直整合和网络化制造系统的集成：是将整个生产网络和软件，包括数字化平台，进行垂直整合，且在每一个车间建立一个网络化的制造系统。
5.西门子公司实例
6.智能工厂的基本架构
7.智能工厂管理需求
智能工厂运维任务：网络与应用系统的运行与维护、IT架构规划、日常运维、整体优化和紧急故障救援等。
8.智慧制造的特征
系统具有自主能力：可采集与理解外界及自身的信息，并以之分析判断及规划自身行为。
整体可视技术的实践：结合信息处理、推理预测、仿真及多媒体技术，将实时展示现实生活中的设计与制造过程。
协调、重组及扩充特性：系统中各组可依据工作任务，自行组成最佳系统结构。
自我学习及维护能力：透过系统自我学习功能，在制造过程中落实资料库补充、更新，及自动执行故障诊断，并具备对故障排除与维护的能力。
人机共存的系统：人机之间具备互相协调合作关系，各自在不同层次之间相辅相成。
第2节 智能工厂架构实例
智能工厂包括：智能计划排产（该生产什么？）、智能生产过程协同、智能设备互联互通、智能生产资源管控、智能质量过程控制、智能大数据分析与决策支持等模块。
1.智能计划排产
从计划源头上确保计划的科学性、精准化。是对整个生产过程进行科学管理的源头与基础。
2.智能生产过程协同
为避免贵重的生产设备因操作工忙于找刀、找料、检验等辅助工作而造成设备有效利用率低的情况，企业要从生产准备过程上，实现物料、刀具、工装、工艺等的并行协同准备，实现车间级的协同制造，可明显提升机床的有效利用率。
3.智能的设备互联互通
无论是工业4.0、工业互联网、还是“中国制造2025”，其实质都是以信息物理系统为核心，通过信息化与生产设备等物理实体的深度融合，实现智能制造的生产模式。
DNC是Distributed Numerical Control 的简称，意为分布式数字控制，国内一般统称为机床联网。DNC系统通过一台服务器可实现对所有数控设备的双向并发通信，将数控设备纳入整个IT系统进行集群化管理。
MDC是Manufacturing Data Collection的简称，意为制造数据采集，俗称为机床监控，用于解决数据自动化采集、透明化、量化管理的问题。
4.智能生产资源管理
通过对生产资源进行出入库、查询、盘点、报损、并行准备、切削专家库、统计分析等功能，有效地避免因生产资源的积压与短缺，实现库存的精益化管理，可最大限度地减少因生产资源不足带来的生产延误，也可避免因生产资源的积压造成生产辅助成本的居高不下。
5.智能质量过程管控
通过对工业互联网的形式对熔炼、压铸、热处理、涂装等数字化设备进行采集与管理，如采集设备基本状态，对各类工艺过程数据进行实时监测、动态预警、过程记录分析等功能，可实现对加工过程实时的、动态的、严格的工艺控制，确保产品生产过程完全受控。
6.智能决策支持
在整个生产过程中，系统运行着大量的生产数据以及设备的实时数据，对这些数据进行深入的挖掘与分析，系统自动生产各种直观的统计、分析报表，如计划制定情况、计划执行情况、质量情况、库存情况、设备情况等，可为相关人员决策提供帮助。这种基于大数据分析的决策支持，可以很好地帮助企业实现数字化、网络化、智能化的高效生产模式。
**小结：**通过以上6个方面智能的打造，可极大提升企业的计划科学化、生产过程协同化、生产设备与信息化的深度融合，并通过基于大数据分析的决策支持对企业进行透明化、量化的管理，可明显提升企业的生产效率与产品质量，是一种很好的数字化、网络化的智能生产模式。
第3节 某重工智能工厂实例
某重工集团主要从事工业万向轴、传动机械、冶金制造以及智能制造，是一家集研发、生产、销售与服务的国家火炬计划高新技术企业。
2015年开始实施管理信息化，分为可视化工厂、数字化工厂、智能工厂三个阶段。
可视化工厂的定位是管理可视化，决策智能化，主要运用了用友的NC，MES，还有报表系统，对系统进行数据打通。
数字化工厂主要是ERP的推广使用，包括CRM、移动化和电子商务。
计划开展智能化工厂建设，朝“工业4.0”以及“中国制造2025”方向发展。
1.业务系统
该重工集团有自己的管理模型。顶端按照工业4.0，集团管控，包括阿米巴经营模式；相应的流程制度，岗位职责，工作标准，成本绩效。左边是信息化管控，右边是智能化建设，下面是精益管理，底下是企业文化。
在这架构中，ERP系统是基础，利用CRM系统和客户对接，SRM管理供应链，MES监控生产，利用OA把所有业务打通，而后利用专业软件，实现前端的商务智能分析。
2.业务分析
**全集团工作计划看板：**此看板是利用OA系统开发的一套工作体系，可以通过此看板查看部门工作计划的完成情况，交付质量评定绩效。
**营销主题分析：**利用报表查看营销中最基本的三大指标，开票、下订单等，从销售过程到结果，全面掌握。
**供应商平台：**对于长期合作的供应商通过ERP对接，利用报表展示供货明细，管理供应商以及整个供应链体系。
**工时平台：**利用报表软件建立的工时计算系统，车间工人可以每天知道自己的工资、提前计算工时，避免工资发放延迟带来的矛盾。
**透明工厂：**生产现场的数据也可以通过报表展现出来。做到计划可视、工作效率可视、产品质量可视、异常情况可视。
**案例启示：**数据的变化可能影响整个管理思想模式。
第4节 智能工厂车间生产案例
该项目重点是实现生产组织全过程中技术准备，生产计划及调度，产品加工，资源保障等部门的信息共享协同工作，保证设备利用率，合理配置和调度资源，提高生产能力。实现业务流程的可视化，促进业务流程的持续优化。
1.项目目标
以柔性制造系统、敏捷制造等信息化改造为建设目标，利用传感器技术、无线通信技术、计算机网络技术、智能数字化技术、物联网应用服务平台技术等多种现代化计划，打造基于物联网的综合示范平台，建立起一个示范性应用基地。
2.适用规范标准
依据设计施工图纸和技术要求，本项目的材料、设备、施工必须达到下述规范、标准的要求，如下述标准及规范要求相互间有出入时则以最新的较严格者为准。
3.功能简介
**计划管理：**根据订单和生产计划制定详细排程和车间生产作业计划。
**工艺管理：**工艺管理是MES系统中必不可少的一个重要环节，是企业重要的基础管理，是稳定、提高产品质量、提高生产效率、保证安全生产、降低消耗、增加经济效益、发展生产的重要手段和保证。
**设备管理：**设备管理是一套对生产设备、操作规程、管理制度、运行监控、故障诊断、维修维护、运行统计等进行全面管理的模块。该模块需要和设备联网系统集成，一起完成该功能。
**生产报工：**生产进度的实时报工在MES系统中是最重要的一个节点，每一个工序或零件的完成与否将直接决定整个生产任务是否能够完成，甚至影响整个企业的计划安排，所以通过车间实时数据报工，能最大限度地贯彻好调度结果的有效执行。
**异常管理：**生产过程中有可能出现异常情况，如设备故障、缺料、加工异常等情况。出现异常时，系统进行异常报备、异常跟踪处理、异常紧急预案处理设置及异常短信通知设置，并定时生成异常处理报告和报表。
**质量管理：**生产质量管理主要是为了控制产品生产过程质量，降低生产风险，提高合格率和客户满意度，针对关键工序设置检验知道内容、质检项及参数供质检人员对比确认，大大降低了因上道工序存在的质量问题继续加工生产而带来的损失。
**看板管理：**看板是把相关人员需要的数据直观地展示出来，需要了解这些信息的员工能一目了然地看到这些信息，帮助操作人员和管理人员进行生产管控。
**统计报表：**在企业中，只有把收集的统计数字经过多次加工处理，进行系统地、深入地分析，才能转换成各种有用的信息，使大量的统计数据完全实现它们的使用价值，才能发挥统计的服务和监督作用。
**系统安全管理：**企业生产管理系统在设计过程中需要考虑到系统权限划分功能，每个菜单、每个操作、每个登录人员都需要进行详细的权限划分。
在权限划分中，采取等级制，明确权限高低、操作范围、信息知晓范围等，从而保证系统信息及运行安全。达到精准控制信息的私密性、独立性。
**系统接口：**系统在设计、分析、开发过程中，一方面应充分考虑到企业已有信息系统的对接，确保客户的投资；另一方面，还应考虑到系统的后续扩展，为以后得扩充预留接口。
4.系统解决方案
智能工厂车间的底层解决方案，主要包括网络构建、数据采集架构、PLC数据采集平台等内容。
**网络拓扑图：**通过一个交换机连接了各车间的数字设备、服务器、各种电子看板。
**数据采集应用架构示意图：**各车间局域网连接了各类需要数据采集的设备，局域网向上连接到整个工厂的主干网，服务器连接在主干网。
**PLC设备数据采集平台：**采用DAServer的方式与现场PLC进行通信交互，将现场加设备中的工艺参数，报警信息、产量等设备信息采集到系统历史数据库中，与当前的生产工单、加工工序、加工产品、加工时间相对应，通过报表的形式展示。
**系统方案结构图：**系统模块较多，重点介绍其中的计划排产模块。
生产计划模块主要包括五个功能：ERP集成、生产任务分解、生产任务派工、返修任务派工、生产任务管理。
5.系统运行环境
系统运行环境包括：软件运行环境、硬件配置要求
6.系统技术架构
**系统平台整体业务架构：**系统整体分为工厂基础设施层、数据资源层、基础应用层、核心应用层和用户平台5个部分。
**系统技术设计思路：**通过采用业界最新的分布式多层体系结构、J2EE、XML、XSL技术、业务逻辑构件化技术，采用业界经典的MVC设计模式，实现系统表现逻辑与业务逻辑的分离，从而实现客户端应用系统的“零维护”，并能够支持多种客户端接入设备；通过采用Java技术，使得网站应用服务器中的应用系统可以编写一次，到处运行；通过采用网络安全技术；通过采用硬件设备集群技术，实现了系统的可扩展性。
**系统软件架构体系：**按照系统设计目标与要求，采用多层矩阵结构体系。
**系统技术特点：**通过工作流运行跟踪监控功能，以及工作流运行分析，支持业务流程优化和信息重组，支持工作流跨平台机制；以核心工作流为主线，结合各专业工序流，划分各类最小管理单元；以方便、灵活、可视化的工作流管理机制，支持自定义流程，提供完整的安全及权限设计；通过工作委托功能，支持工作任务的转移；具备目录管理功能，实现信息的多类型管理；以设备最小单元为对象进行整体数据建模，并按照企业管理特点动态的逻辑划分工作单元对象和设备包容单元。