智慧工厂建设的现状

目前工厂的很多设备独立运行并不相连，设备运行状态、生产周期数据无法流动导致形成信息孤岛，无法对数据进行系统的分析和优化。借助物联网技术实现对人员（权限管理）、机器（监控设备）、物（数据采集）、生产环境（监测和能耗）的互联互通链接和智慧管理；在智慧工厂的建设中结合物联网技术，可以有效的降低生产成本、节能降耗、优化工艺流程，是由制造向智造的必然选择。 

智慧工厂是利用物联网技术实现对工厂人员和设备进行信息管理和服务，使得工厂形成万物互联和管理统一，实现数据信息的互联互通，帮助提高工厂的生产效率、降低生产成本、优化设备运行状态和节能降耗，将工业制造与物联网应用结合构建智造生产区。

当前，我国制造企业面临着巨大的转型压力。一方面，劳动力成本迅速攀升、产能过剩、竞争激烈、客户个性化需求日益增长等因素，迫使制造企业从低成本竞争策略转向建立差异化竞争优势。在工厂层面，制造企业面临着招工难，以及缺乏专业技师的巨大压力，必须实现减员增效，迫切需要推进智慧工厂建设。另一方面，物联网、协作机器人、增材制造、预测性维护、机器视觉等新兴技术迅速兴起，为制造企业推进智慧工厂建设提供了良好的技术支撑。再加上国家和地方政府的大力扶持，使各行业越来越多的大中型企业开启了智慧工厂建设的征程。

智慧工厂建设的误区

1、盲目购买自动化设备和自动化产线。很多制造企业仍然认为推进智慧工厂就是自动化和机器人化，盲目追求“黑灯工厂”，推进单工位的机器人改造，推行机器换人，上马只能加工或装配单一产品的刚性自动化生产线。只注重购买高端数控设备，但却没有配备相应的软件系统。

2、尚未实现设备数据的自动采集和车间联网。企业在购买设备时没有要求开放数据接口，大部分设备还不能自动采集数据，没有实现车间联网。目前，各大自动化厂商都有自己的工业总线和通信协议，OPC UA标准的应用还不普及。

3、设备绩效不高。生产设备没有得到充分利用，设备的健康状态未进行有效管理，常常由于设备故障造成非计划性停机，影响生产。

4、依然存在大量信息化孤岛和自动化孤岛。智慧工厂建设涉及到智能装备、自动化控制、传感器、工业软件等领域的供应商，集成难度很大。很多企业不仅存在诸多信息孤岛，也存在很多自动化孤岛，自动化生产线没有进行统一规划，生产线之间还需要中转库转运。

究其原因，是智能制造和智慧工厂涵盖领域很多，系统极其复杂，企业还缺乏深刻理解。在这种状况下，制造企业不能贸然推进，搞“大跃进”，以免造成企业的投资打水漂。应当依托有实战经验的咨询服务机构，结合企业内部的IT、自动化和精益团队，高层积极参与，根据企业的产品和生产工艺，做好需求分析和整体规划，在此基础上稳妥推进，才能取得实效。

智慧工厂的显著特征

1、设备互联。能够实现设备与设备互联（M2M），通过与设备控制系统集成，以及外接传感器等方式，由SCADA（数据采集与监控系统）实时采集设备的状态，生产完工的信息、质量信息，并通过应用RFID（无线射频技术）、条码（一维和二维）等技术，实现生产过程的可追溯。

2、广泛应用工业软件。广泛应用MES（制造执行系统）、APS（先进生产排程）、能源管理、质量管理等工业软件，实现生产现场的可视化和透明化。在新建工厂时，可以通过数字化工厂仿真软件，进行设备和产线布局、工厂物流、人机工程等仿真，确保工厂结构合理。在推进数字化转型的过程中，必须确保工厂的数据安全和设备和自动化系统安全。在通过专业检测设备检出次品时，不仅要能够自动与合格品分流，而且能够通过SPC（统计过程控制）等软件，分析出现质量问题的原因。

3、充分结合精益生产理念。充分体现工业工程和精益生产的理念，能够实现按订单驱动，拉动式生产，尽量减少在制品库存，消除浪费。推进智慧工厂建设要充分结合企业产品和工艺特点。在研发阶段也需要大力推进标准化、模块化和系列化，奠定推进精益生产的基础。

4、实现柔性自动化。结合企业的产品和生产特点，持续提升生产、检测和工厂物流的自动化程度。产品品种少、生产批量大的企业可以实现高度自动化，乃至建立黑灯工厂；小批量、多品种的企业则应当注重少人化、人机结合，不要盲目推进自动化，应当特别注重建立智能制造单元。工厂的自动化生产线和装配线应当适当考虑冗余，避免由于关键设备故障而停线；同时，应当充分考虑如何快速换模，能够适应多品种的混线生产。物流自动化对于实现智慧工厂至关重要，企业可以通过AGV、行架式机械手、悬挂式输送链等物流设备实现工序之间的物料传递，并配置物料超市，尽量将物料配送到线边。质量检测的自动化也非常重要，机器视觉在智慧工厂的应用将会越来越广泛。此外，还需要仔细考虑如何使用助力设备，减轻工人劳动强度。

5、注重环境友好，实现绿色制造。能够及时采集设备和产线的能源消耗，实现能源高效利用。在危险和存在污染的环节，优先用机器人替代人工，能够实现废料的回收和再利用。

6、可以实现实时洞察。从生产排产指令的下达到完工信息的反馈，实现闭环。通过建立生产指挥系统，实时洞察工厂的生产、质量、能耗和设备状态信息，避免非计划性停机。通过建立工厂的Digital Twin（数字映射），方便地洞察生产现场的状态，辅助各级管理人员做出正确决策。

智慧工厂的基本架构

智慧工厂拥有三个层次的基本架构，分别为顶层的计划层、中间层的执行层以及底层的设备控制层，大致可对应为ERP系统（企业资源计划）、MES系统（制造执行系统）以及PCS系统（过程控制系统）。

智慧工厂基本架构

计划层+执行层+控制层

智慧工厂的愿景

未来的智慧工厂，就是能够充分运用信息和通信技术手段感测、分析、整合工厂运行核心系统的各项关键信息，从而对于包括建造、运维管理、办公环境、沟通交流、能源管理、安全管理、生产设施管理等的各种需求做出智能的响应，为工厂提供一个高效、安全、节能、环保、舒适的生产、研发、销售和管理环境。

未来的智慧工厂将会是一个信息物理融合的智慧工厂。它是一个计算机网络、通信网络、控制网络、物联网相互连接的，综合计算、网络、感知、控制、沟通的信息物理融合网络。通过计算（Computation）、通信（Communication）感知（Sensor）和控制（Control）的有机融合与深度协作，实现系统的实时感知、动态控制和信息服务。通过人机交互接口实现和物理进程的交互，使用网络化空间以远程的、可靠的、实时的、安全的、协作的方式操控一个物理实体。同时每一个单独的系统都是一个智能体，通过将来无处不在的环境感知、嵌入式计算、网络通信和网络控制等系统工程，具有计算、通信、精确控制、远程协作和自治的能力，系统之间紧密结合与协调，达到更加智慧的状态。

未来的智慧工厂将是一个虚拟与现实相融合的智慧工厂。工厂的所有物理实体和行为活动均通过各种手段实现了数字化和虚拟化，形成一个伴随物理世界同步运转的可视化的智慧仿真工厂。这个智慧仿真工厂通过即时的数据交互接口和现实工厂的实体对象之间保持动态联系，实时反映实体之间以及实体与外界间的信息交换活动与实体本身全生命周期中的状态变化，并能根据丰富的历史数据和专家知识预测工厂各项活动的发展趋势，为智慧工厂的管理提供一种可视的、动态的、及时的、准确的、智慧的管理。

未来的智慧工厂将会是一个体现绿色云制造的智慧工厂。在“制造即服务”理念的基础上，通过将企业的制造全生命周期活动中的各类制造设备（如工业设备、计算设备）及制造过程中的各种模型、数据、软件、领域知识数字化，借助于信息物理融合网络形成可实时感知、动态控制的资源，实现制造资源的虚拟化、优化调度和协同互联，建立起共享制造资源的服务平台，将巨大的制造资源池连接在一起，提供各种制造服务，实现制造资源与服务的开放协作、资源高度共享。