关灯工厂的技术发展和应用

    黄俊俊

    

    

    【摘要】? ? 近年来，随着国际化浪潮席卷全球，我国作为世界工厂的劳动力成本优势逐渐减弱，随着新一代信息通信技术的快速发展及与先进制造技术不断深度融合，全球兴起了以智能制造为代表的新一轮产业变革，数字化、网络化、智能化日益成为未来制造业发展的主要趋势。本文简要论述关灯工厂在数字化方面的技术发展和应用。

    【关键词】? ? 智能制造? ? 关灯工厂? ? 数字化? ? 技术? ? 发展? ? 应用

    一、概述

    随着新兴技术的不断发展成熟，在工业领域，世界各国陆续提出了诸多发展方向。美国提出国内制造业振兴计划，德国提出工业4.0 计划，欧盟其他国家和日本等发达国家和地区也纷纷跟进的当下国际环境中，在越南等东南亚国家开始效仿中国走廉价劳动力推动制造业发展、与我国争夺世界工厂地位的趋势下，我国传统制造业亟需寻找到一条适合自身产业特点的道路以迈向现代化、工业化、智能化的现代工业模式。关灯工厂充分利用现代信息技术和管理技术改造和升级未来制造车间，实现车间生产过程及其要素的智能化的集中管控，实现制造过程自动、高效、低耗和高质量发展。

    二、关灯工厂的业务构建

    关灯工厂的实现离不开信息化系统，企业在关灯工厂的构建过程中，各个信息化系统之间需要实现柔性装配智能作业闭环的业务过程。目前企业广泛应用的有企业资源計划系统（ERP）、产品生命周期管理系统（PLM）、制造执行系统（MES）等系统，这些系统之间功能相互独立，但在信息层面又相互协同。在关灯工厂构建业务过程中，它们之间任何一个系统的不胜任，都会引起企业数字化架构的整体性能大打折扣。因此，每个系统在其业务领域都必须是尽善尽美的，都能够很好地满足企业生产制造、数据管理和业务管理领域的各种信息事务处理工作，但同时它们之间数据通讯接口的完整性和健壮性又在很大程度上影响了三者之间的整体协同架构。

    关灯工厂最大的特征是智能化无人操作，突出表现在无纸化、精细化和网络化。借助ERP、PLM、MES、自动化仓储物流系统（WMS）、工业物联网、AI 大脑系统、看板系统以及先进的自动化制造技术，将生产过程特性进行动作分解，并与智能化制造技术充分融合，实现了从接到客户订单开始，到采购需求、库存管理、生产计划排产、生产制造过程，到产品交付的全过程的信息化管理，包括库存管理、生产计划下达、产品生产、设备联网、品质管理、物流配送、包装、交付等业务流程的信息化，实现业务流程数据采集，记录生产过程信息、物料防错信息、设备信息、产品追溯信息和关键生产资源的实时状况，实现可追溯生产和透明化生产。

    三、关灯工厂的技术发展路线

    关灯工厂的技术基础是信息化与智能化技术。然而在早期阶段，大多数制造企业会沿着从基础管理、标准化管理、集成化管理到智能化管理的技术发展路径一步步演变，并在此过程中完成技术积累。如下图2所示。

    在基础自动化到智能化发展阶段，更多的工作是设备联网、自动编程、物料管理、能效管理等。设备联网目的在于建设一个集中统一管理、多线程通讯的加工网络，将工艺人员、编程人员和现场机床操作人员统一到同一个管理平台，有效降低工程师、工人的劳动强度，提高工作效率;应用层包含有公共数据网以及安装应用软件的PC、数据库、服务器等。

    部分制造企业还会通过自动编程软件来提高数控程序编制效率。并且具有仿真和文档管理功能。建立包含加工完整信息的数据库，采用多种文件管理结构，并按照产品种类或加工过程进行分类、分层。每一级目录对不同部门人员设定不同的管理权限。文件的多级权限管理不仅可以方便不同部门高效沟通，同时保证了系统数据的安全性。

    在物料管理方面，通过编码标准化以及准确识别。然后在此基础上建立企业级的中央物料库管理系统（立体物料库+物料管理软件）。以物料立体仓库为中心，实现从物料的出入库、采购、报废等全程管理，并且与CAM、CAPP等对接，实现物料快速配置、流转。建设立体仓库可以通过WMS、AGV、RFID系统的应用，实现仓储配送与生产计划、制造执行以及企业资源管理等业务的集成，实现仓储系统与生产系统的实时联动，实现物料的存储、分拣、配送自动化。

    同时在能耗管理方面，通过安装智能电表对加工设备生产过程耗能自动采集记录。并生成产品加工能耗记录表。为优化加工工艺提供数据支持。同时可以辅助生产工时的统计。向特定人员开放接口，并由研发人员根据能耗数据进行生产优化，实现精益生产。

    四、关灯工厂的应用实施目标

    关灯工厂通过建立车间总体设计、工艺流程及布局的数字化模型并采用计算机辅助设计、通过CAD、PLM等系统的应用，实现设计数字化。以MES为核心，对生产过程进行数字化、透明化管控，实现生产制造过程数字化。建设物流、生产、检测自动化和实时采集的生产线，实现装备数字化。以ERP为载体，推进研、产、供、销的企业价值链智能化，实现企业经营管理数字化、制造过程数字化、物流控制精准化、质量管理数字化。

    4.1 经营管理数字化

    以ERP为载体，坚持以客户为中心，以市场为主线，以效率倍增为目标，推进产、供、销的企业价值链智能化，赋能企业经营核心流程，充分应用物联网、云计算、大数据等信息技术、先进制造技术及必要的智能化手段，推动合作伙伴、供应商、员工提高生产效率。

    4.2 制造过程数字化

    工业互联网IoT 建设，有效提取设备工艺、状态信息、产量信息，实现内部互联;围绕关键工艺环节的需求，推进自动化生产线、工业机器人、智能传感器、自动控制系统、在线检测设备等深层次应用，集成了工艺分析、在线检测和人工智能等技术。依托MES系统，对生产过程进行数字化、透明化管控，实时对制造过程进行监控，并实现产品的数据动态管理，实现生产过程的实时监控、异常预警、设备生命周期管理、维修换件管理、自动排产、过程质量管控、及时物耗跟踪等管控功能的可视化。

    4.3 质量管理的数字化

    建设覆盖产品全生命周期和全业务链的质量大数据分析系统，对生产全过程成品及零件的质量进行采集、跟踪、预警、防呆、分析、统计和追溯，并结合质量管理体系进行制造管理，为所生产的产品都建立完整的質量档案，确保生产合规。同时为售后质量追溯提供精确数据。

    4.4 物流控制精准化

    借助AGV、全自动码垛系统、立体仓库等技术，对生产现场物流进行智能化升级，提升物流输送的效率，减少人员干预，实现生产过程的自动化、智能化。

    物流设施、设备的自动化、智能化和数字化水平大幅度提高，推动物流追踪与物资管理、智能调度与储存运输、无人搬运与智能码垛等新技术应用。建立全过程物料流转管控和全过程产品质量追溯体系。

    五、关灯工厂的技术应用原则

    在关灯工厂实施以数据规划、数据分析、数据驱动为主线的车间数字化提升改造，通过对设备、管理、流程、产品等各方面的数据再利用，可以打造出有别于普通流水线的全新制造模式，同时应结合企业实际条件，科学规划，避免盲目决策，建议遵循整体性、可扩展性和安全性原则，全面考虑，长远决策。尤其注意信息安全管理。

    1、项目建设首先基于创新思维，对具有良好市场前景，先进工艺及装备的内容进行数字化建设。关灯工厂核心是实现整个价值链的端到端互联，因此企业必须借助各种力量构筑生态圈或成为生态圈的一员，充分调动自身、外部咨询机构、设备供应商、技术研发机构、政府机构等各方的资源，并结合企业自身的生产特点进行充分的数字化诊断，为后续工作的开展提供设计和规划依据。

    2、基于前瞻性思维，以制造过程数字化为核心打造软硬集成、虚实结合的智能车间。结合工业化和信息化两化融合，以物流自动化、加工自动化、检测自动化为基础，通过设计数字化，实现快速设计;并为运营数字化ERP 系统提供编码、BOM，保证各部门作业流程的流畅贯通。

    3、关灯工厂一定要结合产品特性，以精益和落地为原则，采用实用、可靠模式。首先，分析数字化系统的集成框架，以保证数字化系统的完整有效。一般来说，智能制造需要包括ERP 系统（企业资源计划系统），MES 系统（制造执行系统）、PLM 系统（产品生命周期管理系统）和WMS（仓库管理系统）在内的相互连接的一整套数字化管理体系。其次，分析数字化系统各项功能需求的可行性和重要性，在两个维度上进行高、中、低三档的排序。此过程应邀请尽可能多的利益相关者参加，尤其是硬件和软件供应商。最后，根据可行性和重要性排序，制定数字化系统落地的实施路径，明确短期、中期、长期的发展目标。

    4、关灯工厂涉及系统众多，各个系统数据接口处理应确保实用性，可靠性，易维护性。各个系统数据接口处理的实用性，可靠性，易维护性可以让企业在业务增加，规模扩大，以及企业管理持续改进上能有较好的柔性。关灯工厂的打造有别于传统业务模式，可以让制造型企业从根本上改头换面。项目建设涉及多种设备，多种应用软件，涉及人员范围众多，专业知识复杂，建设团队来源及知识体系不一，需要安排高层领导以及具有丰富经验的项目经理进行专业化管理。

    六、关灯工厂的信息安全问题

    对于非密层级的数据，允许借用公共运营商的云服务器进行数据交互，与该层级有数据关联的人员和客户均可被授权查看。对于保密等级较高数据，应建立安全防护机制，另外，利用云技术对各项数据进行实时异地备份，对于限制上云的关键性数据，采用物理传递方式进行数据的异地备份，确保数据备份安全、及时、可靠。同时，应注意严格规范系统开发与测试的流程，对系统开发过程进行合理的监督，确保企业和车间信息和资料的安全性，根据最小权限原则规范系统管理员及其他用户的授权，对系统升级、维护、变更等操作进行有效的控制，加强计算机终端、网络设备、服务器、机房等的日常管理，加强病毒防控、入侵检测等防御性安全管理，并安排专业人员对整个数字化车间系统运行状态进行监控，严格控制系统的输入输出，同时加强对日常检修、维护保养、数据备份等日常工作的管理和维护。

    七、总结

    随着企业需求的变化更新，关灯工厂内部各系统间的互联互通也有待进一步提升，后期将深度挖掘数据价值，让数据说话，向数据要效益。未来关灯工厂的技术应用实施在充分发挥5G技术、区块链溯源等先进技术优势的同时，还应重视人才的培养过程，如算法工程师、视觉工程师、大数据工程师等高素质人才。同时还应关注并积极探索工业行业生产制造创新应用新模式。

    参? 考? 文? 献

    [1]李保峰.浅析智能化工厂设计要点[J]. 自动化工程，2011（4）：37-38.

    [2]王琪.数字化车间技术探讨及设计要点分析[J].工程与技术，2016（17）.

    [3]李立.浅谈人工智能在工业制造领域的应用[J]. 城市建设理论研究， 2015（12）.