國內外智慧工廠建設的現狀分析

近年來，全球各主要經濟體都在大力推進製造業的復興。在工業4.0、工業網際網路、物聯網、雲計算等熱潮下，全球眾多優秀製造企業都開展了智慧工廠建設實踐。

例如，西門子安貝格電子工廠實現了多品種工控機的混線生產；FANUC公司實現了機器人和伺服電機生產過程的高度自動化和智慧化，並利用自動化立體倉庫在車間內的各個智慧製造單元之間傳遞物料，實現了最高720小時無人值守；施耐德電氣實現了電氣開關製造和包裝過程的全自動化；美國哈雷戴維森公司廣泛利用以加工中心和機器人構成的智慧製造單元，實現大批次定製；三菱電機名古屋製作所採用人機結合的新型機器人裝配產線，實現從自動化到智慧化的轉變，顯著提高了單位生產面積的產量；全球重卡巨頭MAN公司搭建了完備的廠內物流體系，利用AGV裝載進行裝配的部件和整車，便於靈活調整裝配線，並建立了物料超市，取得明顯成效。

▲德國MAN工廠

利用AGV作為部件和整車裝配的載體

當前，中國製造企業面臨著巨大的轉型壓力。一方面，勞動力成本迅速攀升、產能過剩、競爭激烈、客戶個性化需求日益增長等因素，迫使製造企業從低成本競爭策略轉向建立差異化競爭優勢。在工廠層面，製造企業面臨著招工難，以及缺乏專業技師的巨大壓力，必須實現減員增效，迫切需要推進智慧工廠建設。另一方面，物聯網、協作機器人、增材製造、預測性維護、機器視覺等新興技術迅速興起，為製造企業推進智慧工廠建設提供了良好的技術支撐。再加上國家和地方政府的大力扶持，使各行業越來越多的大中型企業開啟了智慧工廠建設的征程。

中國汽車、家電、軌道交通、食品飲料、製藥、裝備製造、家居等行業的企業對生產和裝配線進行自動化、智慧化改造，以及建立全新的智慧工廠的需求十分旺盛，湧現出海爾、美的、東莞勁勝、尚品宅配等智慧工廠建設的樣板。

例如，海爾佛山滾筒洗衣機工廠可以實現按訂單配置、生產和裝配，採用高柔性的自動無人生產線，廣泛應用精密裝配機器人，採用MES系統全程訂單執行管理系統，透過RFID進行全程追溯，實現了機機互聯、機物互聯和人機互聯；尚品宅配實現了從款式設計到構造尺寸的全方位個性定製，建立了高度智慧化的生產加工控制系統，能夠滿足消費者個性化定製所產生的特殊尺寸與構造板材的切削加工需求；東莞勁勝全面採用中國產加工中心、中國產數控系統和中國產工業軟體，實現了裝置資料的自動採集和車間聯網，建立了工廠的數字對映模型（Digital Twin），構建了手機殼加工的智慧工廠。

但是，中國製造企業在推進智慧工廠建設方面，還存在諸多問題與誤區：

①盲目購買自動化裝置和自動化產線。很多製造企業仍然認為推進智慧工廠就是自動化和機器人化，盲目追求“黑燈工廠”，推進單工位的機器人改造，推行機器換人，上馬只能加工或裝配單一產品的剛性自動化生產線。只注重購買高階數控裝置，但卻沒有配備相應的軟體系統。

②尚未實現裝置資料的自動採集和車間聯網。企業在購買裝置時沒有要求開放資料介面，大部分裝置還不能自動採集資料，沒有實現車間聯網。目前，各大自動化廠商都有自己的工業匯流排和通訊協議，OPC UA標準的應用還不普及。

④裝置績效不高。生產裝置沒有得到充分利用，裝置的健康狀態未進行有效管理，常常由於裝置故障造成非計劃性停機，影響生產。

⑤依然存在大量資訊化孤島和自動化孤島。智慧工廠建設涉及到智慧裝備、自動化控制、感測器、工業軟體等領域的供應商，整合難度很大。很多企業不僅存在諸多資訊孤島，也存在很多自動化孤島，自動化生產線沒有進行統一規劃，生產線之間還需要中轉庫轉運。

究其原因，是智慧製造和智慧工廠涵蓋領域很多，系統極其複雜，企業還缺乏深刻理解。在這種狀況下，製造企業不能貿然推進，搞“大躍進”，以免造成企業的投資打水漂。應當依託有實戰經驗的諮詢服務機構，結合企業內部的IT、自動化和精益團隊，高層積極參與，根據企業的產品和生產工藝，做好需求分析和整體規劃，在此基礎上穩妥推進，才能取得實效。

二、何謂智慧工廠？

究竟何謂智慧工廠？智慧工廠具有以下六個顯著特徵：

① 裝置互聯。能夠實現裝置與裝置互聯（M2M），透過與裝置控制系統整合，以及外接感測器等方式，由SCADA（資料採集與監控系統）實時採集裝置的狀態，生產完工的資訊、質量資訊，並透過應用RFID（無線射頻技術）、條碼（一維和二維）等技術，實現生產過程的可追溯。

② 廣泛應用工業軟體。廣泛應用MES（製造執行系統）、APS（先進生產排程）、能源管理、質量管理等工業軟體，實現生產現場的視覺化和透明化。在新建工廠時，可以透過數字化工廠模擬軟體，進行裝置和產線佈局、工廠物流、人機工程等模擬，確保工廠結構合理。在推進數字化轉型的過程中，必須確保工廠的資料安全和裝置和自動化系統安全。在透過專業檢測裝置檢出次品時，不僅要能夠自動與合格品分流，而且能夠透過SPC（統計過程控制）等軟體，分析出現質量問題的原因。

③充分結合精益生產理念。充分體現工業工程和精益生產的理念，能夠實現按訂單驅動，拉動式生產，儘量減少在製品庫存，消除浪費。推進智慧工廠建設要充分結合企業產品和工藝特點。在研發階段也需要大力推進標準化、模組化和系列化，奠定推進精益生產的基礎。

④實現柔性自動化。結合企業的產品和生產特點，持續提升生產、檢測和工廠物流的自動化程度。產品品種少、生產批次大的企業可以實現高度自動化，乃至建立黑燈工廠；小批次、多品種的企業則應當注重少人化、人機結合，不要盲目推進自動化，應當特別注重建立智慧製造單元。工廠的自動化生產線和裝配線應當適當考慮冗餘，避免由於關鍵裝置故障而停線；同時，應當充分考慮如何快速換模，能夠適應多品種的混線生產。物流自動化對於實現智慧工廠至關重要，企業可以透過AGV、行架式機械手、懸掛式輸送鏈等物流裝置實現工序之間的物料傳遞，並配置物料超市，儘量將物料配送到線邊。質量檢測的自動化也非常重要，機器視覺在智慧工廠的應用將會越來越廣泛。此外，還需要仔細考慮如何使用助力裝置，減輕工人勞動強度。

⑤注重環境友好，實現綠色製造。能夠及時採集裝置和產線的能源消耗，實現能源高效利用。在危險和存在汙染的環節，優先用機器人替代人工，能夠實現廢料的回收和再利用。

⑥ 可以實現實時洞察。從生產排產指令的下達到完工資訊的反饋，實現閉環。透過建立生產指揮系統，實時洞察工廠的生產、質量、能耗和裝置狀態資訊，避免非計劃性停機。透過建立工廠的Digital Twin（數字對映），方便地洞察生產現場的狀態，輔助各級管理人員做出正確決策。

僅有自動化生產線和工業機器人的工廠，還不能稱為智慧工廠。智慧工廠不僅生產過程應實現自動化、透明化、視覺化、精益化，而且，在產品檢測、質量檢驗和分析、生產物流等環節也應當與生產過程實現閉環整合。一個工廠的多個車間之間也要實現資訊共享、準時配送和協同作業。

智慧工廠的建設充分融合了資訊科技、先進製造技術、自動化技術、通訊技術和人工智慧技術。每個企業在建設智慧工廠時，都應該考慮如何能夠有效融合這五大領域的新興技術，與企業的產品特點和製造工藝緊密結合，確定自身的智慧工廠推進方案。

三、智慧工廠的體系架構

著名業務流程管理專家August-Wilhelm Scheer教授提出的智慧工廠框架強調了MES系統在智慧工廠建設中的樞紐作用。

▲Scheer教授提出的智慧工廠架構

智慧工廠可以分為基礎設施層、智慧裝備層、智慧產線層、智慧車間層和工廠管控層五個層級：

▲智慧工廠五級金字塔

① 基礎設施層

企業首先應當建立有線或者無線的工廠網路，實現生產指令的自動下達和裝置與產線資訊的自動採集；形成整合化的車間聯網環境，解決不同通訊協議的裝置之間，以及PLC、CNC、機器人、儀表/感測器和工控/IT系統之間的聯網問題；利用影片監控系統對車間的環境，人員行為進行監控、識別與報警；此外，工廠應當在溫度、溼度、潔淨度的控制和工業安全（包括工業自動化系統的安全、生產環境的安全和人員安全）等方面達到智慧化水平。

② 智慧裝備層

智慧裝備是智慧工廠運作的重要手段和工具。智慧裝備主要包含智慧生產裝置、智慧檢測裝置和智慧物流裝置。製造裝備在經歷了機械裝備到數控裝備後，目前正在逐步向智慧裝備發展。智慧化的加工中心具有誤差補償、溫度補償等功能，能夠實現邊檢測、邊加工。工業機器人透過整合視覺、力覺等感測器，能夠準確識別工件，自主進行裝配，自動避讓人，實現人機協作。金屬增材製造裝置可以直接製造零件，DMG MORI已開發出能夠實現同時實現增材製造和切削加工的混合製造加工中心。智慧物流裝置則包括自動化立體倉庫、智慧夾具、AGV、桁架式機械手、懸掛式輸送鏈等。例如，Fanuc工廠就應用了自動化立體倉庫作為智慧加工單元之間的物料傳遞工具。

智慧產線的特點是，在生產和裝配的過程中，能夠透過感測器、數控系統或RFID自動進行生產、質量、能耗、裝置績效（OEE）等資料採集，並透過電子看板顯示實時的生產狀態；透過安燈系統實現工序之間的協作；生產線能夠實現快速換模，實現柔性自動化；能夠支援多種相似產品的混線生產和裝配，靈活調整工藝，適應小批次、多品種的生產模式；具有一定冗餘，如果生產線上有裝置出現故障，能夠調整到其他裝置生產；針對人工操作的工位，能夠給予智慧的提示。

④ 智慧車間層

要實現對生產過程進行有效管控，需要在裝置聯網的基礎上，利用製造執行系統（MES）、先進生產排產（APS）、勞動力管理等軟體進行高效的生產排產和合理的人員排班，提高裝置利用率（OEE），實現生產過程的追溯，減少在製品庫存，應用人機介面（HMI），以及工業平板等移動終端，實現生產過程的無紙化。另外，還可以利用Digital Twin(數字對映)技術將MES系統採集到的資料在虛擬的三維車間模型中實時地展現出來，不僅提供車間的VR（虛擬現實）環境，而且還可以顯示裝置的實際狀態，實現虛實融合。

車間物流的智慧化對於實現智慧工廠至關重要。企業需要充分利用智慧物流裝備實現生產過程中所需物料的及時配送。企業可以用DPS系統(Digital Picking System)實現物料揀選的自動化。

⑤ 工廠管控層

工廠管控層主要是實現對生產過程的監控，透過生產指揮系統實時洞察工廠的運營，實現多個車間之間的協作和資源的排程。流程製造企業已廣泛應用DCS或PLC控制系統進行生產管控，近年來，離散製造企業也開始建立中央控制室，實時顯示工廠的運營資料和圖表，展示裝置的執行狀態，並可以透過影象識別技術對影片監控中發現的問題進行自動報警。

四、智慧工廠的成功之道

① 進行智慧工廠整體規劃

智慧工廠的建設需要實現IT系統與自動化系統的資訊整合；處理來源多樣的異構資料，包括裝置、生產、物料、質量、能耗等海量資料；應當進行科學的廠房佈局規劃，在滿足生產工藝要求，最佳化業務流程的基礎上，提升物流效率，提高工人工作的舒適程度。智慧工廠的推進需要企業的IT部門、自動化部門、精益推進部門和業務部門的通力合作。製造企業應當做好智慧工廠相關技術的培訓，選擇有實戰經驗的智慧製造諮詢服務機構，共同規劃推進智慧工廠建設的藍圖。在規劃時應注意行業差異性，因為不同行業的產品製造工藝差別很大，智慧工廠建設的目標和重點也有顯著差異。

② 建立明確的智慧工廠標準

在智慧工廠的建設中，企業往往會忽視管理與技術標準的建立，容易造成缺少資料標準，一物多碼；作業標準執行不到位；缺失裝置管理標準，不同的裝置採用不同的通訊協議，造成裝置整合難度大；管理流程複雜，職權利不匹配；質檢標準執行不到位，導致批次質量問題多等問題。因此，需要建立明確的智慧工廠標準，例如，業務流程管理規範、裝置點檢維護標準和智慧工廠評估標準等管理規範，智慧裝備標準、智慧工廠系統整合標準、工業網際網路標準以及主資料管理標準等技術標準。

目前，智慧加工單元在中國製造企業的應用還處於起步階段，但必然是發展的方向。智慧加工單元可以利用智慧技術將CNC、工業機器人、加工中心以及自動化程度較低的裝置整合起來，使其具有更高的柔性，提高生產效率。

④ 強調人機協作而不是機器換人

智慧工廠的終極目標並不是要建設成無人工廠，而應追求在合理成本的前提下，滿足市場個性化定製的需求。因此，人機協作將成為智慧工廠未來發展的主要趨勢。人機協作的最大特點是可以充分利用人的靈活性完成複雜多變的工作任務，在關鍵崗位上，更需要人的判斷能力和決策能力顯得更為重要，而機器人則擅長重複勞動。

⑤ 積極應用新興技術

未來，AR（Augmented Reality，增強現實）技術將被大量應用到工廠的裝置維護和人員培訓中。工人帶上AR眼鏡，就可以“看到”需要操作的工作位置。例如，需要擰緊螺栓的地方，當擰到位時，會有相應提示，從而提高作業人員的工作效率；維修人員可以透過實物掃碼，使虛擬模型與實物模型重合疊加，同時在虛擬模型中顯示出裝置型號、工作引數等資訊，並根據AR中的提示進行維修操作；AR技術還可以幫助裝置維修人員將實物執行引數與數字模型進行對比，儘快定位問題，並給予可能的故障原因分析。此外，數字工廠模擬技術可以基於離散事件建模、3D幾何建模、視覺化模擬與最佳化等技術實現對工廠靜態佈局、動態物流過程等綜合模擬和分析，從而能夠先建立數字化的生產系統甚至全部工廠，依據既定工藝進行執行模擬。

五、總結

在智慧製造的熱潮下，企業不宜盲目跟風。建設智慧工廠，應圍繞企業的中長期發展戰略，根據自身產品、工藝、裝置和訂單的特點，合理規劃智慧工廠的建設藍圖。在推進規範化、標準化的基礎上，從最緊迫需要解決的問題入手，務實推進智慧工廠的建設。

智慧工廠中，輕微的機械聲從不遠處傳來。一輛黃色的AGV小車正從倉庫自動取貨，將配件馱送至不同的上料站臺。新一批的AGV小車，則將裝配完畢的產品，自動運送到出料口。早已等待在出口的叉車，在智慧鐳射的引導下，將產品送至對面的老化測試中心。

放眼望去，流水線上的智慧鎖螺絲機人一刻不停，每8分鐘自動鎖完130顆螺絲，而同樣的工作量人工大概需要1個小時。

眾所周知，為了應對全球製造業變革浪潮，促進本國製造業的轉型升級，德國政府於2013年提出了工業4.0的國家戰略，中國則於2015年釋出了《中國製造2025》行動綱領。在這樣的背景下，國內外的製造企業紛紛開始智慧化轉型，智慧工廠成為製造升級的必然趨勢。

然而有資料表明，目前中國有七八百萬家制造企業，但真正開始做智慧化的還不到10%。放眼時下的中國製造，多數企業還處於單一型號產品、標準化流水線批次作業、以低廉成本作為唯一競爭優勢的工業2.0形態，只有少數企業運用了機械化或者自動化代替了一部分的手工勞動，製造的模式並沒有改變。

值得注意的是，自動化並不等同於智慧化。智慧製造所需要的並不僅僅是裝置的升級或單純的人工智慧開發，而是圍繞使用者的價值，實現全流程端對端互聯，對整個製造行業進行水平整合和垂直整合，打造一個互聯工廠。

網際網路時代下的需求更個性化和多樣化，模式更趨向於定製化，這就倒逼供應鏈和製造要“個性化、靈活、高效、快速”。為了滿足使用者的需求和體驗，製造業必須致力於實現全流程端到端互聯，打造柔性製造的工廠和供應鏈。

嘉益仕（Litins）打造的智慧工廠是圍繞供應鏈、生產鏈和產品生命週期的服務鏈三大業務活動進行展開，將智慧製造與各環節緊密結合在一起。嘉益仕（Litns）所堅持的智慧製造，是以資料為核心，利用資訊科技將資料作用在製造流程的每一個環節併產生價值，從而實現精細化的生產和服務。

製造≠智造，帶來什麼樣的啟示？

工業時代強調規模經濟，其依據是單一產品生產規模擴大，產品的平均成本會逐步下降。這是一種面向“做大”的製造模式。

而在工業4.0和中國製造2025背景下的數字經濟，則強調範圍經濟，透過資訊的獲取和處理應對“多樣性”的挑戰，從而降低成本、提高效益，是一種“智造”的思路。

因此，從“製造”升級為“智造”，圍繞“使用者生產”的JDM模式或許是最好詮釋。讓使用者的需求意見滲透到產品設計、訴求、生產的全過程，整個製造過程的起點是使用者，歸宿也是使用者，是數字經濟下的最佳範本。

客戶全流程參與大規模定製，不僅僅獲取了客戶的需求，快速滿足了客戶的需求和體驗；更重要的是，實現了客戶需求驅動企業全流程的變革，變原來以企業中心的傳統模式，為以客戶為中心並聯協同的網際網路模式，這樣可以大幅提升企業的效率和對客戶終生價值的滿足。

智慧工廠中，輕微的機械聲從不遠處傳來。一輛黃色的AGV小車正從倉庫自動取貨，將配件馱送至不同的上料站臺。新一批的AGV小車，則將裝配完畢的產品，自動運送到出料口。早已等待在出口的叉車，在智慧鐳射的引導下，將產品送至對面的老化測試中心。

放眼望去，流水線上的智慧鎖螺絲機人一刻不停，每8分鐘自動鎖完130顆螺絲，而同樣的工作量人工大概需要1個小時。

眾所周知，為了應對全球製造業變革浪潮，促進本國製造業的轉型升級，德國政府於2013年提出了工業4.0的國家戰略，中國則於2015年釋出了《中國製造2025》行動綱領。在這樣的背景下，國內外的製造企業紛紛開始智慧化轉型，智慧工廠成為製造升級的必然趨勢。

然而有資料表明，目前中國有七八百萬家制造企業，但真正開始做智慧化的還不到10%。放眼時下的中國製造，多數企業還處於單一型號產品、標準化流水線批次作業、以低廉成本作為唯一競爭優勢的工業2.0形態，只有少數企業運用了機械化或者自動化代替了一部分的手工勞動，製造的模式並沒有改變。

值得注意的是，自動化並不等同於智慧化。智慧製造所需要的並不僅僅是裝置的升級或單純的人工智慧開發，而是圍繞使用者的價值，實現全流程端對端互聯，對整個製造行業進行水平整合和垂直整合，打造一個互聯工廠。

網際網路時代下的需求更個性化和多樣化，模式更趨向於定製化，這就倒逼供應鏈和製造要“個性化、靈活、高效、快速”。為了滿足使用者的需求和體驗，製造業必須致力於實現全流程端到端互聯，打造柔性製造的工廠和供應鏈。

嘉益仕（Litins）打造的智慧工廠是圍繞供應鏈、生產鏈和產品生命週期的服務鏈三大業務活動進行展開，將智慧製造與各環節緊密結合在一起。嘉益仕（Litns）所堅持的智慧製造，是以資料為核心，利用資訊科技將資料作用在製造流程的每一個環節併產生價值，從而實現精細化的生產和服務。

製造≠智造，帶來什麼樣的啟示？

工業時代強調規模經濟，其依據是單一產品生產規模擴大，產品的平均成本會逐步下降。這是一種面向“做大”的製造模式。

而在工業4.0和中國製造2025背景下的數字經濟，則強調範圍經濟，透過資訊的獲取和處理應對“多樣性”的挑戰，從而降低成本、提高效益，是一種“智造”的思路。

因此，從“製造”升級為“智造”，圍繞“使用者生產”的JDM模式或許是最好詮釋。讓使用者的需求意見滲透到產品設計、訴求、生產的全過程，整個製造過程的起點是使用者，歸宿也是使用者，是數字經濟下的最佳範本。

客戶全流程參與大規模定製，不僅僅獲取了客戶的需求，快速滿足了客戶的需求和體驗；更重要的是，實現了客戶需求驅動企業全流程的變革，變原來以企業中心的傳統模式，為以客戶為中心並聯協同的網際網路模式，這樣可以大幅提升企業的效率和對客戶終生價值的滿足。

智慧工廠實現了全流程的資訊融合，形成了大規模定製、智慧產品遠端診斷、智慧生活場景商務等新興業態。工廠目標從產銷分離到產銷合一，滿足使用者無縫化、透明化、視覺化的最佳體驗。

由企業為中心的生產到使用者資訊直達工廠，使用者驅動精準、高效，大規模柔性生產，快速響應，並透過透明工廠互動迭代，解決原來大規模流程線柔性不足、定製成本高的問題。

同步做數字化、智慧化升級，從而打通整個價值鏈，形成高效運轉的消費生態圈，實現整個產業鏈的升級。