離散型制造業(yè)相較于流程型制造業(yè)，生產(chǎn)工藝復雜，生產(chǎn)精密性高，生產(chǎn)過程不確定因素多，由此生產(chǎn)控制更為復雜和多變。隨著我國工業(yè)化進程的推進，離散型制造業(yè)通過生產(chǎn)自動化、管理數(shù)字化等舉措提高了生產(chǎn)效率和市場占有率。然而，與國際先進水平相比，我國離散型制造業(yè)在智能制造、智能管理、動態(tài)優(yōu)化等方面仍存在諸多痛點亟待解決，尤其是缺乏系統(tǒng)性進行工廠規(guī)劃和落地建設的高效解決方案。

筆者介紹離散型制造智能工廠規(guī)劃建設路徑，需要在改造前期根據(jù)國家相關標準進行智能制造水平診斷，同時依據(jù)企業(yè)具體特點及基礎現(xiàn)狀，進行全面優(yōu)化、詳細設計、仿真驗證的數(shù)字化規(guī)劃，進而分階段、分模塊推進落地建設，確保基于規(guī)劃方案實現(xiàn)智能工廠集成建設。

1 智能制造水平診斷

根據(jù)GB/T39116—2020《智能制造能力成熟度模型》和GB/T39117—2020《智能制造能力成熟度評估方法》兩項國家標準，進行智能制造水平診斷。智能制造成熟度模型給出組織實施智能制造要達到的階梯目標和演進路徑，提出智能工廠的核心能力、要素、特征、要求。在智能工廠中，通常應當包括智能設計、智能生產(chǎn)、智能管理、智能物流、智能集成等關鍵技術。

根據(jù)企業(yè)業(yè)務，確定診斷范圍與計劃，組織相關部門進行訪談交流與舉證分析，從而對企業(yè)的基本情況、戰(zhàn)略定位、人員、技術、資源，以及設計、生產(chǎn)、物流、銷售、服務等能力域進行評估診斷，綜合判斷企業(yè)的智能制造水平。對標行業(yè)先進，分析差距原因，并且在此基礎上提出企業(yè)進行智能化改造的頂層設計方案和實施建議。智能制造水平診斷流程如圖1所示。

圖 1 智能制造水平診斷流程

2 智能工廠規(guī)劃設計

在完成智能制造水平診斷，制訂初步改造方案的基礎上，結合企業(yè)的基礎現(xiàn)狀、行業(yè)特點、戰(zhàn)略需要、生產(chǎn)需求等，形成可落地、分階段實施的能有效解決問題的詳細建設規(guī)劃方案，在數(shù)字孿生環(huán)境下進行仿真迭代，最終完成數(shù)字化交付。

以下介紹智能工廠的規(guī)劃設計。

2.1 戰(zhàn)略設計

離散型制造智能工廠規(guī)劃設計路徑模型如圖2所示。

圖 2 離散型制造智能工廠規(guī)劃設計路徑模型

2.2 戰(zhàn)略設計

通過智能制造水平診斷，確定企業(yè)智能制造戰(zhàn)略目標和典型應用場景。在此基礎上進行戰(zhàn)略目標分解，確定各業(yè)務改造技術目標。同時進行智能工廠指標體系規(guī)劃，包括人均效率、運營成本、質量合格率、設備綜合效率、庫存周轉率等。進一步分析指標計算方法和數(shù)據(jù)來源，分解至過程指標，并綜合考慮基礎數(shù)據(jù)自動采集需求，進行信息系統(tǒng)統(tǒng)一規(guī)劃設計。

2.3 詳細設計

從產(chǎn)品分析入手，按照生產(chǎn)工藝特點，分別梳理產(chǎn)品物料清單、工藝流程、PFEP現(xiàn)狀。借助生產(chǎn)線虛擬建造、系統(tǒng)仿真、離線編程、虛擬調試等技術，識別影響生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質量、生產(chǎn)成本等關鍵指標的工藝環(huán)節(jié)，在此基礎上進行工藝布局、倉儲物流、自動化等詳細設計。智能工廠中工藝布局、倉儲物流、生產(chǎn)線設備關系緊密，相互銜接和影響，需要應用仿真技術不斷迭代優(yōu)化，最終形成布局合理、物流便捷高效的工藝布局方案和倉儲物流配送方案。

圍繞生產(chǎn)核心業(yè)務，全面描述銷售、設計、采購、計劃、生產(chǎn)、服務的產(chǎn)品全生命周期業(yè)務流程，分析現(xiàn)有信息系統(tǒng)的覆蓋范圍、每個業(yè)務流程的具體實施步驟。在現(xiàn)狀(as-is)基礎上進行流程再造，優(yōu)化業(yè)務數(shù)據(jù)在各個系統(tǒng)中傳輸?shù)那?，應用建模和仿真技術不斷迭代，最終形成整體最優(yōu)未來(to-be)業(yè)務流程。同時確定信息化規(guī)劃的應用架構、集成架構、技術架構，從而提高整個企業(yè)的生產(chǎn)、服務、經(jīng)營過程合理性。

2.4 仿真驗證

在進行物理工廠方案制訂的過程中，需要同步進行虛擬工廠的搭建。通過建模和仿真工具，對車間、生產(chǎn)線、工位、設備、倉儲物流等工藝布局進行數(shù)字化建模，模擬關鍵工序的作業(yè)流程及生產(chǎn)計劃、物料流動情況，評估產(chǎn)能、效率、成本等性能指標，驗證布局及自動化方案的合理性。通過運籌優(yōu)化算法，不斷迭代方案，進而縮短數(shù)字化車間規(guī)劃建設的整體周期。

2.5 數(shù)字化交付

基于最終的數(shù)字孿生工廠工藝布局、生產(chǎn)方案、信息系統(tǒng)方案，形成未來智能工廠仿真場景，并進行項目可行性及投資預算分析，輔助項目進行人員培訓、供應商選擇等，完成智能工廠落地規(guī)劃的數(shù)字化交付。

3 智能工廠落地建設

3.1 建設架構

依據(jù)規(guī)劃方案分階段進行落地建設，建成閉環(huán)控制的智能制造系統(tǒng)?？v向以工藝為核心，貫穿生產(chǎn)線控制、車間調度、整廠管控數(shù)據(jù)流，橫向以生產(chǎn)為主體，覆蓋設計、生產(chǎn)、服務、運營信息流。最終通過全面集成的數(shù)字化管控分析，驗證規(guī)劃成效，從而實現(xiàn)業(yè)務的迭代優(yōu)化。離散型制造智能工廠建設架構如圖3所示。

圖 3 離散型制造智能工廠建設架構

3.2 設備層

根據(jù)規(guī)劃方案，在生產(chǎn)、檢測、倉儲、物流等環(huán)節(jié)引入智能裝備，采用先進制造技術提高生產(chǎn)效率和質量一致性。智能裝備還可以通過智能傳感和控制技術，對自身設備及運行過程中的環(huán)境信息進行感知與分析，并根據(jù)控制系統(tǒng)的指令要求對自身生產(chǎn)狀態(tài)進行調整，進一步促進生產(chǎn)加工的穩(wěn)定與高效。

3.3 感知與控制層

建設工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，采集車間多源異構生產(chǎn)數(shù)據(jù)，統(tǒng)一接入數(shù)據(jù)集成管理平臺，進行處理與應用，實現(xiàn)設備互聯(lián)互通。在此基礎上，根據(jù)生產(chǎn)線工藝規(guī)劃方案，對設備組合應用，通過生產(chǎn)指令的上傳下達，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)線設備間協(xié)調生產(chǎn)。數(shù)據(jù)采集平臺為業(yè)務信息系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持，通過物理設備與信息系統(tǒng)的互聯(lián)互通，實現(xiàn)生產(chǎn)計劃與資源的統(tǒng)一調度和管控，為生產(chǎn)調控提供決策依據(jù)。

3.4 業(yè)務層

企業(yè)資源計劃、制造執(zhí)行系統(tǒng)及其他管理系統(tǒng)已在離散型制造業(yè)實現(xiàn)較為普遍的應用，但各業(yè)務系統(tǒng)之間仍然存在信息孤島現(xiàn)象。依據(jù)規(guī)劃階段對業(yè)務流程和信息系統(tǒng)進行的全面梳理，建設時應對新上系統(tǒng)和改造的舊系統(tǒng)統(tǒng)一進行接口改造，便于在數(shù)據(jù)平臺與各軟件之間進行數(shù)據(jù)和服務的相互調用，實現(xiàn)各信息化平臺貫通互聯(lián)。也可以建立企業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)集中管理平臺，對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行集成互聯(lián)管理。由此確保智能工廠在采購、設計、生產(chǎn)、銷售、服務等企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營全部環(huán)節(jié)的信息流通、資源整合、同步融合等。

3.5 管理與決策層

在信息系統(tǒng)集成建設的基礎上，可以對復雜的生產(chǎn)業(yè)務數(shù)據(jù)進行分析處理，對規(guī)劃階段指標體系實現(xiàn)數(shù)字化管理，并通過集成數(shù)字孿生車間和可視化圖表，使管理者實時掌握生產(chǎn)運行情況，為經(jīng)營決策提供數(shù)據(jù)支持?？梢岳么髷?shù)據(jù)模型和人工智能等技術，進行復雜的數(shù)據(jù)分析和預測，提高決策的準確性和及時性。

4 應用效果

針對某冶金裝備企業(yè)生產(chǎn)多品種、小批量、定制程度高、訂單量波動大、交付周期短、質量管控難等問題，診斷找出短板和存在的問題。在此基礎上，進行詳細規(guī)劃，圍繞產(chǎn)品特點和生產(chǎn)工藝，進行價值流分析。應用數(shù)字孿生仿真技術，完成三維工藝布局方案、自動化方案、信息系統(tǒng)方案規(guī)劃。結合投資預算和建設路徑，逐步進行冶金裝備企業(yè)智能工廠改造建設，包括單元線人機協(xié)作改造、智能倉儲物流建設、數(shù)字化檢測建設、數(shù)字孿生集控系統(tǒng)建設等。通過改造建設，企業(yè)層級、各事業(yè)部層級分別從企業(yè)經(jīng)營、生產(chǎn)過程、設備生產(chǎn)線、質量、物料、安全環(huán)保等多維度對智能工廠運營進行透明化管控，數(shù)據(jù)分析直觀，并具有有效的決策支持。

項目建成后，相關指標對比均有明顯改善，生產(chǎn)效率提高38.01%，運營成本降低28.88%，新產(chǎn)品生產(chǎn)周期縮短42.59%，產(chǎn)品不良率降低38.41%，能源利用率提高13.32%。該企業(yè)獲得市級智能制造標桿示范企業(yè)稱號、國家級智能制造優(yōu)秀場景稱號。作為冶金裝備制造行業(yè)龍頭，該企業(yè)在制造領域企業(yè)透明化管控建設方面提供了較好的應用示范作用，并對冶金裝備行業(yè)、長三角區(qū)域制造業(yè)形成一定的示范作用。

冶金裝備企業(yè)智能工廠建設如圖4所示。

圖 4 冶金裝備企業(yè)智能工廠建設

5 結束語

離散型制造智能工廠建設投資大、周期長，涉及設計、工藝、生產(chǎn)、物流、設備等多個業(yè)務模塊，系統(tǒng)性強、專業(yè)交叉、技術含量高。智能工廠建設初期，企業(yè)對自身水平和建設目標會有迷茫，規(guī)劃期對核心把握和流程方法有不確定性，建設期對各系統(tǒng)協(xié)調和全局統(tǒng)籌存在手忙腳亂，由此大大影響智能工廠建設的效率與效果。筆者基于系統(tǒng)解決方案商多年智能工廠咨詢與建設經(jīng)驗，對離散型制造智能工廠規(guī)劃建設路徑進行介紹，并以某冶金裝備企業(yè)為案例，進行智能工廠建設的實施驗證。

智能工廠的技術在不斷發(fā)展更新，后續(xù)將對診斷、規(guī)劃、建設的步驟進行持續(xù)循環(huán)優(yōu)化，完成離散型制造智能工廠的技術水平提升，最終使企業(yè)運營更加智能化、智慧化。