智能工厂综述

时间：2024-07-28

张泉灵,洪艳萍

(1.浙江大学智能系统与控制研究所，浙江杭州 310027;2.浙江中控软件技术有限公司,浙江杭州 310053)

0 引言

随着科学技术的发展，智能制造已成为当今制造业的主题。2013年，德国“工业4.0”在汉诺威工业博览会上正式推出后，就在全球范围内引发了新一轮的工业转型竞赛。德国“工业4.0”战略计划是以智能制造为主导的第四次工业革命。其涉及两大主题：一是智能工厂，重点研究智能化生产系统及过程，以及网络化分布式生产设施的实现；二是智能生产，主要涉及整个企业的生产物流管理、人机互动以及增材制造在工业生产过程中的应用等。在中国，国务院在2015年印发了《中国制造2025》[1]，智能制造是其中的五大工程之一。作为流程工业的智能制造，智能工厂的建设已经成为流程工业企业的热点之一。

1 智能工厂政策环境

1.1 智能制造政策

智能制造是当今全球制造业的发展趋势和核心内容，也是制造业升级的方向。我国针对智能制造推出了一系列政策。

①《中国制造2025》[1]。该文件于2015年5月8日正式发布，描绘了建设制造强国的蓝图：通过30年的努力，到中国建国一百周年时，中国从制造大国成为世界一流的制造强国。按照《中国制造2025》的要求，要把智能制造作为制造业转型升级的重要突破口和抓手，而智能工厂是智能制造的关键之一。

②智能制造试点示范专项活动。2015～2017年，工信部连续三年印发《关于开展2015年智能制造试点示范专项行动的通知》，共有198个智能制造试点示范项目，涉及流程型智能制造、网络协同制造、大规模个性化定制等智能制造新模式，分布已经逐步拓展到全国范围。

③智能制造综合标准化与新模式。智能制造综合标准化与新模式应用重点项目库包括两类：一是智能制造综合标准化试验验证类项目；二是智能制造新模式应用类项目。2017年，智能工厂标准列入工信部第四季度标准计划。2018年3月，工信部正式印发《智能制造综合标准化与新模式应用项目管理工作细则》，进一步明确智能制造综合标准化与新模式应用项目的组织管理。

1.2 大数据政策

2015年，国务院印发《促进大数据发展行动纲要》，明确大数据行业的发展方向。2016年，工信部印发《大数据产业发展规划(2016-2020年)》，全面部署“十三五”时期大数据产业发展工作，强化大数据产业创新发展能力，推动促进数据开放与共享、加强技术产品研发、深化应用创新、完善发展环境和提升安全保障能力。

1.3 “互联网+”政策

2015年7月，《国务院关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》正式发布。该文件提出“互联网+”协同制造，推动互联网与制造业融合，提升制造业数字化、网络化、智能化水平，加强产业链协作，发展基于互联网的协同制造新模式。该行动计划与智能工厂最紧密的联系是：“互联网+”协同制造、“互联网+”电子商务和“互联网+”人工智能。以智能工厂为发展方向，开展智能制造试点示范，将有效支撑制造业智能化转型，构建开放、共享、协作的智能制造产业生态。

2017年11月19日，国务院印发《关于深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见》，提出到21世纪中叶，工业互联网创新发展能力、技术产业体系以及融合应用等全面达到国际先进水平，综合实力进入世界前列。2017年，《工业互联网体系架构(版本1.0)》、《工业互联网标准体系框架(版本1.0)》发布，涌现出一批典型平台和企业。

1.4 物联网政策

近年来，我国高度重视物联网的发展，且把物联网上升为国家战略产业。2017年1月，工信部发布《物联网“十三五”规划》，明确了物联网产业“十三五”的发展目标。2017年6月，工信部办公厅下发了《关于全面推进移动物联网(narrow band Internet of Things,NB-IoT)建设发展》的通知。未来物联网的扎实落地将助力智能工厂进一步升级。

2 智能工厂国内外发展现状

2.1 智能工厂国外发展现状

21世纪，为了在新一轮工业革命中抢占先机，世界各国纷纷加快智能制造的发展脚步。2006年，美国国会发布《美国竞争力计划》，正式提出要重点研究信息物理系统(cyber-physical system,CPS)，并将其用于交通、能源、制造等重点领域[2]。

“工业4.0”最早由德国联邦教研部与联邦经济技术部联手资助，在德国工程院、弗劳恩霍夫协会、西门子公司等德国学术界和产业界的建议和推动下形成，并上升为国家战略。2011年，德国政府公布《高技术战略2020》，全面部署工业4.0战略的实施[3]；2013年正式发布工业4.0，展示了工业4.0基础平台，正式上升为德国国家战略[1]。德国工业4.0战略正是以CPS为基本模型[4]。CPS强调控制技术、计算技术和通信技术的深度融合和互相协作[5]，并把通信放在与计算和控制的同等地位上。学术界和产业界对CPS的应用理论研究主要涉及系统模型、系统调度策略、系统分布式计算等方面[6]，近年对于智能工厂具体实现的研究也不断深入、细化。

2009年，奥巴马政府公布《重振美国制造业框架》，将引领美国经济走出困境的突破口聚焦在“再工业化”，并于2011年和2012年相继出台《先进制造伙伴计划》和《先进制造业国家战略计划》。在这场工业变革中，通用电气(general electric，GE)试图将大型的工业机器与传感器和软件等分析工具连接起来，从海量数据的分析中寻找价值，占领战略高地。在GE的倡导下，美国多家科技巨头筹建了“工业互联网联盟(indnstrial internet consortium,IIC)”，尝试建立互联网工业标准体系[7-8]。

韩国、日本等也相继开始了智能工厂研究计划。韩国2009年制定《新增长动力规划及发展战略》，确定绿色技术、尖端产业等领域的17项新兴产业为新增长动力；2015年5月，日本政府设立了“机器人革命行动协议会”。2015年6月，民间团体“Industrial Value Chain Initiative(IVI)”成立，其目标是构建智能工厂“参考模型”。印度2011年启动《信息物理系统创新中心》，大幅提升印度企业使用物联网技术的水平。

目前，世界上尚无完整意义上的智能工厂案例，各国都在进行积极探索。世界知名的流程型能源化工企业在智能化建设方面走在世界前列。例如，Shell公司采用以罗密欧(ROMeo)为基础的实时优化(real time optimization,RTO)技术，识别并采取最佳的措施应对工况变化，对生产过程进行在线智能优化；BP公司应用三维虚拟技术，在三维数字工厂中实现了设备的智能化管理和维护；ExxonMobil公司采用商业智能、数据可视化等技术，建立统一的关键绩效指标(key performance indicator,KPI)信息平台，实现了决策智能化[9]。

国外典型的智能工厂服务商如下。

①西门子。专注于电气化、自动化和数字化领域，西门子数字化工厂集团的产品组合将产品生命周期的主要环节顺畅地连接起来，为制造企业提供无缝集成的软硬件和技术服务。如借助产品生命周期管理(product life-cycle management,PLM)软件，西门子可以在完全虚拟的基础上开发和优化新产品；在真实的制造领域，全集成自动化(totally intergrated automation,TIA)概念已在20年来证实了其价值，可确保所有自动化组件的互操作性。2016年，西门子还发布了基于云的开放式物联网操作系统MindSpehere。其智能工厂案例有：德国安贝格智能工厂、成都数字化工厂。

②GE。2015年，GE回归“制造为主业”，是世界上最大的、提供技术和服务业务的跨国工业公司。GE在2016年推出了助力数字工业企业的工业互联网平台Predix，由微软提供基础云服务，同时与华为、英特尔等硬件制造商合作，为其供应传感器、网关等数据采集传输设备。目前，GE已推出各类工业应用超过250个。其智能工厂案例有：波兰智能工厂。

③ABB。2017年ABB发布了工业物联网平台ABB Ability，定义为从设备、边缘计算到云服务的跨行业、一体化的数字化解决方案。该解决方案整合了现有ABB产品组合和服务方案，覆盖所有客户行业。

④施耐德。不同于2007定位能效管理平台的EcoStruxure，施耐德2017年发布的新一代EcoStruxure，是基于物联网、开放的、具有交互性的系统化架构与平台。它将所有行业应用分为互联互通的产品、边缘控制与应用、分析与服务3个层级。

⑤艾默生。通过工业自动化、网络能源、过程管理等技术，艾默生扎根技术与工程领域，有全面的智能仪表产品线。2017年发布的Plantweb数字生态系统，是原有Plantweb数字工厂结构的扩展，包含一系列基于标准、规模可变的硬件、软件、数字设备和服务，可安全地实现工业物联。其智能工厂解决方案有：Plantweb数字工厂。

⑥霍尼韦尔。2016年，霍尼韦尔正式将工业物联网(industrial Internet of Things,IIOT)作为集团发展的重要战略，在过程控制部成立了数字化转型业务单元。霍尼韦尔工业物联网关注与实时生产的紧密结合，将工业物联网定义为六层立体架构，由下而上包括实时感知层、数据连接层、接口层、云服务层、分析计算层以及应用层。

2.2 智能工厂国内发展现状

当前，我国制造企业正面临巨大的转型压力。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。同时，物联网、智能机器人、增材制造、预测性维护、机器视觉等新兴技术迅速兴起，为制造企业推进智能工厂建设提供了良好的技术支撑。随着国家和地方政府的大力扶持，多方因素促使各行业中越来越多的大中型企业开启了智能工厂建设的征程。

2.2.1 智能制造试点示范专项行动

目前，工信部已经连续3年实施智能制造试点示范专项行动。2015年，有46个试点示范项目入选，覆盖了38个行业；2016年，有63个试点示范项目，覆盖了45个行业；2017年，项目数量达到了97个。据不完全统计，流程工业智能制造入选项目如表1所示。

表1 智能制造试点示范项目

2.2.2 智能制造综合标准与新模式应用

工信部发布了“2016年智能制造综合标准化与新模式应用项目”，144个如智能工厂、工业互联网、机器人等有典型意义的项目入选。2017年“智能制造综合标准化与新模式应用项目”中，标准化类项目有43个，新模式类项目有165个。据不完全统计，流程工业智能制造入选智能制造综合标准化与新模式应用项目如表2所示。

表2 智能制造综合标准化与新模式应用项目

2.2.3 国内典型服务商

①石化盈科。在立足国内石化行业的基础上，积极开拓其他市场。它以智能工厂为抓手，“平台+服务”为核心，期望将智能制造平台打造成流程行业智能工厂的操作系统标准，降低流程企业走向智能工厂的门槛。

石化盈科智能工厂解决方案如图1所示。

图1 智能工厂解决方案

②中控。针对流程工业企业这样的复杂系统，中控提出了智能工厂建设整体解决方案。中控流程工业企业智能工厂功能架构如图2所示[10]。

图2 智能工厂功能架构

方案主要包括：智能服务数据交换体系、3个智能化管控平台(以分布式控制系统为核心的生产过程自动化智能控制平台；以制造执行系统为核心的企业生产管理智能服务平台；以企业资源计划为核心的企业生产运营智能服务平台)、十大智能业务应用系统。

2.2.4 国内典型应用

①九江石化。2015年，中石化九江石化智能工厂试点被工信部列为2015年国家智能制造试点示范项目，成为石化行业唯一入选单位。九江石化的智能制造信息一体化模式如图3所示[11]。

图3 智能制造信息一体化模式

其效果主要表现为：加工吨原油边际效益在沿江排名第一；2013年，实现自成立以来首次扭亏为盈；2014年，炼油外排污水达到行业先进水平；化学需氧量 53.7 mg/L(同比下降41.6%)，氨氮2.7 mg/L(同比下降79.1%)；汽油占原油收率位居集团公司第2位；97#汽油占原油收率位居集团公司首位；增值指数位列集团公司首位。

②新疆天业。新疆天业2016年入选工信部智能制造试点单位。该企业与中控围绕企业“节能减排、流程优化、减人增效、绿色安全”等管理目标，以智能工厂建设为契机，建设了生产管控信息化支撑系统，为企业创造了显著的经济效益。在装备自动化方面，对PVC、烧碱车间的生产线进行了智能化改造，人工减少50%，操作误差降低80%；在智能检测层面，对涉及12个生产板块的10万多块仪表进行了改造、联网，为企业实现泛在感知奠定了坚实的基础；在智能控制层面，建设了13个分厂的9套控制系统，控制效果达到设计要求；在智能操作层面，针对不同板块分别实施先进控制或能源管理，效果显著；在生产运营方面，建立了企业资源计划、办公自动化等管理平台，通过智能工作流引擎促进经营管理业务的高效与协同，大大提高了生产管理的质量和效率。同时，基于工业大数据平台，建立了基于原料、产量、质量、设备等主题的分析模型，帮助管理者进行科学决策，优化管理与生产。新疆天业和中控合作建设的 “六层面”智能工厂解决方案如图4所示。

图4 “六层面”智能工厂解决方案

3 智能工厂发展趋势

一方面，从全球来看，工业控制系统领域的巨头都纷纷以工业互联和智能为核心的产业协同模式，搭建企业信息全集成的工业大数据平台，进一步提升工业信息化水平。从工业互联网平台的竞争格局可知，未来智能工厂发展的新浪潮是趋向平台化、系统化的大工程。另一方面，智能工厂建设主要依托于软硬件产品及系统。工业软件的集成与发展作为其核心，必将成为重点，尤其是与硬件层关系密切的软件部分，如制造执行系统、企业资源计划、PLM等。此外，通用性强的硬件也将朝着模块化、标准化方向发展。未来的智能工厂是更加自动化、信息化、智能化、平台化的，将借助物联网技术，实现人、设备与产品的实时联通、精准识别、有效交互与智能控制，帮助企业实现安全、绿色、高效、节能的生产愿景，全面提升企业竞争力。