光电装备制造业智能工厂建设研究

刘晓莉

（焦作大学机电工程学院，河南 焦作454003）

随着物联网、大数据和云计算等新技术的发展，全球工业面临着前所未有的机遇和挑战。以信息通信技术为支撑，各国致力于制造业的转型升级，以确保在全球新的制造业格局中占据领先地位。德国提出工业4.0发展战略，美国提出工业互联网策略，中国发布《中国制造2025》战略，表明制造业已经进入“互联网+”时代，智能制造已成为未来制造业发展的核心，智能工厂是实现智能制造技术的关键[1]。

1.智能工厂的发展现状

智能制造是信息化与工业化深度融合的产物，是互联网、物联网在数字化工厂领域的创新应用。智能制造系统具有一定程度的人工智能，通过分析、学习、思考、决策，指挥制造设备进行制造活动。智能工厂不单纯依靠人工智能系统，它将人的智慧与机器的智能相结合，是人机高度一体化的体现。智能工厂能更好地发挥人的主体作用，使人类摆脱某些环节的脑力和体力劳动，实现生产管理效率与经济效益的最大化。

传统离散制造业加工工艺复杂，从原材料到零件加工完成，经过铸、锻、车、刨、铣、磨等工艺，加工车间大部分处于人工、半自动化、自动化的混合模式。要实现对零部件加工过程的精确控制，合理的生产规划是前提条件，生产计划的动态调整亦不可或缺。在传统离散制造业中，生产过程管理的各个环节都依靠人来实现，生产管理效率的进一步提升势在必行。面对全球制造业转型升级的热潮，为提升生产管理效率，提高生产管理水平，增强行业竞争力，国内制造业正在积极探索适合中国工业实际的智能工厂的发展模式[2]。

作为首批智能制造试点企业之一，海尔集团从2008年起对生产制造系统进行智能化改造,建成多条智能化生产线，探索出互联工厂发展模式[2]，为家电行业的智能化改造树立起典范。海尔打造的互联工厂采用物联网、大数据等技术，构建面向用户的智能制造平台，将用户的个性化需求与智能制造系统对接，实现柔性化、大规模定制的生产。此外，海尔还提供实时信息以供查询，用户可以跟踪产品设计、制造及物流每个环节。互联工厂模式下，海尔的产能进一步提升，产品交付周期缩短了6～14 d，能源利用率提升5%。

三一重工是装备制造业的领军者，积极探索“互联网+”工业模式，在长沙投建了亚洲最大的数字化制造车间，成为机械制造业数字化车间的一个样本。三一重工推广应用集资源、质量、管控、精益于一体的数字化工厂技术；自主研发ECC“客户服务平台”，建立企业与设备的信息交互通道，对制造过程中设备的运行数据进行分析，同时通过客户互动中心、CRM、互联网产品的建设，打造智能服务云平台。以数字化车间、智能装备、智能服务为核心的全产业链的示范应用，全球协同化研发体系的实施，使得三一集团新品研发周期缩短30%，生产周期缩短28%，生产效率提高24%以上[3]。

2.智能工厂的关键因素

2.1 数字化技术

数字化技术不仅对产品三维几何信息、制造信息和特征性进行描述，而且从性能仿真、工程试制，到市场推广和服务，整个过程进行数字化定义，实现数字化制造。

数字化设备是构建智能工厂的必备硬件设施，是实现自动生产、智能控制、智能检测的前提。应用智能辅助设计软件构建三维虚拟样机，以虚拟样机代替实物样机进行碰撞干涉检查、运动轨迹仿真、人机工程测试，及时发现产品设计、工艺设计、工装设计中是否存在性能与可制造性方面的问题。建立试验数据库，将模拟仿真与试验数据相结合，通过智能化仿真试验积累数据，进行回归分析，形成系统数据库，及时地将试验结果回馈给设计，为设计阶段提供有力支撑。

2.2 传感器技术

传感器是智能工厂的感知层，能够感知制造环境的变化，用于监测制造设备的运行情况，实时提供生产装调状态信息，是智能制造系统动态数据的主要来源之一。传感器不断检测生产的各个环节，将采集到的数据通过信息处理系统呈现给管理人员，可实现生产进度的跟踪，或传递到制造执行系统实现对生产设备的动态控制。

2.3 通信技术

通过工业网络技术和互联网等通信技术把传感器、控制器、机器、人员和物等联在一起，实现人与机、机与物、机与机相互联通，形成信息化、远程管理控制和智能化的网络[4]。通过互联网，可快速获取用户需求，根据需求实现快速定制化生产，以需求为导向引发物流管理变革。在通信技术的影响下，制造业研制模式逐渐发展成跨地域、跨单位的协同设计、异地制造、全球服务，形成深度协作工作模式。

2.4 数据信息处理系统

数据信息处理系统对客户交互平台、数字化设备、传感器网络采集到的海量数据进行处理，动态更新系统数据库，对生产现场的多元信息存储、分析、计算、整理，实现仓储、物流与配送自动化、科研与生产计划动态管理；对设备故障进行预判、报警，根据设备运行状态和产品加工流程，通过算法机制实现对加工设备的优化选型[5]；根据产品检测数据，自行判断产品合格与否，实现质量检验全程的可追溯管理。

3.智能工厂的建设路线

当前，我国光电装备制造业已经进入了国际化阶段，但与发达国家制造业之间仍存在差距。光电装备制造业产品种类多、批量小、工艺流程复杂多变，是典型的离散型制造业，智能工厂的建设极具推广应用价值。河南平原光电有限公司作为中国兵器工业北方光电集团的一员，是光电制造行业国有企业的一个缩影。

公司经过近20年的建设和发展，建成了较为完善的数字化制造体系，在兵器数字化研制能力成熟度评估中，成熟度达到平台级，位于兵器集团所属企业的先进水平。公司已经制定数据库标准体系，建立覆盖设计、工艺、制造、管理等方面的基础数据库；建设完成集企业数据采集、数据存储和数据管理为一体的开放型数据库平台；搭建了适用于光电系统装备产品的数字化协同研发环境，形成了规范的产品研制流程和有序的项目管控。

光电装备制造业由于生产工艺的复杂性，对制造设备的智能化要求更高。但公司目前智能设施的占有率不高，也未达到开展全方位三维数字化样机的虚拟仿真试验的条件。产品的信息采集、人机交互、可追溯性以及智能化服务等还有待加强。与智能制造所要求的生产设备网络化、生产数据可视化、生产文档无纸化、生产过程透明化、生产现场无人化等先进技术的应用，纵向、横向和端到端的集成、优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产之间存在很大差距，装备智能化、智能检测、智能的仓储与物流管理等需进一步建设。

公司以“创新驱动、质量为先、绿色发展、人才为本”为指导思想，以装备智能化、生产智能化、物流智能化、管理智能化、服务智能化为发展目标（图1），提出智能工厂的架构（图2）。

图1 智能工厂的建设目标

以信息物理融合系统为基础，以适用于光电行业的数字化标准体系、信息系统安全体系为支撑，围绕光电智能产品，开展智能设计、智能生产、智能经营、智能决策的体系化建设，通过企业信息门户实现企业智能制造过程综合数据、分析数据、决策数据的全面呈现[4]。加强管理信息化建设，改善客户、供应商、合作伙伴关系，伴随着生产方式、服务方式的不断变化形成经营管理的快速响应机制。构建面向服务、可弹性扩展的一体化制造数据中心，为企业制造过程的大数据分析、存储及计算提供强有力的基础设施保障。

通过“光电系统信息化协同平台”的建设，实现设计、工艺、加工仿真、分析一体化，在形成数字几何样机的基础上，进一步实现性能样机数字化、功能样机测试化，全面提升光电产品的模块化、智能化和可靠性。

重点开展精密机械制造车间、光电元件制造车间、装配调试车间、物理样机环境测试中心设备的智能化改造，采用有线或低频无线一体化的网络，重组工控网络、生产网络和办公网络，以现有工厂级MES系统为基础，形成智能生产系统，实现智能化生产过程，开展企业生产物流管理、人机互动以及三维建模技术在工业生产过程中的深度应用等工作[5]。

统筹考虑设备和网络开放带来的安全风险，提供端到端的安全保障。同时，对智能制造设备和生产过程产生的大量数据有效加以利用，构建先进的制造云平台，提供生产数据的大数据分析和处理，优化生产流程，保证产品质量，提高生产效率和生产安全；有效保障设备与设备之间、设备与制造云数据中心之间的数据交换，为智能工厂提供网络基础。

图2 智能工厂架构

4.结论

采用全新的数字化技术，搭建数据集中、平台统一、分层管理的信息集成平台，建立数字化产品研发一体化和上下游协同设计与制造体系，不断优化核心业务管控流程，构筑扁平化的全新管理模式，建设业务透明化、制造智能化、物流自动化、管理程序化、监控高效化、决策科学化、信息安全化的智能工厂，是光电制造业缩短制造周期、提高质量及生产效率的有效途径。