探析重庆智能工厂建设路径及策略

随着工业互联网、大数据、云计算、物联网等新一代信息技术不断兴起，全球制造业正从数字化阶段向网络化阶段加速迈进，美国、德国等发达国家相继推出了以工业与信息化结合为核心的智能制造发展战略以推动产业转型升级。智能工厂作为智能制造的重要载体，是行业信息化实现创新发展的关键，是传统制造业实现“智能制造”的必由之路。当前以智能化、网络化、自动化为核心特征的智能工厂模式正在成为产业发展和变革的重要方向，并在全球范围内迅速兴起。本报告总结了国内外智能工厂发展概况，重点梳理了我国智能工厂架构体系以及重庆智能工厂发展现状和存在的问题，为重庆市智能工厂建设路径提出相关发展建议。

一、智能工厂发展概述

智能工厂是在数字化工厂的基础上，较大规模的应用物联网的技术和设备监控技术，整合物理资产、运营资产和人力成本，推动制造、维护、库存跟踪、通过数字孪生实现的运营数字化以及整个制造网络中的其他类型活动的制造系统。智能工厂已经具有了自主能力，可采集、分析、判断、规划；通过整体可视技术进行推理预测，利用仿真及多媒体技术，将实境扩增展示设计与制造过程，系统中各组成部分可自行组成最佳系统结构，具备协调、重组及扩充特性。

图1 智能工厂六大特征

二、国内外智能工厂发展概况

（一）国外智能工厂发展概况

近年来，全球各主要经济体都在大力推进制造业的复兴，美、德、日等发达国家相继推出了“再工业化”战略、“德国工业4.0”、IVI计划等国家战略，在这股热潮下，国外众多优秀制造企业都开展了智能工厂建设实践。如西门子安贝格电子工厂实现了多品种工控机的混线生产；FANUC公司实现了机器人和伺服电机生产过程的高度自动化和智能化，并利用自动化立体仓库在车间内的各个智能制造单元之间传递物料，实现了最高720小时无人值守；施耐德电气实现了电气开关制造和包装过程的全自动化；美国哈雷戴维森公司广泛利用以加工中心和机器人构成的智能制造单元，实现大批量定制；三菱电机名古屋制作所采用人机结合的新型机器人装配产线，实现从自动化到智能化的转变，显著提高了单位生产面积的产量。

（二）国内智能工厂发展概况

我国紧抓大数据、工业互联网、物联网、云计算等新一轮产业变革和技术革命机遇，积极部署实施制造强国战略布局，推动智能工厂建设实践。国内知名龙头制造企业也加快推进信息技术与工业技术不断融合，一系列新模式、新业态、新特征日益凸显。围绕航空、航天、船舶、汽车、家电、轨道交通、食品饮料、制药、装备制造、家居等各行各业针对生产和装配线进行自动化、智能化改造，积极建立全新智能工厂，当前已建成海尔、美的、东莞劲胜、尚品宅配等智能工厂样板。如海尔佛山滚筒洗衣机工厂可以实现按订单配置、生产和装配，采用高柔性的自动无人生产线，广泛应用精密装配机器人，采用MES系统全程订单执行管理系统，通过RFID进行全程追溯，实现了机机互联、机物互联和人机互联；尚品宅配实现了从款式设计到构造尺寸的全方位个性定制，建立了高度智能化的生产加工控制系统，能够满足消费者个性化定制所产生的特殊尺寸与构造板材的切削加工需求；东莞劲胜全面采用国产加工中心、国产数控系统和国产工业软件，实现了设备数据的自动采集和车间联网，建立了工厂的数字映射模型（DigitalTwin），构建了手机壳加工的智能工厂。

重庆市将智能工厂作为发展智能制造的重要保障，在汽车、家电、生物医药等重点领域，试点建设智能工厂，加快人机智能交互、工业机器人、智能物流管理、增材制造等技术和装备在生产过程中的应用，促进企业内制造执行系统（MES）、企业资源管理系统（ERP）、供应链管理软件（SCM）、产品全生命周期管理软件（PLM）等产品数据管理软件和业务管理软件的高效协同与集成，分层次、分步骤推进智能工厂建设，并取得一定的成果。在汽车行业，部分龙头企业已经完成焊接生产线、冲压生产线、涂装生产线、总装生产线全流程自动化并实现了生产线之间的信息互通。MES、ERP、PLM、OA等多种管理软件都已上线，并正积极通过第三方软件集成商推进各系统之间的数据贯通工作。在家电行业，在产线自动化的基础上，通过智能技术应用已经能够实现产区内工人数据和产品数据的追溯，通过数据追溯可将不良产品的产生点精确到生产线、生产步骤、出错工位和出错员工。在生物医药行业，龙头企业已经实现颗粒剂生产区、片剂生产区、丸剂生产区的所有生产线均采用自动控制，包装生产线采用智能机器人装箱系相对传统生产线，生产效率至少提高40%。

三、智能工厂架构体系

智能工厂主要通过互联互通的信息技术实现工厂车间决策、洞察与供应链以及整个企业其他部分的融合，智能工厂的基本构架可以分为三个层次：顶层的控制层、中间层的计划层与执行层以及底层的设备层。

图2 智能工厂基本构架

（一）设备层

设备层是智能工厂产业链中最基础的一层，由进行生产的工业机器人设备构成。工业机器人按产品结构划分，可分为空间关节型与并联型机器人。按产品用途划分，搬运和焊接领域的工业机器人应用数量最多，其中焊接机器人主要使用于汽车制造。

图3 工业机器人分类

智能工厂主要包含智能仓储、智能车间、智能品质管控、集成其他系统、追溯管理五大功能模块。智能仓储主要运用自动备料，自动上料；智能车间主要运用自动生产，组装，包装；智能品质管控主要运用对产品自动品质管控；集成其他系统主要由ERP、MES等集成系统构成；追溯管理主要是对材料，生产环节，品质管控等各个环节的追溯。

表1智能工厂功能模块

（二）计划层与执行层

工厂计划层与执行层的智能化主要体现在工业软件的应用上，通过工业软件的应用提高企业生产、研发、管理的效率，通常按照应用分类，可将工业软件划分为运营管理类、研发设计类与生产调度与过程控制类，运营管理类软件主要包括ERP、SCM、CRM等，研发类指CAD、PLM等，调度与控制类的主要代表包括MES、SCADA等。

表2智能工厂计划层与执行层主要工业软件

在众多的工业软件中，ERP因其能够实现对整个供应链的有效管理成为了智能工厂计划层核心软件。

图4 ERP系统构架图

MES系统因其能将计划层的各项指令传达至生产车间等执行层，并将执行层生产现场的数据实时收集再次反馈至计划层而成为了工业软件的核心，完整的MES系统包括：（1）资源分配及状态管理；（2）工序详细调度；（3）生产单元分配；（4）过程管理；（5）人力资源管理；（6）维修管理；（7）计划管理；（8）文档控制；（9）生产跟踪及历史；（10）执行分析；（11）数据采集。

图5 MES系统构架图

（三）控制层

控制层是智能工厂产业链中最末尾的一层，主要职能是承担工厂执行层与生产设备间的工业通讯，即接受执行层的作业指令，控制工厂设备进行生产，并将设备的运行情况反馈给执行层。

控制系统是控制层的主要组成部分，它通过数字化的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程、协调多设备间的生产进程，并通过监测实时设备数据，将实时生产数据反馈给执行层。目前PLC与DCS两种电子控制系统是我国主要采用的自动控制系统装置。PLC是专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统，具有编程容易、安装方便、运行快等优势，对于顺序控制有独特优势，在工艺过程以顺序控制为主的智能工厂建议优先采用，如水处理车间、除灰除渣车间、输煤车间等。当下罗克韦尔、西门子等欧美公司在大中型PLC产品具有明显优势，三菱、松下等日资品牌在中小型PLC产品具备独特创造力，在小型PLC市场上国产品牌越来越体现其竞争力。PLC偏重局部逻辑控制，DCS技术则偏重模拟量系统的整体控制。DCS是一种新型计算机控制系统，是在集中式控制系统的基础上发展而来的分布式控制系统，具有开放性好、灵活性高、易于维护、协调性好、功能齐全等特点。随着工业通讯各项技术的发展，DCS技术未来将结合工业以太网，往标准化、智能化、信息化的全方位控制系统发展。

图6 智能工厂下游主要行业

四、重庆市智能工厂发展问题

（一）企业智能化改造意识不强

智能化改造设备、技术、人才等方面投资成本高，投资回报周期较长，由于资金实力、人力限制，导致大部分普通企业对智能化改造存在认识不足、重视不够、投资意愿不强的现象，地区龙头企业和普通企业智能化水平差距较大，智能工厂建设进程较慢。

（二）企业系统性规划不足

整体来看全市未出台针对智能工厂建设的统一规划，大部分企业的智能工厂建设存在缺乏系统性规划或规划不落地现象，导致智能工厂设备层、计划层、执行层和控制层等各层面系统架构孤立改造，未能实现统一衔接，智能化改造覆盖的环节还有待完善，智能工厂的全生命周期特征仍不明显。

（三）企业部门之间渠道未打通

大部分企业缺乏统筹规划，各部门、各业务板块之间的数据连接渠道未打通，导致部门与部门之间、管理层与生产层之间等数据资源无法实现实时有效的整合，整合力度有待进一步提高，特别是企业内部门间的横向数据对接、信息共享和业务协同。

（四）运维管理人才缺乏

大部分企业在引进智能化生产线以及CRP、MES等专业智能化生产和智能化管理系统实现智能化改造后，缺乏专业人才针对设备、系统进行运维管理，存在当设备、系统出现故障时无法及时修护等问题，导致无法实现产能效益最大化。目前大部分企业采取从第三方运维管理公司外聘的方式，但仍然缺乏熟悉企业内部情况的智能化运维管理人才。

五、重庆市智能工厂发展建议

（一）优化顶层规划设计

在智能制造实施方案的总体框架下，统筹推进智能工厂改造项目建设，形成统一领导、分工合理、责任明确、运转顺畅的推进机制。组建相关领域专家咨询团队，加强重庆市智能工厂建设的战略研究和顶层设计，统筹智能工厂建设与《重庆市以大数据智能化为引领的创新驱动发展战略行动计划（2018—2020年）》（渝委发〔2018〕13号）、《重庆市建设国家重要现代制造业基地“十三五”规划》（渝府发〔2016〕39号）等文件和有关专项规划的衔接。

（二）促进融资体系建设

鼓励金融机构围绕智能装备关键技术与核心部件突破、公共平台建设、智能化改造、示范工程建设等重点领域，提供信贷支持。依托政策性融资担保机构，完善落实差别化信贷机制，对实行智能工厂建设的优质企业在信用评级、贷款授信和利率优惠等方面给予重点支持。鼓励有条件的企业开展智能装备租赁和融资租赁业务，建立智能装备租赁和融资租赁担保机制，推动设备更新换代加速。

（三）深化示范试点建设

针对已认定智能工厂推进研发数字化、装备智能化、生产自动化的实施情况，紧扣关键工序自动化、关键岗位工业机器人替代、生产过程智能优化控制、供应链管理智能化等建设内容，引领企业深入推进智能工厂建设，实现示范企业引领带动中小企业推进自动化、信息化的发展。支持市内汽车、医药、家电等行业骨干企业结合自身实际和行业特点，聚焦“设备互联、数据互换、过程互动、产业互融”四个关键环节，积极探索示范智能工厂建设，加快推进。

（四）攻克关键核心技术

突破高端数控系统、伺服系统、精密传感及测量、智能加工等智能制造装备核心技术，全面贯通设计、工艺、试验、检测等一批关键共性环节，自主研制高精度复合型数控机床、工业机器人、智能传感与控制装备、智能检测与装配装备、物流成套设备、增材制造装备等高端智能装备，大力提升智能制造装备及核心部件研发制造水平。

（五）构建信息安全保障

将智能工厂数据安全纳入智能制造信息安全综合保障体系建设中，加强信息安全评价监测管理，强化关键工业控制系统信息安全风险管控。研发安全可靠的工业互联网设备与系统，确保信息、数据、网络、生产、设备、人机等环节的信息安全。根据信息处理流程制定安全策略，加强技术平台支持下的信息安全管理，强化流通环节的风险评估，严格实施数据访问控制，保障相关主体的合法权益。

（六）强化产业扶持引领

在西部大开发企业所得税政策、鼓励类项目进口设备免税政策、重大技术装备进口税收政策、加速折旧政策、首台（套）设备推广应用政策等国家和我市现行政策的基础上，从智能制造重点项目库中遴选市级相关专项资金支持时重点向智能工厂建设项目倾斜。强化政府对企业实施智能工厂改造培训，深入开展政府扶持政策解读工作，充分调动全市企业积极参与智能化建设的积极性。