摘要

　　對(duì)制造業(yè)而言，工廠是工業(yè)4.0的載體和生產(chǎn)第一線。各種新的技術(shù)和工業(yè)革命的實(shí)現(xiàn)及大規(guī)模應(yīng)用，工廠無疑是最好的實(shí)驗(yàn)室和風(fēng)向標(biāo)。在“中國(guó)制造2025”強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略實(shí)施的宏觀政策環(huán)境下，如何發(fā)揮工廠的承載及先鋒作用，成為很多企業(yè)家思考的課題。作為工業(yè)4.0的關(guān)鍵特征及核心，智能工廠在制造行業(yè)越來越受到重視，在工廠的工程設(shè)計(jì)中，以工業(yè)4.0理念作為綱領(lǐng)，在工廠建設(shè)之前就合理規(guī)劃和設(shè)計(jì)，將起到事半功倍的效果。

　　對(duì)制造業(yè)而言，工廠是工業(yè)4.0的載體和生產(chǎn)第一線。各種新的技術(shù)和工業(yè)革命的實(shí)現(xiàn)及大規(guī)模應(yīng)用，工廠無疑是最好的實(shí)驗(yàn)室和風(fēng)向標(biāo)。在“中國(guó)制造2025”強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略實(shí)施的宏觀政策環(huán)境下，如何發(fā)揮工廠的承載及先鋒作用，成為很多企業(yè)家思考的課題。作為工業(yè)4.0的關(guān)鍵特征及核心，智能工廠在制造行業(yè)越來越受到重視，在工廠的工程設(shè)計(jì)中，以工業(yè)4.0理念作為綱領(lǐng)，在工廠建設(shè)之前就合理規(guī)劃和設(shè)計(jì)，將起到事半功倍的效果。

　　本文從工業(yè)4.0的概念和核心出發(fā)，通過家電工程案例，在工廠整個(gè)生命周期的最早階段工程設(shè)計(jì)中就應(yīng)用工業(yè)4.0的理念，提前布局和籌謀，從源頭上打造工業(yè)4.0智能工廠的愿景，并闡述了工程設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0理念的基本內(nèi)容和步驟。

　　

工業(yè)4.0的戰(zhàn)略背景

　　德國(guó)是高度工業(yè)化且以制造業(yè)為導(dǎo)向的出口型經(jīng)濟(jì)技術(shù)強(qiáng)國(guó)，為了保持在重要關(guān)鍵技術(shù)上的國(guó)際領(lǐng)先地位，提出了繼蒸汽機(jī)的發(fā)明、大規(guī)模生產(chǎn)和自動(dòng)化之后的第四次工業(yè)革命??工業(yè)4.0高科技戰(zhàn)略計(jì)劃。基本設(shè)想是制造的產(chǎn)品集成有動(dòng)態(tài)數(shù)字存儲(chǔ)、感知和通信能力，承載在各個(gè)供應(yīng)鏈和生命周期中所需的各種信息;整個(gè)生產(chǎn)價(jià)值鏈中所集成的生產(chǎn)設(shè)施能夠?qū)崿F(xiàn)自組織，并根據(jù)當(dāng)前的狀況，靈活地決定生產(chǎn)過程。目標(biāo)是建立一個(gè)高度靈活的個(gè)性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務(wù)的生產(chǎn)模式。

　　

工業(yè)4.0的核心

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　　在工業(yè)4.0體系中，智能工廠是工業(yè) 4.0的關(guān)鍵特征之一。智能工廠可以管理復(fù)雜的事物，不容易受到干擾，更有效地制造產(chǎn)品。在智能工廠中，人、機(jī)器和資源如同在一個(gè)社交網(wǎng)絡(luò)中一般自然相互溝通協(xié)作。智能產(chǎn)品理解它們被制造的細(xì)節(jié)以及將被如何使用，它們積極協(xié)助生產(chǎn)過程，回答例如“我是什么時(shí)候被制造的”、“哪組參數(shù)應(yīng)被用來處理我”、“我應(yīng)該被傳送到哪”等問題。智能產(chǎn)品與智能移動(dòng)性、智能物流和智能系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相對(duì)接，使智能工廠成為未來智能基礎(chǔ)設(shè)施中的一個(gè)關(guān)鍵組成。本文擬從實(shí)際案例出發(fā)，闡述如何將工業(yè)4.0理念在工廠設(shè)計(jì)中得以應(yīng)用。

　　

工業(yè)4.0在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

　　2016年4月23日，《朝聞天下》節(jié)目針對(duì)海爾冰箱俄羅斯制造基地在卡馬河畔切爾尼市KIP Master工業(yè)園正式投產(chǎn)做了相關(guān)報(bào)道。該報(bào)道指出，作為中俄非能源領(lǐng)域的第一個(gè)大型合作項(xiàng)目，海爾高端冰箱制造基地正在成為“一帶一路”的中國(guó)名片。

　　由于該項(xiàng)目的特殊性，海爾集團(tuán)在立項(xiàng)時(shí)提出了較高的目標(biāo)，需要按照工業(yè)4.0的理念進(jìn)行項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)，以智慧、互聯(lián)工廠為導(dǎo)向，建設(shè)一座全球最先進(jìn)的冰箱制造基地。該項(xiàng)目位于俄羅斯韃靼斯坦共和國(guó)切爾尼市KIP Master工業(yè)園，擬采用工業(yè)園內(nèi)現(xiàn)有廠房，改造建設(shè)成年產(chǎn)能為50萬臺(tái)的冰箱廠，廠房面積約為2.5萬平方米，投資額約為7000萬美元，已于2016年4月正式投產(chǎn)。

　　在該項(xiàng)目前期規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，工程設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在分析了業(yè)主需求和當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)條件的基礎(chǔ)上，結(jié)合“工業(yè)4.0”自動(dòng)化、信息化和智能化的智能工廠理念，提出了整體設(shè)計(jì)目標(biāo)和要求，并總結(jié)出了工程設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0理念的基本內(nèi)容和步驟。

　　

從精益化布局上應(yīng)用工業(yè)4.0理念

　　精益化生產(chǎn)，是指最大限度地減少企業(yè)生產(chǎn)所占用的資源、降低企業(yè)管理和運(yùn)營(yíng)成本。既是企業(yè)生產(chǎn)管理追求的最重要的目標(biāo)之一，也是工業(yè)4.0中智能工廠關(guān)鍵特征之一。在本項(xiàng)目工程設(shè)計(jì)過程中，從工藝流程出發(fā)，將生產(chǎn)園區(qū)總體規(guī)劃、工藝設(shè)備布局、物料存儲(chǔ)配送以及配套的廠房工程設(shè)計(jì)，均按照精益化原則設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了從原材料到成品“一個(gè)流”的生產(chǎn)，降低庫存，從設(shè)計(jì)源頭上進(jìn)行控制，減少生產(chǎn)過程中“八大浪費(fèi)”的產(chǎn)生。工程設(shè)計(jì)的各個(gè)流程都全程信息跟蹤控制，從總體上體現(xiàn)了布局精益化的要求，也是工業(yè)4.0理念的體現(xiàn)。

　　

從智能化上應(yīng)用工業(yè)4.0理念

　　從智能化上應(yīng)用工業(yè)4.0理念分為智能化設(shè)備規(guī)劃和智能化物料規(guī)劃。該項(xiàng)目在智能化設(shè)備規(guī)劃方面的主要工藝設(shè)備，選用的是冰箱行業(yè)內(nèi)最先進(jìn)的自動(dòng)化生產(chǎn)裝備，并加以數(shù)據(jù)互聯(lián)改造。例如采用全自動(dòng)的箱體成型線，從鋼板定尺料到成型加工、卷邊折彎、到冷凝器貼敷，再到箱體存儲(chǔ)、分型、上線全部由設(shè)備自動(dòng)完成，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，大大提高了生產(chǎn)效率。工序之間的銜接也全部采用機(jī)器人、自動(dòng)立體貨架等自動(dòng)存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)運(yùn)裝置完成，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，也減少了工序間半成品的周轉(zhuǎn)、存儲(chǔ)，有效地提高了物流效率(見圖1)。在工作環(huán)境較差、勞動(dòng)強(qiáng)度高的工序，全部用機(jī)器人替代人工，例如注塑車間，原材料采用全自動(dòng)集中供料系統(tǒng)，取件采用機(jī)械手完成，取件完成后直接由皮帶線輸送至分揀車間，基本實(shí)現(xiàn)了無人車間的構(gòu)想(見圖3)。

　　該項(xiàng)目在智能化物料規(guī)劃上采用了物流智能化系統(tǒng)??物料安燈系統(tǒng)，通過在生產(chǎn)工位旁安裝一定數(shù)量的物料呼叫請(qǐng)求按鈕，在車間現(xiàn)場(chǎng)和物料調(diào)度區(qū)設(shè)置信息顯示板，實(shí)時(shí)反饋生產(chǎn)線上的物料呼叫請(qǐng)求，并指示和分配送料任務(wù)。

　　根據(jù)生產(chǎn)線的工位設(shè)置，每個(gè)工位都有對(duì)應(yīng)的主要物料，在關(guān)鍵工位上安裝物料配送呼叫按鈕，當(dāng)生產(chǎn)線邊物料剩余量達(dá)到觸發(fā)條件(即最低剩余量時(shí))，及時(shí)發(fā)出物料需求呼叫，通過網(wǎng)絡(luò)傳遞到數(shù)據(jù)服務(wù)器，由調(diào)度人員結(jié)合已有的配送計(jì)劃及時(shí)調(diào)整。系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄下每一次物料請(qǐng)求發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)以及對(duì)物料請(qǐng)求的響應(yīng)情況，然后對(duì)此進(jìn)行分析。

　　

從信息化上應(yīng)用工業(yè)4.0理念

　　從信息化上應(yīng)用工業(yè)4.0理念包括構(gòu)建信息綜合平臺(tái)和生產(chǎn)過程信息化。信息化是工廠能否實(shí)現(xiàn)智能化的先決條件。在項(xiàng)目工程設(shè)計(jì)過程中構(gòu)建信息綜合平臺(tái)，所有設(shè)備和工序運(yùn)行狀態(tài)通過可視的信息終端顯示。在整個(gè)生產(chǎn)過程中，無論元件、半成品還是待交付的產(chǎn)品，均有各自編碼。在產(chǎn)品上生產(chǎn)線之后，可全程自動(dòng)確定每道工序;當(dāng)產(chǎn)品被制造時(shí)，可以知道整個(gè)制造過程的細(xì)節(jié)。

　　在生產(chǎn)過程信息化方面，本項(xiàng)目采用RFID技術(shù)，即利用射頻信號(hào)通過空間耦合(交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)),實(shí)現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別目的。一個(gè)典型的RFID系統(tǒng)主要由射頻標(biāo)簽、讀寫器、天線和應(yīng)用軟件系統(tǒng)4部分組成。

　　在冰箱生產(chǎn)中，通過RFID技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線物料信息動(dòng)態(tài)跟蹤和生產(chǎn)信息反饋。前者是指利用RFID 技術(shù)可以方便地采集到各工位對(duì)應(yīng)物料消耗的信息，調(diào)度人員根據(jù)反饋的信息，準(zhǔn)確制定物料調(diào)度計(jì)劃。物流人員實(shí)現(xiàn)及時(shí)準(zhǔn)確的備料和送料，既能保證生產(chǎn)線的供應(yīng)，又能避免生產(chǎn)線在制品大量堆積。后者是指利用RFID 技術(shù)隨時(shí)定位生產(chǎn)線上冰箱的位置，并了解裝配情況和完成進(jìn)度，加快異常事件的響應(yīng)速度。通過RFID技術(shù)，物料配送的方式由傳統(tǒng)人工統(tǒng)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)橛尚畔⒒苿?dòng)的物流調(diào)度。在進(jìn)行物料動(dòng)態(tài)循環(huán)配送時(shí)，考慮生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍、生產(chǎn)線的線邊庫存與備料、送料所需的實(shí)際時(shí)間相匹配。利用獲取到生產(chǎn)線隊(duì)列信息，追蹤到在線冰箱的生產(chǎn)進(jìn)度及生產(chǎn)狀況，由此推斷出生產(chǎn)線物料的實(shí)時(shí)消耗量和工位在制品庫存量。

　　

從智慧化上應(yīng)用工業(yè)4.0理念

　　從智慧化上應(yīng)用工業(yè)4.0理念包括三維仿真智慧化設(shè)計(jì)和智慧化的管理。前者是指該項(xiàng)目將三維仿真技術(shù)運(yùn)用到廠房設(shè)計(jì)和施工中，通過三維仿真設(shè)計(jì)，直觀了解項(xiàng)目規(guī)劃的特點(diǎn)和建筑的風(fēng)格，方便與設(shè)計(jì)師溝通，便于業(yè)主選取設(shè)計(jì)策略，減少投資風(fēng)險(xiǎn)。三維仿真技術(shù)正在改變工廠設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的工作模式，讓建筑更加智慧、高效、經(jīng)濟(jì)。在廠房施工之前，將設(shè)備、廠房、管道、物流在計(jì)算機(jī)中按照實(shí)際尺寸，1:1建造三維模型，對(duì)工藝方案進(jìn)行驗(yàn)證。采用碰撞檢測(cè)手段，自動(dòng)檢測(cè)廠房、設(shè)備、管道之間是否碰撞。三維模型能夠直觀地發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的問題，預(yù)判可能出現(xiàn)的問題并及時(shí)解決，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，滿足大型項(xiàng)目復(fù)雜和個(gè)性化的需求。

　　通過縮放視角，可以直觀展示工廠的全貌和生產(chǎn)細(xì)節(jié)以及建成后工廠的狀況。以參觀人員的視角，觀察廠房的設(shè)備、裝修風(fēng)格、道路規(guī)劃等情況。通過對(duì)仿真模型及數(shù)據(jù)的分析，優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)方案。例如，生產(chǎn)線平衡改善，優(yōu)化業(yè)主的物流配送規(guī)劃方案，核算倉庫面積的需求，降低線邊物料的存儲(chǔ)周期。

　　智慧化管理包括智慧化生產(chǎn)管理、智慧化監(jiān)控、智慧化能源管理和智慧化生產(chǎn)環(huán)境4部分。智慧化生產(chǎn)管理是指結(jié)合綜合信息互聯(lián)平臺(tái)，通過收集有關(guān)設(shè)備、質(zhì)量管理等與生產(chǎn)有關(guān)的信息，分析設(shè)備運(yùn)行狀、物料缺失等狀況，控制分布于車間各處的燈光和聲音報(bào)警系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)信息的透明化及智慧化管理。

　　智慧化監(jiān)控不僅可以對(duì)主要出入口和通道進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，還可以監(jiān)控物流運(yùn)輸車輛蹤跡，對(duì)異常情況報(bào)警。

　　智慧化能源管理是指對(duì)供水、供電、供氣等能源設(shè)備按照工藝模塊進(jìn)行分區(qū)和計(jì)量，采用先進(jìn)的能源管理系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)顯示各能源的耗量、能源耗量及單臺(tái)產(chǎn)品能源耗量，并自動(dòng)輸出形成報(bào)表，耗能異常時(shí)可及時(shí)報(bào)警。

　　智慧化生產(chǎn)環(huán)境從冰箱生產(chǎn)環(huán)節(jié)的節(jié)能環(huán)保出發(fā)，采用無三廢污染的加工工藝，利用建筑物太陽能收集轉(zhuǎn)化技術(shù)、大型設(shè)備余熱回用技術(shù)、智能照明系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)手段，采用保溫、節(jié)能的建筑材料，降低生產(chǎn)能耗，實(shí)現(xiàn)綠色化生產(chǎn)。