智慧制造在电子工厂的应用及展望

陈微

摘要：从18世纪60年代以来，人类社会已经经历了3次工业革命，而现在，我们正在经历第四次工业革命。由于全球数字革命，其他行业都跟着起了翻天覆地的变化，整个工业世界都变得跟以往截然不同：以往前三次工业革命，都能看到生产工具，制造资产的升级，如第一次工业革命，机械化代替了人力，第二次工业革命又引入了电力，第三次工业革命开始有了自动化，第四次工业化，则主要是引入了跟机械升级无关的颠覆性技术：AI和5G技术。AI和5G技术的介入，不仅仅是提升了工业制造的效率，还促使了新的商业模式的实现。相应的制造业等实体经济为了紧跟时代潮流，提升竞争优势，也面临产业的转型升级迫切需求。从最开始的只是制造产品，到现在的制造业服务化，工厂倾向于提供更多的服務，如安装，售后，给客户提供一站式解决方案，甚至设立服务中心，以驱动业务发展。

关键词：智慧制造;制造业服务化;ISA95标准制造构架

工厂在制造服务化的过程中，信息（数据分析）正在改变工厂查看监督人、机、法、料的方式。生产流程的数字化转型，对生产效率和专业话的提升，带来巨大的便利。工厂为了实现高效、灵活、防呆，通常需要做好四项工作：

1.收集资料。随时检测设备、资产、人工、制程，以收集数据

2.建立数据库，以适当的表格、模版合理化呈现收集到的数据。

3.分析和建模，用数据库中得到的关联数据，建立模型，预测人、机、法、料趋势，简化流程。

4.总结。建立在分析和建模的基础上，同过机器的自我学习，和操作人员的其他方面的认知，来优化模型，提高参与度。

每个工厂的每一条产品线，都会配备不同的设备和机器，作业人员则按照格式化常规文件的指令，来执行特定任务。为了做好如上四项工作，我们通常以ISA95标准制造架构设立不同的系统。包括PLC、DCS、SCADA、MES、ERP系统。

1.PLC（可编辑逻辑控制器系统）。相当于一个小型计算器，现在的PLC不仅仅生产流程，甚至还可以面相系统级，可以控制整个车间的流程，实现制程控制、直接控制、系统控制。它的核心就是控制。任何需要可靠控制的机器或数字化设备，都可以用PLC来控制，它不仅易于变成，还能及时发现和处理故障，从ISA95标准来看，PLC处于第一层上的一个设备;

2.DCS（分布式控制系统）。面相现场控制，同时兼备了数据采集和数据存储的功能，但本质上，DSC设备还是一个高端的，努力向L2层跨越的控制器;

3.SCADA（数据采集与监视控制系统）。它具备一定的控制功能，同时侧重于数据的采集和监测，及时快速的向作业员提供资料，一旦发生状况，则会发出警报和通知。SCADA已经能够实现监控、监督、警报处理、自动化等功能，在ISA95标准制造架构中，处于L2层。

4.MES（制造执行控制系统）。主要用于制造的电脑化系统，用于营运信息的收集和生产控管，处于ISA95标准制造构架中的L3层。它的主要功能之一除了用于监控，同时具备业务管理等功能，通过同L4层ERP系统的对话，来获取更多的营运信息，更好的实现对生产的管控。

ERP（企业资源管理系统）。所有的企业资源配置，都将在这一层实现，包括企业的六种经营活动：技术活动、商业活动、财务活动、保障活动、会计活动、经营活动。它控制和指挥了企业所有的业务流程和生产排程处于ISA95标准制造构架中的L5层。

智慧制造已经是西方发达国家的主要制造技术和高端科技，面对制造业产能的日益扩大，制造业面临人力稳定，制造技术与品质稳定，产业竞争力内外部的各种压力，发达的智慧制造不仅解决了“劳动密集”工厂的人力管理成本与问题，也同事能够提升制造品质的稳定度。

企业在建立制造模型的过程中，应充分考虑没想经营活动的实际状况，平衡并优化不同经营活动的工作量、特性，建立不同层次，在用不同的分层方法，扩展当前的制造架构，以达到效率最优化。在智慧制造中，为整合各项资源，需要将不同供应商的边缘、设备的不同技术互相直接相互结合，通过对制造构架系统中添加分析、物联网以及人工智慧来降低风险、成本，并提高效率。企业的生产经营活动，为了获得好的制造构架模型，需要同时解决垂直方向和水平方向上的整合。由上至下可分为边缘级别、工厂或工作间级别、企业或后端级别。

1.边缘级别。以产品质量检查为例，当今社会人们对于产品外观和质量要求越来越高，制造厂商对于产品质量和外观检查的要求也越来越高，一般企业，至少有3+2道质量管控，包括制造厂商的进料检验、线检验、出货检验，以及供应商的出货检验和客户的进料检验。相关的质量检验人员每天重复数百上千次的重复性工作，不仅仅容易引起疲劳误检，对成本、标准型、一致性也是一大挑战，有些检验工作甚至会对人体造成危险或者危害。 通过智慧制造，我们至少有如下几种解决方案：

1）视觉检查系统基于机器学习算法。以检查光效为例，工厂设立暗箱工站，内置摄像头和计算器，对不同角度留明度、颜色进行值计算，并在不断的生产过程中得出最佳留明值，从而取代人工检验，实现智慧制造。

2） 基于图形对比的自动检验，如杂质、高度、缝隙、重量等基于几何形状的检测，通过纹理和区域对比，来提取和验证缺陷。取消人工检验，

3）基于声音对比的自动检测，如在测量产品厚度、音质等方面，通过计算重音和低音的赫兹，来设定检验合格线，取消人工检验。

当前的智慧制造，机器人的可操作性已经越来越高，作业员通过控制智慧设备控制过程，而智慧设备的健康则由标准制造构架系统的预测性维护统计系统来维护，真正能实现解放人工。

2.工厂或工作间级别。以IBM的PSB制造构架系统为例。PSB是指工厂服务汇流排，它主要用于实现生产厂房和IT厂房直接工厂级层整合的软体组件，整合人、机、法、料4个层次，使之形成一个闭合的连接，它为信息提供了路径、转换、中介、配置和工作流，并相互之间能够即时传递所需信息。该系统主要通过如下4个途径实现人、机、法、料的整合：

1）转换和链接：由PLC系统对机器的数据进行即时的解读，并通過SCADA系统链接进入ERP系统，从而整合机器与数据之间的逻辑，实现维护和发布管理的标准化管理。

2）规则配置管理和组合：对厂房、机器、整合层对人、机、法、料进行合理的资源配置，这些配置基于产房、机器、整合、产品等特性定义规则，再由生产计划人员进行安排和检验。

在工厂层，PSB系统按照产品类型和优先级进行整理，对特殊情况，如品质，进行连续性管控，对工厂预测分析循环产生的警报进行显示，从而为工厂决策人员提供决策逻辑;在整合层，PSB系统根据讯息内容和业务状况，规定线路，制定优先级、警报信息、异常信息，对如上信息再做出商业文字讯息验证，对信息内容强化进行弹性处理;在边缘层，主要是对储存区域对应到工厂数据模型进行配置管理，即插即用。对警报、信号转拨等信息，根据产品参数的螺丝驱动方式进行动态行为管控。对基于预测分析事件的机器进行行为控制。

PSB通过管理本地活动与PLC、SCADA、ERP、边缘的链接，使得用户在该制造构架系统中能够建立业务规则，为使用者提供了一种自然的方式来管理策略，并生成一整套的程序，使得作业人员可以自动执行频繁发生的决策。

3.企业或后端级别。企业级别则需要分析所有边缘级别和工厂级别的所有数据。在手机资料和建立数据库完成后，以适当的表格、模版呈現给到相应的边缘级别和工厂级别做相应的分析和建模。针对企业级别制造构架系统的建立，需要为应用程式提供相应的设备，在分析的基础上提出解决的方案。通过分析工作流程、上下端和环境等各项因素来提高企业的产品质量和运行效率，从而实现整个工厂价值链的超过那本，并提高运营效率。

从商业角度来看，智慧制造的数字化转型，围绕生产品质和生产优化，创造了传统制造业所无法实现的生产率和专业化。智慧制造的目标是能够以大量成本制造个性化产品，为了实现这个目标，有必须考虑改善生产工具，制造业应该引进更多的智慧制造，同时改善供应，销售，制造，工程，研发，人力和运营之间的合作，根据自身的不同特性建立不同的制造构架系统。

总结

中国在改革开放以后的40年时间里，跨越了第一次工业革命到第三次工业革命，并进入了第四次工业革命。上个世纪开始，西方国家把制造业外包给了中国，把服务业外包给了印度，这不是自主选择的结果，而是市场看不见的手调控的结果。我们经历了第一阶段的国产品牌代工时代、经历了第二阶段的世界产品中国造、经历了第三阶段世界新物中国造，近几年由于贸易战和降低人工成本，制造业逐渐开始向南亚国家转移，中国为了提高竞争力，实现弯道超车，必须集中力量，建立新阶段：支持中国创造的创新体系，大力研究相应制造场景的5G应用技术，满足智慧制造领域物联网发展的需求，建立IIOT（工业物联网平台），实现资讯技术与营运技术的高端结合，从而实现从“边缘创造”走向“中国名牌”。