智能工廠的實現(xiàn)路徑

來源：建科 瀏覽：- 發(fā)布日期：2025-12-16 08:40:00

智能工廠的建設(shè)是制造業(yè)邁向工業(yè)4.0的重要一步。通過數(shù)字化及信息化，網(wǎng)絡(luò)化及互聯(lián)互通，智能化、自動化等設(shè)計原則使智能工廠達到生產(chǎn)過程整體優(yōu)化和資源高效利用。從實現(xiàn)途徑來看，系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，數(shù)據(jù)采集與處理，智能控制系統(tǒng)以及人機交互與可視化等是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計作為智能工廠的建設(shè)藍圖，決定了系統(tǒng)的整體性能和運行效率。智能工廠的系統(tǒng)架構(gòu)是分層設(shè)計的，自下而上依次為設(shè)備層、控制層、車間層、企業(yè)層以及協(xié)同層。以設(shè)備層為基礎(chǔ)，覆蓋傳感器、儀器儀表和生產(chǎn)設(shè)備，裝設(shè)傳感器進行數(shù)據(jù)采集并傳達到控制層。控制層利用可編程邏輯控制器和數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)等工具對設(shè)備進行實時操控，以確保生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性。車間層是由制造執(zhí)行系統(tǒng)所組成的，它起到了橋梁的作用，整合了各種數(shù)據(jù)，對生產(chǎn)流程進行了細致的管理，幫助車間的管理人員更好地了解現(xiàn)場情況、解決問題并優(yōu)化工作流程。在企業(yè)結(jié)構(gòu)中，有企業(yè)資源計劃系統(tǒng)和產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)等，它們負(fù)責(zé)整體的運營管理。前者主要負(fù)責(zé)整合核心業(yè)務(wù)和優(yōu)化資源分配，而后者則專注于產(chǎn)品全生命周期的數(shù)據(jù)和流程管理，以促進創(chuàng)新和協(xié)同研發(fā)活動。協(xié)同層突破了企業(yè)的界限，在互聯(lián)網(wǎng)的推動下，產(chǎn)業(yè)鏈上的企業(yè)進行信息共享和合作，進行合作研發(fā)等操作，增強了產(chǎn)業(yè)鏈的競爭力。

2、數(shù)據(jù)采集與處理

數(shù)據(jù)采集及處理是智能工廠實現(xiàn)智能化的前提及基礎(chǔ)。智能工廠數(shù)據(jù)來源廣，涉及設(shè)備運行、生產(chǎn)工藝、質(zhì)量檢測、物料庫存及人員信息。為了全面精確地進行數(shù)據(jù)采集，需要在設(shè)備、生產(chǎn)線和車間中布設(shè)多樣傳感器。例如在生產(chǎn)設(shè)備上安裝振動、溫度傳感器來監(jiān)視運行狀態(tài)等；生產(chǎn)線上安裝光電傳感器、條碼閱讀器，追蹤產(chǎn)品的進度和定位；質(zhì)量檢測環(huán)節(jié)采用機器視覺檢測設(shè)備及高精度測量儀器，獲得產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)。收集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過有線或者無線通信網(wǎng)絡(luò)傳送到數(shù)據(jù)處理中心。在數(shù)據(jù)處理過程中，首先對原始數(shù)據(jù)進行清洗，剔除噪聲、錯誤及重復(fù)數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量；然后利用數(shù)據(jù)挖掘、機器學(xué)習(xí)的方法進行深度分析。通過對數(shù)據(jù)分析模型的構(gòu)建，在大量的數(shù)據(jù)中發(fā)掘出有價值的信息，例如找出生產(chǎn)規(guī)律，預(yù)測設(shè)備故障和優(yōu)化質(zhì)量控制參數(shù)。比如利用機器學(xué)習(xí)算法對設(shè)備的歷史故障數(shù)據(jù)進行分析來構(gòu)建預(yù)測模型可以提前進行故障預(yù)測，減少故障率和提高生產(chǎn)的連續(xù)性。另外，還應(yīng)建立一套完整的數(shù)據(jù)存儲體系并利用數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)倉庫對數(shù)據(jù)進行分類存儲，從而為智能工廠決策及生產(chǎn)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)保證。

3、智能控制系統(tǒng)

智能控制系統(tǒng)為智能工廠實現(xiàn)自動化、智能化生產(chǎn)提供了核心保證。它集先進的控制理論、信息技術(shù)及自動化技術(shù)于一體，能夠根據(jù)生產(chǎn)中的實時數(shù)據(jù)及預(yù)設(shè)目標(biāo)對控制策略進行自動調(diào)節(jié)，從而達到精準(zhǔn)控制及優(yōu)化的目的。先進的控制算法，例如模型預(yù)測控制（MPC）算法，在這個過程中起到了至關(guān)重要的作用。它可以根據(jù)數(shù)學(xué)模型來預(yù)測系統(tǒng)的輸出，并在線求解控制量，從而實現(xiàn)系統(tǒng)性能的最優(yōu)化。化工智能工廠中，MPC算法能夠?qū)Ψ磻?yīng)的關(guān)鍵參數(shù)進行準(zhǔn)確地控制，提高了反應(yīng)的質(zhì)量與效率。模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制這類智能算法同樣得到了廣泛的應(yīng)用，能夠?qū)?fù)雜系統(tǒng)進行處理，提高適應(yīng)性和魯棒性。智能控制系統(tǒng)具有自學(xué)習(xí)和自優(yōu)化的能力，它利用機器學(xué)習(xí)技術(shù)對數(shù)據(jù)及經(jīng)驗進行研究，并自動調(diào)節(jié)參數(shù)及策略來適應(yīng)不斷變化的環(huán)境和工藝。在智能倉儲物流系統(tǒng)里，自動導(dǎo)引車（AGV）的控制系統(tǒng)能夠獨立地規(guī)劃運輸路線，從而提升運輸?shù)男省?

4、人機交互與可視化

人機交互和可視化是智能工廠有效管理和決策的重要途徑，可以直觀地展現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)據(jù)信息，便于人們和系統(tǒng)之間進行有效的交流和合作。在制造過程中，工作人員利用圖形化的人機交互界面（HMI）與各種設(shè)備進行互動。HMI主要通過圖標(biāo)、儀表盤等方式展示設(shè)備的詳細信息，而工作人員則可以通過觸摸屏幕進行操作和控制。例如自動化生產(chǎn)線上的操作終端，可以實時觀察設(shè)備的運行情況，HMI在發(fā)生故障時會進行提示和給出處理意見。對管理人員來說，可視化管理系統(tǒng)從全局的角度出發(fā)，利用數(shù)據(jù)可視化技術(shù)把關(guān)鍵指標(biāo)用圖表顯示出來，幫助他們迅速了解企業(yè)的運營狀況，找出存在的問題，做出決策。例如在中控室的電子屏上顯示車間的生產(chǎn)狀況，方便調(diào)配資源、優(yōu)化規(guī)劃。另外VR,AR等新興技術(shù)在這方面的應(yīng)用，例如維修人員在AR眼鏡的輔助下獲得維修信息從而達到遠程輔助檢修的目的。人機交互和可視化技術(shù)，促進智能工廠管理效率的提升和決策的科學(xué)性。