柔性制造 中国智造

三一重工“灯塔工厂”。 三一重工供图

江苏大生“数字化纺纱车间”。 许丛军摄(人民视觉)

江西省赣州市会昌县加大对智能制造项目的奖励和支持力度，助推县域经济高质量发展。图为正在建设中的会昌县氟盐化工产业基地。 朱海鹏摄(人民视觉)

10月25日，第十七届中国(玉环)国际机床展上，客商在观看工业机器人。 段俊利摄(人民视觉)

今年9月，在湖南长沙的工程机械企业三一重工的国际营销公司收到一个来自海外的特殊订单，对上装主动力、前支腿、底盘、控制系统以及着色都有特殊制造要求，而且这样的泵车，对方只订了一台。

这样的单子接不接？现有的生产线，能不能满足这种特殊要求的泵车生产要求？

“当然接啊!仅仅17天，符合客户需求的泵车便顺利下线。”三一重工泵送事业部智能制造所所长饶有福告诉本报记者。

原来，三一重工的秘诀就是今年投入使用的长沙18号智能工厂的柔性生产线。“原来的制造周期需要28天左右，通过对生产线的柔性化改造后，制造周期缩短了近40%。”饶有福笑呵呵地说。

柔性制造，对于普通大众而言，可能还是个有些陌生的词汇。但是，近年来，“柔性化生产”“柔性制造”一直备受关注，除了大批量的刚性生产产品外，多品种、小批量的柔性制造产品方兴未艾，众多企业纷纷尝试柔性制造。

柔性制造魅力何在？如何看待柔性制造的发展前景。对此，本报记者进行了采访。

满足差异化消费需求

在吉利马来西亚宝腾工厂，广州明珞装备股份有限公司承接的线体中，包括了70余台机器人，自动化程度达80%以上。在这个项目中，明珞总拼系统可以满足7个车型共线随机生产。

多个车型共线随机生产意味着什么呢？

明珞装备董事长姚维兵向本报记者介绍说，经过明珞的柔性总拼系统改造后，多个车型都能从一条生产线下线，而最多的时候，他们的柔性生产线，能满足生产11个车型的要求。

在这一过程中，立下大功的，就是明珞依托数字化技术手段和信息化管理体系，所提出的柔性化、智能化的产品和解决方案，从逐步实现小批量低成本柔性智能生产，走向以共性技术、共性管理方式为制造业转型赋能，从汽车装备业的改造，迈向更广阔的大装备行业的应用。

和明珞一样，实现柔性制造，满足更多个性化生产需求，是不少制造业企业的愿望。那么，什么是柔性制造呢？

国际生产工程研究协会指出，柔性制造系统是一个自动化的生产制造系统，在最少人的干预下，能够生产任何范围的产品族，系统的柔性通常受到系统设计时所考虑的产品族的限制。

与之相对应的，刚性生产通常体现在产品的规模化生产方面，满足的是社会对大量工业品的需求。而伴随着消费结构升级，买方市场和消费者个性化、定制化、时效性要求的增多，满足“多样化、小规模、周期可控”的柔性化生产、柔性制造，市场需求日渐旺盛。

为什么柔性制造的市场需求在增大？

商业发展到如今，市场差异化的要求，对生产线的要求越来越高。在工业化时代，定制经济存在着很大的瓶颈，那就是没法上规模。工业化流程讲究的是效率和批量化，但要满足个性化需要，就要靠柔性生产线。

姚维兵进一步解释说，除了用户需求不一样之外，从供给端来说，柔性制造同样很有市场，因为如果为了满足每一个产品，尤其是小众需求，就去做一种模具，做一条生产线的话，投入成本是很高的，如果需求量达不到一定程度的话，从商业上来讲很不值当。因此，在满足一定产能的前提下，企业会希望尽可能实现生产的柔性化，让多种产品能在同一套生产体系、同一条生产线上进行，这样可以分散和降低投资风险和制造成本。这就是柔性制造的价值所在。

去年9月，工业和信息化部出台的《关于促进制造业产品和服务质量提升的实施意见》指出，鼓励企业技术创新，开展个性化定制、柔性生产，丰富产品种类，满足差异化消费需求。

去年11月，国家发改委等15部门联合印发《关于推动先进制造业和现代服务业深度融合发展的实施意见》，其中要求推广柔性化定制。通过体验互动、在线设计等方式，增强定制设计能力，加强零件标准化、配件精细化、部件模块化管理，实现以用户为中心的定制和按需灵活生产。

事实上，消费需求的变化正在倒逼生产商和服务商改变传统模式，逐渐走向以消费者为导向的创新型道路，柔性、快速反应的供应链正在成为企业竞争力之一。

柔性生产个性多元

作为国家首批智能制造试点示范企业之一，三一重工位于长沙的“18号工厂”，其智能化制造车间实现了生产中人、设备、物料、工艺等各要素的柔性融合。两条总装配线，可以实现69种产品的混装柔性生产；在10万平方米的车间里，每一条生产线可以同时混装生产30多种机械设备，马力全开可支撑300亿元的产值。

按照传统生产模式，一条生产线只能生产一个或几个规格的产品，而在智能生产线上，可根据订单要求的不同，同时上线生产不同的产品。那么，这些传统生产模式难以做到的事，智能柔性的生产线又是如何完成的？“18号工厂”给出了答案。

厂房的整个柔性制造生产系统包含了大量数据信息，包括用户需求、产品信息、设备信息及生产计划，依托工业互联网络将这些大数据联结起来并通过三一的MOM(制造运营管理)系统处理，制定最合适的生产方案，最优地分配各种制造资源。

今年3月，三一重工的智能制造部门接到一项新要求：随着公司订单的增大，用于生产泵车的焊接转塔作业岛，产能需要提升8-12台套/天，这意味着原来的6个工作岛现在不够用了，需要马上增加到8个工作岛。

放在过去，增加工作岛可能需要对生产线进行重新布局改造，怎么着也得花上半年时间。好在采用了柔性化布局方式，从机器人采购到后期安装加工，只用了45天就完成了生产线的柔性化改造。

更重要的是，这仅仅是对生产线进行了柔性化改造，没有增加一条生产线，就实现了产能提高。而且，如果今后需要做调整，把工作岛直接挪走就可以了，方便快捷。

像三一重工一样，随着“互联网 ”给供应链管理带来巨大变革，个性化定制、柔性化生产正源源不断深入制造业。

今年初，受新冠肺炎疫情影响，口罩、防护服、护目镜等防护品缺口大，考验着供应链的应变能力，众多工厂借力大数据与物联网，快速完成产线切换，转产口罩和防护服等抗疫物资，柔性制造再次成为行业关注的热点。

这些亮眼成绩的背后，除了原有厂家密集排产之外，通过柔性方式实现跨界转产的力量贡献很大。

事实上，疫情冲击下能够快速完成产线切换，或者快速调整战略的企业，大多拥有先进的自动化、数字化、智能化水平，其背后都蕴藏了“柔性生产”的能力。

“疫情防控背景下，具备柔性化生产特质的智能制造让企业可以在短期内重建一条个性化生产线，推动产品快速更新迭代。智能制造将发挥巨大作用。”中国工程院院士王耀南说。

王耀南举例说，“疫情防控期间，我们团队研制了医用紫外线消毒机器人、医用物资配送机器人等系列防疫机器人，免费赠送医院使用。从过去面向生产线的物流机器人到防疫机器人，仅一个月不到的时间便可实现‘变身’。”

再如在服装行业，随着人们生活水平的提高，对个性化定制，柔性化生产有着强烈的需求，一批个性化定制平台随即出现。

北京机械工业自动化研究所有限公司首席专家蒋明炜向本报记者举例说，上海纺织集团和上海工程技术大学联合研发的“服装智能定制1.0”，采用多视图融合技术和穹顶设计，通过体感采集器、网络集线器，仅需5秒完成数据采集，运用点云数据网格化算法和基于点云拟合的围度参数修正算法，形成全彩3D可360度旋转的人体模型，同时计算出人体各部位的尺寸，形成基本服装生产所需数据。该数据30秒即可传送到制作间，客户通过移动端下单，2小时可实现快速成衣定制。

刚柔相济智能制造

业内人士指出，实现柔性制造，考验的绝不仅是企业的技术能力，还有管理等各方面的软实力，不是依靠引入一两项先进设备就能解决的，不能仅仅局限于对生产层面的关注，更需要全面开发上下游产业的柔性。

姚维兵认为，广州明珞持续践行的智能制造“六化”路径(即自动化基础上的精益化 柔性化 标准化 数字化 智能化)是实现智能化生产的关键一步。

精益生产能够让资产、设备、投资发挥最大的作用。柔性化则是将专用资产更加通用化，进一步将产品的粗略折旧变成生命周期的精准折旧计算。在智能化发展的拐点，以非标标准化(即非标准化设备/工艺/流程/产线等的标准化成果)作为底层支持，进一步优化质量、生产效率。数字化，能够大幅缩短产品交付周期，新产品质量提前得到验证，稳定快速上市，使投资迅速产出价值。

饶有福认为，未来，柔性制造的扩展过程中，将面临两个方面的难点，首先是软硬结合的问题，柔性制造核心的一点是要靠软件系统识别与调度，要把新产品的要求变成程序指令，这里面，柔性程序要直接应用到生产线上，就需要对原有生产方式进行调整；其次是数字化储备问题。客户需求变化是很快的，但是要把需求快速地变成产品时，就需要生产者具有快速协调能力，其设计和制造能力要达到快速交付的要求，从而满足市场需求，而这一点，需要实现数据的横向打通与自动化生产、智能化分析。

不过，姚维兵认为，柔性生产的定制性不意味消灭标准化，根据消费者的个性化需求实现定制化固然是趋势，但柔性生产要做的不是无限定制化。“柔性生产也是相对的，我们要做的，是通过智能制造实现整个生产线的精益、柔性、数字、智能。要做好产业协同，在标准结构的基础上根据需要开发不同的产品，同时在制造上实现尽量柔性制造。”

姚维兵认为，还应该从生产前端就引入柔性制造理念，从设计生产线或者设计产品时就要开始考虑到柔性理念，而不是后期再进行柔性改造，这样才能实现降本增效。事实上，柔性制造存在的商业逻辑，不仅仅是柔性的重要性，而是谁又快又好又便宜。

从广义而论，智能制造是一个大概念，柔性制造，是智能制造的重要内容之一。正如王耀南所指出的，智能制造的一大特点是“有柔性”。

姚维兵认为，通过柔性制造在内的智能制造的发展，将给制造业带来革命性的变化，成为制造业未来发展的驱动力。

基于工业互联网的柔性化体验工厂实现人工智能技术

所属领域兴业

案例类别智能工厂

案例介绍

背景目的

随着智能制造工业转型升级改造的深入，智能制造开始与企业的生产经营深度融合，新一轮的工业改革深入到每一家企业。东阿阿胶抓住这一契机，综合胶类中药生产工艺特点，对涉及胶类中药生产安全、卫生、环保、胶类中药产品性状、品质等方面的影响因素进行全面分析与提炼。采用智能视觉、人工智能机器人、自动运输车、大数据分析等现代技术装备与传统的胶类中药生产工艺相结合，将当前我国胶类中药生产停留在半手工半机械化生产提升到覆盖胶类中药生产全工艺的智能柔性化生产。东阿阿胶2017年成功申报工业和信息化部《胶类中药全流程协调智能制造新模式应用》项目，并与2020年通过验收。该项目以实现传统生产工艺与现代科技相结合、与新能源及清洁能源利用相结合、与人工智能相结合为工艺突破，形成研发绿色智能工厂为目标，以模块化、数字化、自动化和智能化为手段，以云计算技术、计算机网络技术、大数据分析技术为依托，实现胶类中药生产数据自动采集、分析、判断、反馈和自我驱动，构成一个互通互联和全流程协同的绿色智能工厂新模式。

项目实施完成后东阿阿胶生产智能化程度大幅提升，建设完成首个胶类中药全流程智能工厂。在基于现有智能制造、绿色制造水平的基础上，2021年东阿阿胶持续发力，将工作重点放在生产线柔性化升级，充分开发人工智能技术应用场景，打造定制化的、个性鲜明的、集沉浸式体验于一体的互联网工厂。

主要做法

1、技术路线

基于工业互联网的柔性化体验工厂项目主要通过装备自动化（智能化）升级、信息安全建设、网络化建设、云技术大数据平台、智能数据分析建设、协同移动处理建设等实现从数字化车间建设、网络化互利互通建设到实现智能化制造。

东阿阿胶智能工厂本项目智能制造的技术路线，就是通过软件和网络进行产品开发、进行再设计和制造，使智能设备与生产实时进行信息和指令交互，实现自主控制和优化。从层级上划分为设备层级、控制层级、车间执行层级、企业管理层级。

东阿阿胶智能工厂技术路线图

根据东阿阿胶现有基础条件，本项目在设备层主要完成单体设备进行自动化改造，使设备自动化程度达到95%以上；在控制层进行控制网络完善，对控制系统进行优化，实现闭环优化控制；在执行层建设工业互联网、MES系统，实现生产装备之间、控制系统之间的互联互通，实现生产管理全过程的扁平化管理和闭环管理，提升产品质量、生产效率；在企业管理层打通ERP、BI、Oracle系统、智能机器人交互系统，实现整个生产、经营的互利互通，实现精益生产、智能生产。

2、面向阿胶及期衍生品的全生产过程的模型设计

基于工业互联网的柔性化体验工厂总体设计模型由四层构成，第一层为分布式环境感知与精准控制层，主要有自动化设备、检验检测设备、传感器及数据采集设备及DCS控制系统等组成，实现生产过程自动化；第二层为网联化智能装备工作站，主要有应用于各生产工位的人工智能装备，包括工位机械手、操作机器人、末端应用机器人、监测机器人、AGV运输车等智能设备及工业互联网建设，实现生产过程与智能设备联网，生产过程协同统一；第三层为大数据集成与交互层，主要包括用于生产管理的MES、EMS系统及与之相配套的实时数据库、工艺数据库等数据平台，人工智能软件平台等软件系统，网络安全设备及系统等，实现生产过程数据、运行安全，构建数据挖掘平台及基于大数据分析的智能生产管理平台；第四层为智能决策与任务调度系统，主要包括ERP、BI、Oracle系统，智能优化优化系统，实现基于大数据分析的智能制造柔性扩展与重构、远程监控与故障诊断、生产工艺优化预测、制造装备自学习、自适应、自控制的自主主动服务等。其总体设计模型架构图如下：

工厂总体设计模型架构图

总体设计模型的基本设计原则为实现生产过程智能化、物流智能化、信息流自动化的原则，组成示意图如下图所示：

工厂总体设计模型组成示意图

基于工业互联网的柔性化体验工厂的智能物流系统主要有三大生产数字化车间、原料仓库以及成品仓库组成，主要功能目标为实现车间之间，车间与原料仓库和成品仓库之间的物料智能化流转；信息流自动化系统主要在生产管理系统与信息管理系统之间以及生产管理系统下各子控制系统之间完成信息流的自动化传递。

基于工业互联网的柔性化体验工厂的工程设计模型结构图如下图所示：

工程设计模型架构图

模型第一部分为工厂信息管理系统实现的生产计划计算与生产原料采购功能。首先根据工厂市场与销售信息管理系统反馈的市场和销售数据，自动计算工厂产品的预估销量，根据预估销量数据，信息管理系统的生产计划制定系统自动排定下一阶段生产计划，同时根据生产计划产量要求，得到需要采购准备的驴皮、熟地、党参、枸杞、山楂等生产原材料数量，并发出采购申请督促工作人员进行采购。

工程设计模型的第二部分为生产原材料准备完毕后，信息管理系统将排定的生产计划发往工厂生产管理系统，指挥工厂的生产管理系统接到生产计划后，检查生产设备状态、生产原料准备是否充足，进行生产开机准备。准备完毕后生产线启动，开始按照生产计划进行生产。生产进度完全由生产管理系统根据生产计划动态控制。保证按期完成生产计划前提下，根据具体情况进行日生产计划动态调整。

3、信息网络系统设计

信息网络系统是智能工厂内部及外部信息传递的结构基础，是保证智能工厂内订单管理、生产计划传递、生产设备信息管理、生产命令的下达、生产装备运行的途径，是保证智能工厂多单元智能协同作业的技术支承。

信息网络系统是信息和应用的通信平台和载体。基于工业互联网的柔性化体验工厂网络是在满足企业生产过程中智能装备、控制系统、管理系统之间协同生产的业务需求，适应企业的信息发展，并且能够给企业员工提供更加便捷的办公平台。实现企业网络构架的过程包括：

a）规划企业的IPv6地址空间范围；

b）部署和实现企业核心层的网络构架 ；

c）在核心网络构架基础上对下层的网络构架进行设计。

信息网络系统总体架构

生产控制系统的构架是上位机PLC结合分布式计算机控制系统DCS，并通过工业以太网进行通讯，DCS以微处理机为核心，通过高速数据通道把各个分散点的信息集中起来，进行集中的监视和控制，并实现复杂的控制和优化。DCS的设计原则是分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调。采用这种方法该系统可把顺序控制装置、数据采集装置、回路控制仪表、过程监控装置有机的结合在一起，构成满足实际生产要求的控制系统。考虑到设备的稳定性和性价比，采用研华的IPC-610工控机内装通用组态软件作为上位机人机界面（HMI），选用基于工业以太网构架的组网模式。

DCS与智能装备的数据通讯以工业以太网为主要架构，对于移动智能装备采用无线移动网络进行数据交互。

为了满足企业在各种业务中所涉及到的网络需求，并能很好的承载业务的各种应用数据和服务，网络架构规划遵循可靠性高、安全稳定、架构清晰、满足业务需求、易于管理等原则。

由于目前制造企业基础应用系统已涉及到研发、生产制造、转储物流、财务销售、语音视频等相对较全面的业务。但要想使这些应用能够在企业网络平台上的作用发挥的更完善,其对企业网络架构的要求也是相当复杂和严格的。

网络系统架构规划

因此本公司拟在生产制造车间应用工业以太网和无线网，以解决车间和生产工控设备的只能控制和生产数据的下发执行的问题。通过工业交换机和可编程控制器将工业设备级网络同IPv6数据网络结合在一起,实现了办公、智控及人机交互设备网络的智能一体化。

4、面向全企业的智能制造生产与管理信息的数据库

传统的生产管理通过人工方式进行数据的采集不仅效率低且出错率高，本项目将电子标签、条码技术等RFID技术采集系统装备引入生产现场管理，使用数据采集器采集生产过程中的生产信息，然后将电子信息输送到数据库中，实现数据的存储，这种方法使得数据采集及时、准确，是企业能够更轻松的管理生产数据。

数据库作为本项目MES系统及大数据平台的基础，保存着重要信息资源，因此需要制定严格的管理策略来控制数据库的安全性。

a）保证网络安全，优化数据库应用程序。

b）有效管理数据库服务器账号密码，并进行权限控制

c）对数据库进行有效的备份、转移和恢复，通过数据库复制技术实现数据库的分发和同步。

要保障公司的信息安全，需要实现保密性、完整性、可用性、真实性和可控性这五项网络安全指标。为了进一步提高公司的资源利用管理水平，提高东阿阿胶的核心竞争力，构建企业网络安全部署具有直接决定作用。项目着重从设备、软件、人员三个层面来定义安全策略并加以实施。

a）设备层。在企业的运作中，大量的信息都保存在服务器或者是存储设备上，因此，企业需要对各种服务器采取统一的安全策略，及时对相关信息进行备份，限制登录用户的访问权限等。在安全管理中，服务器应作为管理的重心被重点管理和维护。

b）软件层。公司网络的安全措施主要是通过部署防火墙、IDS、杀毒软件，以及配合交换机或路由器的ACL来实现对病毒和黑客攻击的防御，此外公司还有一整套从用户接入控制，病毒报文识别到主动抑制的一系列安全控制措施

c）人员层。企业内部人员作为相对不可控因素对企业的信息安全保障具有重要的作用，应对其行为进行严格的约束。加强员工进行信息安全常识培训，防止员工通过访问恶意网站、下载未知的资料或者打开含有病毒代码的电子邮件附件等方式，在不经意间将病毒和木马带入企业网络并进行传播，进而给企业造成巨大的经济损失。规范员工行为，提高管理制度，通过建立文件审核机制和储存管理系统，防止内部员工进行商业泄密。制定网络资源使用规范，阻止员工恶意占用网络资源，妨碍网络正常运行。对内部传输文档在文档创建时即对其进行透明加密，并与用户、权限相结合。文档加密后，有权限的用户正常双击打开使用，非授权用户显示为乱码，无法使用，从而实现数据防泄密之目的。在整个加解密过程中，无需用户参与，使用非常方便。文档加密软件通常主要用于文档、图纸类数据加密保护，而不能用于源代码等进程比较复杂的数据类型保护。

特色亮点

智能制造系统解决方案是推广普及智能制造的关键手段，是促进智能制造水平提升的核心，世界强国紧盯中国智能制造转型需求，凭借技术与人才优势抢占市场。目前，国内针对智能制造行业应用需求提供系统的解决方案的业务尚处于初期发展阶段，能够在行业内形成可推广可复制的成熟解决方案不多。

本项目集聚智能工厂系统解决方案供应商、典型行业龙头企业优质资源，探索建立高效的运行机制，有效推进典型行业形成和实施智能制造系统解决方案。以MES项目为例，联合第三方优质资源，首先对东阿阿胶工厂实际情况进行调研，形成调研报告，并结合MES系统的自身特点和公司实际情况给出切实可行的项目实施方案；下一步，联合公司生产使用部门人员、分管领导、本项目联合体成员对实施方案进行共同探讨，对方案中存在的问题进行修改、调整；将调整后的方案再次进行深入沟通讨论，经使用部门、公司分管领导同意后确定最终实施方案；最后，项目牵头单位、第三方单位共同制定项目实施计划，明确MES项目重点任务、拟解决的问题、经费预算等重大问题，经审批后按计划组织实施。该智能制造系统解决方案典型模式为胶类中药行业提供可复制可推广的案例，推动行业智能制造转型目标及早实现。

应用成效

目前国内阿胶中药技术装备水平较低，设备商研发能力不足，成为装备向高端市场迈进存在障碍。东阿阿胶股份有限公司一方面自主研发一批关键核心技术和装备，另一方面在单体设备智能化改造方面全部购买国产设备，包括引进工业机器人、自动生产系统等。因此，项目实施对国产智能核心技术装备也起到两方面的带动作用，一方面，东阿阿胶公司作为胶类产品龙头企业，其在研发智能设备的高投入在行业内起到了良好的示范作用，提高阿胶行业企业在智能制造关键技术设备提升自主创新能力的认识和重视程度，推动全行业的创新能力和集成应用；另一方面，公司大范围采用智能化生产设备倒推设备供应商加强核心技术装备的创新研发，优化技术设备供给水平，从而提升国产智能核心设备的技术水平和自主创新能力。

阿胶中药的生产是典型的流程型制造业，其智能制造的重点在于实现产品品质从末端控制向全流程控制转变，该项目建设的数字化车间和智能工厂，从生产计划到最终生产过程的信息化，并对生产过程进行严格管控，及时发现生产过程存在的各种问题，及时对生产过程中的生产数据进行实时采集，并能根据采集到的生产数据进行分析核算，达到生产记录无纸化、物料配送无差错、生产数据采集自动化、生产过程中非正常情况报警、生产过程追溯可视化、生产过程监控自动化等目标，对流程型制造业而言，提供了典型的智能制造新模式，推动流程型制造业智能制造水平提升。

本项目通过在阿胶中药行业龙头企业实施应用生产全流程的智能制造，实现智能设备和生产实施的信息和指令交互，整个生产、管理过程互联互通，建成具有国际先进性和典型示范意义的智能工厂。该项目实施为阿胶行业智能制造系统解决方案树立了可推广、可复制的示范模式，强化了我国智能制造系统解决方案的供应能力。

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