0 引言
以“互聯網+”為技術支撐，新一輪全球經濟變革正拉開序幕，工業領域的產業轉型與升級已經成為各國努力的目標，德國提出了“工業4．0”國家戰略，以鞏固其制造業在全球的領先地位；美國提出了“再工業化”，以“工業互聯網”為代表的先進制造業計劃有序推進；日本等國家也出臺相關智能制造振興計劃，積極搶占新的戰略制高點。2015年5月8日，國務院公布李克強總理簽批的“中國制造2025”—— 中國版“工業4．0”，為中國走向制造業強國開出了良方。
智能制造是上述各國戰略規劃的核心共性問題，因此，智能制造在工業各領域的轉型升級中必然會發揮主導作用。離散型制造業在我國工業領域長期占據重要位置，但是傳統的離散型制造企業在創新能力、生產效率和效益、生產模式、信息化建設、研發能力等方面仍有待于提高，制約著智能制造模式在我國工業中的快速發展。本文針對典型離散型制造業，構建智能工廠的頂層技術架構，為我國離散制造業的轉型升級提供方向和技術指引。
1 智能工廠頂層技術架構設計
離散制造智能工廠體系架構由生產維護技術體系、企業運維技術體系、智能制造支撐環境體系及通用技術體系共同構成。生產維護技術體系是企業的核心，貫穿從設計到生產再到產品維保的整個環節，企業運維技術體系是企業運營管理的核心技術體系，智能制造支撐環境體系是支撐智能工廠正常運轉的基礎環境體系，通用技術體系出現在整個智能制造工廠中的每個環節，起著基礎支撐作用。離散制造智能工廠頂層技術架構邏輯框圖如圖1所示。
圖l顯示了智能工廠各關鍵模塊間的邏輯關系，可以看出，整個智能制造工廠由4大體系、1O大模塊共同構成，不同模塊由自身功能決定，與其他模塊存在協作、交互、反饋等關系。理想的離散制造智能工廠包含了圖1中所示的所有模塊，并形成完整體系，但是由于離散制造業中企業之間的生產水平參差不齊，且企業運營模式也有所差異，因此在離散制造業智能工廠的策劃建設中，需根據企業實際情況，合理選擇圖1中所需模塊為企業“量身定做”智能工廠，并進行點、線、面的滾動式智能化升級，以達到切實解決各企業實際問題、提高效益的目的。下文針對智能工廠技術架構中的智能研發、中央控制系統、柔性自動化生產線等關鍵環節進行闡述。
2 智能研發
在智能工廠環境中，智能研發在組織結構上主要包括產品設計和工藝設計，在邏輯和技術創新模式上可分為協同研發、全三維研發等。
2．1 協同研發
目前在研發過程中，主要存在橫向信息孤島和縱向信息孤島兩大突出現象，制約著創新能力與研發效率。為解決此類問題，需消除研發信息孤島的現狀，逐步打造集團級、全國級以及全球級的研發信息平臺，打破設計、工藝、生產之間的信息孤島，合理配置研發資源，提升企業創新能力和研發效率。
在智能工廠中，主要使用以下手段來實現協同研發：
(1)橫向協同研發。打造橫向協同研發信息平臺，在產品研發時，根據項目實際情況，選擇性地成立集團級、全國級或全球級的研發項目組；根據項目分工，將各子企業、部件廠、供應商的研發團隊放置在此協同研發信息平臺中，在設計過程中，項目成員之間可實時查閱對方的三維虛擬圖紙及相關設計資料，實現項目組成員異地的互聯互通，提高研發效率并合理利用研發資源。
(2)縱向協同研發。在智能工廠中，產品的設計部門、工藝部門、生產部門將處于同一個協同研發信息平臺中，在設計部門設計過程中，工藝、生產相關部門能夠在平臺中隨時查閱實時的設計圖紙，消除研發部門與生產部門之間的時間差(設計過程中)，使它們能夠彼此協調，同步開展工作，從而使各方的配合更加默契。
通過以上措施，研發團隊的工作將變得更加簡單、高效，有效縮減研發周期及工藝設計周期，提高研發創新能力。
圖1 離散制造智能工廠頂層技術架構邏輯框圖
2．2 全三維研發
在智能工廠中，三維研發的各種相關資料將會為工藝、生產等部門提供幫助。
(1)對工藝設計的幫助。智能工，一的工藝設計需從傳統的工藝設計模式平滑式地升級為三維工藝設計。在上述縱向協同信息平臺中，三維裝配工藝規劃首先根據產品三維模型提取和構建零部件的幾何特征、管理屬性信息和物理特征信息等；通過產品的裝配過程仿真確定零部件的裝配順序、路徑、工藝要求、特殊裝配操作技巧等信息，實現虛擬驗證；以仿真結果為主干，將裝配工藝以裝配動畫、交互式靜態三維結果、動態三維裝配動畫等形式輸出至生產部門。
(2)無紙化辦公。從產品設計、工藝設計，再到生產部門，都是基于同一個數字化平臺，產品設計階段的三維模型及相關信息可直接傳遞至工藝及各生產部門，工藝部門完成的工藝流程、工藝方法、工藝參數、作業規程等通過顯示器或智能終端以三維模型模擬裝配的形式直接顯示在各工位上指導工人操作，堆積如山的圖紙及工藝文件將不再出現。
3 中央控制系統
中央控制系統重在實現IT管理下的訂單生產。MES提供生產優化分析和物料分析，提升生產可執行性，利用條碼掃描等手段實現生產進度管控、防呆防錯、質量管理、關鍵物料追溯等數據采集和管理功能，實現從訂單開始到產品產出的整個生產活動的信息化管控，優化生產執行過程中的事前計劃、事中控制和事后分析與反饋，提供與ERP、OA、QMS等信息系統的集成。圖2為智能工廠中央控制系統工作邏輯圖。
4 柔性自動化生產線
柔性自動化生產線是基于自動化制造技術、信息技術、傳感器技術及機器人協同技術等一體的現代先進技術的統稱，實現在同一條生產線上自動加工制造不同產品的目標。
圖2 智能工廠中央控制系統工作邏輯圖
智能工廠柔性自動化生產線的新造工作邏輯圖如圖3所示。
柔性自動化檢修線可與新造柔性自動化生產線并行，根據檢修數量和檢修工藝流程建立柔性生產線。柔性自動化檢修線工作邏輯圖如圖4所示。
5 發展智能制造的預實施領域
從智能制造的具體實踐和技術角度來說，在發展智能制造的過程中，建議首先將以下幾方面作為主攻點：
(1)智能研發。產品研發需要消除信息孤島，在PLM平臺中實現異地協同設計、設計一制造并行設計；采用多學科集成的仿真技術、虛擬樣機技術；進行模擬設計，在設計過程中進行模擬組裝和性能測試。
(2)數字化在線檢測與控制系統。依托計算機支持的協同工作技術(CSCW)，對零件制造過程實行與計算機相結合的集檢測、反饋、控制于一體的在線集成控制，及時發現制造過程中的質量變化趨勢，并進行相應的調整，以預防廢品的產生，使制造過程處于工藝穩定狀態。
圖3 柔性自動化生產線的新造工作邏輯圖
6 結束語
本文在前期借鑒智能制造大量資料，實地調研智能工廠落地方案的基礎上，搭建了適合我國國情的智能工廠頂層技術架構。并提出我國離散制造業發展智能制造的預實施領域，為離散制造企業發展智能制造提供了可參考的方向和依據，使智能制造的發展技術路線、方向、目標、實施方案等更有針對性，對于盡快實現我國離散制造業從中國制造到中國“智”造的轉變有一定的參考價值。
圖4 柔性自動化檢修線工作邏輯圖