圖1箱體轉運機器人對制造業而言，工廠是工業4.0的載體和生産第一線。各種新的技術和工業革命的實現及大規模應用，工廠無疑是最好的實驗室和風向标。在“中國制造2025”強國戰略實施的宏觀政策環境下，如何發揮工廠的承載及先鋒作用，成為很多企業家思考的課題。作為工業4.0的關鍵特征及核心，智能工廠在制造行業越來越受到重視，在工廠的工程設計中，以工業4.0理念作為綱領，在工廠建設之前就合理規劃和設計，将起到事半功倍的效果。
本文從工業4.0的概念和核心出發，通過家電工程案例，在工廠整個生命周期的最早階段工程設計中就應用工業4.0的理念，提前布局和籌謀，從源頭上打造工業4.0智能工廠的願景，并闡述了工程設計中實現工業4.0理念的基本内容和步驟。
工業4.0的戰略背景
德國是高度工業化且以制造業為導向的出口型經濟技術強國，為了保持在重要關鍵技術上的國際領先地位，提出了繼蒸汽機的發明、大規模生産和自動化之後的第四次工業革命——工業4.0高科技戰略計劃。基本設想是制造的産品集成有動态數字存儲、感知和通信能力，承載在各個供應鍊和生命周期中所需的各種信息；整個生産價值鍊中所集成的生産設施能夠實現自組織，并根據當前的狀況，靈活地決定生産過程。目标是建立一個高度靈活的個性化和數字化的産品與服務的生産模式。
工業4.0的核心
在工業4.0體系中，智能工廠是工業4.0的關鍵特征之一。智能工廠可以管理複雜的事物，不容易受到幹擾，更有效地制造産品。在智能工廠中，人、機器和資源如同在一個社交網絡中一般自然相互溝通協作。智能産品理解它們被制造的細節以及将被如何使用，它們積極協助生産過程，回答例如“我是什麼時候被制造的”、“哪組參數應被用來處理我”、“我應該被傳送到哪”等問題。智能産品與智能移動性、智能物流和智能系統網絡相對接，使智能工廠成為未來智能基礎設施中的一個關鍵組成。本文拟從實際案例出發，闡述如何将工業4.0理念在工廠設計中得以應用。
工業4.0在工程設計中的應用
2016年4月23日，《朝聞天下》節目針對海爾冰箱俄羅斯制造基地在卡馬河畔切爾尼市KIPMaster工業園正式投産做了相關報道。該報道指出，作為中俄非能源領域的第一個大型合作項目，海爾高端冰箱制造基地正在成為“一帶一路”的中國名片。
由于該項目的特殊性，海爾集團在立項時提出了較高的目标，需要按照工業4.0的理念進行項目規劃設計，以智慧、互聯工廠為導向，建設一座全球最先進的冰箱制造基地。該項目位于俄羅斯鞑靼斯坦共和國切爾尼市KIPMaster工業園，拟采用工業園内現有廠房，改造建設成年産能為50萬台的冰箱廠，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月正式投産。
在該項目前期規劃設計時，工程設計團隊在分析了業主需求和當地建設條件的基礎上，結合“工業4.0”自動化、信息化和智能化的智能工廠理念，提出了整體設計目标和要求，并總結出了工程設計中實現工業4.0理念的基本内容和步驟。
從精益化布局上應用工業4.0理念
精益化生産，是指最大限度地減少企業生産所占用的資源、降低企業管理和運營成本。既是企業生産管理追求的最重要的目标之一，也是工業4.0中智能工廠關鍵特征之一。在本項目工程設計過程中，從工藝流程出發，将生産園區總體規劃、工藝設備布局、物料存儲配送以及配套的廠房工程設計，均按照精益化原則設計，實現了從原材料到成品“一個流”的生産，降低庫存，從設計源頭上進行控制，減少生産過程中“八大浪費”的産生。工程設計的各個流程都全程信息跟蹤控制，從總體上體現了布局精益化的要求，也是工業4.0理念的體現。
圖2工序信息電子化從智能化上應用工業4.0理念
從智能化上應用工業4.0理念分為智能化設備規劃和智能化物料規劃。該項目在智能化設備規劃方面的主要工藝設備，選用的是冰箱行業内最先進的自動化生産裝備，并加以數據互聯改造。例如采用全自動的箱體成型線，從鋼闆定尺料到成型加工、卷邊折彎、到冷凝器貼敷，再到箱體存儲、分型、上線全部由設備自動完成，在保證産品質量的同時，大大提高了生産效率。工序之間的銜接也全部采用機器人、自動立體貨架等自動存儲、轉運裝置完成，降低了工人勞動強度，也減少了工序間半成品的周轉、存儲，有效地提高了物流效率（見圖1）。在工作環境較差、勞動強度高的工序，全部用機器人替代人工，例如注塑車間，原材料采用全自動集中供料系統，取件采用機械手完成，取件完成後直接由皮帶線輸送至分揀車間，基本實現了無人車間的構想（見圖3）。
該項目在智能化物料規劃上采用了物流智能化系統——物料安燈系統，通過在生産工位旁安裝一定數量的物料呼叫請求按鈕，在車間現場和物料調度區設置信息顯示闆，實時反饋生産線上的物料呼叫請求，并指示和分配送料任務。
根據生産線的工位設置，每個工位都有對應的主要物料，在關鍵工位上安裝物料配送呼叫按鈕，當生産線邊物料剩餘量達到觸發條件（即最低剩餘量時），及時發出物料需求呼叫，通過網絡傳遞到數據服務器，由調度人員結合已有的配送計劃及時調整。系統實時記錄下每一次物料請求發生的時間、地點以及對物料請求的響應情況，然後對此進行分析。
從信息化上應用工業4.0理念
從信息化上應用工業4.0理念包括構建信息綜合平台和生産過程信息化。信息化是工廠能否實現智能化的先決條件。在項目工程設計過程中構建信息綜合平台，所有設備和工序運行狀态通過可視的信息終端顯示。在整個生産過程中，無論元件、半成品還是待交付的産品，均有各自編碼。在産品上生産線之後，可全程自動确定每道工序；當産品被制造時，可以知道整個制造過程的細節。
在生産過程信息化方面，本項目采用RFID技術，即利用射頻信号通過空間耦合（交變磁場或電磁場）,實現無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到識别目的。一個典型的RFID系統主要由射頻标簽、讀寫器、天線和應用軟件系統4部分組成。
在冰箱生産中，通過RFID技術可以實現生産線物料信息動态跟蹤和生産信息反饋。前者是指利用RFID技術可以方便地采集到各工位對應物料消耗的信息，調度人員根據反饋的信息，準确制定物料調度計劃。物流人員實現及時準确的備料和送料，既能保證生産線的供應，又能避免生産線在制品大量堆積。後者是指利用RFID技術随時定位生産線上冰箱的位置，并了解裝配情況和完成進度，加快異常事件的響應速度。通過RFID技術，物料配送的方式由傳統人工統計轉變為由信息化推動的物流調度。在進行物料動态循環配送時，考慮生産線的生産節拍、生産線的線邊庫存與備料、送料所需的實際時間相匹配。利用獲取到生産線隊列信息，追蹤到在線冰箱的生産進度及生産狀況，由此推斷出生産線物料的實時消耗量和工位在制品庫存量。
從智慧化上應用工業4.0理念
從智慧化上應用工業4.0理念包括三維仿真智慧化設計和智慧化的管理。前者是指該項目将三維仿真技術運用到廠房設計和施工中，通過三維仿真設計，直觀了解項目規劃的特點和建築的風格，方便與設計師溝通，便于業主選取設計策略，減少投資風險。三維仿真技術正在改變工廠設計傳統的工作模式，讓建築更加智慧、高效、經濟。在廠房施工之前，将設備、廠房、管道、物流在計算機中按照實際尺寸，1:1建造三維模型，對工藝方案進行驗證。采用碰撞檢測手段，自動檢測廠房、設備、管道之間是否碰撞。三維模型能夠直觀地發現設計中的問題，預判可能出現的問題并及時解決，提高設計質量，滿足大型項目複雜和個性化的需求。
通過縮放視角，可以直觀展示工廠的全貌和生産細節以及建成後工廠的狀況。以參觀人員的視角，觀察廠房的設備、裝修風格、道路規劃等情況。通過對仿真模型及數據的分析，優化工藝設計方案。例如，生産線平衡改善，優化業主的物流配送規劃方案，核算倉庫面積的需求，降低線邊物料的存儲周期。
智慧化管理包括智慧化生産管理、智慧化監控、智慧化能源管理和智慧化生産環境4部分。智慧化生産管理是指結合綜合信息互聯平台，通過收集有關設備、質量管理等與生産有關的信息，分析設備運行狀、物料缺失等狀況，控制分布于車間各處的燈光和聲音報警系統，從而實現生産信息的透明化及智慧化管理。
智慧化監控不僅可以對主要出入口和通道進行實時監控，還可以監控物流運輸車輛蹤迹，對異常情況報警。
智慧化能源管理是指對供水、供電、供氣等能源設備按照工藝模塊進行分區和計量，采用先進的能源管理系統，可以實時顯示各能源的耗量、能源耗量及單台産品能源耗量，并自動輸出形成報表，耗能異常時可及時報警。
智慧化生産環境從冰箱生産環節的節能環保出發，采用無三廢污染的加工工藝，利用建築物太陽能收集轉化技術、大型設備餘熱回用技術、智能照明系統等先進技術手段，采用保溫、節能的建築材料，降低生産能耗，實現綠色化生産。
圖3注塑件自動取件機械手
圖4設備狀态可視化