淺談智能工廠與智能化系統工程設計
作者： 來源： 發布時間：2019/06/11 瀏覽：5907
隨著工業 4.0、工業信息化、中國制造 2025、智能制造、無人工廠等智能化概念的提出，在化工、石化、醫藥、儲運、輕工、紡織、燃氣、市政公用工程、工業和民用建筑等多個行業的工程設計中，業主對「工廠智能化」的重視程度提高到了一個新高度。
在 2012 年以前，公司在智能化系統工程設計「俗稱弱電設計」領域并未涉足，僅僅是由電氣專業人員在建筑物進戶處預埋管道用于電話與網絡系統。自 2012 年以來，公司特增加電信專業，并在項目中開展智能化系統工程設計業務，以滿足業主對智能化系統的需求。
但是由于電信專業所涉及的專業或行業非常廣泛，且遠不止 10 年前設計時僅有的電話與網絡系統，為了讓更多的項目組成員了解電信專業、了解智能化系統，筆者在此對智能化系統工程設計做簡要介紹，供大家參考。
一、智能工廠
在談智能工廠之前，先了解智能建筑的概念，智能建筑是以建筑為平臺，兼備建筑設備、辦公自動化及通信網絡系統，集成結構、系統、服務和管理及其優化組合為一體，向人們提供安全、高效、便捷、節能、環保、健康的建筑環境。比如某公司的總部辦公大樓。
智能工廠，與智能建筑稍有不同，是利用各種現代化的技術，實現工廠的辦公、管理及生產自動化，達到加強及規范企業管理、減少工作失誤、堵塞各種漏洞、提高工作效率、進行安全生產、提供決策參考、加強外界聯系、拓寬國際市場的目的。比如一個包含有總部辦公大樓、擁有先進的智能化生產線的制劑車間、無人值守的物流倉儲的廠區。
智能工廠的規劃，還有很多工作需要開展，規劃者需要具備廣泛的專業知識、較強的工程經驗、投入大量的時間。針對某個企業而言，智能工廠的規劃可以從以下方面入手：
1. 制造工藝的分析與優化
首先需要根據企業在產業鏈的定位，擬生產的主要產品、生產類型「單件、小批量多品種、大批量少品種等」、生產模式「離散、流程及混合制造」、核心工藝「例如機械制造行業的熱加工、冷加工、熱處理等」，以及生產綱領，對加工、裝配、包裝、檢測等工藝進行分析與優化。
企業需要充分考慮智能裝備、智能產線、新材料和新工藝的應用對制造工藝帶來的優化。同時，企業也應當基于綠色制造和循環經濟的理念，通過工藝改進節能降耗、減少污染排放；還可以應用工藝仿真軟件，來對制造工藝進行分析與優化。
2. 數據采集
生產過程中需要及時采集產量、質量、能耗、加工精度和設備狀態等數據，并與訂單、工序、人員進行關聯，以實現生產過程的全程追溯。出現問題可以及時報警，并追溯到生產的批次、零部件和原材料的供應商。此外，還可以計算出產品生產過程產生的實際成本。有些行業還需要采集環境數據，如溫度、濕度、空氣潔凈度等數據。
3. 設備聯網
實現智能工廠或工業 4.0，最重要的基礎就是要實現設備與設備之間的互聯，建立工廠網絡，企業應當建立統一的標準。
4. 工廠智能物流
推進智能工廠建設，生產現場的智能物流十分重要，尤其是對于離散制造企業。智能工廠規劃時，要盡量減少無效的物料搬運。
5. 生產質量管理
在智能工廠規劃時，生產質量管理更是核心的業務流程。質量保證體系和質量控制活動必須在生產管理信息系統建設時統一規劃、同步實施，貫徹質量是設計、生產出來，而非檢驗出來的理念。
6. 設備管理
設備是生產要素，發揮設備的效能是智能工廠生產管理的基本要求。生產管理信息系統需設置設備管理模塊，使設備釋放出最高的產能，通過生產的合理安排，使設備尤其是關鍵、瓶頸設備減少等待時間；在設備管理模塊中，要建立各類設備數據庫，設置編碼，及時對設備進行維保；企業應建立設備的健康管理檔案，根據積累的設備運行數據建立故障預測模型，進行預測性維護，最大限度地減少設備的非計劃性停機；要進行設備的備品備件管理。
7. 智能廠房的設計
智能工廠的廠房應對水、電、暖等專業的管線進行綜合，并在廠房內規劃設計視頻監控、門禁控制、安防報警、火災報警系統等智能化弱電系統。
8. 智能裝備的應用
制造企業在規劃智能工廠時，必須高度關注智能裝備的最新發展。
9. 智能產線規劃
設計智能產線需要考慮如何節約空間，如何減少人員的移動，如何進行自動檢測，從而提高生產效率和生產質量。
10. 制造執行系統
制造執行系統「MES」是智能工廠規劃落地的著力點，是面向車間執行層的生產信息化管理系統，上接 ERP 系統，下接現場的 PLC 程控器、數據采集器、條形碼、檢測儀器等設備。
11. 能源管理
采集能耗監測點「變配電、照明、空調、電梯、給排水、熱水機組和重點設備」的能耗和運行信息，形成能耗的分類、分項、分區域統計分析，可以對能源進行統一調度、優化能源介質平衡，達到優化使用能源的目的。
規劃還包括無紙化生產、工業安全、精益生產、人工智能技術的應用、生產監控與指揮系統、數據管理、勞動力管理等。
因此，要做好智能工廠的規劃，需要從各個視角綜合考慮，從投資預算、技術先進性、投資回收期、系統復雜性、生產的柔性等多個方面進行綜合權衡、統一規劃，從一開始就避免產生新的信息孤島和自動化孤島，才能確保做出真正可落地，既具有前瞻性，又有實效性的智能工廠規劃方案。
智能工廠的規劃是一個十分復雜的系統工程，需要企業的生產、工藝、IT、自動化、設備和精益等部門通力協作；同時，也需要引入專業的工廠設計和智能制造咨詢服務機構深入合作。
二、智能化系統工程設計的行業特點
目前，建筑智能化系統工程的設計單位有建筑設計院和系統集成商，兩者在設計過程中都存在自己的不足：
1. 建筑設計院
從事智能化設計的人員主要是從電氣專業轉行而來，雖然兩者有相通，但是專業之間的差異還是明顯的。而且智能化系統涉及建筑設備監控、通信、計算機網絡、布線、安防監控、防盜、門禁、停車庫管理、公共顯示、電視、廣播音響、多媒體會議、機房工程等多個專業或行業的知識。因此，要有如此廣泛知識面的設計人員十分困難，不僅要懂專業技術，還要熟悉設備產品。
建筑設計院的智能化設計「施工圖」出圖后，一般由業主另行委托系統集成商進行二次深化設計，并進行施工。
2. 系統集成商
智能化行業內系統集成商的數量遠遠多于建筑設計院的數量，各自的資質、能力參差不齊。具備建筑智能化系統工程專項設計資質系統的集成商，其設計人員對各子系統比較了解，對設備產品比較熟悉。但是他們對建筑設計不夠了解，施工圖設計質量較差，與各專業配合困難。
直接由系統集成商進行設計的項目，由于未與建筑設計同時進行，在管線預埋、機房布置等方面存在滯后，相關專業互提資料不到位，影響整個智能化系統工程的質量。
系統集成商的專項設計資質有：a）建筑智能化系統設計專項資質甲、乙級；b）電子與智能化工程專業承包資質分為一級、二級；c）計算機信息系統集成資質等級分一、二、三、四級。
三、智能化系統工程設計的主要內容
1. 智能建筑的智能化設計
參照《智能建筑設計標準》GB50314-2015 第 4 章的規定，智能化系統工程的設計內容包括信息化應用系統、智能化集成系統、信息設施系統、建筑設備管理系統、公共安全系統、機房工程等。
1）信息化應用系統，包括公共服務、智能卡應用、物業管理、信息設施運行管理、信息安全管理、通用業務和專業業務等。
2）智能化集成系統，包括智能化信息集成（平臺）系統、集成信息應用系統。一般在深化設計時由系統集成商實施。
3）信息設施系統，包括信息接入系統（電話與網絡）、綜合布線系統、移動通信室內信號覆蓋系統、衛星通信系統、用戶電話交換系統、無線對講系統、信息網絡系統、有線電視及衛星電視接收系統、公共廣播系統、會議系統、信息導引及發布系統、時鐘系統等。一般在施工圖設計時均有上述系統。
4）建筑設備管理系統，包括建筑設備監控系統「對冷熱源、供暖通風和空氣調節、給水排水、供配電、照明、電梯等設備進行監控」、建筑能效監管系統以及需要納入管理的其他業務設施系統。一般在高端的辦公大樓、綜合體以及對環境要求很高的建筑物內配設。
5）公共安全系統，包括火災自動報警系統、安全技術防范系統「安全防范綜合管理平臺、入侵報警系統、視頻監控系統、出入口控制系統、電子巡更系統、訪客對講系統、停車場管理系統等」、應急響應系統等。一般在施工圖設計時均有上述系統。
6）機房工程，包括信息接入機房、有線電視前端機房、信息設施系統總配線機房、智能化總控室、信息網絡機房、用戶電話交換機房、消防控制室、安防監控中心、應急響應中心和智能化設備間等。一般在深化設計時由系統集成商實施。
2. 智能工廠的智能化設計
針對智能工廠而言，智能化系統工程設計的內容基本是不變的。要實現智能工廠的所有功能，還需要其他弱電系統、自動控制系統等的輔助和支持。比如制造企業生產過程執行系統「MES」、環境管理體系「EMS」、分布式控制系統「DCS」、PLC 控制系統、可燃氣體報警系統、安全儀表系統「CIS」等，這些系統由自控專業進行設計，布線系統比如儀表橋架則單獨配置。
四、智能化系統工程設計的設計深度
根據《建筑工程設計文件編制深度規定》「2016版」第 1.0.11 條規定，當建設單位另行委托相關單位承擔項目專項設計「包括二次設計」時，主體建筑設計單位應提出專項設計的技術要求并對主體結構和整體安全負責。專項設計單位應根據本規定相關章節的要求以及主體建筑設計單位提出的技術要求進行專項設計并對設計內容負責。智能化系統工程設計主要分以下四個階段：
1. 方案設計
提供智能化設計說明書。
2. 初步設計
提供圖紙目錄、智能化設計說明書、設計圖紙「智能化各系統的系統圖、智能化各系統及其子系統主機房布置平面示意圖」、主要電氣設備表。
3. 施工圖設計
提供圖紙目錄、智能化設計說明書、設計圖紙「智能化各系統的系統圖、智能化各系統平面圖」、主要電氣設備表。說明書中應交待專項設計、深化設計的情況。
根據公司目前參與的工程項目來看，電信專業的智能化系統主要有信息接入系統「電話與網絡」、綜合布線系統、移動通信室內信號覆蓋系統、用戶電話交換系統、無線對講系統、信息網絡系統、有線電視及衛星電視接收系統、會議系統、信息導引及發布系統、入侵報警系統、視頻監控系統、出入口控制系統、電子巡更系統、訪客對講系統、停車場管理系統、應急響應系統、機房工程等。
另外，火災自動報警與消防控制系統、公共廣播系統「含消防應急廣播、背景音樂、業務廣播」，由于有消防強審、人力資源配備等因素，由電氣專業統一出圖。
4. 深化設計
深化設計應在智能化工程施工招標之后完成，應滿足設備材料采購、非標準設備制作、施工和調試的需要；設計單位應配合深化設計單位了解系統的情況及要求，審核深化設計單位的設計圖紙。
深化設計圖紙的深度要求：在施工圖深度基礎上，完善各系統管線布置圖、特殊部位的工藝安裝詳圖、主要設備材料清單「明確系統設備必備的檢測報告、生產許可證等文件」、編制工程實施技術文件、機房工程中的電氣、空調、消防、綜合布線、機房監控、防雷接地等的系統圖及其機柜配置圖等。
一般情況下，系統集成商都具備相應的建筑智能化系統設計專項資質，具備出圖的資質，我們不對其深化設計圖紙進行審核。
五、智能化系統工程設計的互提條件
工程設計是多個專業相互配合、綜合性、科學性很強的工作，互提設計資料是各專業開展設計的重要依據。設計質量的優劣與各專業互提資料的正確、完整、及時有著直接的關系。電信專業與工藝、建筑、結構、電氣、總圖、外管專業均有條件往來，具體如下：
1、視頻監控系統，包含有視頻安防監控系統、工業電視監控系統。其中工業電視監控系統主要對生產裝置、生產車間內的重要生產工藝的操作、運行等安全情況進行監控，需業主或工藝專業提供點位條件。
2、門禁控制系統，特別是在潔凈區，房間數量多，需要門禁控制的點位多。需業主或工藝專業提供點位條件。
3、計算機網絡系統，在生產車間、裝置區、倉庫等非辦公區域有計算機網絡、無線AP需求時，需業主或工藝專業提供點位條件。
4、電話通信系統，在生產車間、裝置區、倉庫等非辦公區域有電話需求時，需業主或工藝專業提供點位條件。
5、廠區內的主辦公樓內，一般應規劃弱電總機房一間，具體尺寸視項目類別而定，需提出條件給建筑專業。弱電機房內一般有 UPS 電源、弱電機柜等，需提供荷載條件給結構專業。多層的辦公樓、實驗樓、宿舍等人員密集、辦公區，需每層設置弱電間，弱電間內開長條孔，需提出條件給建筑、結構專業。
6、廠區內的主辦公樓或控制室，應設監控中心，具體視項目情況與自控專業討論后定，需提出條件給建筑專業。
7、弱電機房內需要設計UPS電源，用電負荷需提出條件給電氣專業。
8、弱電機房內弱電配電箱中饋線至門禁控制器的回路中，采用帶分勵脫扣裝置的斷路器，應由電氣專業提供消防模塊，火災時由消防模塊強制斷電打開所有門禁。電信專業提出條件給電氣專業。
9、廠區室外弱電管線及手孔井，需提出條件給總圖專業。若室外管線采用橋架敷設時，應提出條件給外管專業。
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