浅谈智能工厂与智能化系统工程设计

作者: 来源: 发布时间:2019/06/11 浏览:105

        随着工业 4.0、工业信息化、中国制造 2025、智能制造、无人工厂等智能化概念的提出,在化工、石化、医药、储运、轻工、纺织、燃气、市政公用工程、工业和民用建筑等多个行业的工程设计中,业主对「工厂智能化」的重视程度提高到了一个新高度。

        在 2012 年以前,公司在智能化系统工程设计「俗称弱电设计」领域并未涉足,仅仅是由电气专业人员在建筑物进户处预埋管道用于电话与网络系统。自 2012 年以来,公司特增加电信专业,并在项目中开展智能化系统工程设计业务,以满足业主对智能化系统的需求。

        但是由于电信专业所涉及的专业或行业非常广泛,且远不止 10 年前设计时仅有的电话与网络系统,为了让更多的项目组成员了解电信专业、了解智能化系统,笔者在此对智能化系统工程设计做简要介绍,供大家参考。

智能工厂

一、智能工厂

        在谈智能工厂之前,先了解智能建筑的概念,智能建筑是以建筑为平台,兼备建筑设备、办公自动化及通信网络系统,集成结构、系统、服务和管理及其优化组合为一体,向人们提供安全、高效、便捷、节能、环保、健康的建筑环境。比如某公司的总部办公大楼。

        智能工厂,与智能建筑稍有不同,是利用各种现代化的技术,实现工厂的办公、管理及生产自动化,达到加强及规范企业管理、减少工作失误、堵塞各种漏洞、提高工作效率、进行安全生产、提供决策参考、加强外界联系、拓宽国际市场的目的。比如一个包含有总部办公大楼、拥有先进的智能化生产线的制剂车间、无人值守的物流仓储的厂区。

        智能工厂的规划,还有很多工作需要开展,规划者需要具备广泛的专业知识、较强的工程经验、投入大量的时间。针对某个企业而言,智能工厂的规划可以从以下方面入手:

        1. 制造工艺的分析与优化

        首先需要根据企业在产业链的定位,拟生产的主要产品、生产类型「单件、小批量多品种、大批量少品种等」、生产模式「离散、流程及混合制造」、核心工艺「例如机械制造行业的热加工、冷加工、热处理等」,以及生产纲领,对加工、装配、包装、检测等工艺进行分析与优化。

        企业需要充分考虑智能装备、智能产线、新材料和新工艺的应用对制造工艺带来的优化。同时,企业也应当基于绿色制造和循环经济的理念,通过工艺改进节能降耗、减少污染排放;还可以应用工艺仿真软件,来对制造工艺进行分析与优化。

        2. 数据采集

        生产过程中需要及时采集产量、质量、能耗、加工精度和设备状态等数据,并与订单、工序、人员进行关联,以实现生产过程的全程追溯。出现问题可以及时报警,并追溯到生产的批次、零部件和原材料的供应商。此外,还可以计算出产品生产过程产生的实际成本。有些行业还需要采集环境数据,如温度、湿度、空气洁净度等数据。

        3. 设备联网

        实现智能工厂或工业 4.0,最重要的基础就是要实现设备与设备之间的互联,建立工厂网络,企业应当建立统一的标准。

        4. 工厂智能物流

        推进智能工厂建设,生产现场的智能物流十分重要,尤其是对于离散制造企业。智能工厂规划时,要尽量减少无效的物料搬运。

        5. 生产质量管理

        在智能工厂规划时,生产质量管理更是核心的业务流程。质量保证体系和质量控制活动必须在生产管理信息系统建设时统一规划、同步实施,贯彻质量是设计、生产出来,而非检验出来的理念。

        6. 设备管理

        设备是生产要素,发挥设备的效能是智能工厂生产管理的基本要求。生产管理信息系统需设置设备管理模块,使设备释放出最高的产能,通过生产的合理安排,使设备尤其是关键、瓶颈设备减少等待时间;在设备管理模块中,要建立各类设备数据库,设置编码,及时对设备进行维保;企业应建立设备的健康管理档案,根据积累的设备运行数据建立故障预测模型,进行预测性维护,最大限度地减少设备的非计划性停机;要进行设备的备品备件管理。

        7. 智能厂房的设计

        智能工厂的厂房应对水、电、暖等专业的管线进行综合,并在厂房内规划设计视频监控、门禁控制、安防报警、火灾报警系统等智能化弱电系统。

        8. 智能装备的应用

        制造企业在规划智能工厂时,必须高度关注智能装备的最新发展。

        9. 智能产线规划

        设计智能产线需要考虑如何节约空间,如何减少人员的移动,如何进行自动检测,从而提高生产效率和生产质量。

        10. 制造执行系统

        制造执行系统「MES」是智能工厂规划落地的着力点,是面向车间执行层的生产信息化管理系统,上接 ERP 系统,下接现场的 PLC 程控器、数据采集器、条形码、检测仪器等设备。

        11. 能源管理

        采集能耗监测点「变配电、照明、空调、电梯、给排水、热水机组和重点设备」的能耗和运行信息,形成能耗的分类、分项、分区域统计分析,可以对能源进行统一调度、优化能源介质平衡,达到优化使用能源的目的。

        规划还包括无纸化生产、工业安全、精益生产、人工智能技术的应用、生产监控与指挥系统、数据管理、劳动力管理等。

        因此,要做好智能工厂的规划,需要从各个视角综合考虑,从投资预算、技术先进性、投资回收期、系统复杂性、生产的柔性等多个方面进行综合权衡、统一规划,从一开始就避免产生新的信息孤岛和自动化孤岛,才能确保做出真正可落地,既具有前瞻性,又有实效性的智能工厂规划方案。

        智能工厂的规划是一个十分复杂的系统工程,需要企业的生产、工艺、IT、自动化、设备和精益等部门通力协作;同时,也需要引入专业的工厂设计和智能制造咨询服务机构深入合作。

二、智能化系统工程设计的行业特点

        目前,建筑智能化系统工程的设计单位有建筑设计院和系统集成商,两者在设计过程中都存在自己的不足:

        1. 建筑设计院

        从事智能化设计的人员主要是从电气专业转行而来,虽然两者有相通,但是专业之间的差异还是明显的。而且智能化系统涉及建筑设备监控、通信、计算机网络、布线、安防监控、防盗、门禁、停车库管理、公共显示、电视、广播音响、多媒体会议、机房工程等多个专业或行业的知识。因此,要有如此广泛知识面的设计人员十分困难,不仅要懂专业技术,还要熟悉设备产品。

        建筑设计院的智能化设计「施工图」出图后,一般由业主另行委托系统集成商进行二次深化设计,并进行施工。

        2. 系统集成商

        智能化行业内系统集成商的数量远远多于建筑设计院的数量,各自的资质、能力参差不齐。具备建筑智能化系统工程专项设计资质系统的集成商,其设计人员对各子系统比较了解,对设备产品比较熟悉。但是他们对建筑设计不够了解,施工图设计质量较差,与各专业配合困难。

        直接由系统集成商进行设计的项目,由于未与建筑设计同时进行,在管线预埋、机房布置等方面存在滞后,相关专业互提资料不到位,影响整个智能化系统工程的质量。

        系统集成商的专项设计资质有:a)建筑智能化系统设计专项资质甲、乙级;b)电子与智能化工程专业承包资质分为一级、二级;c)计算机信息系统集成资质等级分一、二、三、四级。

三、智能化系统工程设计的主要内容

        1. 智能建筑的智能化设计

        参照《智能建筑设计标准》GB50314-2015 第 4 章的规定,智能化系统工程的设计内容包括信息化应用系统、智能化集成系统、信息设施系统、建筑设备管理系统、公共安全系统、机房工程等。

        1)信息化应用系统,包括公共服务、智能卡应用、物业管理、信息设施运行管理、信息安全管理、通用业务和专业业务等。

        2)智能化集成系统,包括智能化信息集成(平台)系统、集成信息应用系统。一般在深化设计时由系统集成商实施。

        3)信息设施系统,包括信息接入系统(电话与网络)、综合布线系统、移动通信室内信号覆盖系统、卫星通信系统、用户电话交换系统、无线对讲系统、信息网络系统、有线电视及卫星电视接收系统、公共广播系统、会议系统、信息导引及发布系统、时钟系统等。一般在施工图设计时均有上述系统。

        4)建筑设备管理系统,包括建筑设备监控系统「对冷热源、供暖通风和空气调节、给水排水、供配电、照明、电梯等设备进行监控」、建筑能效监管系统以及需要纳入管理的其他业务设施系统。一般在高端的办公大楼、综合体以及对环境要求很高的建筑物内配设。

        5)公共安全系统,包括火灾自动报警系统、安全技术防范系统「安全防范综合管理平台、入侵报警系统、视频监控系统、出入口控制系统、电子巡更系统、访客对讲系统、停车场管理系统等」、应急响应系统等。一般在施工图设计时均有上述系统。

        6)机房工程,包括信息接入机房、有线电视前端机房、信息设施系统总配线机房、智能化总控室、信息网络机房、用户电话交换机房、消防控制室、安防监控中心、应急响应中心和智能化设备间等。一般在深化设计时由系统集成商实施。

        2. 智能工厂的智能化设计

        针对智能工厂而言,智能化系统工程设计的内容基本是不变的。要实现智能工厂的所有功能,还需要其他弱电系统、自动控制系统等的辅助和支持。比如制造企业生产过程执行系统「MES」、环境管理体系「EMS」、分布式控制系统「DCS」、PLC 控制系统、可燃气体报警系统、安全仪表系统「CIS」等,这些系统由自控专业进行设计,布线系统比如仪表桥架则单独配置。

四、智能化系统工程设计的设计深度

        根据《建筑工程设计文件编制深度规定》「2016版」第 1.0.11 条规定,当建设单位另行委托相关单位承担项目专项设计「包括二次设计」时,主体建筑设计单位应提出专项设计的技术要求并对主体结构和整体安全负责。专项设计单位应根据本规定相关章节的要求以及主体建筑设计单位提出的技术要求进行专项设计并对设计内容负责。智能化系统工程设计主要分以下四个阶段:

        1. 方案设计

        提供智能化设计说明书。

        2. 初步设计

        提供图纸目录、智能化设计说明书、设计图纸「智能化各系统的系统图、智能化各系统及其子系统主机房布置平面示意图」、主要电气设备表。

        3. 施工图设计

        提供图纸目录、智能化设计说明书、设计图纸「智能化各系统的系统图、智能化各系统平面图」、主要电气设备表。说明书中应交待专项设计、深化设计的情况。

        根据公司目前参与的工程项目来看,电信专业的智能化系统主要有信息接入系统「电话与网络」、综合布线系统、移动通信室内信号覆盖系统、用户电话交换系统、无线对讲系统、信息网络系统、有线电视及卫星电视接收系统、会议系统、信息导引及发布系统、入侵报警系统、视频监控系统、出入口控制系统、电子巡更系统、访客对讲系统、停车场管理系统、应急响应系统、机房工程等。

        另外,火灾自动报警与消防控制系统、公共广播系统「含消防应急广播、背景音乐、业务广播」,由于有消防强审、人力资源配备等因素,由电气专业统一出图。

        4. 深化设计

        深化设计应在智能化工程施工招标之后完成,应满足设备材料采购、非标准设备制作、施工和调试的需要;设计单位应配合深化设计单位了解系统的情况及要求,审核深化设计单位的设计图纸。

        深化设计图纸的深度要求:在施工图深度基础上,完善各系统管线布置图、特殊部位的工艺安装详图、主要设备材料清单「明确系统设备必备的检测报告、生产许可证等文件」、编制工程实施技术文件、机房工程中的电气、空调、消防、综合布线、机房监控、防雷接地等的系统图及其机柜配置图等。

        一般情况下,系统集成商都具备相应的建筑智能化系统设计专项资质,具备出图的资质,我们不对其深化设计图纸进行审核。

五、智能化系统工程设计的互提条件

        工程设计是多个专业相互配合、综合性、科学性很强的工作,互提设计资料是各专业开展设计的重要依据。设计质量的优劣与各专业互提资料的正确、完整、及时有着直接的关系。电信专业与工艺、建筑、结构、电气、总图、外管专业均有条件往来,具体如下:

        1、视频监控系统,包含有视频安防监控系统、工业电视监控系统。其中工业电视监控系统主要对生产装置、生产车间内的重要生产工艺的操作、运行等安全情况进行监控,需业主或工艺专业提供点位条件。

        2、门禁控制系统,特别是在洁净区,房间数量多,需要门禁控制的点位多。需业主或工艺专业提供点位条件。

        3、计算机网络系统,在生产车间、装置区、仓库等非办公区域有计算机网络、无线AP需求时,需业主或工艺专业提供点位条件。

        4、电话通信系统,在生产车间、装置区、仓库等非办公区域有电话需求时,需业主或工艺专业提供点位条件。

        5、厂区内的主办公楼内,一般应规划弱电总机房一间,具体尺寸视项目类别而定,需提出条件给建筑专业。弱电机房内一般有 UPS 电源、弱电机柜等,需提供荷载条件给结构专业。多层的办公楼、实验楼、宿舍等人员密集、办公区,需每层设置弱电间,弱电间内开长条孔,需提出条件给建筑、结构专业。

        6、厂区内的主办公楼或控制室,应设监控中心,具体视项目情况与自控专业讨论后定,需提出条件给建筑专业。

        7、弱电机房内需要设计UPS电源,用电负荷需提出条件给电气专业。

        8、弱电机房内弱电配电箱中馈线至门禁控制器的回路中,采用带分励脱扣装置的断路器,应由电气专业提供消防模块,火灾时由消防模块强制断电打开所有门禁。电信专业提出条件给电气专业。

       9、厂区室外弱电管线及手孔井,需提出条件给总图专业。若室外管线采用桥架敷设时,应提出条件给外管专业。


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