图1箱体转运机器人对制造业而言，工厂是工业4.0的载体和生产第一线。各种新的技术和工业革命的实现及大规模应用，工厂无疑是最好的实验室和风向标。在“中国制造2025”强国战略实施的宏观政策环境下，如何发挥工厂的承载及先锋作用，成为很多企业家思考的课题。作为工业4.0的关键特征及核心，智能工厂在制造行业越来越受到重视，在工厂的工程设计中，以工业4.0理念作为纲领，在工厂建设之前就合理规划和设计，将起到事半功倍的效果。
本文从工业4.0的概念和核心出发，通过家电工程案例，在工厂整个生命周期的最早阶段工程设计中就应用工业4.0的理念，提前布局和筹谋，从源头上打造工业4.0智能工厂的愿景，并阐述了工程设计中实现工业4.0理念的基本内容和步骤。
工业4.0的战略背景
德国是高度工业化且以制造业为导向的出口型经济技术强国，为了保持在重要关键技术上的国际领先地位，提出了继蒸汽机的发明、大规模生产和自动化之后的第四次工业革命——工业4.0高科技战略计划。基本设想是制造的产品集成有动态数字存储、感知和通信能力，承载在各个供应链和生命周期中所需的各种信息；整个生产价值链中所集成的生产设施能够实现自组织，并根据当前的状况，灵活地决定生产过程。目标是建立一个高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式。
工业4.0的核心
在工业4.0体系中，智能工厂是工业4.0的关键特征之一。智能工厂可以管理复杂的事物，不容易受到干扰，更有效地制造产品。在智能工厂中，人、机器和资源如同在一个社交网络中一般自然相互沟通协作。智能产品理解它们被制造的细节以及将被如何使用，它们积极协助生产过程，回答例如“我是什么时候被制造的”、“哪组参数应被用来处理我”、“我应该被传送到哪”等问题。智能产品与智能移动性、智能物流和智能系统网络相对接，使智能工厂成为未来智能基础设施中的一个关键组成。本文拟从实际案例出发，阐述如何将工业4.0理念在工厂设计中得以应用。
工业4.0在工程设计中的应用
2016年4月23日，《朝闻天下》节目针对海尔冰箱俄罗斯制造基地在卡马河畔切尔尼市KIPMaster工业园正式投产做了相关报道。该报道指出，作为中俄非能源领域的第一个大型合作项目，海尔高端冰箱制造基地正在成为“一带一路”的中国名片。
由于该项目的特殊性，海尔集团在立项时提出了较高的目标，需要按照工业4.0的理念进行项目规划设计，以智慧、互联工厂为导向，建设一座全球最先进的冰箱制造基地。该项目位于俄罗斯鞑靼斯坦共和国切尔尼市KIPMaster工业园，拟采用工业园内现有厂房，改造建设成年产能为50万台的冰箱厂，厂房面积约为2.5万平方米，投资额约为7000万美元，已于2016年4月正式投产。
在该项目前期规划设计时，工程设计团队在分析了业主需求和当地建设条件的基础上，结合“工业4.0”自动化、信息化和智能化的智能工厂理念，提出了整体设计目标和要求，并总结出了工程设计中实现工业4.0理念的基本内容和步骤。
从精益化布局上应用工业4.0理念
精益化生产，是指最大限度地减少企业生产所占用的资源、降低企业管理和运营成本。既是企业生产管理追求的最重要的目标之一，也是工业4.0中智能工厂关键特征之一。在本项目工程设计过程中，从工艺流程出发，将生产园区总体规划、工艺设备布局、物料存储配送以及配套的厂房工程设计，均按照精益化原则设计，实现了从原材料到成品“一个流”的生产，降低库存，从设计源头上进行控制，减少生产过程中“八大浪费”的产生。工程设计的各个流程都全程信息跟踪控制，从总体上体现了布局精益化的要求，也是工业4.0理念的体现。
图2工序信息电子化从智能化上应用工业4.0理念
从智能化上应用工业4.0理念分为智能化设备规划和智能化物料规划。该项目在智能化设备规划方面的主要工艺设备，选用的是冰箱行业内最先进的自动化生产装备，并加以数据互联改造。例如采用全自动的箱体成型线，从钢板定尺料到成型加工、卷边折弯、到冷凝器贴敷，再到箱体存储、分型、上线全部由设备自动完成，在保证产品质量的同时，大大提高了生产效率。工序之间的衔接也全部采用机器人、自动立体货架等自动存储、转运装置完成，降低了工人劳动强度，也减少了工序间半成品的周转、存储，有效地提高了物流效率（见图1）。在工作环境较差、劳动强度高的工序，全部用机器人替代人工，例如注塑车间，原材料采用全自动集中供料系统，取件采用机械手完成，取件完成后直接由皮带线输送至分拣车间，基本实现了无人车间的构想（见图3）。
该项目在智能化物料规划上采用了物流智能化系统——物料安灯系统，通过在生产工位旁安装一定数量的物料呼叫请求按钮，在车间现场和物料调度区设置信息显示板，实时反馈生产线上的物料呼叫请求，并指示和分配送料任务。
根据生产线的工位设置，每个工位都有对应的主要物料，在关键工位上安装物料配送呼叫按钮，当生产线边物料剩余量达到触发条件（即最低剩余量时），及时发出物料需求呼叫，通过网络传递到数据服务器，由调度人员结合已有的配送计划及时调整。系统实时记录下每一次物料请求发生的时间、地点以及对物料请求的响应情况，然后对此进行分析。
从信息化上应用工业4.0理念
从信息化上应用工业4.0理念包括构建信息综合平台和生产过程信息化。信息化是工厂能否实现智能化的先决条件。在项目工程设计过程中构建信息综合平台，所有设备和工序运行状态通过可视的信息终端显示。在整个生产过程中，无论元件、半成品还是待交付的产品，均有各自编码。在产品上生产线之后，可全程自动确定每道工序；当产品被制造时，可以知道整个制造过程的细节。
在生产过程信息化方面，本项目采用RFID技术，即利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）,实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的。一个典型的RFID系统主要由射频标签、读写器、天线和应用软件系统4部分组成。
在冰箱生产中，通过RFID技术可以实现生产线物料信息动态跟踪和生产信息反馈。前者是指利用RFID技术可以方便地采集到各工位对应物料消耗的信息，调度人员根据反馈的信息，准确制定物料调度计划。物流人员实现及时准确的备料和送料，既能保证生产线的供应，又能避免生产线在制品大量堆积。后者是指利用RFID技术随时定位生产线上冰箱的位置，并了解装配情况和完成进度，加快异常事件的响应速度。通过RFID技术，物料配送的方式由传统人工统计转变为由信息化推动的物流调度。在进行物料动态循环配送时，考虑生产线的生产节拍、生产线的线边库存与备料、送料所需的实际时间相匹配。利用获取到生产线队列信息，追踪到在线冰箱的生产进度及生产状况，由此推断出生产线物料的实时消耗量和工位在制品库存量。
从智慧化上应用工业4.0理念
从智慧化上应用工业4.0理念包括三维仿真智慧化设计和智慧化的管理。前者是指该项目将三维仿真技术运用到厂房设计和施工中，通过三维仿真设计，直观了解项目规划的特点和建筑的风格，方便与设计师沟通，便于业主选取设计策略，减少投资风险。三维仿真技术正在改变工厂设计传统的工作模式，让建筑更加智慧、高效、经济。在厂房施工之前，将设备、厂房、管道、物流在计算机中按照实际尺寸，1:1建造三维模型，对工艺方案进行验证。采用碰撞检测手段，自动检测厂房、设备、管道之间是否碰撞。三维模型能够直观地发现设计中的问题，预判可能出现的问题并及时解决，提高设计质量，满足大型项目复杂和个性化的需求。
通过缩放视角，可以直观展示工厂的全貌和生产细节以及建成后工厂的状况。以参观人员的视角，观察厂房的设备、装修风格、道路规划等情况。通过对仿真模型及数据的分析，优化工艺设计方案。例如，生产线平衡改善，优化业主的物流配送规划方案，核算仓库面积的需求，降低线边物料的存储周期。
智慧化管理包括智慧化生产管理、智慧化监控、智慧化能源管理和智慧化生产环境4部分。智慧化生产管理是指结合综合信息互联平台，通过收集有关设备、质量管理等与生产有关的信息，分析设备运行状、物料缺失等状况，控制分布于车间各处的灯光和声音报警系统，从而实现生产信息的透明化及智慧化管理。
智慧化监控不仅可以对主要出入口和通道进行实时监控，还可以监控物流运输车辆踪迹，对异常情况报警。
智慧化能源管理是指对供水、供电、供气等能源设备按照工艺模块进行分区和计量，采用先进的能源管理系统，可以实时显示各能源的耗量、能源耗量及单台产品能源耗量，并自动输出形成报表，耗能异常时可及时报警。
智慧化生产环境从冰箱生产环节的节能环保出发，采用无三废污染的加工工艺，利用建筑物太阳能收集转化技术、大型设备余热回用技术、智能照明系统等先进技术手段，采用保温、节能的建筑材料，降低生产能耗，实现绿色化生产。
图3注塑件自动取件机械手
图4设备状态可视化