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“智造单元”让智能制造落地生根

聚行业--工业4.0 微信   作者: 知识自动化  2017-10-27 06:06

工业4.0-全文略读:更重要的是,它以人为主、自动化与信息化相结合的机制,有效兼容企业现有的软件体系和设备投资保护,在延续客户既有投资价值的基础上,实现智能制造的顺利升级。相关阅读:智造单元 智能制造的抓手工业价值链 日本智能制造的新抓手智能制造的全生命周期实施路径作者简...

工业4.0概念的光环正在减弱,而更多工厂转型升级的真知灼见正在不断地涌现出来。智能制造作为中国制造2025的主攻方向,其中的数字化、网络化和智能化提出了一个可以探索的路径。对于中国的制造企业迎来了不可避免的制造模式的范式转型,即智能制造,对于企业而言,则面临的是一条一条具体的生产线。如何从生产线出发,找到智能制造的发展路线,是一个非常迫切的问题。


智造单元,正是智能制造最为落地的抓手。它像一根红线,在一个复杂的局面中,牵引着智能制造走向破局之点。它是一个最小的数字化工厂,提供了一个完整的多品种小批量的解决方案。


智造单元,把复杂系统变简洁

智能制造是一个复杂的系统,这决定了它需要从一个整体论来考量。它在企业内部是一个混合状态,企业局部也可以有智能制造,而不必一定要等到整体上全部实现——这是一个交互渗透的过程。而在局部实现智能制造,如果从企业内部生产实践来看,最为可行的基础上是,需要从最小的智能制造单元开始,拓展到一条条数字化产线,再到局部相互连接的系统,最后构建出巨系统。

图1:智能制造的系统集成

来源:工信部安筱鹏博士《软件视野下的未来工业》


这里的最小智能制造单元,就是需要构建的“智造单元”。智造单元是从工厂车间的基本运营出发,从资源轴、 管理轴和执行轴这三个角度,把一组能力相近的加工设备和辅助设备进行模块组合,并通过软件连接,实现多功能模块的集成化,链接企业资源管理与研发等管理软件形成企业的一体化系统,具备多品种少批量产品的生产能力输出的组织模块。作为智能制造实现的最小单元,可以实现数字工厂所需要的设备自动化、管理信息化、人员高效化。因此制造单元的基本特征,可以总结为“软硬一体,三轴三化”,也就是“设备模块成一体,三轴视角车间挂;软件连接数据通,数字工厂靠三化”。


三轴视角,扎根车间

智造单元是扎根于工厂尤其是车间级而自然生长的希望之花。智能制造最为重要的问题,都需要回到现场去解决。而智造单元的“三轴”,就是围绕现场要素,从三个方向进行管理:资源轴向,内向管理轴向和工作执行轴向,见图2。

图2: 智造单元的三维视图


资源轴上,主要是对人员、流程、产品、设备的管理。资源可以是任何活动的对象,也可以是执行这些活动的前瞻主题。特别值得注意的是,员工是宝贵的资产。工厂工人在物理世界生产产品,不管职务是不是管理者,都会做决定并给其他人下达指示。


而管理轴则是质量、成本、交期、安全,是生产过程中核心输出的要素管控与运维。


而在执行轴PDCA,则是标准的戴明环,也就是计划(Plan)、执行(Do)、检查(Check)、纠正(Action)。


这三个视图,综合地表达了智能制造的价值创造,其实是人类和各种设备活动的过程与结果的综合表达。


这种方式与日本旨在解决智能制造的工业价值链促进会IVI的理念完全一致。日本IVI在 2016年12月提出了“工业价值链参考架构”,旨在推动“数字工厂”的实现,见图3。

图3:IVRA工业价值链的三维图


这个三维图,把智造单元的三个轴向定义诠释得很清楚,真实地反映了工厂的现场活动,完全是从车间的视角,考虑企业的实际运营。只不过IVRA强调环境的管理,而智造单元则采用了安全的方向。


在明确了工厂现场的三大主轴之后,智能制造的建设路径就浮出水面。通过智造单元的组合,整个数字工厂的建设,就可以通过模块化、分区化的方式,进行自由的升级组合,从而大大提高数字工厂的建设效率。

图4:智能制造的建设路径


软硬一体,走向三化

自动化从硬件而言,一直在向着单元化、模块化、集成化的方向发展;而信息化则从自上而下的方向开始下沉。这使得当IT与OT相互结合的时代,正在成为工厂级最为期望的局面。


自动化和信息化融合在中国其实曾经有过一个并不算太远、广为人所熟知的故事。那就是二十世纪末期在中国所大规模开展的CIMS(计算机集成制造系统)。当时一方面是CADCAE以及信息化软件MRP、ERP的引用,另一方面是以数控加工设备、柔性设备为代表的自动化设备。二者的结合,本来期待着一个崭新的工业面貌。然而,当年CIMS理念过于超前。它的核心都是基于计算机的能力和对流程结合所做出的判断。当时中国工业界——其实也包括德国工业界,都太乐观地高估了当时的技术要求,又太低估了人的作用。后来德国人的反思中,除了技术要素尚未达到要求之外,忽视人的环节而过于强调自动化、过分依赖计算机技术,是一个巨大的失误。


CIMS的理念,一方面将重复性劳动用自动化方式替代,并提出了柔性自动化生产线;另一方面在此基础上加上信息化,本质就是实现了信息集成和信息监督。


然而从既往的经验来看,简单地将自动化与信息化叠加,并不等同于数字化。需要同时将其他各种资源要素进行数字化,再加上物联网技术和工业大数据的加强,才能真正实现良好的人机互动下的柔性自动化模块,从而推动数字工厂的建设。


数字工厂要实现三大核心目标:设备自动化、管理信息化和人员高效化,在路径上实现了人机交互和高度柔性,在目标上实现了设备的最大的有效开动率为检视点。

图5: 数字工厂的三大目标


设备自动化在于保证设备有效开动时间,使设备利用率达到最大,制造精度和柔性最大化,这一目标适合多品种小批量,自动化的核心在柔性;管理信息化将设计研发、生产运维、经营决策等进行分项管理的信息、集成互动,以完成企业业务数据的有效流动,为各类决策和日常工作提供数据载体支持,这一目标核心在“便捷”;人员高效化则基于信息化系统的数据,使决策有了依据,目标精准,针对性地处理结构性问题,避免常规工作消耗,以此达到“高效”;人员高效的目的是降低对机床有效开动率的影响,从而最终支持了设备的有效开动率。


而这三化相互交叉,必须各自都要形成一定颗粒度的模块化。借助大量的制造资源模块化、标准化单元的出现,组合成智造单元,才能形成有效的数字工厂,实现智能制造。


图6:智造单元的不同角度


局部驱动,推进系统方向

智能制造固然是一个整体系统,但却要从局部搭建、局部推动。这就要从智能制造的最小单元:智造单元开始建设。智造单元的模块构成包括:现场自动化、信息化和智能化。


图7:智造单元的模块构成图


从体系机构上看,包括模块化、单元化、集成化和一体化四部分。模块化和单元化可以令产品快速得到推广,集成化服务于一条产线,一体化解决了一个系统范畴的智造生态环境。


再从软件体系看,它以MES为核心,可以独立运行,而智造单元的系统则可自由兼容工厂原有的软件。向下跟MDC/DNC连接,或者通过物联直接与设备相连;向上连接至PLM、CAPP、ERP;横向与仓储管理系统WMS对接;而在生产任务执行上,则可以连接高级优化排产系统APS,实现自动优化排产,实现高效生产。

图8:MES为核心的信息化体系


智造单元与数字工厂的落成,绝不是智能体系的完成,而只是一个开始。因为在戴明环PDCA中,需要有一种持续改善的推动力——而人是最为重要的环节。物理实体和数字虚体的CPS场景建设,是系统集成商可以完成的;但人的经验和判断,必须有客户依据系统的运维数据在现场生产线上的参与才可以执行。所以说,一个智能制造的现场循环往复升级一定是三者相加才可以运行,单纯任何一方建造一个数字工厂都不是客观的表达。


PDCA中最为核心的就是推动改善的动力源和方向,只有把人的因素考虑进来,那么这个戴明环才有了运转方向。这种基于人的优化,将人放在闭环之中,不断循环,有表达方式、可控制手段和可操控的方向,才能逐渐形成智能部分,这就是智能制造的核心。


而智造单元的一个最为重要的地方,就是将“人机网”一体化,“人机物”与“信息流、物流”紧密地融合在一起。与传统的“智能制造”过于强调“智能”的自决策性不同,智造单元一开始就将人纳入闭环之中,使得成为人机协作的典范。

图9:人机网一体化


这就非常有实效的适应了实施智能制造初期的基础环境。有了人的要素介入,解决持续运营优化的方向,推动智造单元的建设。


设备四世同堂,保护投资

智能单元,最为重要的特点,就是可以完成自由的组合,实现分扇区、分阶段、分设备,对同一个工厂的不同设备、甚至同一条线的不同模块,进行“设备解列”与“设备入列”的离线、在线切换模式。这是采用智造单元“三轴”视角,很容易解决的问题。


在实际工厂改造升级以及运营过程中,企业中最为困惑的问题是,智能制造从哪里破局?全新的工厂,如何建设;而对于既有的产线,从哪里改造;不同的设备如何处理。许多企业的设备,各种型号各个年代都有,说是“四世同堂”一点都不夸张。而智造单元适应了四代同堂的现实需求。在国产装备中,有些是可以直接进产线的,有些是可以通过改造的,如何在智能制造单元中让老设备有价值发挥作用,集成到智造单元中,需要着重考虑。

智造单元考虑到四代同堂设备的现状,分析不同设备的信息采集机制,通过灵活的信息收集方式,有些设备不需要联网通信,只需采集信号;而有的设备,则可以采用多接口集成器,区别不同的数采方式,将各种设备集成进来。

根据智造单元的“三轴视角”,数字工厂的问题可以多角度切换。由于智造单元具有丰富的模块化接口,在现场可以采用“空间换时间”的措施,实现多设备共线运行。例如,在生产现场,可能存在特别大型的设备,不便于搬运,那么就采用“空间换时间”的智能制造组线模式,通过智能物流采用AGV把各单元线无缝连起来。而对于单向链很长的产品,或者多个产品,则可以采用多个智造单元的阵列形式,其物资存取方式,可以是一个库,也可以是多个库。通过独立模块和多模块并存的方式,随时组成不同的工艺路线,可以支持不同代级的设备,四世同堂同时发挥效力,最大限度保护既有投资。


工业4.0的语境中,大规模定制被反复提及,这甚至被有些人认为是智能制造最为重要的目标。要实现这个目标,生产线只有“柔性十足”才能实现。以往的刚性生产,是指大批大量生产单一或少量产品,这种生产模式特别适合自动化,尤其是那些工业标准件。而柔性生产则要复杂的多,其订单往往是多品种小批量,最小批量甚至为一。要想达到“单件自动化”这样的极致生产,非智能单元莫属。


智能制造的落地生根

“软硬一体,三轴三化”的智造单元,可以实现多品种小批量的解决方案,提升企业在制造环节的核心竞争力。更重要的是,它以人为主、自动化与信息化相结合的机制,有效兼容企业现有的软件体系和设备投资保护,在延续客户既有投资价值的基础上,实现智能制造的顺利升级。


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作者简介

李奇:北京奇步自动化控制设备公司董事长,智造单元总架构师。


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