工業(yè)4.0概念的光環(huán)正在減弱，而更多工廠轉(zhuǎn)型升級(jí)的真知灼見(jiàn)正在不斷地涌現(xiàn)出來(lái)。智能制造作為中國(guó)制造2025的主攻方向，其中的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化提出了一個(gè)可以探索的路徑。對(duì)于中國(guó)的制造企業(yè)迎來(lái)了不可避免的制造模式的范式轉(zhuǎn)型，即智能制造，對(duì)于企業(yè)而言，則面臨的是一條一條具體的生產(chǎn)線。如何從生產(chǎn)線出發(fā)，找到智能制造的發(fā)展路線，是一個(gè)非常迫切的問(wèn)題。
智造單元，正是智能制造最為落地的抓手。它像一根紅線，在一個(gè)復(fù)雜的局面中，牽引著智能制造走向破局之點(diǎn)。它是一個(gè)最小的數(shù)字化工廠，提供了一個(gè)完整的多品種小批量的解決方案。
智造單元，把復(fù)雜系統(tǒng)變簡(jiǎn)潔
智能制造是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，這決定了它需要從一個(gè)整體論來(lái)考量。它在企業(yè)內(nèi)部是一個(gè)混合狀態(tài)，企業(yè)局部也可以有智能制造，而不必一定要等到整體上全部實(shí)現(xiàn)——這是一個(gè)交互滲透的過(guò)程。而在局部實(shí)現(xiàn)智能制造，如果從企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)實(shí)踐來(lái)看，最為可行的基礎(chǔ)上是，需要從最小的智能制造單元開(kāi)始，拓展到一條條數(shù)字化產(chǎn)線，再到局部相互連接的系統(tǒng)，最后構(gòu)建出巨系統(tǒng)。
圖1：智能制造的系統(tǒng)集成
來(lái)源：工信部安筱鵬博士《軟件視野下的未來(lái)工業(yè)》
這里的最小智能制造單元，就是需要構(gòu)建的“智造單元”。智造單元是從工廠車間的基本運(yùn)營(yíng)出發(fā)，從資源軸、 管理軸和執(zhí)行軸這三個(gè)角度，把一組能力相近的加工設(shè)備和輔助設(shè)備進(jìn)行模塊組合，并通過(guò)軟件連接，實(shí)現(xiàn)多功能模塊的集成化，鏈接企業(yè)資源管理與研發(fā)等管理軟件形成企業(yè)的一體化系統(tǒng)，具備多品種少批量產(chǎn)品的生產(chǎn)能力輸出的組織模塊。作為智能制造實(shí)現(xiàn)的最小單元，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字工廠所需要的設(shè)備自動(dòng)化、管理信息化、人員高效化。因此制造單元的基本特征，可以總結(jié)為“軟硬一體，三軸三化”，也就是“設(shè)備模塊成一體，三軸視角車間掛;軟件連接數(shù)據(jù)通，數(shù)字工廠靠三化”。
三軸視角，扎根車間
智造單元是扎根于工廠尤其是車間級(jí)而自然生長(zhǎng)的希望之花。智能制造最為重要的問(wèn)題，都需要回到現(xiàn)場(chǎng)去解決。而智造單元的“三軸”，就是圍繞現(xiàn)場(chǎng)要素，從三個(gè)方向進(jìn)行管理：資源軸向，內(nèi)向管理軸向和工作執(zhí)行軸向，見(jiàn)圖2。
圖2： 智造單元的三維視圖
資源軸上，主要是對(duì)人員、流程、產(chǎn)品、設(shè)備的管理。資源可以是任何活動(dòng)的對(duì)象，也可以是執(zhí)行這些活動(dòng)的前瞻主題。特別值得注意的是，員工是寶貴的資產(chǎn)。工廠工人在物理世界生產(chǎn)產(chǎn)品，不管職務(wù)是不是管理者，都會(huì)做決定并給其他人下達(dá)指示。
而管理軸則是質(zhì)量、成本、交期、安全，是生產(chǎn)過(guò)程中核心輸出的要素管控與運(yùn)維。
而在執(zhí)行軸PDCA，則是標(biāo)準(zhǔn)的戴明環(huán)，也就是計(jì)劃(Plan)、執(zhí)行(Do)、檢查(Check)、糾正(Action)。
這三個(gè)視圖，綜合地表達(dá)了智能制造的價(jià)值創(chuàng)造，其實(shí)是人類和各種設(shè)備活動(dòng)的過(guò)程與結(jié)果的綜合表達(dá)。
這種方式與日本旨在解決智能制造的工業(yè)價(jià)值鏈促進(jìn)會(huì)IVI的理念完全一致。日本IVI在 2016年12月提出了“工業(yè)價(jià)值鏈參考架構(gòu)”，旨在推動(dòng)“數(shù)字工廠”的實(shí)現(xiàn)，見(jiàn)圖3。
圖3：IVRA工業(yè)價(jià)值鏈的三維圖
這個(gè)三維圖，把智造單元的三個(gè)軸向定義詮釋得很清楚，真實(shí)地反映了工廠的現(xiàn)場(chǎng)活動(dòng)，完全是從車間的視角，考慮企業(yè)的實(shí)際運(yùn)營(yíng)。只不過(guò)IVRA強(qiáng)調(diào)環(huán)境的管理，而智造單元?jiǎng)t采用了安全的方向。
在明確了工廠現(xiàn)場(chǎng)的三大主軸之后，智能制造的建設(shè)路徑就浮出水面。通過(guò)智造單元的組合，整個(gè)數(shù)字工廠的建設(shè)，就可以通過(guò)模塊化、分區(qū)化的方式，進(jìn)行自由的升級(jí)組合，從而大大提高數(shù)字工廠的建設(shè)效率。
圖4：智能制造的建設(shè)路徑
軟硬一體，走向三化
自動(dòng)化從硬件而言，一直在向著單元化、模塊化、集成化的方向發(fā)展;而信息化則從自上而下的方向開(kāi)始下沉。這使得當(dāng)IT與OT相互結(jié)合的時(shí)代，正在成為工廠級(jí)最為期望的局面。
自動(dòng)化和信息化融合在中國(guó)其實(shí)曾經(jīng)有過(guò)一個(gè)并不算太遠(yuǎn)、廣為人所熟知的故事。那就是二十世紀(jì)末期在中國(guó)所大規(guī)模開(kāi)展的CIMS(計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng))。當(dāng)時(shí)一方面是CAD\CAE以及信息化軟件MRP、ERP的引用，另一方面是以數(shù)控加工設(shè)備、柔性設(shè)備為代表的自動(dòng)化設(shè)備。二者的結(jié)合，本來(lái)期待著一個(gè)嶄新的工業(yè)面貌。然而，當(dāng)年CIMS理念過(guò)于超前。它的核心都是基于計(jì)算機(jī)的能力和對(duì)流程結(jié)合所做出的判斷。當(dāng)時(shí)中國(guó)工業(yè)界——其實(shí)也包括德國(guó)工業(yè)界，都太樂(lè)觀地高估了當(dāng)時(shí)的技術(shù)要求，又太低估了人的作用。后來(lái)德國(guó)人的反思中，除了技術(shù)要素尚未達(dá)到要求之外，忽視人的環(huán)節(jié)而過(guò)于強(qiáng)調(diào)自動(dòng)化、過(guò)分依賴計(jì)算機(jī)技術(shù)，是一個(gè)巨大的失誤。
CIMS的理念，一方面將重復(fù)性勞動(dòng)用自動(dòng)化方式替代，并提出了柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線;另一方面在此基礎(chǔ)上加上信息化，本質(zhì)就是實(shí)現(xiàn)了信息集成和信息監(jiān)督。
然而從既往的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，簡(jiǎn)單地將自動(dòng)化與信息化疊加，并不等同于數(shù)字化。需要同時(shí)將其他各種資源要素進(jìn)行數(shù)字化，再加上物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和工業(yè)大數(shù)據(jù)的加強(qiáng)，才能真正實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)互動(dòng)下的柔性自動(dòng)化模塊，從而推動(dòng)數(shù)字工廠的建設(shè)。
數(shù)字工廠要實(shí)現(xiàn)三大核心目標(biāo)：設(shè)備自動(dòng)化、管理信息化和人員高效化，在路徑上實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互和高度柔性，在目標(biāo)上實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的最大的有效開(kāi)動(dòng)率為檢視點(diǎn)。
圖5： 數(shù)字工廠的三大目標(biāo)
設(shè)備自動(dòng)化在于保證設(shè)備有效開(kāi)動(dòng)時(shí)間，使設(shè)備利用率達(dá)到最大，制造精度和柔性最大化，這一目標(biāo)適合多品種小批量，自動(dòng)化的核心在柔性;管理信息化將設(shè)計(jì)研發(fā)、生產(chǎn)運(yùn)維、經(jīng)營(yíng)決策等進(jìn)行分項(xiàng)管理的信息、集成互動(dòng)，以完成企業(yè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的有效流動(dòng)，為各類決策和日常工作提供數(shù)據(jù)載體支持，這一目標(biāo)核心在“便捷”;人員高效化則基于信息化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，使決策有了依據(jù)，目標(biāo)精準(zhǔn)，針對(duì)性地處理結(jié)構(gòu)性問(wèn)題，避免常規(guī)工作消耗，以此達(dá)到“高效”;人員高效的目的是降低對(duì)機(jī)床有效開(kāi)動(dòng)率的影響，從而最終支持了設(shè)備的有效開(kāi)動(dòng)率。
而這三化相互交叉，必須各自都要形成一定顆粒度的模塊化。借助大量的制造資源模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化單元的出現(xiàn)，組合成智造單元，才能形成有效的數(shù)字工廠，實(shí)現(xiàn)智能制造。
圖6：智造單元的不同角度
局部驅(qū)動(dòng)，推進(jìn)系統(tǒng)方向
智能制造固然是一個(gè)整體系統(tǒng)，但卻要從局部搭建、局部推動(dòng)。這就要從智能制造的最小單元：智造單元開(kāi)始建設(shè)。智造單元的模塊構(gòu)成包括：現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化、信息化和智能化。
圖7：智造單元的模塊構(gòu)成圖
從體系機(jī)構(gòu)上看，包括模塊化、單元化、集成化和一體化四部分。模塊化和單元化可以令產(chǎn)品快速得到推廣，集成化服務(wù)于一條產(chǎn)線，一體化解決了一個(gè)系統(tǒng)范疇的智造生態(tài)環(huán)境。
再?gòu)能浖w系看，它以MES為核心，可以獨(dú)立運(yùn)行，而智造單元的系統(tǒng)則可自由兼容工廠原有的軟件。向下跟MDC/DNC連接，或者通過(guò)物聯(lián)直接與設(shè)備相連;向上連接至PLM、CAPP、ERP;橫向與倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)WMS對(duì)接;而在生產(chǎn)任務(wù)執(zhí)行上，則可以連接高級(jí)優(yōu)化排產(chǎn)系統(tǒng)APS，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)優(yōu)化排產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)。
圖8：MES為核心的信息化體系
智造單元與數(shù)字工廠的落成，絕不是智能體系的完成，而只是一個(gè)開(kāi)始。因?yàn)樵诖髅鳝h(huán)PDCA中，需要有一種持續(xù)改善的推動(dòng)力——而人是最為重要的環(huán)節(jié)。物理實(shí)體和數(shù)字虛體的CPS場(chǎng)景建設(shè)，是系統(tǒng)集成商可以完成的;但人的經(jīng)驗(yàn)和判斷，必須有客戶依據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)維數(shù)據(jù)在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)線上的參與才可以執(zhí)行。所以說(shuō)，一個(gè)智能制造的現(xiàn)場(chǎng)循環(huán)往復(fù)升級(jí)一定是三者相加才可以運(yùn)行，單純?nèi)魏我环浇ㄔ煲粋€(gè)數(shù)字工廠都不是客觀的表達(dá)。
PDCA中最為核心的就是推動(dòng)改善的動(dòng)力源和方向，只有把人的因素考慮進(jìn)來(lái)，那么這個(gè)戴明環(huán)才有了運(yùn)轉(zhuǎn)方向。這種基于人的優(yōu)化，將人放在閉環(huán)之中，不斷循環(huán)，有表達(dá)方式、可控制手段和可操控的方向，才能逐漸形成智能部分，這就是智能制造的核心。
而智造單元的一個(gè)最為重要的地方，就是將“人機(jī)網(wǎng)”一體化，“人機(jī)物”與“信息流、物流”緊密地融合在一起。與傳統(tǒng)的“智能制造”過(guò)于強(qiáng)調(diào)“智能”的自決策性不同，智造單元一開(kāi)始就將人納入閉環(huán)之中，使得成為人機(jī)協(xié)作的典范。
圖9：人機(jī)網(wǎng)一體化
這就非常有實(shí)效的適應(yīng)了實(shí)施智能制造初期的基礎(chǔ)環(huán)境。有了人的要素介入，解決持續(xù)運(yùn)營(yíng)優(yōu)化的方向，推動(dòng)智造單元的建設(shè)。
設(shè)備四世同堂，保護(hù)投資
智能單元，最為重要的特點(diǎn)，就是可以完成自由的組合，實(shí)現(xiàn)分扇區(qū)、分階段、分設(shè)備，對(duì)同一個(gè)工廠的不同設(shè)備、甚至同一條線的不同模塊，進(jìn)行“設(shè)備解列”與“設(shè)備入列”的離線、在線切換模式。這是采用智造單元“三軸”視角，很容易解決的問(wèn)題。
在實(shí)際工廠改造升級(jí)以及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，企業(yè)中最為困惑的問(wèn)題是，智能制造從哪里破局?全新的工廠，如何建設(shè);而對(duì)于既有的產(chǎn)線，從哪里改造;不同的設(shè)備如何處理。許多企業(yè)的設(shè)備，各種型號(hào)各個(gè)年代都有，說(shuō)是“四世同堂”一點(diǎn)都不夸張。而智造單元適應(yīng)了四代同堂的現(xiàn)實(shí)需求。在國(guó)產(chǎn)裝備中，有些是可以直接進(jìn)產(chǎn)線的，有些是可以通過(guò)改造的，如何在智能制造單元中讓老設(shè)備有價(jià)值發(fā)揮作用，集成到智造單元中，需要著重考慮。
智造單元考慮到四代同堂設(shè)備的現(xiàn)狀，分析不同設(shè)備的信息采集機(jī)制，通過(guò)靈活的信息收集方式，有些設(shè)備不需要聯(lián)網(wǎng)通信，只需采集信號(hào);而有的設(shè)備，則可以采用多接口集成器，區(qū)別不同的數(shù)采方式，將各種設(shè)備集成進(jìn)來(lái)。
根據(jù)智造單元的“三軸視角”，數(shù)字工廠的問(wèn)題可以多角度切換。由于智造單元具有豐富的模塊化接口，在現(xiàn)場(chǎng)可以采用“空間換時(shí)間”的措施，實(shí)現(xiàn)多設(shè)備共線運(yùn)行。例如，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，可能存在特別大型的設(shè)備，不便于搬運(yùn)，那么就采用“空間換時(shí)間”的智能制造組線模式，通過(guò)智能物流采用AGV把各單元線無(wú)縫連起來(lái)。而對(duì)于單向鏈很長(zhǎng)的產(chǎn)品，或者多個(gè)產(chǎn)品，則可以采用多個(gè)智造單元的陣列形式，其物資存取方式，可以是一個(gè)庫(kù)，也可以是多個(gè)庫(kù)。通過(guò)獨(dú)立模塊和多模塊并存的方式，隨時(shí)組成不同的工藝路線，可以支持不同代級(jí)的設(shè)備，四世同堂同時(shí)發(fā)揮效力，最大限度保護(hù)既有投資。
工業(yè)4.0的語(yǔ)境中，大規(guī)模定制被反復(fù)提及，這甚至被有些人認(rèn)為是智能制造最為重要的目標(biāo)。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，生產(chǎn)線只有“柔性十足”才能實(shí)現(xiàn)。以往的剛性生產(chǎn)，是指大批大量生產(chǎn)單一或少量產(chǎn)品，這種生產(chǎn)模式特別適合自動(dòng)化，尤其是那些工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)件。而柔性生產(chǎn)則要復(fù)雜的多，其訂單往往是多品種小批量，最小批量甚至為一。要想達(dá)到“單件自動(dòng)化”這樣的極致生產(chǎn)，非智能單元莫屬。
智能制造的落地生根
“軟硬一體，三軸三化”的智造單元，可以實(shí)現(xiàn)多品種小批量的解決方案，提升企業(yè)在制造環(huán)節(jié)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。更重要的是，它以人為主、自動(dòng)化與信息化相結(jié)合的機(jī)制，有效兼容企業(yè)現(xiàn)有的軟件體系和設(shè)備投資保護(hù)，在延續(xù)客戶既有投資價(jià)值的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)智能制造的順利升級(jí)。
（本文轉(zhuǎn)自公眾號(hào) 知識(shí)自動(dòng)化）
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