“智造单元”让智能制造落地生根

发布时间：2017-10-31 作者：李奇来源：知识自动化

关键字：智造单元智能制造

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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CAD\CAE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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