[科普中國(guó)]-智造單元

簡(jiǎn)介

智能制造正在成為不可逆轉(zhuǎn)的制造趨勢(shì)，而智造單元，正是智能制造落地最有效的抓手。智造單元，是設(shè)計(jì)與實(shí)施智造工廠的有效組線模式。作為一個(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。甚至可以在不影響產(chǎn)線運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，實(shí)現(xiàn)多種設(shè)備的在線入列和出列的切換。1

智造單元的工作機(jī)制智造單元可以由“一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)，三個(gè)軸向”來(lái)說(shuō)明，包括：資源軸向、內(nèi)向管理軸向和工作執(zhí)行軸向。

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)“智能工廠”的實(shí)現(xiàn)。1

這正好把智造單元的三個(gè)軸向定義詮釋得很清楚，任何一個(gè)點(diǎn)均可以說(shuō)明一個(gè)事件。只不過(guò)IVRA強(qiáng)調(diào)環(huán)境的管理，而智造單元關(guān)注了安全的方向。

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)智能工廠的建設(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，從而大大提高智能工廠的建設(shè)效率。

智造單元的構(gòu)成智造單元的模塊構(gòu)成包括：現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化、信息化和智能化。

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上，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)優(yōu)化排產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)。1

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)智能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)，才能逐漸形成智能部分，這就是智能制造的核心。

智造單元最為重要的地方，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。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。

設(shè)備世家 四世同堂智造單元的基本價(jià)值觀是，工廠現(xiàn)有的投資，需要得到最大的保護(hù)與傳承。這就意味著，繼往投入的設(shè)備等各種資產(chǎn)在將來(lái)可以被重復(fù)使用。一方面生產(chǎn)自動(dòng)化的柔性大幅度提高，同時(shí)，智造單元的思想，可以把車間人工作業(yè)單元作為一個(gè)能力中心，一體化進(jìn)入車間或公司的智能生態(tài)系統(tǒng)。由于重用性的提高，人工單元能力中心的一體化進(jìn)入，對(duì)既有設(shè)備的投資，具有非常強(qiáng)的保護(hù)，同時(shí)，又在整體的智能生態(tài)下最大化的實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的效率和效能。這種四代同堂設(shè)備的運(yùn)維方式，正是通過(guò)智造單元得以實(shí)現(xiàn)，體現(xiàn)了自動(dòng)化、模塊化和數(shù)字化的疊加效果。

有了以上的硬件、軟件和模塊化組合，那么智能單元，就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設(shè)備，進(jìn)行“設(shè)備解列”與“設(shè)備入列”的在線切換模式。

在現(xiàn)有的工廠中，往往存在各種不同型號(hào)、不同代級(jí)的設(shè)備，完全可以稱為“設(shè)備世家 四世同堂”。現(xiàn)場(chǎng)有許多原來(lái)的老設(shè)備，維護(hù)得也很好；也有新設(shè)備，包括機(jī)器人、自動(dòng)機(jī)械手等。如何將跨年代、跨型號(hào)的設(shè)備有效連接和升級(jí)改造，而不是簡(jiǎn)單地一刀切地淘汰，是一個(gè)頭疼的現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題。實(shí)際上，在這些裝備中，有些是可以直接進(jìn)產(chǎn)線的，有些是可以通過(guò)改造后進(jìn)入產(chǎn)線的。

那么，如何讓老設(shè)備和新設(shè)備并肩作戰(zhàn)發(fā)揮作用？

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)。

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，可以是一個(gè)庫(kù)，也可以是多個(gè)庫(kù)。

這就意味著“以人為本、智造先行”的理念，將數(shù)字化工廠從大到小、自上而下開(kāi)始拆分，從工廠到車間、到產(chǎn)線、到生產(chǎn)島、到單機(jī)設(shè)備的規(guī)劃布局；使用自下而上的方式進(jìn)行實(shí)施，單機(jī)設(shè)備、單元島、智造單元、智造產(chǎn)線、數(shù)字化工廠，逐漸嵌套式、單元化處理，體現(xiàn)了智能制造的柔性，充分發(fā)揮數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的特點(diǎn)。

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)。2

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)。

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。