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智造单元——工业4.0时代智慧工厂的基本单元

发布日期:2018-08-27 浏览次数:2640
           工艺4.0时代,智慧工厂已经成为现代工厂信息化发展的必然方向。智慧工厂是在智慧工厂的基础上,利用物联网的技术和设备监控技术加强信息管理和服务;清楚掌握产销流程、提高生产过程的可控性、减少生产线上人工的干预、即时正确地采集生产线数据,以及合理的生产计划编排与生产进度并加上绿色智能的手段和智能系统等新兴技术于一体,从而构建出来的高效、节能、智能可控且网络化的工厂。而智慧工厂的核心基础单元,正是智造单元。
           智造单元,是设计与实施智造工厂的有效组线模式。作为一个最小的数字化单元,提供了一个完整的多品种小批量的解决方案。甚至可以在不影响产线运转的情况下,实现多种设备的在线入列和出列的切换。简单讲,它可以针对装备制造业的离散加工现场,把一组能力相近的加工设备和辅助设备进行模块化、集成化、一体化,实现智慧工厂各项能力的相互接口,具备多品种少批量(单件)产品生产能力输出的组织模块。它从资源轴、 管理轴和执行轴这三个角度,来实现基本工作单元的模块化、自动化、信息化,从而实现工厂的数字化、高效率运转。

           智造单元的工作原理如图1所示:
   
             智造单元可以由如上示意图的“一个现场,三个轴向”来说明,包括:资源轴向、内向管理轴向和工作执行轴向。
           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)。

           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,整个智能工厂的建设,就可以通过模块化、分区化的方式,进行自由的升级组合,从而大大提高智能工厂的建设效率。

           智造单元的构成

           智造单元的模块构成包括:现场自动化、信息化和智能化,如图2所示。
 
             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上,实现自动优化排产,实现高效生产。

           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智能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,才能逐渐形成智能部分,这就是智能制造的核心。

           智造单元最为重要的地方,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。这就非常有实效的适应了实施智能制造初期的基础环境。

           智造单元的基本价值观是,工厂现有的投资,需要得到最大的保护与传承。这就意味着,继往投入的设备等各种资产在将来可以被重复使用。一方面生产自动化的柔性大幅度提高,同时,智造单元的思想,可以把车间人工作业单元作为一个能力中心,一体化进入车间或公司的智能生态系统。由于重用性的提高,人工单元能力中心的一体化进入,对既有设备的投资,具有非常强的保护,同时,又在整体的智能生态下最大化的实现现场设备的效率和效能。这种四代同堂设备的运维方式,正是通过智造单元得以实现,体现了自动化、模块化和数字化的叠加效果。

           有了以上的硬件、软件和模块化组合,那么智能单元,就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设备,进行“设备解列”与“设备入列”的在线切换模式。

           在现有的工厂中,往往存在各种不同型号、不同代级的设备,完全可以称为“设备世家 四世同堂”。现场有许多原来的老设备,维护得也很好;也有新设备,包括机器人、自动机械手等。如何将跨年代、跨型号的设备有效连接和升级改造,而不是简单地一刀切地淘汰,是一个头疼的现场问题。实际上,在这些装备中,有些是可以直接进产线的,有些是可以通过改造后进入产线的。

           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,区别不同的数据采集方式,将各种设备集成进来。

           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”的智能制造组合模式,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,可以是一个库,也可以是多个库。

           这就意味着“以人为本、智造先行”的理念,将智慧工厂从大到小、自上而下开始拆分,从工厂到车间、到产线、到生产岛、到单机设备的规划布局;使用自下而上的方式进行实施,单机设备、单元岛、智造单元、智造产线、智慧工厂,逐渐嵌套式、单元化处理,体现了智能制造的柔性,充分发挥数字化、网络化的特点。

           要实现智能制造,要兼顾投资和未来发展的需要,更为重要的是,一定要兼容企业现有的软件体系,传递和延续客户沉淀的管理智慧以及原软件体系的价值。这种情况下,往往需要同线齐进(产线不断实现设备解列升级)、多阶段混合(半自动化、半数字化相混合)、设备四世同堂(各种不同年代的设备同时推进),则意味智能制造的落地,必然是由各种智造单元所组成。而智造单元,正是通向智能制造的必经之路。
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