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智造單元 智能制造的抓手 | 工業(yè)新概念

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瀏覽:- 發(fā)布日期:2017-09-26 10:14:53【

智能制造正在成為不可逆轉的制造趨勢,而智造單元,正是智能制造落地最有效的抓手。智造單元,是設計與實(shí)施智造工廠(chǎng)的有效組線(xiàn)模式。作為一個(gè)最小的數字化工廠(chǎng),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(xiàn)運轉的情況下,實(shí)現多種設備的在線(xiàn)入列和出列的切換。


智造單元 | 工業(yè)新概念定義

智造單元,是實(shí)現數字化工廠(chǎng)的基本工作單元。針對裝備制造業(yè)的離散加工現場(chǎng),把一組能力相近的加工設備和輔助設備進(jìn)行模塊化、集成化、一體化,實(shí)現數字化工廠(chǎng)各項能力的相互接口,具備多品種少批量(單件)產(chǎn)品生產(chǎn)能力輸出的組織模塊。它從資源軸、 管理軸和執行軸這三個(gè)角度,來(lái)實(shí)現基本工作單元的模塊化、自動(dòng)化、信息化,從而實(shí)現工廠(chǎng)的數字化、高效率運轉。


智造單元的工作機制

智造單元可以由“一個(gè)現場(chǎng),三個(gè)軸向”來(lái)說(shuō)明,包括:資源軸向、內向管理軸向和工作執行軸向,見(jiàn)圖1。

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圖1:智造單元的三維視圖


資源軸上,主要是對人員、流程、產(chǎn)品、設備的管理。資源可以是任何活動(dòng)的對象,也可以是執行這些活動(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(chǎng)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維;而在執行軸PDCA,則是標準的戴明環(huán),也就是計劃(Plan)、執行(Do)、檢查(Check)、糾正(Action)。


這三個(gè)視圖,綜合地表達了智能制造的價(jià)值創(chuàng )造,其實(shí)是人類(lèi)和各種設備活動(dòng)的過(guò)程與結果的綜合表達。


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”,旨在推動(dòng)“智能工廠(chǎng)”的實(shí)現,見(jiàn)圖2。

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圖2:IVRA工業(yè)價(jià)值鏈的三維圖


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強調環(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(chǎng)現場(chǎng)的三大主軸之后,智能制造的建設路徑就浮出水面。通過(guò)智造單元的組合,整個(gè)智能工廠(chǎng)的建設,就可以通過(guò)模塊化、分區化的方式,進(jìn)行自由的升級組合,從而大大提高智能工廠(chǎng)的建設效率。


智造單元的構成

智造單元的模塊構成包括:現場(chǎng)自動(dòng)化、信息化和智能化,如圖3所示。

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圖3:智造單元的模塊構成圖


從體系機構上看,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(xiàn),一體化解決了一個(gè)系統范疇的智造生態(tài)環(huán)境。


再從軟件體系看,它以MES為核心,可以獨立運行,而智造單元的系統則可自由兼容工廠(chǎng)原有的軟件。向下跟MDC/DNC連接,或者通過(guò)物聯(lián)直接與設備相連;向上連接至PLM、CAPP、ERP;橫向與倉儲管理系統WMS對接;而在生產(chǎn)任務(wù)執行上,則可以連接高級優(yōu)化排產(chǎn)系統APS上,實(shí)現自動(dòng)優(yōu)化排產(chǎn),實(shí)現高效生產(chǎn)。


智造單元與數字工廠(chǎng)的落成,絕不是智能體系的完成,而只是一個(gè)開(kāi)始。因為在戴明環(huán)PDCA中,需要有一種持續改善的推動(dòng)力——而人是最為重要的環(huán)節。物理實(shí)體和數字虛體的CPS場(chǎng)景建設,是系統集成商可以完成的;但人的經(jīng)驗和判斷,必須有客戶(hù)在現場(chǎng)生產(chǎn)線(xiàn)上的參與才可以執行。所以說(shuō),一個(gè)智能制造的現場(chǎng)循環(huán)往復升級一定是三者相加才可以運行,單純任何一方建造一個(gè)智能工廠(chǎng)都不是客觀(guān)的表達。


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)才有了運轉方向。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“人機網(wǎng)”一體化?!叭藱C物”與“信息流、物流”緊密地融合在一起。與傳統的“智能制造”過(guò)于強調“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,使得成為人機協(xié)作的典范。這就非常有實(shí)效的適應了實(shí)施智能制造初期的基礎環(huán)境。


設備世家 四世同堂

智造單元的基本價(jià)值觀(guān)是,工廠(chǎng)現有的投資,需要得到最大的保護與傳承。這就意味著(zhù),繼往投入的設備等各種資產(chǎn)在將來(lái)可以被重復使用。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(chē)間人工作業(yè)單元作為一個(gè)能力中心,一體化進(jìn)入車(chē)間或公司的智能生態(tài)系統。由于重用性的提高,人工單元能力中心的一體化進(jìn)入,對既有設備的投資,具有非常強的保護,同時(shí),又在整體的智能生態(tài)下最大化的實(shí)現現場(chǎng)設備的效率和效能。這種四代同堂設備的運維方式,正是通過(guò)智造單元得以實(shí)現,體現了自動(dòng)化、模塊化和數字化的疊加效果。

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圖4:智造單元的分層實(shí)施


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)現分扇區、分階段、分設備,對同一個(gè)工廠(chǎng)的不同設備、甚至同一條線(xiàn)的不同設備,進(jìn)行“設備解列”與“設備入列”的在線(xiàn)切換模式。


在現有的工廠(chǎng)中,往往存在各種不同型號、不同代級的設備,完全可以稱(chēng)為“設備世家 四世同堂”?,F場(chǎng)有許多原來(lái)的老設備,維護得也很好;也有新設備,包括機器人、自動(dòng)機械手等。如何將跨年代、跨型號的設備有效連接和升級改造,而不是簡(jiǎn)單地一刀切地淘汰,是一個(gè)頭疼的現場(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(xiàn)的,有些是可以通過(guò)改造后進(jìn)入產(chǎn)線(xiàn)的。


那么,如何讓老設備和新設備并肩作戰發(fā)揮作用?


智造單元考慮到四代同堂設備的現狀,分析不同設備的信息采集機制,通過(guò)靈活的信息收集方式,有些設備不需要聯(lián)網(wǎng)通信,只需采集信號;而有的設備,則可以采用多接口集成器,區別不同的數采方式,將各種設備集成進(jìn)來(lái)。


由于智造單元具有豐富的模塊化接口,在現場(chǎng)可以采用“空間換時(shí)間”的措施,實(shí)現多設備共線(xiàn)運行。例如在生產(chǎn)現場(chǎng),可能存在特別大型的設備,不便于搬運,那么就采用“空間換時(shí)間”的智能制造組線(xiàn)模式,通過(guò)智能物流采用AGV把各單元線(xiàn)無(wú)縫連起來(lái)。而對于單向鏈很長(cháng)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,也可以是多個(gè)庫。


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


小結

要實(shí)現智能制造,要兼顧投資和未來(lái)發(fā)展的需要,更為重要的是,一定要兼容企業(yè)現有的軟件體系,傳遞和延續客戶(hù)沉淀的管理智慧以及原軟件體系的價(jià)值。這種情況下,往往需要同線(xiàn)齊進(jìn)(產(chǎn)線(xiàn)不斷,實(shí)現設備解列升級)、多階段混合(半自動(dòng)化、半數字化相混合)、設備四世同堂(各種不同年代的設備同時(shí)推進(jìn)),則意味智能制造的落地,必然是由各種智造單元所組成。而智造單元,正是通向智能制造的必經(jīng)之路。





作者簡(jiǎn)介

李奇:北京奇步自動(dòng)化控制設備公司董事長(cháng),智造單元總架構師。




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