[科普中國]-智造單元

簡介

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，是設計與實施智造工廠的有效組線模式。作為一個最小的數字化工廠，提供了一個完整的多品種小批量的解決方案。甚至可以在不影響產線運轉的情況下，實現多種設備的在線入列和出列的切換。1

智造單元的工作機制智造單元可以由“一個現場，三個軸向”來說明，包括：資源軸向、內向管理軸向和工作執(zhí)行軸向。

資源軸上，主要是對人員、流程、產品、設備的管理。資源可以是任何活動的對象，也可以是執(zhí)行這些活動的前瞻主題。特別值得注意的是，員工是寶貴的資產。工廠工人在物理世界生產產品，不管職務是不是管理者，都會做決定并給其他人下達指示。

而管理軸則是質量、成本、交期、安全，是生產過程中核心輸出的要素管控與運維；而在執(zhí)行軸PDCA，則是標準的戴明環(huán)，也就是計劃（Plan）、執(zhí)行（Do）、檢查（Check）、糾正（Action）。

這三個視圖，綜合地表達了智能制造的價值創(chuàng)造，其實是人類和各種設備活動的過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)價值鏈促進會IVI的理念完全一致。日本IVI在 2016年12月提出了“工業(yè)價值鏈參考架構”，旨在推動“智能工廠”的實現。1

這正好把智造單元的三個軸向定義詮釋得很清楚，任何一個點均可以說明一個事件。只不過IVRA強調環(huán)境的管理，而智造單元關注了安全的方向。

在明確了工廠現場的三大主軸之后，智能制造的建設路徑就浮出水面。通過智造單元的組合，整個智能工廠的建設，就可以通過模塊化、分區(qū)化的方式，進行自由的升級組合，從而大大提高智能工廠的建設效率。

智造單元的構成智造單元的模塊構成包括：現場自動化、信息化和智能化。

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品快速得到推廣，集成化服務于一條產線，一體化解決了一個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原有的軟件。向下跟MDC/DNC連接，或者通過物聯直接與設備相連；向上連接至PLM、CAPP、ERP；橫向與倉儲管理系統WMS對接；而在生產任務執(zhí)行上，則可以連接高級優(yōu)化排產系統APS上，實現自動優(yōu)化排產，實現高效生產。1

智造單元與數字工廠的落成，絕不是智能體系的完成，而只是一個開始。因為在戴明環(huán)PDCA中，需要有一種持續(xù)改善的推動力——而人是最為重要的環(huán)節(jié)。物理實體和數字虛體的CPS場景建設，是系統集成商可以完成的；但人的經驗和判斷，必須有客戶在現場生產線上的參與才可以執(zhí)行。所以說，一個智能制造的現場循環(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智能工廠都不是客觀的表達。

PDCA中最為核心的就是推動改善的動力源和方向，只有把人的因素考慮進來，那么這個戴明環(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”一體化。“人機物”與“信息流、物流”緊密地融合在一起。與傳統的“智能制造”過于強調“智能”的自決策性不同，智造單元一開始就將人納入閉環(huán)之中，使得成為人機協作的典范。這就非常有實效的適應了實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值觀是，工廠現有的投資，需要得到最大的保護與傳承。這就意味著，繼往投入的設備等各種資產在將來可以被重復使用。一方面生產自動化的柔性大幅度提高，同時，智造單元的思想，可以把車間人工作業(yè)單元作為一個能力中心，一體化進入車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入，對既有設備的投資，具有非常強的保護，同時，又在整體的智能生態(tài)下最大化的實現現場設備的效率和效能。這種四代同堂設備的運維方式，正是通過智造單元得以實現，體現了自動化、模塊化和數字化的疊加效果。

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，實現分扇區(qū)、分階段、分設備，對同一個工廠的不同設備、甚至同一條線的不同設備，進行“設備解列”與“設備入列”的在線切換模式。

在現有的工廠中，往往存在各種不同型號、不同代級的設備，完全可以稱為“設備世家 四世同堂”?，F場有許多原來的老設備，維護得也很好；也有新設備，包括機器人、自動機械手等。如何將跨年代、跨型號的設備有效連接和升級改造，而不是簡單地一刀切地淘汰，是一個頭疼的現場問題。實際上，在這些裝備中，有些是可以直接進產線的，有些是可以通過改造后進入產線的。

那么，如何讓老設備和新設備并肩作戰(zhàn)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，通過靈活的信息收集方式，有些設備不需要聯網通信，只需采集信號；而有的設備，則可以采用多接口集成器，區(qū)別不同的數采方式，將各種設備集成進來。

由于智造單元具有豐富的模塊化接口，在現場可以采用“空間換時間”的措施，實現多設備共線運行。例如在生產現場，可能存在特別大型的設備，不便于搬運，那么就采用“空間換時間”的智能制造組線模式，通過智能物流采用AGV把各單元線無縫連起來。而對于單向鏈很長的產品，或者多個產品，則可以采用多個智造單元的陣列形式，其物資存取，可以是一個庫，也可以是多個庫。

這就意味著“以人為本、智造先行”的理念，將數字化工廠從大到小、自上而下開始拆分，從工廠到車間、到產線、到生產島、到單機設備的規(guī)劃布局；使用自下而上的方式進行實施，單機設備、單元島、智造單元、智造產線、數字化工廠，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、網絡化的特點。

軟硬一體 走向三化自動化從硬件而言，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始下沉。這使得當IT與OT相互結合的時代，正在成為工廠級最為期望的局面。

自動化和信息化融合在中國其實曾經有過一個并不算太遠、廣為人所熟知的故事。那就是二十世紀末期在中國所大規(guī)模開展的CIMS（計算機集成制造系統）。當時一方面是CAD\CAE以及信息化軟件MRP、ERP的引用，另一方面是以數控加工設備、柔性設備為代表的自動化設備。二者的結合，本來期待著一個嶄新的工業(yè)面貌。然而，當年CIMS理念過于超前。它的核心都是基于計算機的能力和對流程結合所做出的判斷。當時中國工業(yè)界——其實也包括德國工業(yè)界，都太樂觀地高估了當時的技術要求，又太低估了人的作用。后來德國人的反思中，除了技術要素尚未達到要求之外，忽視人的環(huán)節(jié)而過于強調自動化、過分依賴計算機技術，是一個巨大的失誤。

CIMS的理念，一方面將重復性勞動用自動化方式替代，并提出了柔性自動化生產線；另一方面在此基礎上加上信息化，本質就是實現了信息集成和信息監(jiān)督。

然而從既往的經驗來看，簡單地將自動化與信息化疊加，并不等同于數字化。需要同時將其他各種資源要素進行數字化，再加上物聯網技術和工業(yè)大數據的加強，才能真正實現良好的人機互動下的柔性自動化模塊，從而推動數字工廠的建設。2

數字工廠要實現三大核心目標：設備自動化、管理信息化和人員高效化，在路徑上實現了人機交互和高度柔性，在目標上實現了設備的最大的有效開動率為檢視點。

設備自動化在于保證設備有效開動時間，使設備利用率達到最大，制造精度和柔性最大化，這一目標適合多品種小批量，自動化的核心在柔性；管理信息化將設計研發(fā)、生產運維、經營決策等進行分項管理的信息、集成互動，以完成企業(yè)業(yè)務數據的有效流動，為各類決策和日常工作提供數據載體支持，這一目標核心在“便捷”；人員高效化則基于信息化系統的數據，使決策有了依據，目標精準，針對性地處理結構性問題，避免常規(guī)工作消耗，以此達到“高效”；人員高效的目的是降低對機床有效開動率的影響，從而最終支持了設備的有效開動率。

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、標準化單元的出現，組合成智造單元，才能形成有效的數字工廠，實現智能制造。