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关于智能工厂的思考

  • 2021-03-23 16:36
  • 小松
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01

绪论
 
      在全球化的背景下,企业面临着空前的竞争压力,越来越多样化的客户需求,越来越短的产品生命周期,越来越分散的生产单位。与此同时,客户比以往任何时候都更有力地决定着市场。为了保持竞争力,企业必须满足客户对质量越来越严格的要求。而且,要在较短的交付提前期内以更低的成本生产更具创新性的产品。因此,无论在美国、还是在欧洲、或是日本,构建智能工厂(Smart Plant/Intelligent Plant正在被全球制造业领域不约而同地选为下一个中长期的愿景目标;而工厂智能化作为当前国内制造业转型升级的重要目标,也得到了业界、学界和政府层面的广泛认同。





02

建设智能工厂的战略高度

(一)德国工业4.0


      德国“工业4.0”研究项目由德国联邦教研部与联邦经济技术部联手资助,在德国工程院、弗劳恩霍夫协会、西门子公司等德国学术界和产业界的建议和推动下形成,并已上升为国家级战略,德国联邦政府投入达2亿欧元。

      工业4.0背景包括:满足
用户个性化需求;灵活性;决策优化;提高生产率和资源利用效率;通过新的服务创造价值;应对劳动力市场的变化;实现工作与生活的平衡;以及高工资仍然有竞争力。德国面临人口老龄化,工会力量强大、高福利、经济增长乏力等巨大压力,亟待通过信息化、自动化和智能化来减少对人工的依赖,进一步提升劳动生产率和企业的盈利能力。


工业4.0的核心是:

(1)智能生产:
主要涉及整个企业的生产物流管理、人机互动以及3D技术在工业生产过程中的应用等;


(2)智能工厂:重点研究智能化生产系统及过程,以及网络化分布式生产设施的实现。


(二)中国制造2025

      《中国制造》是经国务院总理李克强签批,由国务院于2015年5月印发的部署全面推进实施制造强国的战略文件,是中国实施制造强国战略第一个十年的行动纲领。

      《中国制造2025》提出实行五大工程,其中“智能制造工程”中提到:“依托优势企业,紧扣关键工序智能化、关键岗位机器人替代、生产过程智能优化控制、供应链优化,建设重点领域智能工厂/数字化车间。”




 
03

智能工厂的含义、特征及建设内容
 

(一)什么是智能工厂?

   “什么是智能工厂?”,在世界范围内,并没有一个明确的统一标准。我认为,智能工厂的内涵是:一家工厂的自动化程度到达一定水平之后,通过信息化与自动化系统的集成,采用智能的装备与生产系统,实现更加高效、优化、柔性的生产。智能工厂是一个很高的境界,要实现智能工厂还需要长期的努力。

      智能工厂的基础是数字化工厂,数字化工厂的核心是自动化系统与信息化系统的集成,实现所有工厂信息的自动采集,基础是所有工厂设备的联网。


      西门子位于德国安贝格市的电子工厂被誉为全球最典型的工业4.0样板,然而西门子对该工厂的描述却是数字化工厂。而且西门子强调,数字化工厂不等于无人工厂,企业没有必要追求绝对的无人化,而应该是少人化,人机协同。对于产品配置比较简单的产品,可以实现全自动化生产;而对于产品配置复杂的产品,则保留部分人工的工序。对这些工序,西门子广泛采用了防呆设计。例如,在安装电气元件时,只有对于当前工序需要安装的零件的盒子,才会显示绿灯。每个产品在生产过程中,将RFID芯片放置在托盘上,存储产品的制造和装配工艺。装配线通过识别工艺路线,自主决策进入相应的生产设备进行生产。这实际上已经实现了智能化生产线的应用。

 
 

图一  西门子安贝格电子工厂

 
      智能工厂是在数字化工厂的基础上,增加了智能装备的应用,实现对生产信息的实时智能分析。

      (二)智能工厂的特征

      
智能工厂有以下特征:

     
(1)可以对生产线或整个工厂的运行进行模拟仿真。

      (2)实现制造信息全过程跟踪以及产品质量的追溯。

      (3)
生产线具有柔性化,充分结合机器视觉等技术,采集RFID芯片存储的工艺路线,并能够定根据零件的工艺路线自主决策进入自动化装备进行生产与装配。

     (4)
通过增强型虚拟现实技术(AR)的应用,提高生产制造过程的智能化。例如,操作工人可以佩戴Google眼镜,来指示要拧紧的螺钉孔位置,快速定位。

     (5)在实时采集生产现场信息的基础上,对制造过程的数据进行实时展现和分析,为各级生产管理者提供制造智能分析和决策支持。

      (6)在物联网应用方面,装备制造企业可以通过远程故障诊断提高产品的运行效能,及时帮助客户进行预防性维修维护,更换备品备件,从而提升服务收入。对于物联网系统反馈的产品出现的异常问题,可以反馈到产品研发与制造环节,及时进行改进。

      (7)不再是孤立地使用机器人,而是实现机器人集群的应用,并实现人机互动。

     
(8)生产过程全程无纸化。设备绩效(OEE)达到最大化(80%以上

      (9)实现产品生命周期管理(PLM)、企业资源计划(ERP)系统和制造执行管理系统(MES
之间的无缝集成。

      (10)能够实现准时按序送货(JIS),支持混流生产。

      (11)
具有工艺数据库和知识库,能逐步积累专家经验和知识,实现工艺参数和作业任务的优化。

     
(12)能够实现产品设计手段与设计过程的数字化、智能化。


      (三)智能工厂建设的主要内容及目的

      智能工厂包括智能加工中心与生产线的应用,智能化仓库、运输与物流,智能化生产执行过程管控和建立智能化生产控制中心。
现代企业逐渐走向多工厂运营,因此全球优秀的企业采用统一的MES系统,来管理多工厂的运营。

      智能工厂涉及到柔性自动化生产线、工业机器人、DNC(分布式数控)、智能刀具管理、自动化立体仓库、AGV(无人引导小车),实现实时的生产和质量数据采集,应用MES系统、仓储管理系统。在生产排产方面,应用APS(先进生产排程)来提高制造资源的利用率;充分利用RFID和二维条码,或通过与制造装备的数据接口,实现实时数据采集;利用SPC(统计过程控制)实现对质量数据的分析。
      
 

图二  智能工厂的框图


      在智能工厂可以实现对车间生产计划到执行的闭环,完全打破生产的黑箱,实现制造过程的全程可追溯。


图三  智能化车间


 
     全球最大的管理软件公司SAP推出了制造集成与智能解决方案(SAP Manufacturing Integration and Intelligence,SAP MII通过连接ERP与车间层系统,并实时准确地展现生产运营状况,帮助制造商实现卓越制造。它可以将车间系统与公司运营直接连接起来。所有对制造有影响的数据几乎都可以进行实时查看,包括关于订单、物料、设备状态、成本、产品质量等信息,从而帮助企业及时应对市场的变化。
 

图四  SAP制造集成与智能经济方案





04

结语

 
      开展智能制造,建设智能工厂无疑是制造业企业转型升级的重要手段,我认为中国企业应当采取务实的态度和循序渐进的策略,不可能一蹴而就,要充分根据企业的效益和行业的市场状况,制定相应的策略,合理规划蓝图。机器换人是个大趋势,智能装备的应用是个必由之路,但每个企业应当根据自身的产品特点和生产模式制定符合自身特色的路线图,才能在智能工厂的推进过程中,真正获得实际效益。