智造單元 智能制造的抓手 | 工業(yè)新概念

智造單元，是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化工廠的基本工作單元。針對(duì)裝備制造業(yè)的離散加工現(xiàn)場(chǎng)，把一組能力相近的加工設(shè)備和輔助設(shè)備進(jìn)行模塊化、集成化、一體化，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化工廠各項(xiàng)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(zhí)行軸這三個(gè)角度，來(lái)實(shí)現(xiàn)基本工作單元的模塊化、自動(dòng)化、信息化，從而實(shí)現(xiàn)工廠的數(shù)字化、高效率運(yùn)轉(zhuǎn)。

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，見圖1。

圖1：智造單元的三維視圖

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)，見圖2。

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(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。

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

圖3：智造單元的模塊構(gòu)成圖

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)。

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。

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。

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(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”?，F(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。

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)。

要實(shí)現(xiàn)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(xiàn)有的軟件體系，傳遞和延續(xù)客戶沉淀的管理智慧以及原軟件體系的價(jià)值。這種情況下，往往需要同線齊進(jìn)（產(chǎn)線不斷，實(shí)現(xiàn)設(shè)備解列升級(jí)）、多階段混合（半自動(dòng)化、半數(shù)字化相混合）、設(shè)備四世同堂（各種不同年代的設(shè)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。

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