数字化车间,智能制造主战场

作者:朱铎先 赵敏 发布时间:[2018-10-22]

经济学家威廉•拉佐尼克在《车间的竞争优势》一书中强调指出:“在价值创造过程中,其核心是通过车间生产将原料转化为产品——这可以称为生产性转化。”

在制造型企业,车间处于非常重要的位置。企业价值最终表现在产品与服务上,而车间是企业中将各种图纸转变为产品的主要场所,是决定生产效率与产品质量的重要环节,车间往往也是企业中员工数量最多的组织。因此,在很大程度上,车间强则企业强,车间智则企业智。《中国制造2025》中也明确指出:“推进制造过程智能化,在重点领域试点建设智能工厂/数字化车间。”数字化车间建设是智能制造的重要一环,是制造企业实施智能制造的主战场,是制造企业走向智能制造的起点。

1 数字化车间的建设主线

目前,国内外对数字化车间还没有标准的定义,笔者基于自己的理解,对数字化车间进行如下描述:数字化车间是基于生产设备、生产设施等硬件设施,以降本提质增效、快速响应市场为目的,在对工艺设计、生产组织、过程控制等环节优化管理的基础上,通过数字化、网络化、智能化等手段,在计算机虚拟环境中,对人、机、料、法、环、测等生产资源与生产过程进行设计、管理、仿真、优化与可视化等工作,以信息数字化及数据流动为主要特征,对生产资源、生产设备、生产设施以及生产过程进行精细、精准、敏捷、高效地管理与控制。数字化车间是智能车间的第一步,也是智能制造的重要基础。

需要指出的是,此处的“数字化车间”,是企业已经熟悉和常用的基本术语,其中“数字化”的内涵包括但是并不限于数字化本身,而是将数字化、网络化要素集成为一体并在内涵上有所扩大的“数字化”概念,其基本含义与德国工业4.0中的“Smart(智巧)”相对应,与中国工程院提出“数字化网络化”的智能制造第二范式相对应。本文以下凡是提及“数字化车间”之处,皆采用该术语内涵。

图1是数字化车间典型的架构图。

图1 数字化车间架构图

很多人认为,大量采购和引入数字化设备是建设好数字化车间的前提。这是一个很大的误解:数字化设备与数字化车间之间既非必要条件,也非充分条件。即便车间中全是数字化设备,如果没有实现设备的互联互通,没有实现生产过程的数字化管理,数据没有实现真正的有序流动,也不能称之为数字化车间。相反,即便车间里的设备不全是数字化设备,但经过“三哑改造”,设备被接入信息化系统,生产过程实现数字化、网络化与智能化(如智能排产、决策支持分析等),对生产计划、生产资源、生产进度与产品质量等数据在信息化系统中进行有效管理,并可以根据生产需要进行有序流动,也可算是数字化车间。比如,在服装加工等劳动密集型企业都可以通过数字化、网络化改造实现车间的数字化管理。

对于数字化车间建设,我们可以参考德国工业4.0中对“智能工厂”的定义: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。前半句“智能化生产系统及过程”,指除了包括智能化的机床、机器人等生产设施以外,还包括对生产过程的智巧化管控,站在信息化的角度,就是智巧化的MES制造执行系统。而后半句:“以及网络分布式生产设施的实现”,是指将生产所用的生产设备与设施(如机床、热处理设备、机器人、AGV、测量测试设备等各种数字化设备),进行互联互通、智巧化的管理,实现信息化系统与物理系统的深度融合。目前很多企业实施的设备物联网(包括传统的DNC/MDC功能)是其重要的表现形式。

从中可以看到,数字化车间建设有三条主线,一条是以机床、热处理设备、机器人、测量测试设备等组成的自动化设备与相关设施,实现生产过程的精确化执行,这是数字化车间的物理基础。第二条线是以MES为中心的智巧化管控系统,实现对计划调度、生产物流、工艺执行、过程质量、设备管理等生产过程各环节及要素的精细化管控,这是典型的赛博系统。第三条主线是在互联互通的设备物联网基础上,并以之作为桥梁,联接起赛博空间的MES等信息化系统与机床等物理空间的自动化设备,构建车间级的CPS系统,实现了赛博与物理两个世界的相互作用、深度融合。

三条主线交汇,实现数据在自动化设备、信息化系统之间按照人的意愿进行有序流动,将整个车间打造成软硬一体的系统级CPS,最终实现高效、高质、绿色、低成本的生产模式,提升企业竞争力。

2,精益思想要贯穿始终

如果说设备、MES、CPS等三条主线是“实线”的话,精益生产则是数字化车间建设的一条“虚线”,要贯穿数字化建设的始终。

1) 精益生产,智能制造的重要指导思想

精益生产是管理学史上重要的实践成果之一,深刻地影响着汽车工业,乃至全球制造业。精益生产基本思想和追求的管理目标,并没有随着智能制造的发展而落伍,恰恰相反,精益思想是企业进行智能制造体系构建的重要指导思想之一。

在此,笔者总结出五条可以指导智能制造建设的精益思想原则。

① 关注客户价值

精益生产强调,流程中所有环节的输入与输出都应当用客户价值这个标尺去衡量。在前端要打通客户真实需求之间的接口,在企业内部,以客户需求来定义自己的产品与服务。如果系统不能满足客户对高质、高效、低成本、高满意度的要求,即便是设备或技术非常先进,也不能算是一个成功的智能制造项目。

② 识别并消除浪费

企业在实施智能制造系统之前,应当对流程中各种浪费进行梳理与改善。精益生产中将制造过多过早、库存、搬运、等待、不必要的作业、不必要的动作以及不良品流窜这七种形式,归纳为七大浪费,这七大浪费是企业生产效率不高、盈利能力不足的根源,需要不断进行完善与消除。如果这些问题没解决,就直接实施智能制造,很可能是用系统的方式把浪费固化下来,既丧失了改善的机会,又增加了不必要的投入。

比如,没有对库存过多的浪费进行改善,就投入大量财力物力去建设智能化的立体仓库;没有对动作浪费进行改善,就引进机器人或机械臂去从事这些本属于浪费的动作,这些都造成了很大的浪费。

③ 价值的快速流动

精益生产强调价值流的快速流动,包括物理布局工艺流程化,信息传递自动化,以及人、产线设备、仓储物流之间高效协同化。如果在物理布局上有大量断点存在,就会给智能制造的排产与调度带来了更大复杂度。

在系统整体运转的过程中,尽可能多地消除停滞和等待,需要将人、产线设备、仓储物流之间的相互协作机制、信息传递机制、防错与纠错机制,在统一的系统框架内进行设计与建设。

④ 高度柔性与适应性

精益生产的柔性是指通过快速切换(SMED)的实施与改善,实现产线在生产不同型号、不同配置,甚至是不同种类产品时,可以根据需要进行快速切换。

在小品种多批量、客户需求千变万化的今天,智能制造建设也必须要考虑产线柔性与适应性等问题,否则就可能造成大量投资的浪费。

⑤ 尽善尽美原则

精益生产中标准作业、自工序完结、良品条件创建与维持、质量内建、安灯控制、防错与纠错机制、变化点管理、全员生产性维持(TPM)等术语之下,都有一套品质维持的理念、原则与方法,这些原则和方法同样可以指导智能制造的建设。

比如,上下工序之间,设备与零件部之间都需要建立全数良品的加工条件与标准,当条件发生偏离时,应当向相关人员发出异常提醒,甚至停止生产。如果智能制造系统缺少这样的机制,自动化程度越高,损失往往越大。

2) 智能制造,精益生产的有效使能手段

经过几十年的发展,精益生产已经成为制造业的重要指导思想。在技术快速进步的今天,智能制造又可以很好地促进精益生产的落地与进一步发展。

传统精益生产目视管理有很多很有效的手段和方法,比如5S管理、安灯、标准作业三票、可视化看板等方法。这些方法可以直观地提示发生问题的区域、工位、或是机台、材料等信息,但是要深究问题的根本原因还需要大量的观察与分析,当变异的条件发生变化时,会给分析带来很多困难。

而智能制造以数字化、网络化、智能化等新技术、新手段就可以较容易地解决这些问题。比如:识别浪费是精益改善的重要组成部分,除了传统的精益手法,通过设备物联网系统采集设备稼动率、待机原因等,能够准确地识别出设备利用等方面的浪费;通过MES系统对物料、工具等进行精益化库存管理,可以明显地减少库存的浪费;通过APS高级排产优化生产计划,可以减少人员与设备等待的浪费等等。

实现流的生产、均衡化生产是个不断改善的过程,但在离散制造车间,生产设备动辄上百台、工序上千上万项,如何保证这些工序在不同设备上生产的均衡化、流动化?如果只靠人的经验很难实现这种生产方式,很容易造成设备忙闲不均,造成工序的等待或停滞。通过APS高级排产以及生产过程协同管理等信息化手段,就可以有效解决这些问题,有助于实现产品“流”的生产及生产的均衡化。

品质改善的目的是确保输出产品品质一致。但由于生产条件各种变化,比如设备故障、热处理温度、刀具磨损等,都可能导致产品质量不稳定。通过设备状态、工艺参数、刀具磨损等的实时监控,就可以快速发现问题,保证生产过程的受控,有效地提升产品品质。

作为重要的使能手段,智能制造不仅可以有助于精益生产的落地,还可以促进精益生产的进一步发展。

看板(Kanban)是精益生产中传递信号与控制生产的工具,分传送看板和生产看板两种。传统的看板大多以卡片、纸张等形式存在,通常以手动方式进行填写。但在智能制造进程中,这些数据可以通过MES等信息化系统在电子屏等数字化终端上实时显示,具有更强的实时性与自动性。

知识内建与管理也是精益生产中的重要理念。在精益运行良好的企业,都非常重视对知识的管理与传承。以前主要是靠师傅言传身教、标准作业文件与流程制度等传统方式,存在学习时间长、可复制性差等缺点。通过数字化、网络化、智能化等智能制造新技术、新手段,可以将知识体现在流程与系统中,隐性知识显性化,对知识的沉淀、传承、挖掘、使用都具有重要的促进作用。

目前,大众所熟知的精益生产管理方法与实现手段总结于上世纪八十年代,带有明显的时代特征。但事实上,如果现在重新去研究今天的丰田汽车,就会发现其实现方式已经发生了巨大的改变,体现了自动化、数字化、网络化、智能化等很多最新技术成果。因此,精益生产的理念与手段也应该随着智能制造的发展而发展。

3) 殊途同归,精益智能共促企业良性发展

虽然精益生产与智能制造是两个领域的概念,侧重点也不尽相同,精益生产主要是强调了生产过程中的管理理念与实现方法,智能制造更侧重技术实现,但两者是相辅相成的关系。

从生产过程来看,精益生产中的很多理念,如生产布局、节拍、后工序拉动、标准作业等,是实施智能制造的基础。快速切换、减少浪费、可视化生产、均衡化生产、准时化生产、工序流动化等理念,

也是智能制造要实现的过程目标。同样,智能制造中的设备互联互通、高级排产、过程协同、资源精益化管控、质量过程管控、大数据分析、可视化、预测性维护等方法与手段,都有助于促进精益生产的落地与提升。

从实现的目标来看,智能制造与精益生产也是殊途同归,实现敏捷、高效、高质、低成本的生产与服务模式是两者的共同目标。

为体现精益思想与智能制造之间相辅相成、殊途同归的关系,笔者从智能制造的视角设计了一个智能制造背景下的精益屋,请见图2。

该精益屋以自动化设备、信息化系统为基础,以精益思想为主线,以自働化、智能化(含数字化、网络化)为新时代的支柱,基于5S、生产布局、标准作业、设备TPM等传统精益理念,在设备互联互通、高级计划排产、大数据分析等数字化、网络化、智能化手段的支撑下,实现自动化、智能化、精益化三者的深度融合,并通过智能化手段更好地促进生产过程的均衡化、柔性化、准时化以及实现消除浪费与持续改进,从而确保企业的质量、成本、交期,构建一个客户满意、员工满意、社会满意、充满活力与竞争力的智能化、精益化企业。

图2 智能制造背景下的精益屋

3. 数字化车间实施策略

数字化车间建设是一项复杂的系统工程,数字化车间建设可遵循以下实施策略。

1) 统筹规划,服务战略

智能制造不是企业的目的,企业真正目的是通过智能制造实现降本提质增效,提升企业竞争力。数字化车间建设也要为这个目的服务,从整体上服务于企业经营战略。

企业要结合自身实际情况,基于企业战略进行智能制造的设计。比如,要对企业所处行业、企业规模、产品特点、盈利能力、行业地位、发展趋势以及企业自身基础、存在问题、实施目标等,进行深入分析并综合考虑,这些不同的因素决定了企业不同的实施智能制造方法和路径。

数字化车间建设不仅仅是一系列新技术或新系统的单纯应用,既涉及生产自动化系统,又涉及数字化、网络化等信息化系统,还要考虑计划调度、生产工艺、物料配送、精益生产、安全环保等各种因素,是一项影响到车间各个层面,甚至是可以影响到企业层面的综合性工程,一定要有全局的概念与系统的思维。

北京航天航空大学刘强教授有一个著名的智能制造“三不要理论”,即“不要在落后的工艺基础上搞自动化,不要在落后的管理基础上搞信息化,不要在不具备数字化网络化基础时搞智能化。”刘强教授强调了在智能制造规划与建设时,也要注意工艺优化、管理优化等方面工作,而不能只盯着自动化、信息化、智能化。

企业在进行数字化车间建设之前,一定要领导出面并持续关注,在企业战略目标指导下进行系统规划,逐步厘清企业存在的问题、建设目标、解决思路和实施步骤,调动企业各方资源,通力合作,避免信息化部门或车间等单一部门孤军作战,通过工艺优化、组织优化、流程优化、管理优化等工作,为数字化车间建设提供坚实基础。

2)聚焦痛点,扎实推进

基于降本提质增效、快速响应市场的目的,从车间存在的实际痛点出发,打造一个能解决实际问题的数字化车间管控系统,在工艺、设备、管理以及信息化、网络化、智能化等各个方面有重点地进行优化、挖掘潜力,最大程度地提升企业生产效率及管理水平。

首先要聚焦痛点。根据痛点明确要解决的主要问题,比如,是生产效率不高,是产品质量不稳定,还是生产过程不透明等,并以问题为导向,制订相应的解决方案。

其次,还需要分步实施,扎实推进。数字化车间建设有很多阶段,其实施顺序取决于存在问题、生产特点、企业基础及资金投入等多种因素,切忌贪大贪全,可从基础、较易成功的地方着手。比如,从设备互联互通做起,因为设备通讯、数据采集这些内容都是客观因素,不太涉及人员、管理等主观因素,实施的可控性强,成功率高。项目成功后,大家对信息化建设的信心与热情就会增加,就会主动要求更多的改进与功能扩展。这时,再在前面成功实施的基础上,逐渐推进到MES等涉及人员、管理等信息化系统,由于这些系统需要部分变更人员工作习惯及车间生产管理模式,主观成分较大,甚至会触动一些人的利益,实施的难度相对较大,可放在设备互联互通等步骤之后,这也是一种较为务实的做法。当然,基础好、推进力度大的企业,也可采取同步实施的方式。

3)以人为本,管理取胜

如前所述,本次智能制造不是“机器换人”的过程,而是以自动化、数字化、网络化、智能化等新理念、新技术手段,帮助人类实现更高效、更高质、更绿色、更低成本的生产与服务。在智能制造时代,人变得更加重要,而不是相反。无论是机器人等设备,还是MES等信息化系统,都要基于帮助人、服务于人这个出发点,而不是简单地替代人、减少人。另外,无论多么先进的系统,如果不把人的积极性调动起来,系统就不能发挥最大价值,智能制造就不可能取得成功。

在数字化车间建设中,要以人为本,以更好地发挥人的价值为基本出发点。另外,还要充分意识到数字化车间建设的主体与应用对象不同。不像PLM等系统用户基本上都是年轻的技术人员,数字化车间的主要用户是人数众多、文化水平偏低,甚至年龄偏大的车间工人,要充分考虑系统的易用性、便捷性、安全性、环保性等特点,以精益生产为指导思想,以使用者为中心,在流程优化、工艺优化等基础上,以自动化、数字化、网络化、智能化为手段,,以降本提质增效为目标,以管理优化为突破口,通过数字化车间的建设实现精益化、智能化、高效化的生产模式,为企业智能化转型升级在车间层面奠定坚实的基础。

4)效益驱动,落地为王

在数字化车间建设中,既要符合智能制造的理念,有一定的先进性、前瞻性,又要本着务实落地原则。要汲取当年CIMS的经验与教训,不要过于理想化,不要过多强调自感知、自决策、自执行、自组织、自学习等所谓高大上技术,企业不是研究机构,应该以创造效益为根本目的。根据“二八原则”,解决80%的问题,通常只会耗费20%的成本,而剩下的20%却需要高昂的成本。以前,产品更新换代慢,往往很多年都在重复生产同一款产品,而现在市场变化快速,为了适应日新月异的市场变化和个性化需求,即将建设的系统很可能过几年就需要更新和调整。系统满足当前需求并有一定的前瞻性即可,不要过分复杂、不要过于强调先进性,否则,沉重的投资会给企业带来很大的经济负担。

4. 数字化车间实施效果

通过成功实施数字化车间系统,企业在车间管理方面将会有质的提升,为企业智能化转型升级奠定良好的基础。

1) 设备互联,“哑设备”聪明起来

通过设备的互联互通,将车间的数控机床、热处理设备、机器人等数字化设备实现程序网络通讯、数据远程采集、程序集中管理、大数据分析、可视化展现、智能化决策支持,将设备由以前的单机工作模式,升级为数字化、网络化、智能化的管理模式。

2) 协同生产,让设备高效地运转

通过系统中的计划、排产、派工、物料、质量、决策等模块,以信息化系统为手段,实现各种信息的共享与协同,做到车间层面精准化计划、精益化生产、可视化展现、精细化管理,将以前串行生产转变为并行的协同生产模式,实现“一个流”的生产,工件转移到设备前,加工程序等技术文档、工装夹具等生产资源已经全部准备就绪,大大减少设备的各种等待时间,可明显提升设备生产效率,降低生产成本,提高客户满意度。

3) 虚实融合,数据在流动中增值

改变传统的制造模式,做到虚拟世界与物理世界深度融合,虚实精准映射、相互促进。车间各岗位、各设备都融于整个信息化系统,以数据有序流动为特征,以高效高质生产为核心,人、机、料、法、环、测各环节相互融合,基于数字化、网络化、智能化的管理系统,使管理者能做到“看得见,说得清,做得对”,实现了生产过程的“Smart”,即敏捷、高效、高质、低成本、绿色、协同的智巧化生产与服务模式。

4) 智能制造,降本提质增效是标尺

通过数字化车间建设,对车间进行全面的科学管控,大幅度提升车间计划科学性、生产过程协同性、生产设备与信息化系统的深度融合度,并在大数据分析与决策支持的基础上进行透明化、量化管理,可对企业生产效率、产品质量、生产成本等方面有明显改善。

以下是数字化车间系统实施后的统计结果:

制造信息量提高15-60% 

生产效率提高10-30% 

计划质量提高25-70% 

生产透明度20-70% 

经济效益提高10-25% 

生产灵活性提高15-60% 

生产周期降低15-40% 

外协费用降低5-15% 

生产准备成本降低15-40% 

处理紧急事故的成本降低20-60% 

生产管理成本减少15-25% 

生产计划成本降低10-30% 

产品准时交货率提高15-40%

5.数字化车间系统选型原则

目前市场上号称能做数字化车间或MES系统的公司有很多,良莠不齐。企业在系统选型时应从以下几个方面进行考虑:

1) 完整性。很多系统只是停留在生产、库房、质量等部分模块上,不能够对车间进行全方位的管理,这类系统不能称之为真正意义上的数字化车间或MES系统。

2) 先进性。制造企业需要的是一套理念及技术先进的系统,高级排产、数据自动采集、协同制造等都是数字化车间的核心功能,虽有很大的技术难度,但只有真正突破这些技术瓶颈,才能支撑起智能制造的发展需要,才能最大程度地发挥车间的生产潜能,而不仅仅满足于台账的电子化或者简单的看板管理。

3) 成熟性。系统应该是有行业成功案例的成熟产品,并具有良好的灵活性和扩展性。最好是平台化产品,便于根据企业实际情况进行快速定制开发与系统部署,减少企业的实施风险。

4) 专业性。数字化车间系统具有非常明显的行业背景,除了分为流程、离散两个大类之外,即便是同为离散行业,也分机械加工、电子组装、服装加工等很多类型的行业。用户要根据自己的行业特点、具体需求来选择专业的系统。比如,有的系统即便在太阳能领域很成功,但可能没做过军工行业,甚至机械加工都没做过,面对多品种、小批量的军工等行业,这类系统就很难成功。

5) 技术团队。数字化车间系统需要专业团队进行二次开发与实施,需要周到、及时、专业的服务,制造企业需要对供应商进行公司实力、服务能力、典型客户等多方面的考察,确保项目的成功率及将来可持续性的服务。

6) 选型人员组成要合理。最好采用“IT为主导,用户为主体”的方式,IT部门组织交流、调研等活动,并从IT技术方面进行把关;而精通生产管理的使用部门则从功能上、使用方便性等方面进行确认,相互配合,共同完成选型工作。否则,纵然是IT部精挑细选回来的软件,使用部门感觉不好用,不愿意配合使用,这样的系统,即便是架构再好,集成性再好,最终还是避免不了失败的结局。

7) 易用性。系统使用界面友好,操作简单,易学易用,确保车间工人能掌握。

8) 性价比高。在满足使用要求前提下,还要做到价格合理、功能实用,降低企业购置成本。

总之,数字化车间建设要以实际需求为牵引,以经济效益为驱动,以成功落地为导向。在先进设备的基础上,在管理方面深挖潜力,充分发挥人的作用,构建数字化、网络化和适度智能的生产模式,切实做到明显的“降本提质增效”。并以量化数据为基础,循序渐进,有效地提升企业的竞争力。比如通过三年时间,能将设备利用率提高一倍,将产品合格率提升一个档次,就极有可能“确保企业的未来”,这才是比较务实的数字化车间建设原则。

温馨提示:本文节选自《机•智:从数字化车间走向智能制造》,本书正在京东、当当、亚马逊各大网店热销中。可在网店上搜索副标题:“从数字化车间走向智能制造”或作者名字。


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