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智能工廠的規(guī)劃要考慮哪些核心要素?

工業(yè)互聯(lián)網前線 ? 來源:數(shù)字化企業(yè) ? 作者:e-works ? 2021-05-14 16:04 ? 次閱讀

在當前智能制造的熱潮之下,很多企業(yè)都在規(guī)劃建設智能工廠。那么,智能工廠的規(guī)劃要考慮哪些核心要素?關注哪些維度?

本文結合中國電子科技集團十四所的智能工廠建設實踐、作者與企業(yè)進行溝通交流以及e-works的國際考察和咨詢服務實踐,就此問題進行深入探討,敬請業(yè)內專家指正。

本文作者:

中國電子科技集團十四所 姚克榮

e-works總編 黃培博士

e-works知識資源服務中心主任 孫亞婷

制造工藝的分析與優(yōu)化

在新工廠建設時,首先需要根據(jù)企業(yè)在產業(yè)鏈的定位,擬生產的主要產品、生產類型(單件、小批量多品種、大批量少品種等)、生產模式(離散、流程及混合制造)、核心工藝(例如機械制造行業(yè)的熱加工、冷加工、熱處理等),以及生產綱領,對加工、裝配、包裝、檢測等工藝進行分析與優(yōu)化。企業(yè)需要充分考慮智能裝備、智能產線、新材料和新工藝的應用對制造工藝帶來的優(yōu)化。同時,企業(yè)也應當基于綠色制造和循環(huán)經濟的理念,通過工藝改進節(jié)能降耗、減少污染排放;還可以應用工藝仿真軟件,來對制造工藝進行分析與優(yōu)化。

數(shù)據(jù)采集

生產過程中需要及時采集產量、質量、能耗、加工精度和設備狀態(tài)等數(shù)據(jù),并與訂單、工序、人員進行關聯(lián),以實現(xiàn)生產過程的全程追溯。出現(xiàn)問題可以及時報警,并追溯到生產的批次、零部件和原材料的供應商。此外,還可以計算出產品生產過程產生的實際成本。有些行業(yè)還需要采集環(huán)境數(shù)據(jù),如溫度、濕度、空氣潔凈度等數(shù)據(jù)。

企業(yè)需要根據(jù)采集的頻率要求來確定采集方式,對于需要高頻率采集的數(shù)據(jù),應當從設備控制系統(tǒng)中自動采集。企業(yè)在進行智能工廠規(guī)劃時,要預先考慮好數(shù)據(jù)采集的接口規(guī)范,以及SCADA(監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集)系統(tǒng)的應用。不少廠商開發(fā)了數(shù)據(jù)采集終端,可以外接在機床上,解決老設備數(shù)據(jù)采集的問題,企業(yè)可以進行選型應用。

設備聯(lián)網

實現(xiàn)智能工廠乃至工業(yè)4.0,推進工業(yè)互聯(lián)網建設,實現(xiàn)MES應用,最重要的基礎就是要實現(xiàn)M2M,也就是設備與設備之間的互聯(lián),建立工廠網絡。那么,設備與設備之間如何互聯(lián)?采用怎樣的通信方式(有線、無線)、通信協(xié)議和接口方式?采集的數(shù)據(jù)如何處理?這些問題企業(yè)應當建立統(tǒng)一的標準。

在此基礎上,企業(yè)可以實現(xiàn)對設備的遠程監(jiān)控,機床聯(lián)網之后,可以實現(xiàn)DNC(分布式數(shù)控)應用。設備聯(lián)網和數(shù)據(jù)采集是企業(yè)建設工業(yè)互聯(lián)網的基礎。

工廠智能物流

推進智能工廠建設,生產現(xiàn)場的智能物流十分重要,尤其是對于離散制造企業(yè)。智能工廠規(guī)劃時,要盡量減少無效的物料搬運。很多優(yōu)秀的制造企業(yè)在裝配車間建立了集中揀貨區(qū)(Kitting Area),根據(jù)每個客戶訂單集中配貨,并通過DPS(Digital Picking System)方式進行快速揀貨,配送到裝配線,消除了線邊倉。

集中揀貨和RGV應用

離散制造企業(yè)在兩道機械工序之間可以采用帶有導軌的工業(yè)機器人、桁架式機械手等方式來傳遞物料,還可以采用AGV、RGV(有軌穿梭車)或者懸掛式輸送鏈等方式傳遞物料。在車間現(xiàn)場還需要根據(jù)前后道工序之間產能的差異,設立生產緩沖區(qū)。立體倉庫和輥道系統(tǒng)的應用,也是企業(yè)在規(guī)劃智能工廠時,需要進行系統(tǒng)分析的問題。

生產質量管理

提高質量是工廠管理永恒的主題,在智能工廠規(guī)劃時,生產質量管理更是核心的業(yè)務流程。質量保證體系和質量控制活動必須在生產管理信息系統(tǒng)建設時統(tǒng)一規(guī)劃、同步實施,貫徹質量是設計、生產出來,而非檢驗出來的理念。

質量控制在信息系統(tǒng)中需嵌入生產主流程,如檢驗、試驗在生產訂單中作為工序或工步來處理;質量審理以檢驗表單為依據(jù)啟動流程開展活動;質量控制的流程、表單、數(shù)據(jù)與生產訂單相互關聯(lián)、穿透;按結構化數(shù)據(jù)存儲質量記錄,為產品單機檔案提供基本的質量數(shù)據(jù),為質量追溯提供依據(jù);構建質量管理的基本工作路線:質量控制設置-檢測-記錄-評判-分析-持續(xù)改進;質量控制點需根據(jù)生產工藝特點科學設置,質量控制點太多影響效率,太少使質量風險放大;檢驗作為質量控制的活動之一,可分為自檢、互檢、專檢,也可分為過程檢驗和終檢;質量管理還應關注質量損失,以便從成本的角度促進質量的持續(xù)改進。對于采集的質量數(shù)據(jù),可以利用SPC系統(tǒng)進行分析。制造企業(yè)應當提升對QIS(質量管理信息系統(tǒng))的重視程度。

設備管理

設備是生產要素,發(fā)揮設備的效能(OEE—設備綜合效率)是智能工廠生產管理的基本要求,OEE的提升標志產能的提高和成本的降低。生產管理信息系統(tǒng)需設置設備管理模塊,使設備釋放出最高的產能,通過生產的合理安排,使設備尤其是關鍵、瓶頸設備減少等待時間;在設備管理模塊中,要建立各類設備數(shù)據(jù)庫,設置編碼,及時對設備進行維保;通過實時采集設備狀態(tài)數(shù)據(jù),為生產排產提供設備的能力數(shù)據(jù);企業(yè)應建立設備的健康管理檔案,根據(jù)積累的設備運行數(shù)據(jù)建立故障預測模型,進行預測性維護,最大限度地減少設備的非計劃性停機;要進行設備的備品備件管理。

智能廠房設計

智能工廠的廠房設計需要引入BIM(建筑信息模型),通過三維設計軟件進行建筑設計,尤其是水、電、氣、網絡、通信等管線的設計。同時,智能廠房要規(guī)劃智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)、智能采光與照明系統(tǒng)、通風與空調系統(tǒng)、智能安防報警系統(tǒng)、智能門禁一卡通系統(tǒng)、智能火災報警系統(tǒng)等。采用智能視頻監(jiān)控系統(tǒng),通過人臉識別技術以及其他圖像處理技術,可以過濾掉視頻畫面中無用的或干擾信息、自動識別不同物體和人員,分析抽取視頻源中關鍵有用信息,判斷監(jiān)控畫面中的異常情況,并以最快和最佳的方式發(fā)出警報或觸發(fā)其它動作。

整個廠房的的工作分區(qū)(加工、裝配、檢驗、進貨、出貨、倉儲等)應根據(jù)工業(yè)工程的原理進行分析,可以使用數(shù)字化制造仿真軟件對設備布局、產線布置、車間物流進行仿真。在廠房設計時,還應當思考如何降低噪音,如何能夠便于設備靈活調整布局,多層廠房如何進行物流輸送等問題。

智能裝備的應用

制造企業(yè)在規(guī)劃智能工廠時,必須高度關注智能裝備的最新發(fā)展。機床設備正在從數(shù)控化走向智能化,實現(xiàn)邊測量、邊加工,對熱變形、刀具磨損產生的誤差進行補償,企業(yè)也開始應用車銑復合加工中心,很多企業(yè)在設備上下料時采用了工業(yè)機器人。

未來的工廠中,金屬增材制造設備將與切削加工(減材)、成型加工(等材)等設備組合起來,極大地提高材料利用率。除了六軸的工業(yè)機器人之外,還應該考慮SCARA機器人和并聯(lián)機器人的應用,而協(xié)作機器人則將會出現(xiàn)在生產線上,配合工人提高作業(yè)效率。

智能產線規(guī)劃

智能產線是智能工廠規(guī)劃的核心環(huán)節(jié),企業(yè)需要根據(jù)生產線要生產的產品族、產能和生產節(jié)拍,采用價值流圖等方法來合理規(guī)劃智能產線。智能產線的特點是:在生產和裝配的過程中,能夠通過傳感器、數(shù)控系統(tǒng)或RFID自動進行生產、質量、能耗、設備績效(OEE)等數(shù)據(jù)采集,并通過電子看板顯示實時的生產狀態(tài),能夠防呆防錯;通過安燈系統(tǒng)實現(xiàn)工序之間的協(xié)作;生產線能夠實現(xiàn)快速換模,實現(xiàn)柔性自動化;能夠支持多種相似產品的混線生產和裝配,靈活調整工藝,適應小批量、多品種的生產模式;具有一定冗余,如果生產線上有設備出現(xiàn)故障,能夠調整到其他設備生產;針對人工操作的工位,能夠給予智能的提示,并充分利用人機協(xié)作。

設計智能產線需要考慮如何節(jié)約空間,如何減少人員的移動,如何進行自動檢測,從而提高生產效率和生產質量。企業(yè)建立新工廠非常強調少人化,因此要分析哪些工位應用自動化設備及機器人,哪些工位采用人工。對于重復性強、變化少的工位盡可能采用自動化設備,反之則采用人工工位。

制造執(zhí)行系統(tǒng)

MES(制造執(zhí)行系統(tǒng))是智能工廠規(guī)劃落地的著力點,MES是面向車間執(zhí)行層的生產信息化管理系統(tǒng),上接ERP系統(tǒng),下接現(xiàn)場的PLC程控器、數(shù)據(jù)采集器、條形碼、檢測儀器等設備。MES旨在加強MRP計劃的執(zhí)行功能,貫徹落實生產策劃,執(zhí)行生產調度,實時反饋生產進展;

面向生產一線工人:指令做什么、怎么做、滿足什么標準,什么時候開工,什么時候完工,使用什么工具等等;記錄“人、機、料、法、環(huán)、測”等生產數(shù)據(jù),建立可用于產品追溯的數(shù)據(jù)鏈;反饋進展、反饋問題、申請支援、拉動配合等;

面向班組:發(fā)揮基層班組長的管理效能,班組任務管理和派工;

面向一線生產保障人員:確保生產現(xiàn)場的各項需求,如料、工裝刀量具的配送,工件的周轉等等。

為提高產品準時交付率、提升設備效能、減少等待時間,MES系統(tǒng)需導入生產作業(yè)排程功能,為生產計劃安排和生產調度提供輔助工具,提升計劃的準確性。在獲取產品制造的實際工時、制造BOM信息的基礎上,企業(yè)可以應用APS(先進生產排程)軟件進行排產,提高設備資源的利用率和生產排程的效率。

能源管理

為了降低智能工廠的綜合能耗,提高勞動生產率,特別是對于高能耗的工廠,進行能源管理是非常有必要的。采集能耗監(jiān)測點(變配電、照明、空調、電梯、給排水、熱水機組和重點設備)的能耗和運行信息,形成能耗的分類、分項、分區(qū)域統(tǒng)計分析,可以對能源進行統(tǒng)一調度、優(yōu)化能源介質平衡,達到優(yōu)化使用能源的目的。

同時,通過采集重點設備的實時能耗,還可以準確知道設備的運行狀態(tài)(關機、開機還是在加工),從而自動計算OEE。通過感知設備能耗的突發(fā)波動,還可以預測刀具和設備故障。此外,企業(yè)也可以考慮在工廠的屋頂部署光伏系統(tǒng),提供部分能源。

施耐德電氣的Ecostructure平臺提供了企業(yè)能效管理的整體解決方案;三菱電機則提出了能源JIT理念,福山制作所對空調系統(tǒng)、空壓機、鍋爐等耗能設備進行重點監(jiān)控,對于非生產時間的能耗進行追溯,對生產線每個工位的能耗進行檢測,將節(jié)能的責任分配到班組,從而節(jié)約能源。

生產無紙化

生產過程中工件配有圖紙、工藝卡、生產過程記錄卡、更改單等紙質文件作為生產依據(jù)。隨著信息化技術的提高和智能終端成本的降低,在智能工廠規(guī)劃可以普及信息化終端到每個工位,結合輕量化三維模型和MES系統(tǒng),操作工人將可在終端接受工作指令,接受圖紙、工藝、更單等生產數(shù)據(jù),可以靈活第適應生產計劃變更、圖紙變更和工藝變更。有很多廠商提供工業(yè)平板顯示器,甚至可以利用智能手機作為終端,完成生產信息查詢和報工等工作。

工業(yè)安全

企業(yè)在進行新工廠規(guī)劃時,需要充分考慮各種安全隱患,包括機電設備的安全,員工的安全防護,設立安全報警裝置等安防設施和消防設備。同時,隨著企業(yè)應用越來越多的智能裝備和控制系統(tǒng),并實現(xiàn)設備聯(lián)網,建立整個工廠的智能工廠系統(tǒng),隨之而來的安全隱患和風險也會迅速提高,現(xiàn)在已出現(xiàn)了專門攻擊工業(yè)自動化系統(tǒng)的病毒。因此,企業(yè)在做智能工廠規(guī)劃時,也必須將工業(yè)安全作為一個專門的領域進行規(guī)劃。

精益生產

精益生產的核心思想是消除一切浪費,確保工人以最高效的方式進行協(xié)作。很多制造企業(yè)采取按訂單生產或按訂單設計,滿足小批量、多品種的生產模式。智能工廠需要實現(xiàn)零部件和原材料的準時配送,成品和半成品按照訂單的交貨期進行及時生產,建立生產現(xiàn)場的電子看板,通過拉動方式組織生產,采用安東系統(tǒng)及時發(fā)現(xiàn)和解決生產過程中出現(xiàn)的異常問題;同時,推進目視化、快速換模。很多企業(yè)采用了U型的生產線和組裝線,建立了智能制造單元。推進精益生產是一個持續(xù)改善的長期過程,要與信息化和自動化的推進緊密結合。

人工智能技術應用

人工智能技術正在被不斷地被應用到圖像識別、語音識別、智能機器人、故障診斷與預測性維護、質量監(jiān)控等各個領域,覆蓋從研發(fā)創(chuàng)新、生產管理、質量控制、故障診斷等多個方面。在智能工廠建設過程中,應當充分應用人工智能技術。

例如,可以利用機器學習技術,挖掘產品缺陷與歷史數(shù)據(jù)之間的關系,形成控制規(guī)則,并通過增強學習技術和實時反饋,控制生產過程減少產品缺陷。同時集成專家經驗,不斷改進學習結果。利用機器視覺代替人眼,提高生產柔性和自動化程度,提升產品質檢效率和可靠性。IBM開展了通過人工智能算法來分析質量問題,并找出改進措施的實踐,取得了實效。

生產監(jiān)控與指揮系統(tǒng)

流程行業(yè)企業(yè)的生產線配置了DCS系統(tǒng)或PLC控制系統(tǒng),通過組態(tài)軟件可以查看生產線上各個設備和儀表的狀態(tài),但絕大多數(shù)離散制造企業(yè)還沒有建立生產監(jiān)控與指揮系統(tǒng)。

實際上,離散制造企業(yè)也非常需要建設集中的生產監(jiān)控與指揮系統(tǒng),在系統(tǒng)中呈現(xiàn)關鍵的設備狀態(tài)、生產狀態(tài)、質量數(shù)據(jù),以及各種實時的分析圖表。在一些國際廠商的MES軟件系統(tǒng)中,設置了MII(Manufacturing Ingetration and Intelligence)模塊,其核心功能就是呈現(xiàn)出工廠的關鍵KPI數(shù)據(jù)和圖表,輔助決策。

數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)是智能工廠建設的血液,在各應用系統(tǒng)之間流動。在智能工廠運轉的過程中,會產生設計、工藝、制造、倉儲、物流、質量、人員等業(yè)務數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)可能分別來自ERP、MES、APS、WMS、QIS等應用系統(tǒng)。因此,在智能工廠的建設過程中,需要一套統(tǒng)一的標準體系來規(guī)范數(shù)據(jù)管理的全過程,建立數(shù)據(jù)命名、數(shù)據(jù)編碼和數(shù)據(jù)安全等一系列數(shù)據(jù)管理規(guī)范,保證數(shù)據(jù)的一致性和準確性。

另外,必要時,還應當建立專門的數(shù)據(jù)管理部門,明確數(shù)據(jù)管理的原則和構建方法,確立數(shù)據(jù)管理流程與制度,協(xié)調執(zhí)行中存在的問題,并定期檢查落實優(yōu)化數(shù)據(jù)管理的技術標準、流程和執(zhí)行情況。企業(yè)需要規(guī)劃邊緣計算、霧計算、云計算的平臺,確定哪些數(shù)據(jù)在設備端進行處理,哪些數(shù)據(jù)需要在工廠范圍內處理,哪些數(shù)據(jù)要上傳到企業(yè)的云平臺進行處理。

勞動力管理

在智能工廠規(guī)劃中,還應當重視整體人員績效的提升。設備管理有OEE,人員管理同樣有整體績效-OLE(整體勞動效能)。通過對整體勞動效能指標的分析,可以清楚了解勞動力績效,找出人員績效改進的方向和辦法,而分析勞動力績效的基礎是及時、完整、真實的數(shù)據(jù)。通過考勤機、排班管理軟件、MES系統(tǒng)等實時收集的考勤、工時和車間生產的基礎數(shù)據(jù),用數(shù)據(jù)分析的手段,可以衡量人工與資源(如庫存或機器)在可用性、績效和質量方面的相互關系。讓決策層對工廠的勞動生產率和人工安排具備實時的可視性,通過及時準確地考勤數(shù)據(jù)分析評估出勞動力成本和服務水平,從而實現(xiàn)整個工廠真正的人力資本最優(yōu)化和整體勞動效能的提高。

總之,要做好智能工廠的規(guī)劃,需要綜合運用這“十八般武藝”,從各個視角綜合考慮,從投資預算、技術先進性、投資回收期、系統(tǒng)復雜性、生產的柔性等多個方面進行綜合權衡、統(tǒng)一規(guī)劃,從一開始就避免產生新的信息孤島和自動化孤島,才能確保做出真正可落地,既具有前瞻性,又有實效性的智能工廠規(guī)劃方案。同時,還可以基于這些維度來建立智能工廠的評估體系。

智能工廠的規(guī)劃是一個十分復雜的系統(tǒng)工程,需要企業(yè)的生產、工藝、IT、自動化、設備和精益等部門通力協(xié)作;同時,也需要引入專業(yè)的工廠設計和智能制造咨詢服務機構深入合作。

原文標題:智能工廠規(guī)劃的“十八般武藝”

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責任編輯:haq

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     搭建智能制造工廠是一個復雜而系統(tǒng)的工程,需要從多個方面入手,包括規(guī)劃與設計、基礎設施建設、系統(tǒng)集成與測試、上線與試運行以及持續(xù)優(yōu)化與升級等階段。以下是一個詳細的搭建智能制造
    的頭像 發(fā)表于 09-15 14:17 ?987次閱讀

    智能工廠實現(xiàn)的目標_智能工廠的六個建設目標

     智能工廠通過新一代信息技術(如物聯(lián)網、云計算、大數(shù)據(jù)分析、人工智能等)與制造全過程、全要素的深度融合,旨在實現(xiàn)多個核心目標,這些目標可以歸
    的頭像 發(fā)表于 09-15 14:14 ?1820次閱讀

    lp模型的要素、組成部分及特征

    。本文將介紹線性規(guī)劃模型的要素、組成部分及特征。 一、線性規(guī)劃模型的要素 目標函數(shù)(Objective Function):目標函數(shù)是線性規(guī)劃
    的頭像 發(fā)表于 07-09 10:10 ?1721次閱讀

    智能工廠(物聯(lián)網工廠)是什么

    信息、做出決策并執(zhí)行操作。這使得生產過程更加靈活、高效且可預測。 智能工廠核心智能制造,它涉及到各種技術,包括物聯(lián)網(IoT)、機器學習、人工
    的頭像 發(fā)表于 06-03 09:16 ?1335次閱讀