本研究在集團總體智能制造體系規(guī)劃的基礎上,按照項目設計路線和實施計劃探索離散型智能工廠的建設。
01
研究背景
隨著全球行業(yè)升級浪潮的全面來襲,“智能化”成為各品牌空調(diào)主推產(chǎn)品的必備標簽。《中國制造2025》中明確提出把“智能制造”作為“信息化、工業(yè)化”深度融合的主攻方向,即通過智能制造、智能制造系統(tǒng),實現(xiàn)智能化產(chǎn)品生產(chǎn),以新一代信息技術與制造業(yè)深度融合為主線,以推進智能制造為主攻方向,實現(xiàn)制造業(yè)由大變強的歷史跨越[1]。在商用空調(diào)行業(yè)的“智能化”道路上,國內(nèi)外龍頭企業(yè)都在積極開展相關的研究工作。
智能工廠建設,是在數(shù)字化工廠建設的基礎上,利用物聯(lián)網(wǎng)技術和監(jiān)控技術加強信息管理服務,提高生產(chǎn)過程可控性、減少生產(chǎn)線人工干預,合理計劃安排生產(chǎn),同時集初步智能手段和智能系統(tǒng)等新興技術于一體,構建高效、節(jié)能、綠色、環(huán)保、舒適的人性化工廠。
根據(jù)已有文獻,常用的智能工廠建設的關鍵點如圖1所示,其主要包括兩方面內(nèi)容:一方面,為產(chǎn)品研發(fā)線路,其從創(chuàng)新管理部門進行市場調(diào)研開始,到確定產(chǎn)品系列、產(chǎn)品結構及性能,再至產(chǎn)品制造、產(chǎn)品升級優(yōu)化,最后確定產(chǎn)品的領域性能;另一方面,為產(chǎn)品價值鏈線路,包括接單、生產(chǎn)計劃、原料的采購、產(chǎn)品制造和質(zhì)量管理、交付使用及售后服務等。
由圖1可知,兩條線路在制造和質(zhì)量管理處交叉,可見制造和質(zhì)量管理是智能化工廠建設的關鍵點。
為滿足家電市場響應快、產(chǎn)品質(zhì)量要求高、成本控制嚴的行業(yè)需求,本研究擬在集團總體智能制造體系規(guī)劃的基礎上,按照項目設計路線和實施計劃探索離散型智能工廠的建設。本項目重點關注產(chǎn)品制造和過程質(zhì)量管理,在產(chǎn)品研發(fā)、工藝技術、營銷及售后方面,都由集團總部統(tǒng)籌,實現(xiàn)集團化協(xié)同管理。根據(jù)集團化集中管理高度協(xié)同、生產(chǎn)過程高度自動化、制造系統(tǒng)全流程數(shù)據(jù)高度同步融合等網(wǎng)絡協(xié)同制造的需要,與集團總部全流程協(xié)同智能制造管理模式的六大基石實現(xiàn)管理互通,最終建成離散型商用空調(diào)行業(yè)協(xié)同制造智能工廠。最后,對構建的智能工廠應用成果進行分析,以期為同行業(yè)的智能工廠建設提供一定的參考與借鑒。
02
智能工廠建設
整體方案及目標
2.1 整體方案
智能工廠建設的整體方案以企業(yè)資源計劃(enterprise resource planning,ERP)、產(chǎn)品生命周期管理(product life-cycle management,PLM)系統(tǒng)為管理主線,實現(xiàn)企業(yè)分部與珠海總部制造、工藝、計劃、物料等的協(xié)同管理。智能工廠大量應用安全可控的自動化裝備,通過車間執(zhí)行系統(tǒng)的全面覆蓋應用,打通橫向信息流,并運用可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(supervisory control and data acquisition,SCADA)進行控制,以實現(xiàn)縱向信息流通,集成為集控中心系統(tǒng)。同時,構建虛擬工廠,自動分析工廠的運作關鍵指標,形成智能決策平臺。
圖2所示為智能工廠建設的內(nèi)容示意圖。
由圖2可知,離散型智能工廠建設的主要內(nèi)容包括設備層、執(zhí)行層、管理層和企業(yè)層4個層次的建設。其中,設備層是基礎,各類自動化設備要統(tǒng)一接口,自動化采集數(shù)據(jù)。執(zhí)行層建立公司級的數(shù)據(jù)庫,各類數(shù)據(jù)互聯(lián)互通。管理層根據(jù)業(yè)務需求,構建各類管理模型,形成虛擬工廠,提升管理。企業(yè)層的集團化集中管理高度協(xié)同,地方企業(yè)和集團總部通過數(shù)據(jù)高度同步來實現(xiàn)智能化。
2.2 建設目標
在集團智能制造體系規(guī)劃的基礎上,按照上述整體方案進行智能工廠的建設。項目建設目標設定如下:
1)實現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)、運營成本降低20%;
2)實現(xiàn)企業(yè)產(chǎn)品研制周期縮短30%;
3)實現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)效率提升25%;
4)實現(xiàn)企業(yè)產(chǎn)品不良率降低20%;
5)實現(xiàn)企業(yè)能源利用率提高10%。
同時,將本項目建設成為空調(diào)行業(yè)協(xié)同制造的標桿工廠。
2.3 方案的先進性分析
本智能工廠建設方案的先進性主要表現(xiàn)在如下兩個方面:
1)本項目在標準智能工廠建設的基礎上,融入了商用空調(diào)行業(yè)需要的、制造行業(yè)通用的智能裝備和智能管理模式。
2)本項目實現(xiàn)了集團化集中管理高度協(xié)同。在研發(fā)過程中,主要存在橫向信息孤島和縱向信息孤島兩大突出現(xiàn)象,該現(xiàn)象制約著企業(yè)的創(chuàng)新能力與研發(fā)效率[3]。集團化全流程協(xié)同管理新模式的導入應用,可以實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)過程中高質(zhì)高效的時間協(xié)同、業(yè)務協(xié)同、數(shù)據(jù)協(xié)同以及能力協(xié)同。以項目為中心,建立了一個統(tǒng)一的設計研發(fā)管理平臺,實現(xiàn)了對設計研發(fā)數(shù)據(jù)管理、項目管理、物料管理、圖文管理、
產(chǎn)品管理、工藝管理、變更管理、需求管理等功能。通過數(shù)據(jù)管理模塊,集中并分類產(chǎn)品信息、圖文信息以及因設計、生產(chǎn)和售后等各階段產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù),為數(shù)據(jù)整合、數(shù)據(jù)分析提供了極大便利。通過流程驅(qū)動,集中管控、統(tǒng)一管理,可顯著提高公司的整體工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量。
03
智能工廠建設實施要點
3.1 項目系統(tǒng)模型的建立
3.1.1 智能工廠總體設計
智能工廠的廠區(qū)布局以總裝為中心,物資、生產(chǎn)、成品遵循“一個流”精益設計。依據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)工藝路線,并且結合空中和地下輸送方式,盡量減少地面運輸,形成高空、地面、地下隧道3個層面的立體物流。同時,按照“綜合生產(chǎn)人員最少”的原則,分類落實工序前移;設置不同類別的物料需求點,以減少物料的二次周轉(zhuǎn)。設備規(guī)劃以少人化、自動化為原則,推行零件部裝上線。
3.1.2 工藝流程及布局
1)兩器車間工藝流程及布局。兩器車間各工序之間的生產(chǎn)為單件流或批次流的不落地生產(chǎn)模式,局部實現(xiàn)一個流生產(chǎn),以減少物料中間的滯留、轉(zhuǎn)存等搬運浪費,改善生產(chǎn)物流,提高人均工作效率。工廠選用無收縮脹管技術、免抱管長彎管設備、精確定位焊接、自動化進出箱技術等,以提高生產(chǎn)自動化,節(jié)省原材料,降低能耗,減輕人員勞動強度,保證車間生產(chǎn)技術的先進性。
2)鈑金車間工藝流程及布局。鈑金車間的設計以整體物流量最小為設計依據(jù),建立具有高端專業(yè)化制造水平、完善的自我配套能力、高度參觀性的精益生產(chǎn)車間。鈑金加工、運輸采用先進的加工工藝、運輸方式,大部分零件采用機械化、自動化生產(chǎn)方式,因而不僅能夠降低工人的勞動強度,而且能夠提高生產(chǎn)效率。
3)注塑車間工藝流程及布局。注塑車間的規(guī)劃應體現(xiàn)其工藝布局的合理性、行業(yè)工藝的先進性、高自動化、精益生產(chǎn)等。因而設計實行一個流配送,減少注塑車間內(nèi)來料、配送總裝等方面的物流運輸。
3.2 先進工藝設計技術的應用
工藝設計平臺也已經(jīng)全面上線,實現(xiàn)的功能包括產(chǎn)品制造物料清單(manufacturing bill of materials,MBOM)管理、工藝路線設計、工藝資源整合、工時定額、材料定額和工藝任務,目前正在集團化推廣。
工藝設計的仿真模塊,通過建模可實現(xiàn)整體工藝路線以工藝流程圖形式表達產(chǎn)品的工藝裝配過程,工藝工程師可以利用仿真軟件在平臺上輕松實現(xiàn)工藝路線的調(diào)整。為避免傳統(tǒng)的“三維設計模型二維紙質(zhì)圖紙三維工藝模型”研制過程中信息傳遞鏈條的斷裂,摒棄了二維、三維之間的轉(zhuǎn)換,從而提高了產(chǎn)品研發(fā)設計效率[4]。工藝路線建立完成后,工藝工程師可以通過仿真模擬基于工藝路線的產(chǎn)品靜態(tài)安裝過程,便于工藝工程師直觀地發(fā)現(xiàn)工藝路線的不合理點,并及時做出調(diào)整。
3.3 關鍵技術裝備的選用
智能制造裝備是建立智能工廠的基礎性建設之一[5]。本智能工廠建設中應用“布點、連線、擴面”的推廣思路,結合公司數(shù)十年在空調(diào)及家電產(chǎn)業(yè)的研發(fā)、生產(chǎn)制造的積累沉淀,開展從單機設備智能化、線體智能化到整廠制造智能化的離散型智能制造和自動化推進實施。
本研究結合空調(diào)行業(yè)的生產(chǎn)工藝特點,聚焦鈑金、注塑、兩器、管路、總裝等制造環(huán)節(jié),解決了一批自動化領域的業(yè)內(nèi)共性問題,生產(chǎn)出一批具有空調(diào)行業(yè)特色的專機成套智能裝備,并進一步將各自動化單元設備串聯(lián)成一條自動化智能生產(chǎn)線,極大程度地提高了工序銜接效率,減少了操作人員,在行業(yè)中具有極大的示范性和推廣意義,可迅速提高行業(yè)平均自動化水平。選用的關鍵技術裝備主要包括注塑機及生產(chǎn)用機械手、中央供料系統(tǒng)、燙金一體化設備、自動裝鑲件機器人、絲印烘干一體化機器;鈑金多機連線沖壓機器人、800t自動沖壓生產(chǎn)線、全自動鉚接加工單元;全自動管路成型一體化生產(chǎn)線、兩器件一個流全自動生產(chǎn)線;立體智能物流配送系統(tǒng)等。
3.4 生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)建設
現(xiàn)場級數(shù)據(jù)是智能工廠系統(tǒng)的支撐。通過現(xiàn)場級的數(shù)據(jù)逐層向上發(fā)展,建立完整的工廠互聯(lián)網(wǎng)絡中心,是實現(xiàn)工廠智能化和信息化建設的基礎[6]。本項目應用傳感器、儀器儀表、條碼、機器人等感知技術,通過可編程邏輯控制器、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)控制,實現(xiàn)了各分廠95%的關鍵設備互聯(lián)互通,實時采集設備的動作、狀態(tài)信息,大量減少了人工采集生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的操作,降低了公司的運營成本,形成效果要點如下:
1)各車間關鍵設備實現(xiàn)互聯(lián)互通;
2)實現(xiàn)了設備運行狀態(tài)的實時采集;
3)有效降低了設備管理和數(shù)據(jù)采集的人力資源投入;
4)建立智能集控指揮中心,實現(xiàn)了生產(chǎn)可視化、過程透明化管理。
生產(chǎn)運行過程中,由智能集控指揮中心集中監(jiān)控、集中處理、統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一指揮。生產(chǎn)過程的指令發(fā)布、異常信息的處理、提產(chǎn)提效的改進舉措等,通過廣播系統(tǒng),定向通知指定區(qū)域人群。
通過管理數(shù)據(jù)平臺的整合,將相關的數(shù)據(jù)集中存儲在公司層面的平臺中,并且實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲位置的互通,建立公司生產(chǎn)制造管理的大數(shù)據(jù)庫,通過云計算、數(shù)據(jù)挖掘等手段,實現(xiàn)關鍵指標和過程控制異常的自動分析提醒、集控管理。從而提高公司運作的信息融合度,形成效果要點如下:
1)建立了集中管理公司級生產(chǎn)過程大數(shù)據(jù)平臺;
2)通過人機界面優(yōu)化與安燈系統(tǒng)的運用,提升了人機互動性;
3)運用IFIX軟件進行組態(tài)編程,構建設備現(xiàn)場的虛擬模型,實現(xiàn)了工廠數(shù)字化遠程管理功能;
4)建立了可靠性高、0.1ms級讀取速度的數(shù)據(jù)庫,保證了工具系統(tǒng)的快速應用;
5)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的深度挖掘與應用及生產(chǎn)數(shù)據(jù)的自動分析,形成了公司級生產(chǎn)決策平臺。
3.5 制造執(zhí)行系統(tǒng)與企業(yè)資源計劃系統(tǒng)建設
制造執(zhí)行系統(tǒng)(manufacturing execution systems,MES)需要與計劃層進行信息交互,通過不斷的信息交換實現(xiàn)兩種系統(tǒng)間的信息集成。MES與企業(yè)資源計 劃(enterprise resource planning,ERP) 系 統(tǒng) 的集成,主要是信息流的整合 [7]。制造系統(tǒng)全流程數(shù)據(jù)高度同步融合應用項目。在生產(chǎn)管理過程中,計劃與資源管理以ERP為核心,制造現(xiàn)場以WMS/MES業(yè)務架構為核心,兩大系統(tǒng)基礎數(shù)據(jù)的同步率要達到100%,圍繞兩大平臺的同步融合應用,本項目研發(fā)了以ERP下達生產(chǎn)計劃為依托,WMS/MES 現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)做拉動的制造信息協(xié)同管理平臺。通過該制造信息協(xié)同管理平臺的應用,將ERP的計劃管理和WMS/MES的現(xiàn)場管理進行了高度同步融合。物料閉環(huán)管理的整個執(zhí)行過程可實現(xiàn)“5個100%”的落地執(zhí)行,即100%齊套排產(chǎn)、100%來貨創(chuàng)建條碼、100%揀選配發(fā)物料、100%按訂單使用物料、100%反沖結算。
3.6 工廠內(nèi)部網(wǎng)絡架構建設
本項目的內(nèi)部網(wǎng)絡架構分為核心層、匯聚層、接入層3層。其中,核心層由2臺 H3C 10508交換主機組成,采用智能彈性架構(intelligent resilient framework,IRF)虛擬化技術,為了保障網(wǎng)絡的穩(wěn)定性,通過防火墻與數(shù)據(jù)中心核心相聯(lián)。接入層通過無線訪問接入點(wireless access point,AP)接入到接入層交換機,帶掃描功能的移動終端機通過WIFI連接到AP。匯聚層能夠處理來自接入層設備的所有通信量,并提供到核心層的上行鏈路。
設定的內(nèi)部網(wǎng)絡架構具有如下特點:
1)兼容性。工廠內(nèi)部網(wǎng)絡架構是完全獨立的,與應用系統(tǒng)相對無關,可適用于多種應用系統(tǒng)。
2)開放性。系統(tǒng)采用開放式體系結構,符合多種國際上現(xiàn)行的標準,并支持所有通信協(xié)議。
3)靈活性。系統(tǒng)采用標準的傳輸線纜和相關的連接硬件,模塊化設計,所有通道都是通用的。所有設備的開通及更改均不需要改變布線線路,并且可以靈活多變組網(wǎng)。
4)可靠性。系統(tǒng)采用高品質(zhì)的材料和組合壓接的方式構成一套高標準的信息傳輸通道,應用系統(tǒng)采用點到點端接,任何一條鏈路故障均不影響其它鏈路的運行,從而保證了整個系統(tǒng)的運行可靠性。
3.7 信息安全保障建設
隨著工業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化發(fā)展的加快,工業(yè)控制系統(tǒng)已逐步從封閉隔離的系統(tǒng)演進為開放交互的系統(tǒng),隨之帶來了極大的信息安全隱患[8]。因而要重視系統(tǒng)的信息安全保障建設,本項目中主要從5個方面開展信息安全保障建設。
3.7.1 硬件的安全保障措施
選用的硬件設備或機房輔助設備本身穩(wěn)定可靠、性能優(yōu)良、電磁輻射小,且對環(huán)境條件的要求盡可能低,設備能抗震防潮、抗電磁輻射干擾、抗靜電,有過壓、欠壓、過流等電沖擊時的自動防護能力,有良好的接地保護措施等。
3.7.2 環(huán)境的安全保障措施
在這一方面,除了要合理規(guī)劃中心機房與各部門機房的位置外,機房還設計了防靜電、防塵系統(tǒng)、消防報警系統(tǒng)、新風系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、UPS(uninterruptible power supply)系統(tǒng),防雷系統(tǒng),供電系統(tǒng)。
3.7.3 通信網(wǎng)絡的安全保障措施
1)采用安全傳輸層協(xié)議和安全超文本傳輸協(xié)議,從而保證數(shù)據(jù)和信息傳遞的安全性;
2)使用防火墻技術;
3)采用加密這種主動的防衛(wèi)手段;
4)內(nèi)部網(wǎng)絡采用了物理隔離,以保障內(nèi)部網(wǎng)絡的安全性;
5)終端采用Symantec Endpoint Protection安全軟件,以保障內(nèi)部網(wǎng)絡安全。
3.7.4 軟件的安全保障措施
1)選擇安全可靠的操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng);
2)設立安全保護子程序或存取控制子程序,充分運用操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)提供的安全手段,加強對用戶的識別檢查,并且適當?shù)乜刂朴脩舻拇嫒嘞蓿?/p>
3)盡量采用面向?qū)ο蟮拈_發(fā)方法和模塊化的設計思想,將某類功能封裝起來,使模塊之間、子系統(tǒng)之間能夠較好地實現(xiàn)隔離,以避免錯誤發(fā)生后的錯誤漫延;
4)對所有的程序都進行安全檢查測試,及時發(fā)現(xiàn)不安全因素,并逐步進行完善;
5)采用成熟的軟件安全技術。軟件安全技術包括軟件加密技術、軟件固化技術、安裝高性能的防毒卡、防毒軟件、硬盤還原卡等,以提高系統(tǒng)的安全防護能力。
3.7.5 數(shù)據(jù)的安全保障措施
1)各訪問系統(tǒng)必須注冊賬戶才能登錄使用,用戶的訪問權限根據(jù)工作職責及其業(yè)務需要來制定,只能查詢權限內(nèi)的數(shù)據(jù);
2)應用電子文檔安全管理系統(tǒng),各類資料都自動加密,必須解密后才能打開查閱。
04
智能工廠建設成果應用分析
4.1 智能工廠建設成果
通過上述實施方案,建成智能工廠,經(jīng)過5a的運營,對其運營結果進行分析,達成如下成果。
4.1.1 工藝設計成本降低
通過工藝設計仿真技術的引進和推廣運行,可以有效提高工藝設計水平[9]。主要體現(xiàn)在流水線產(chǎn)品裝配仿真、人機仿真、公差分析等多個方面。虛擬驗證與分析功能的應用,可以有效提高產(chǎn)品設計和工藝設計質(zhì)量。
4.1.2 人力成本降低
通過生產(chǎn)線自動化機器人的投入與使用,使得工業(yè)機器人替代了人,智能自動導引運輸車(automated guided vehicle,AGV)進行自動物流配送,配套的加工單元通過自動化加工設備加工,離散作業(yè)單元向成套作業(yè)單元升級,智能自動檢測設備替代人員檢測。這些智能制造手段的應用,大幅減少了生產(chǎn)人員,可有效減少人力成本的投入[10]。項目實施5a內(nèi),利用生產(chǎn)線自動化機器人代替人工崗位,涉及崗位總?cè)藬?shù)約1500人。
4.1.3 能耗成本降低
通過機器人等自動化設備的使用,將單工序設備連線生產(chǎn),提高了生產(chǎn)效率和人工產(chǎn)出,提升了生產(chǎn)線設備的利用率,實現(xiàn)了設備資源利用的最大化,使得能源利用率顯著提高,年度能源成本有效節(jié)約16%以上。
4.1.4 產(chǎn)品不良管控成本降低
產(chǎn)品設計水平、工藝設計水平和生產(chǎn)自動化的提高,設備連線自動化生產(chǎn),物料防錯、工序互鎖工藝控制手段的應用,設備物聯(lián)網(wǎng)形成的質(zhì)量追溯,質(zhì)量管理可視化工具的應用,均可有效提高產(chǎn)品質(zhì)量,降低產(chǎn)品售后故障率,因而降低了產(chǎn)品不良管控成本。
4.2 成果應用分析
4.2.1 面向制造關鍵環(huán)節(jié)的工業(yè)互聯(lián)技術
智能感知成套部件,如射頻識別(radio frequency identi?cation,RFID)技術、機器視覺等,在空調(diào)物流供應鏈、機加工過程、總裝過程中與制造現(xiàn)場的人、機、料深度結合(包括設備、物料、在制品等),工業(yè)互聯(lián)技術結合多項先進技術應用,實現(xiàn)了定制化、柔性化的生產(chǎn)模式 [11]。形成一個基于制造現(xiàn)場的互聯(lián)互通網(wǎng)絡,且形成了一整套空調(diào)行業(yè)解決方案,可復制推廣至其他空調(diào)企業(yè)乃至整個家電行業(yè)。
4.2.2 空調(diào)行業(yè)專機成套設備
空調(diào)行業(yè)的生產(chǎn)工藝特點,聚焦在鈑金、注塑、控制器、兩器、管路、總裝等各個制造環(huán)節(jié)。本項目通過應用多款家電行業(yè)首創(chuàng)/獨創(chuàng)專機和生產(chǎn)線,如自動立式穿管機、多合一彎管機、伺服鈑金機械手等多種成熟國產(chǎn)專機設備;自動換熱器組件生產(chǎn)線、兩器單件流自動生產(chǎn)線、遙控器自動生產(chǎn)線等多種定制自動化生產(chǎn)線,解決了一批業(yè)內(nèi)共性的自動化應用問題,極大程度地提高了工序銜接效率,減少工作人員,在空調(diào)制造行業(yè)具有極大的示范性和推廣意義,可迅速提高行業(yè)平均自動化水平。
05
結語
現(xiàn)階段,傳統(tǒng)的制造業(yè)都在轉(zhuǎn)型升級,本項目團隊通過對智能工廠建設進行探索,總結了一些實施要點,本項目成果顯著。首先,高柔性化工藝工裝將會改變量產(chǎn)車間柔性化低的現(xiàn)狀,使其適應復雜機型和復雜工藝以及多樣化的生產(chǎn);其次,質(zhì)量信息采集、全過程零部件狀態(tài)管理以及零缺陷的管理模式,顯著提升了規(guī)模化生產(chǎn)的品質(zhì)。本研究提出的智能工廠建設可以在家電行業(yè)中進行推廣應用。
評論