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  • 什么是智能工厂?分析目前智能工厂的现状

    • 作者: admin
    • 时间:2021-02-24 11:12:31

    近年来,智能制造热潮席捲全球各地。其中,智能工厂作为智能制造重要的实践领域,已引起了制造企业的广泛关注,和各级政府的高度重视。本文将分析全世界智能工厂建设的现状与问题,智能工厂的内涵,以及推进智能工厂建设的商机之道。


    一、全球智能工厂建设的现状分析

    近年来,全球各主要经济体都在大力推进制造业的復兴。在工业 4.0、工业网路、物联网、云端运算等热潮下,全球众多优秀制造企业,都开展了智能工厂建设实践。


    例如,西门子安贝格电子工厂,实现了多品种工业电脑的混线生产。FANUC 公司,实现了机器人和伺服电机生产过程的高度自动化和智能化,并利用自动化立体仓库,在工厂内的各个智能制造单元之间传递物料,实现了最高 720 小时无人值守;施耐德电机,实现了电气开关制造和包装过程的全自动化。美国哈雷戴维森公司,广泛利用以加工中心和机器人,构成的智能制造单元,实现大批量客制化。三菱电机名古屋制作所,采用人机结合的新型机器人装配产线,实现从自动化到智能化的转变,显着提高了单位生产面积的产量;全球重卡巨头 MAN 公司搭建了完备的厂内物流体系,利用 AGV 装载进行装配的组件和整车,便于灵活调整装配线,并建立了物料超市,取得明显成效。


    智能工厂


    当前,制造业面临着巨大的转型压力。一方面,劳动力成本迅速攀升、产能不足或过剩、竞争激烈、客户个性化需求日益成长等因素,迫使制造企业转向建立差异化竞争优势。在工厂层面,制造企业面临着招工难,以及缺乏专业技师的巨大压力,必须实现减员增效,迫切需要推进智能工厂建设。


    另一方面,物联网、协作机器人、增材制造、预测性维护、机器视觉等新兴技术迅速兴起,为制造企业推进智能工厂建设,提供了良好的技术支撑,使各行业越来越多的大中型企业,开启了智能工厂的建设。


    汽车、家电、轨道交通、食品饮料、制药、装备制造、家居等行业的企业,对生产和装配线进行自动化、智能化改造,以及建立全新的智能工厂的需求十分旺盛。


    例如佛山某滚筒洗衣机工厂,可以实现按订单配置、生产和装配,采用高柔性的自动无人生产线,广泛应用精密装配机器人,采用 MES系统全程订单执行管理系统,透过 RFID 进行全程追溯,实现了机机互联、机物互联和人机互联。


    另一家装修企业,实现了从款式设计,到构造尺寸的全方位个性客制化,建立了高度智能化的生产加工控制系统,能够满足消费者个性化客制化所产生的特殊尺寸,与构造板材的切削加工需求。


    还有一家加工企业全面采用他们的国产加工中心、数控系统和工业软件,实现了设备数据的自动采集和工厂内联网,建立了工厂的数位映射模型(Digital Twin),建构了手机壳加工的智能工厂。这些厂商的升级转变,我们台湾的制造业必须正视,否则未来更难以与他们在国际市场竞争。


    但是,制造企业在推进智能工厂建设方面,还存在诸多问题与误区:

    1. 盲目购买自动化设备和自动化产线。很多制造企业仍然认为推进智能工厂就是自动化和机器人化,盲目追求「关灯工厂」,推进单工位的机器人改造,推行机器换人,上马只能加工或装配单一产品的刚性自动化生产线。只注重购买高端数控设备,但却没有配备相应的软件系统。


    2. 尚未实现设备数据的自动采集和工厂内联网。企业在购买设备时,没有要求开放数据介面,大部分设备还不能自动采集数据,没有实现工厂内联网。目前,各大自动化厂商都有自己的工业总线和通信协议,OPC UA 标准的应用还不普及。


    3. 工厂运营层还是黑箱。在工厂运营方面还缺乏资讯系统支撑,工厂内仍然是一个黑箱,生产过程还难以实现全程追溯,与生产管理息息相关的制造 BOM 数据、工时数据也不准确。


    4. 设备绩效不高。生产设备没有得到充分利用,设备的健康状态未进行有效管理,常常由于设备故障,造成非计划性停机,影响生产。


    5. 依然存在大量资讯化孤岛和自动化孤岛。智能工厂建设涉及到智能装备、自动化控制、感测器、工业软件等领域的供应商,整合难度很大。很多企业不仅存在诸多资讯孤岛,也存在很多自动化孤岛,自动化生产线没有进行统一规划,生产线之间还需要中转库转运。


    究其塬因,是智能制造和智能工厂涵盖领域很多,系统极其复杂,企业还缺乏深刻理解。在这种状况下,制造企业不能贸然推进,搞「大跃进」,以免造成企业的投资泡汤。


    智能工厂建设,涉及很多安控、物联网、云端运算边缘运算软硬体设备,以及相关机电、弱电、网通的系统规划与安装工程业者的投入。近几年许多大型 VAR 业者如精诚资讯、凌羣等业者,以及中小型做虚拟系统的业者,纷纷投入。因此,形成生态圈将是未来重要的营运模式。


    不过一些产业的业者,仍然坚持走传统模式,口中喊着支持 MIT,但并没有真正进入垂直领域的生态圈,面对国内厂商不断的蜕变,这是目前存在的隐忧。


    二、何谓智能工厂?

    究竟何谓智能工厂?智能工厂具有以下六个显着特徵:

    1. 设备互联。能够实现设备与设备互联(M2M),透过与设备控制系统整合,以及外接感测器等方式,由 SCADA(数据采集与监控系统)即时采集设备的状态,生产完工的资讯、品质资讯,并透过应用 RFID、条码(一维和二维)等技术,实现生产过程的可追溯。


    2. 广泛应用工业软件。广泛应用 MES(制造执行系统)、APS(先进生产排程)、能源管理、品质管理等工业软件,实现生产现场的可视化和透明化。在新建工厂时,可以透过数位化工厂实境模拟软件,进行设备和产线佈局、工厂物流、人机工程等实境模拟,确保工厂结构合理。

    在推进数位化转型的过程中,必须确保工厂的数据安全,和设备和自动化系统安全。在透过专业检测设备检出次品时,不仅要能够自动与合格品分流,而且能够透过 SPC(统计过程控制)等软件,分析出现品质问题的塬因。


    3. 充分结合精益生产理念。充分体现工业工程和精益生产的理念,能够实现按订单驱动,拉动式生产,尽量减少在制品库存,消除浪费。推进智能工厂建设,要充分结合企业产品和工艺特点。在研发阶段也需要大力推进标准化、模组化和系列化,奠定推进精益生产的基础。


    4. 实现柔性自动化。结合企业的产品和生产特点,持续提升生产、检测和工厂物流的自动化程度。产品品种少、生产批量大的企业可以实现高度自动化,乃至建立关灯工厂;小批量、多品种的企业,则应当注重少人化、人机结合,不要盲目推进自动化,应当特别注重建立智能制造单元。工厂的自动化生产线和装配线应当适当考虑冗余,避免由于关键设备故障而停线;同时,应当充分考虑如何快速换模,能够适应多品种的混线生产。


    物流自动化对于实现智能工厂非常重要,企业可以透过 AGV、行架式机械手、悬挂式输送链等物流设备,实现工序之间的物料传递,并配置物料超市,尽量将物料配送到线边。品质检测的自动化也非常重要,机器视觉在智能工厂的应用,将会越来越广泛。此外,还需要仔细考虑如何使用助力设备,减轻工人劳动强度。


    5. 注重环境友好,实现绿色制造。能够及时采集设备和产线的能源消耗,实现能源高效利用。在危险和存在污染的环节,优先用机器人替代人工,能够实现废料的回收和再利用。


    6. 可以实现即时洞察。从生产排产指令的下达,到完工资讯的回馈,实现完整的循环作业。透过建立生产指挥系统,即时洞察工厂的生产、品质、能耗和设备状态资讯,避免非计划性停机。透过建立工厂的 Digital Twin(数位映射),方便地洞察生产现场的状态,辅助各级管理人员做出正确决策。


    仅有自动化生产线和工业机器人的工厂,还不能称为智能工厂。智能工厂不仅生产过程应实现自动化、透明化、可视化、精益化,而且,在产品检测、品质检验和分析、生产物流等环节,也应当与生产过程实现循环作业的整合。


    一个工厂的多个生产线之间也要实现资讯共享、准时配送和协同作业。智能工厂的建设充分融合了资讯技术、先进制造技术、自动化技术、通信技术和人工智能技术。


    每个企业在建设智能工厂时,都应该考虑如何能够有效融合,这五大领域的新兴技术,与企业的产品特点和制造工艺紧密结合,确定自身的智能工厂推进方案。


    三、智能工厂的体系架构

    着名业务流程管理专家 August-Wilhelm Scheer 教授,提出的智能工厂框架,强调了 MES 系统在智能工厂建设中的枢纽作用。

    智能工厂可以分为基础设施层、智能装备层、智能产线层、智能生产线层和工厂管控层五个层级:


    1、基础设施层

    企业首先应当建立有线或者无线的工厂网路,实现生产指令的自动下达和设备与产线资讯的自动采集;形成整合化的生产线联网环境,解决不同通讯协议的设备之间,以及 PLC、CNC、机器人、仪表/感测器,和工控/IT 系统之间的联网问题;利用影像监控系统,对生产线的环境,人员行为进行监控、辨识与警报;此外,工厂应当在温度、湿度、洁净度的控制和工业安全(包括工业自动化系统的安全、生产环境的安全和人员安全)等方面达到智能化水准。


    2、智能装备层

    智能装备,是智能工厂运作的重要手段和工具。智能装备主要包含智能生产设备、智能检测设备和智能物流设备。制造装备在经歷了机械装备到数控装备后,目前正在逐步向智能装备发展。智能化的加工中心具有误差补偿、温度补偿等功能,能够实现边检测、边加工。


    工业机器人透过整合视觉、力觉等感测器,能够准确辨识工件,自主进行装配,自动避让人,实现人机协作。金属增材制造设备可以直接制造零件,DMG MORI 已开发出能够实现,同时实现增材制造,和切削加工的混合制造加工中心。智能物流设备则包括自动化立体仓库、智能夹具、AGV、桁架式机械手、悬挂式输送链等。例如,Fanuc 工厂就应用了自动化立体仓库,作为智能加工单元之间的物料传递工具。


    3、智能产线层

    智能产线的特点是,在生产和装配的过程中,能够透过感测器、数控系统或 RFID 自动进行生产、品质、能耗、设备绩效(OEE)等数据采集,并透过电子看板,显示即时的生产状态;透过安全灯系统,实现工序之间的协作;生产线能够实现快速换模,实现柔性自动化;能够支持多种相似产品的混线生产和装配,灵活调整工艺,适应小批量、多品种的生产模式;具有一定冗余,如果生产线上有设备出现故障,能够调整到其他设备生产;针对人工操作的工位,能够给予智能的提示。


    4、智能生产线层

    要实现对生产过程进行有效管控,需要在设备联网的基础上,利用制造执行系统(MES)、先进生产排产(APS)、劳动力管理等软件,进行高效的生产排产,和合理的人员排班,提高设备利用率(OEE),实现生产过程的追溯,减少在制品库存,应用人机介面(HMI),以及工业平板等行动终端,实现生产过程的无纸化。

    另外,还可以利用 Digital Twin (数位映射)技术,将 MES 系统采集到的数据在虚拟的 3D 产线模型中,即时地展现出来,不仅提供生产线的 VR(虚拟现实)环境,而且还可以显示设备的实际状态,实现虚实融合。

    生产线物流的智能化,对于实现智能工厂非常重要。企业需要充分利用智能物流装备,实现生产过程中所需物料的及时配送。企业可以用 DPS 系统( Digital Picking System )实现物料拣选的自动化。


    5、工厂管控层

    工厂管控层,主要是实现对生产过程的监控,透过生产指挥系统,即时洞察工厂的营运,实现多个生产线之间的协作和资源的调度。流程制造企业已广泛应用 DCS 或 PLC 控制系统,进行生产管控,近年来,离散制造企业也开始建立中央控制室,即时显示工厂的营运数据和图表,展示设备的运行状态,并可以透过图像辨识技术,对影像监控中发现的问题,进行自动警报。


    四、智能工厂的成功之道

    1、进行智能工厂整体规划

    智能工厂五级金字塔工厂的建设,需要实现 IT 系统与自动化系统的资讯整合;处理来源多样的异构数据,包括设备、生产、物料、品质、能耗等海量数据;应当进行科学的厂房佈局规划,在满足生产工艺要求,优化业务流程的基础上,提升物流效率,提高工人工作的舒适程度。


    智能工厂的推进需要企业的 IT 部门、自动化部门、精益推进部门,和业务部门的通力合作。制造企业应当做好智能工厂相关技术的教育训练,选择有实战经验的智能制造咨询服务机构,共同规划推进智能工厂建设的蓝图。


    在规划时应注意行业差异性,因为不同行业的产品制造工艺差别很大,智能工厂建设的目标和重点也有显着差异。


    2、建立明确的智能工厂标准

    在智能工厂的建设中,企业往往会忽视管理与技术标准的建立,容易造成缺少数据标准,一物多码;作业标准执行不到位;缺失设备管理标准,不同的设备采用不同的通讯协议,造成设备整合难度大;管理流程复杂,职权利不匹配;质检标准执行不到位,导致批次品质问题多等问题。


    因此,需要建立明确的智能工厂标准,例如,业务流程管理规范、设备点检维护标准和智能工厂评估标准等管理规范,智能装备标准、智能工厂系统集成标准、工业网路标准,以及主数据管理标准等技术标准。


    3、重视智能加工单元建设

    目前,智能加工单元在制造企业的应用还处于起步阶段,但必然是发展的方向。智能加工单元可以利用智能技术,将 CNC、工业机器人、加工中心,以及自动化程度较低的设备,整合起来,使其具有更高的柔性,提高生产效率。


    4、强调人机协作而不是机器换人

    智能工厂的终极目标,并不是要建设成无人工厂,而应追求在合理成本的前提下,满足市场个性化客制化的需求。因此,人机协作将成为智能工厂未来发展的主要趋势。人机协作的最大特点,是可以充分利用人的灵活性,完成复杂多变的工作任务,在关键岗位上,更需要人的判断能力和决策能力显得更为重要,而机器人则擅长重复劳动。


    5、积极应用新兴技术

    未来,AR(Augmented Reality,增强现实)技术将被大量应用到工厂的设备维护,和人员教育训练中。工人带上 AR 眼镜,就可以「看到」需要操作的工作位置。例如,需要拧紧螺栓的地方,当拧到位时,会有相应提示,从而提高作业人员的工作效率;维修人员可以透过即物扫码,使虚拟模型与实物模型重合叠加,同时在虚拟模型中显示出设备型号、工作参数等资讯,并根据 AR 中的提示进行维修操作;


    AR 技术还可以帮助设备维修人员,将实物运行参数与数位模型进行对比,尽快定位问题,并给予可能的故障塬因分析。此外,数位工厂实境模拟技术,可以基于离散事件建模、3D 几何建模、可视化仿真与优化等技术,实现对工厂静态佈局、动态物流过程等综合实境模拟和分析,从而能够先建立数位化的生产系统,甚至全部工厂,依据既定工艺进行运行实境模拟。


    五、总结

    在智能制造的热潮下,企业不宜盲目跟风。建设智能工厂,应围绕企业的中长期发展策略,根据自身产品、工艺、设备和订单的特点,合理规划智能工厂的建设蓝图。在推进规范化、标准化的基础上,从最紧迫需要解决的问题入手,务实推进智能工厂的建设。