知識分享：基于精益的智能工廠解決方案
發(fā)表于：2022/3/21 9:31:28??閱讀量：?[關(guān)閉]
我國實施制造強國戰(zhàn)略以來，各行業(yè)積極開展智能制造實踐活動，但大部分企業(yè)處于工業(yè)2.0到工業(yè)3.0的階段，工業(yè)化基礎(chǔ)薄弱，因此推行智能制造需要考慮將管理技術(shù)與智能制造技術(shù)融合起來進行。近年來，相關(guān)單位通過精益生產(chǎn)、六西格瑪管理及流程管理等管理技術(shù)來規(guī)劃和優(yōu)化制造流程，夯實了工業(yè)化基礎(chǔ)，為信息化、數(shù)字化及智能化在企業(yè)落地奠定了堅實的基礎(chǔ)。
一、精益管理與智能制造的融合
(一)精益管理體系
精益生產(chǎn)方式作為先進的管理技術(shù)，起源于日本豐田公司，并從20世紀(jì)80年代開始引入我國，并在汽車、電子等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用;其有效提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率和質(zhì)量，縮短了生產(chǎn)周期，降低了生產(chǎn)成本，取得了良好的經(jīng)濟效益。精益生產(chǎn)方式在生產(chǎn)制造領(lǐng)域取得成功后，又將生產(chǎn)系統(tǒng)的成功經(jīng)驗逐步延伸到企業(yè)的研發(fā)、供應(yīng)鏈管理、銷售與服務(wù)等業(yè)務(wù)領(lǐng)域，形成了以業(yè)務(wù)流程為主線，集成各種精益工具來規(guī)范和優(yōu)化流程的精益管理體系。
(二)智能制造的定義
《智能制造發(fā)展規(guī)劃(2016—2020年)》中提出，智能制造是基于新一代信息通信技術(shù)與先進制造技術(shù)的深度融合，貫穿于產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動的各個環(huán)節(jié)，具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)等功能的新型生產(chǎn)方式。該定義的核心特點是面向制造業(yè)務(wù)流程，集合新一代通信技術(shù)和先進制造技術(shù)等技術(shù)所形成的智能制造整體解決方案。
(三)精益管理與智能制造的融合
企業(yè)經(jīng)營的核心是通過業(yè)務(wù)流程滿足客戶的需求，依據(jù)精益管理和智能制造的定義，精益管理是從管理的角度運用精益管理工具消除業(yè)務(wù)流程中的非增值環(huán)節(jié)，規(guī)范和優(yōu)化業(yè)務(wù)流程，從而創(chuàng)造出盡可能多的價值。智能制造是將先進制造技術(shù)和數(shù)字化、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等新一代信息通信技術(shù)融入業(yè)務(wù)流程的各個環(huán)節(jié)，從技術(shù)角度提高流程中增值環(huán)節(jié)的效率和質(zhì)量。因此，業(yè)務(wù)流程是智能制造和精益管理融合的共同平臺，精益管理和智能制造分別從管理和技術(shù)的角度優(yōu)化業(yè)務(wù)流程，提高業(yè)務(wù)流程質(zhì)量、效率和成本等績效指標(biāo)，更好地滿足客戶需求。精益管理是智能制造的基礎(chǔ)，智能制造的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)流程，精益管理通過構(gòu)建合適的生產(chǎn)組織方式及規(guī)范的流程以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。同時在信息化系統(tǒng)導(dǎo)入前，運用精益管理工具優(yōu)化業(yè)務(wù)流程，也為產(chǎn)品生命周期系統(tǒng)(PLM)、企業(yè)資源技術(shù)(ERP)和制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)等信息化系統(tǒng)的落地奠定了基礎(chǔ)。因此，基于精益的智能工廠定義是以精益思想為指導(dǎo)，將先進制造技術(shù)、信息通信技術(shù)和管理技術(shù)融合到制造業(yè)務(wù)流程中，形成以信息物理系統(tǒng)(CPS)為載體，以關(guān)鍵制造和管理環(huán)節(jié)的智能化為核心，以提高QCD(即質(zhì)量(Quality)、成本(Cost)及交貨期(Delivery)績效為目標(biāo)的新型生產(chǎn)方式。
二、智能工廠組成部分
智能工廠是生產(chǎn)制造業(yè)務(wù)的信息物理系統(tǒng)(CPS)，該系統(tǒng)業(yè)務(wù)模型由1個物理系統(tǒng)和6項業(yè)務(wù)組成，如圖1所示。其中，1個物理系統(tǒng)指以制造資源和基礎(chǔ)設(shè)施為主體的智能工廠硬件，6項業(yè)務(wù)則是包含數(shù)字化工藝、智能計劃與調(diào)度、自動/透明化物流、智能設(shè)備維護、數(shù)字化檢測及智能生產(chǎn)管控在內(nèi)的智能生產(chǎn)管理系統(tǒng)(信息化軟件系統(tǒng))。所以，智能工廠包括智能工廠硬件(物理系統(tǒng))、智能生產(chǎn)管理系統(tǒng)(信息化軟件系統(tǒng))和精益運行管理3個組成部分。
(一)智能工廠硬件(物理系統(tǒng))
智能工廠硬件是指與智能工廠相關(guān)的制造資源及基礎(chǔ)設(shè)施，主要包括智能化裝備/生產(chǎn)線、智能物流與倉儲設(shè)施、數(shù)據(jù)采集裝備等基礎(chǔ)設(shè)施，應(yīng)以精益思想為導(dǎo)向，借助三維數(shù)字化工藝、布局規(guī)劃仿真等技術(shù)手段，按照精益的原則合理確定工廠功能區(qū)、生產(chǎn)線、物流及庫存的相互關(guān)系，使人員、設(shè)備、工裝、物料、信息軟件等因素實現(xiàn)最佳組合，系統(tǒng)資源得到最有效的配置和優(yōu)化。
1. 智能化裝備/生產(chǎn)線
智能化裝備/生產(chǎn)線是指具有感知、分析、推理、決策和控制功能的制造裝備/生產(chǎn)線，它是先進制造技術(shù)、信息通信技術(shù)的集成和深度融合，具備動態(tài)感知、實時分析、自主決策和精準(zhǔn)執(zhí)行4個智能化特征。智能化裝備主要包括智能生產(chǎn)設(shè)備與工業(yè)機器人、增材制造設(shè)備、傳感與控制裝備、檢測與裝配裝備、物流與倉儲裝備等智能制造裝備，智能制造裝備具有采集器、嵌入式控制器、智能儀表和傳感器，以及智能通信接口等集成層的生產(chǎn)裝備，可以通過通信技術(shù)實現(xiàn)設(shè)備的互聯(lián)和集中控制;智能生產(chǎn)線是按產(chǎn)品成組化原則組織起來，完成產(chǎn)品工藝過程并具有數(shù)字化和智能化特征的一種生產(chǎn)組織方式，智能生產(chǎn)線應(yīng)在精益生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上解決制造數(shù)據(jù)的精確表達、數(shù)字量傳遞及智能化決策，通過計算機管理及智能監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)全線生產(chǎn)參數(shù)自動采集、工藝動作自動控制、設(shè)備運行實時動態(tài)模擬顯示、工藝參數(shù)自動采集存儲，最終實現(xiàn)生產(chǎn)過程自主控制和優(yōu)化的自動化、連續(xù)化生產(chǎn)。
2. 智能物流與倉儲設(shè)施
智能物流與倉儲設(shè)施是以條形碼、傳感器等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，利用先進的信息采集、傳遞和管理技術(shù)及智能處理技術(shù)實施倉儲與物流系統(tǒng)的集成，實現(xiàn)倉儲與配送過程的全過程優(yōu)化及資源優(yōu)化。智能物流與倉儲設(shè)施包括智能化倉儲設(shè)備和自動物流，包括電子料架、自動化倉庫、智能料倉等自動或半自動倉儲設(shè)備，以及自動傳送帶、AGV機器人、自動叉車等配送設(shè)施，實現(xiàn)物流作業(yè)過程中存儲、運輸、裝卸等環(huán)節(jié)的自動化/透明及運籌的智能化。
3.數(shù)據(jù)采集裝備
數(shù)據(jù)采集裝備包含電子標(biāo)簽、掃描設(shè)備、采集器、視覺設(shè)備、智能傳感器、采集軟件等，對下能夠?qū)⒏鞣N類型的數(shù)據(jù)采集設(shè)備進行通信連接，實現(xiàn)對資源層數(shù)字化信息的實時采集、監(jiān)控、統(tǒng)計分析和存儲等功能，為整個管控系統(tǒng)提供準(zhǔn)確和值得信賴的底層數(shù)據(jù);對上(信息系統(tǒng))能實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)庫的共享及系統(tǒng)數(shù)據(jù)指令的互相傳遞，為信息系統(tǒng)客戶端持續(xù)采集數(shù)據(jù)和狀態(tài)展示提供支撐。
(二)智能生產(chǎn)管理系統(tǒng)(信息化軟件系統(tǒng))
智能生產(chǎn)管理系統(tǒng)是指智能工廠的信息化軟件系統(tǒng)，主要包括數(shù)字化工藝、智能計劃與調(diào)度、自動/透明化物流、智能設(shè)備維護、數(shù)字化檢測及智能生產(chǎn)管控6個方面：數(shù)字化工藝是采用數(shù)字化建模仿真技術(shù)在計算機的虛擬數(shù)字世界里實現(xiàn)從零件加工、零組件裝配到系統(tǒng)部件裝配的整個過程模擬和仿真，實現(xiàn)實物制造向虛擬制造的轉(zhuǎn)變。主要包括數(shù)字化工藝加工仿真、數(shù)字化裝配仿真、生產(chǎn)系統(tǒng)規(guī)劃仿真等內(nèi)容。
智能計劃與調(diào)度是將智能排產(chǎn)系統(tǒng)(APS)與制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)集成，實現(xiàn)生產(chǎn)計劃的自動編制、實時調(diào)度，以及計劃執(zhí)行全過程可視化管理，形成物料流與信息流高度統(tǒng)一的高效生產(chǎn)計劃管控平臺。智能計劃與調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)包括智能排產(chǎn)和動態(tài)調(diào)度、生產(chǎn)準(zhǔn)備、異常管理、人機互動、改善提案、質(zhì)量管理、可視化績效管理和資源管理等模塊。
自動/透明化物流是將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、自動識別技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和人工智能技術(shù)應(yīng)用于倉儲與配送作業(yè)過程，實現(xiàn)物流作業(yè)過程中存儲、運輸、裝卸等環(huán)節(jié)的自動化/透明化，主要包括原材料配送、刀具配送、零件配送等。
智能設(shè)備維護指圍繞設(shè)備容易引發(fā)故障的關(guān)鍵部件與系統(tǒng)，采用嵌入式采集技術(shù)及智能傳感技術(shù)，實施設(shè)備工作狀態(tài)動態(tài)監(jiān)測、健康狀態(tài)評估、預(yù)測預(yù)警、故障診斷，以及遠程監(jiān)控和維護，提高設(shè)備的綜合應(yīng)用效率(OAEE)。
數(shù)字化檢測主要指基于三維模型的數(shù)字化檢測、在線檢測及質(zhì)量信息實時查詢和維護，通過智能化質(zhì)量檢測實現(xiàn)數(shù)字化質(zhì)量信息的采集、傳輸、分析、判斷及預(yù)警。
智能生產(chǎn)管控是在信息系統(tǒng)集成的基礎(chǔ)上，通過管理駕駛艙、智能報表等建立可視化分級績效指標(biāo)儀表艙系統(tǒng)，實施績效指標(biāo)數(shù)據(jù)采集和分析，并與績效指標(biāo)數(shù)字化模型進行對比，實現(xiàn)對流程的過程異常進行預(yù)測和預(yù)警，并自動生成糾正措施或輔助管理層實施決策。
(三)精益運行管理
精益管理是智能工廠按照既定的流程實施運行以保證達到預(yù)定的績效指標(biāo)并持續(xù)改進的過程。智能工廠的運行要達到預(yù)定的績效指標(biāo)需要人員、設(shè)備、工裝、物料和信息系統(tǒng)等要素的高度協(xié)同，但新的工廠很難立即達到所有要素的高度協(xié)同，因此智能工廠往往需要建立以精益思想和精益工具應(yīng)用為主體的精益運行和改進流程，通過運用價值流分析、根本原因分析、標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)等精益工具找到智能工廠運行過程的問題，運用先進制造技術(shù)、信息技術(shù)及管理工具等實施持續(xù)優(yōu)化，才能最終達到工廠預(yù)定的生產(chǎn)能力、效率和質(zhì)量等績效指標(biāo)。同時，在信息集成的基礎(chǔ)上建立基于數(shù)字孿生的生產(chǎn)過程仿真系統(tǒng)，歸納和提煉車間整體運行模型，并結(jié)合智能生產(chǎn)管理系統(tǒng)，持續(xù)優(yōu)化資源配置、生產(chǎn)作業(yè)調(diào)度、生產(chǎn)管理策略和車間布局等。
三、智能工廠規(guī)劃流程
為規(guī)范智能工廠建設(shè)過程，筆者設(shè)計了智能工廠規(guī)劃流程，規(guī)劃流程包括設(shè)定系統(tǒng)目標(biāo)和約束、工藝方案設(shè)計與仿真、生產(chǎn)線布局設(shè)計、倉儲與物流設(shè)計、整體布局設(shè)計與仿真、管理流程設(shè)計與信息系統(tǒng)、調(diào)試與工程裝備7個步驟。
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