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)化基礎薄弱，因此推行智能制造需要考慮將管理技術與智能制造技術融合起來進行。近年來，相關單位通過精益生產、六西格瑪管理及流程管理等管理技術來規(guī)劃和優(yōu)化制造流程，夯實了工業(yè)化基礎，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。
一、精益管理與智能制造的融合
(一)精益管理體系
精益生產方式作為先進的管理技術，起源于日本豐田公司，并從20世紀80年代開始引入我國，并在汽車、電子等行業(yè)得到了廣泛的應用;其有效提高了企業(yè)的生產效率和質量，縮短了生產周期，降低了生產成本，取得了良好的經濟效益。精益生產方式在生產制造領域取得成功后，又將生產系統(tǒng)的成功經驗逐步延伸到企業(yè)的研發(fā)、供應鏈管理、銷售與服務等業(yè)務領域，形成了以業(yè)務流程為主線，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與先進制造技術的深度融合，貫穿于產品設計、生產、管理、服務等制造活動的各個環(huán)節(jié)，具有自感知、自學習、自決策、自執(zhí)行、自適應等功能的新型生產方式。該定義的核心特點是面向制造業(yè)務流程，集合新一代通信技術和先進制造技術等技術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)經營的核心是通過業(yè)務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)務流程中的非增值環(huán)節(jié)，規(guī)范和優(yōu)化業(yè)務流程，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和數(shù)字化、物聯(lián)網、云計算等新一代信息通信技術融入業(yè)務流程的各個環(huán)節(jié)，從技術角度提高流程中增值環(huán)節(jié)的效率和質量。因此，業(yè)務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的角度優(yōu)化業(yè)務流程，提高業(yè)務流程質量、效率和成本等績效指標，更好地滿足客戶需求。精益管理是智能制造的基礎，智能制造的基礎是數(shù)據(jù)和業(yè)務流程，精益管理通過構建合適的生產組織方式及規(guī)范的流程以保證數(shù)據(jù)的準確性和穩(wěn)定性。同時在信息化系統(tǒng)導入前，運用精益管理工具優(yōu)化業(yè)務流程，也為產品生命周期系統(tǒng)(PLM)、企業(yè)資源技術(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。因此，基于精益的智能工廠定義是以精益思想為指導，將先進制造技術、信息通信技術和管理技術融合到制造業(yè)務流程中，形成以信息物理系統(tǒng)(CPS)為載體，以關鍵制造和管理環(huán)節(jié)的智能化為核心，以提高QCD(即質量(Quality)、成本(Cost)及交貨期(Delivery)績效為目標的新型生產方式。
二、智能工廠組成部分
智能工廠是生產制造業(yè)務的信息物理系統(tǒng)(CPS)，該系統(tǒng)業(yè)務模型由1個物理系統(tǒng)和6項業(yè)務組成，如圖1所示。其中，1個物理系統(tǒng)指以制造資源和基礎設施為主體的智能工廠硬件，6項業(yè)務則是包含數(shù)字化工藝、智能計劃與調度、自動/透明化物流、智能設備維護、數(shù)字化檢測及智能生產管控在內的智能生產管理系統(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的制造資源及基礎設施，主要包括智能化裝備/生產線、智能物流與倉儲設施、數(shù)據(jù)采集裝備等基礎設施，應以精益思想為導向，借助三維數(shù)字化工藝、布局規(guī)劃仿真等技術手段，按照精益的原則合理確定工廠功能區(qū)、生產線、物流及庫存的相互關系，使人員、設備、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/生產線
智能化裝備/生產線是指具有感知、分析、推理、決策和控制功能的制造裝備/生產線，它是先進制造技術、信息通信技術的集成和深度融合，具備動態(tài)感知、實時分析、自主決策和精準執(zhí)行4個智能化特征。智能化裝備主要包括智能生產設備與工業(yè)機器人、增材制造設備、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裝備，可以通過通信技術實現(xiàn)設備的互聯(lián)和集中控制;智能生產線是按產品成組化原則組織起來，完成產品工藝過程并具有數(shù)字化和智能化特征的一種生產組織方式，智能生產線應在精益生產線的基礎上解決制造數(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)全線生產參數(shù)自動采集、工藝動作自動控制、設備運行實時動態(tài)模擬顯示、工藝參數(shù)自動采集存儲，最終實現(xiàn)生產過程自主控制和優(yōu)化的自動化、連續(xù)化生產。
2. 智能物流與倉儲設施
智能物流與倉儲設施是以條形碼、傳感器等物聯(lián)網技術為基礎，利用先進的信息采集、傳遞和管理技術及智能處理技術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。智能物流與倉儲設施包括智能化倉儲設備和自動物流，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備，以及自動傳送帶、AGV機器人、自動叉車等配送設施，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簽、掃描設備、采集器、視覺設備、智能傳感器、采集軟件等，對下能夠將各種類型的數(shù)據(jù)采集設備進行通信連接，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)智能生產管理系統(tǒng)(信息化軟件系統(tǒng))
智能生產管理系統(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、智能計劃與調度、自動/透明化物流、智能設備維護、數(shù)字化檢測及智能生產管控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、生產系統(tǒng)規(guī)劃仿真等內容。
智能計劃與調度是將智能排產系統(tǒng)(APS)與制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)集成，實現(xiàn)生產計劃的自動編制、實時調度，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)一的高效生產計劃管控平臺。智能計劃與調度系統(tǒng)應包括智能排產和動態(tài)調度、生產準備、異常管理、人機互動、改善提案、質量管理、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)網技術、自動識別技術、數(shù)據(jù)挖掘技術和人工智能技術應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。
智能設備維護指圍繞設備容易引發(fā)故障的關鍵部件與系統(tǒng)，采用嵌入式采集技術及智能傳感技術，實施設備工作狀態(tài)動態(tài)監(jiān)測、健康狀態(tài)評估、預測預警、故障診斷，以及遠程監(jiān)控和維護，提高設備的綜合應用效率(OAEE)。
數(shù)字化檢測主要指基于三維模型的數(shù)字化檢測、在線檢測及質量信息實時查詢和維護，通過智能化質量檢測實現(xiàn)數(shù)字化質量信息的采集、傳輸、分析、判斷及預警。
智能生產管控是在信息系統(tǒng)集成的基礎上，通過管理駕駛艙、智能報表等建立可視化分級績效指標儀表艙系統(tǒng)，實施績效指標數(shù)據(jù)采集和分析，并與績效指標數(shù)字化模型進行對比，實現(xiàn)對流程的過程異常進行預測和預警，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定的績效指標并持續(xù)改進的過程。智能工廠的運行要達到預定的績效指標需要人員、設備、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、標準作業(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、信息技術及管理工具等實施持續(xù)優(yōu)化，才能最終達到工廠預定的生產能力、效率和質量等績效指標。同時，在信息集成的基礎上建立基于數(shù)字孿生的生產過程仿真系統(tǒng)，歸納和提煉車間整體運行模型，并結合智能生產管理系統(tǒng)，持續(xù)優(yōu)化資源配置、生產作業(yè)調度、生產管理策略和車間布局等。
三、智能工廠規(guī)劃流程
為規(guī)范智能工廠建設過程，筆者設計了智能工廠規(guī)劃流程，規(guī)劃流程包括設定系統(tǒng)目標和約束、工藝方案設計與仿真、生產線布局設計、倉儲與物流設計、整體布局設計與仿真、管理流程設計與信息系統(tǒng)、調試與工程裝備7個步驟。
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