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數字化工廠的框架與落地實踐
2016-08-24    來源:知識自動化    發布者:柏雋
數字化工廠正在閃現迷人的色彩,制造業正在被其光芒所吸引。然而輝光之中,很多企業也被各種相互矛盾和相互糾纏的概念所混淆,大家都渴望自己擁有一個洞開一切的神器。而數字化工廠,的確是一道有著清晰軌跡的光路,它在指引,那些走向理解智能工廠和工業4.0的必經之路。 
數字化工廠的
定義
雖然國內外對數字化工廠的研究越來越多,但是對于數字化工廠的定義確沒有統一的定論。就目前而言,存在兩種數字化工廠的定義,一種是廣義的,一種是狹義的。 
廣義數字化工廠
 
以生產產品或提供服務的制造企業為核心企業,以及相關聯的成員,包括核心制造企業、供應商、軟件系統服務商合作伙伴、協作廠商、客戶、分銷商、銀行等,使其生產與經營過程中所有信息數字化的動態聯盟。
狹義數字化工廠
 
以制造資源(resource)、生產操作(operation)和產品(product)為核心,以產品生命周期數據為基礎,應用仿真技術、虛擬現實技術、實驗驗證技術等,是產品在生產工位、生產單元、生產線以及整個工廠中的所有真實活動虛擬化,并對加工和裝配過程進行仿真、試驗、分析、優化的一種集成組織方式。
筆者傾向并采用的概念為狹義的數字化工廠。
實際上,這也符合工廠企業的實際認知。數字化工廠將產品信息數字化、過程信息數字化和資源物料信息數字化,并使這三種數字化流進行有效結合,是真實工廠的制造過程(包括設計、性能分析、工藝規劃、加工制造、質量檢測、生產過程管理和控制),在計算機上的一種映射。
數字化工廠、智能工廠與工業4.0
 
工業4.0官方的說法文字太多,簡單說,有兩個維度,技術維度就是物聯網和服務在制造業的應用,而商業維度就是用戶驅動。其兩大主題也是讀者耳熟能詳,一是“智能工廠”,重點研究智能化生產系統及過程,以及網絡化分布式生產設施的實現;二是“智能生產”,主要涉及整個企業的生產物流管理、人機互動以及3D技術在工業生產過程中的應用等。
 
 
 
數字化工廠和工業4.0之間隔著一個智能工廠的距離。
 
 
關于工業4.0的階段和實施先決條件,北航劉強教授說過一段話非常經典的“三不要原則”,第一,不要在不具備成熟的工藝下做自動化,工藝如果不成熟,就最好先做生產線,這是工業2.0解決的問題。第二,不要在管理不成熟的時候做信息化,這是工業3.0解決的問題。第三,不要在不具備網絡化和數字化的基礎時做智能化,這是工業4.0解決的問題。 
數字化本身其實就是智能的一部分,是一個入口;而智能工廠是在數字化工廠的基礎上附加了物聯網技術和各種智能系統等新興技術于一體,提高生產過程可控性、減少生產線人工干預。
 
數字化工廠是智能工廠的落腳點,而智能工廠又是工業4.0的基礎和落腳點。只有實現了數字化工廠,才有可能實現工業4.0。
數字化工廠的
路徑
數字化工廠是在信息集成的基礎上,對研發、制造、管理等各個環節進行全面的過程集成,構建數字化工廠是一項艱巨并且復雜的系統工程。
而任何復雜系統工程的實施都離不了系統建模、系統仿真、系統分析和優化,同樣數字化工廠也不能例外。
首先要全面了解數字化工廠,建立數字化工廠的模型和參考架構,然后需要有一套完整的方法論、工具和流程對數字化工廠的各個階段進行建模、規劃、分析和優化。
企業數字化轉型框架
上圖中的參考架構即是筆者研究參考了眾多工業4.0框架體系后,提出的針對企業的數字化轉型框架模型,重點是根據當前企業現狀從管理咨詢維度和IT信息化維度,分解智能制造時代數字化車間、數字化工廠和數字化企業的層級關系,面向落地和實施。
 
隨著現代制造對產品開發的要求不斷挑,以及產品逐步轉向多品種、小批量的訂單模式,企業內各系統之間的統一性與有效整合問題就逐漸浮出水面。
目前大多數企業面臨的是對原來工廠,從基礎信息化與自動化向數字化改造的問題。
無論是建新廠還是改造老廠,首先要面對的問題就是數字化工廠的規劃,而每一家企業所處的階段都不盡相同,這就需要梳理企業現狀,量身剪裁出合身的數字化工廠規劃藍圖。如下圖所示,數字化工廠的建設x軸代表這技術水平,y軸代表著管理水平。管理水平從基礎管理、標準化管理一直到集成化管理、智能化管理。技術水平從基礎IT與自動化,到業務流程變革,再到系統集成,最后實現CPS。企業可以根據自身所處的階段,重點關注本階段需要重點去推進的事情,做到2.0補課,3.0普及,4.0目標。 
數字化工廠實施路徑圖
在數字化工廠的建設過程中,有了細致周密的數字化規劃藍圖,就擁有了數字化工廠建設的基點和指南針。接下來就應該選擇最合適的技術,這里注意不是最先進的技術,先進的技術并不一定在企業數字化建設中發揮最大的效用,需要根據企業自身功能和用途需求合理決策。在信息化程度還比較低的企業,RFID技術的使用,不見得比條碼技術更實用。
制造業的數字化工廠建設是一個大的系統工程,并非幾天、幾個月就能建設好并投入使用的,需要一個較長的實施周期,不能跨越式建設。
每個階段都是以前一個階段為基礎,逐步推進的,而且很多問題并不是技術上的問題,而是管理、組織方式、觀念的變革。
 
這是對管理者真正的考驗。管理者需要痛下決心,付出耐心。而這同時也對數字化工廠的咨詢顧問,提出了非常綜合的要求:需要了解企業管理、懂技術實現、懂生產運營等等。員工的士氣也是一個重要考量。這是一個學習型的漸進過程,三方都必須深浸其中,才能推進全面的數字化建設。
數字化工廠規劃
核心要素
數字化工廠的建設的核心要素可以歸納為工廠裝備數字化、工廠物流數字化、設計研發數字化、生產過程數字化,如下圖所示。通過這四個方面的建設,帶動產品設計方法和工具的創新、企業管理模式的創新。工業4.0和數字化工廠的相關技術將促進產業鏈和價值鏈的分工重組,傳統的行業界限將消失,并會產生各種新的業態和合作形式,形成自動化、信息化、一體化、精益化、集成化的數字化工廠。 
核心四要素
這其中工廠裝備數字化,是數字化工廠建設的前提和基礎,為設計、研發、生產等各個環節提供基礎數據的支持。工控產品,如PLC、伺服電機、傳感器等仍然是數字化工廠不可或缺的部分。
 
在此基礎上,工廠物流能夠從被動感知變為主動感知,實現透明、安全和高效,包括產品運輸過程跟蹤,運輸車輛跟蹤定位,物料出庫,物料配送上線等。
 
 
更加重要和經常被切斷的環節,來自上游的設計。
 
 
 
通過設計研發數字化,從而實現設計、工藝、制造、檢測等各業務的高度集成,包括CAD/CAPP/CAE/CAM/PLM的集成,虛擬仿真技術,MDB模型的應用,產品全生命周期管理等。
 
生產過程的數字化主要是利用數字化的手段應對更復雜的車間生產過程管理,這其中最重要的是制造執行系統MES的建設以及MES與ERP/PLM和車間現場自動化控制系統的交互。
MES在智能制造領域的作用越來越明顯。
 
它既是一個相對獨立的軟件系統又是企業信息傳遞路由器,匯集市場與服務、產品設計、MRP/ERP、供應鏈等信息,并轉化為詳細的生產作業指令,從而實現復雜產品制造過程生產現場的管理與控制。MES向上承接ERP下達的生產計劃以及PLM經過仿真驗證的產品BOM,向下銜接車間現場SCADA控制系統,彌補了ERP與車間過程控制之間的真空,實現了工業4.0所強調的垂直方向上的集成以及貫穿價值鏈的端到端工程數字化集成。
 
下面這張圖充分的反映了數字化工廠幾大核心系統之間的數據信息流動關系,強調了不同系統之間的應用邊界和交互界面。 
數字化工廠的
標桿
西門子工業軟件大中華區技術總經理方志剛先生有一張圖,非常清晰地表達了一個數字化工廠的完美嬗變和日益成形的工業4.0工廠。 
我們需要去全球最負盛名的西門子安貝格工廠,學習什么?
 
這張圖耐人尋味地表達了一個三十年的歷程。從82年開始引入車間管理系統起,到RFID的引入,到數據優化的管理,到工藝路線管理系統。
它是一個蝶變的過程,也是一個持續改善的過程。
這座外觀與工人數量基本維持原狀、連生產面積都未增加的工廠,三十多年一直向著一個光芒之地在自我進化。我們知道,那個光芒之地,正是我們心目中的工業4.0圣地。在這個演化過程中,該工廠的產能較26年前提升了8倍,每年可生產約1200萬件Simatic系列產品,按每年生產230 天計算,差不多平均每秒就能生產出一件產品。
 
而西門子成都工廠作為安貝格的姊妹工廠,是西門子在德國之外的首家數字化企業,也是西門子在全球第三個工業自動化產品研發中心。從2011年10月,西門子與成都市政府雙方簽署投資協議,到2013年9月,工廠正式建成投產。
 
 
 
 
從簽署協議到全部建成只用了不到三年的時間。
西門子安貝格工廠的30年是先驅的探索,西門子成都工廠的3年是在安貝格工廠30年經驗和技術積累基礎上的厚積薄發。沿著標桿工廠的建設足跡,我們會發現做到這個高度不可能是一蹴而就的,需要在最佳實踐的基礎上科學規劃,一步一個腳印,腳踏實地,摒棄浮躁。
作者

柏雋:西門子研究院高級顧問,關注工業4.0和數字化轉型,有興趣交流請加

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責任編輯:王繼宏
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