知識分享：基于精益的智能工廠解決方案
發表于：2022/3/21 9:31:28??閱讀量：?[關閉]
我國實施制造強國戰略以來，各行業積極開展智能制造實踐活動，但大部分企業處于工業2.0到工業3.0的階段，工業化基礎薄弱，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劃和優化制造流程，夯實了工業化基礎，為信息化、數字化及智能化在企業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、電子等行業得到了廣泛的應用;其有效提高了企業的生產效率和質量，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，又將生產系統的成功經驗逐步延伸到企業的研發、供應鏈管理、銷售與服務等業務領域，形成了以業務流程為主線，集成各種精益工具來規范和優化流程的精益管理體系。
(二)智能制造的定義
《智能制造發展規劃(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節，具有自感知、自學習、自決策、自執行、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
企業經營的核心是通過業務流程滿足客戶的需求，依據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務流程中的非增值環節，規范和優化業務流程，從而創造出盡可能多的價值。智能制造是將先進制造技術和數字化、物聯網、云計算等新一代信息通信技術融入業務流程的各個環節，從技術角度提高流程中增值環節的效率和質量。因此，業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化業務流程，提高業務流程質量、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據和業務流程，精益管理通過構建合適的生產組織方式及規范的流程以保證數據的準確性和穩定性。同時在信息化系統導入前，運用精益管理工具優化業務流程，也為產品生命周期系統(PLM)、企業資源技術(ERP)和制造執行系統(MES)等信息化系統的落地奠定了基礎。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務流程中，形成以信息物理系統(CPS)為載體，以關鍵制造和管理環節的智能化為核心，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務的信息物理系統(CPS)，該系統業務模型由1個物理系統和6項業務組成，如圖1所示。其中，1個物理系統指以制造資源和基礎設施為主體的智能工廠硬件，6項業務則是包含數字化工藝、智能計劃與調度、自動/透明化物流、智能設備維護、數字化檢測及智能生產管控在內的智能生產管理系統(信息化軟件系統)。所以，智能工廠包括智能工廠硬件(物理系統)、智能生產管理系統(信息化軟件系統)和精益運行管理3個組成部分。
(一)智能工廠硬件(物理系統)
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、數據采集裝備等基礎設施，應以精益思想為導向，借助三維數字化工藝、布局規劃仿真等技術手段，按照精益的原則合理確定工廠功能區、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最佳組合，系統資源得到最有效的配置和優化。
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，具備動態感知、實時分析、自主決策和精準執行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設備的互聯和集中控制;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據的精確表達、數字量傳遞及智能化決策，通過計算機管理及智能監控系統，實現全線生產參數自動采集、工藝動作自動控制、設備運行實時動態模擬顯示、工藝參數自動采集存儲，最終實現生產過程自主控制和優化的自動化、連續化生產。
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的集成，實現倉儲與配送過程的全過程優化及資源優化。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，實現物流作業過程中存儲、運輸、裝卸等環節的自動化/透明及運籌的智能化。
3.數據采集裝備
數據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據采集設備進行通信連接，實現對資源層數字化信息的實時采集、監控、統計分析和存儲等功能，為整個管控系統提供準確和值得信賴的底層數據;對上(信息系統)能實現現場數據庫的共享及系統數據指令的互相傳遞，為信息系統客戶端持續采集數據和狀態展示提供支撐。
(二)智能生產管理系統(信息化軟件系統)
智能生產管理系統是指智能工廠的信息化軟件系統，主要包括數字化工藝、智能計劃與調度、自動/透明化物流、智能設備維護、數字化檢測及智能生產管控6個方面：數字化工藝是采用數字化建模仿真技術在計算機的虛擬數字世界里實現從零件加工、零組件裝配到系統部件裝配的整個過程模擬和仿真，實現實物制造向虛擬制造的轉變。主要包括數字化工藝加工仿真、數字化裝配仿真、生產系統規劃仿真等內容。
智能計劃與調度是將智能排產系統(APS)與制造執行系統(MES)集成，實現生產計劃的自動編制、實時調度，以及計劃執行全過程可視化管理，形成物料流與信息流高度統一的高效生產計劃管控平臺。智能計劃與調度系統應包括智能排產和動態調度、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網技術、自動識別技術、數據挖掘技術和人工智能技術應用于倉儲與配送作業過程，實現物流作業過程中存儲、運輸、裝卸等環節的自動化/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故障的關鍵部件與系統，采用嵌入式采集技術及智能傳感技術，實施設備工作狀態動態監測、健康狀態評估、預測預警、故障診斷，以及遠程監控和維護，提高設備的綜合應用效率(OAEE)。
數字化檢測主要指基于三維模型的數字化檢測、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數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，實施績效指標數據采集和分析，并與績效指標數字化模型進行對比，實現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、物料和信息系統等要素的高度協同，但新的工廠很難立即達到所有要素的高度協同，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優化，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字孿生的生產過程仿真系統，歸納和提煉車間整體運行模型，并結合智能生產管理系統，持續優化資源配置、生產作業調度、生產管理策略和車間布局等。
三、智能工廠規劃流程
為規范智能工廠建設過程，筆者設計了智能工廠規劃流程，規劃流程包括設定系統目標和約束、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、調試與工程裝備7個步驟。
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