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董健:智能工厂总体规划及实施指南
2016-08-21    来源:    发布者:

董健  南京优倍电气有限公司董事长

名校硕导:南京大学控制工程专业硕士生导师

重量级Title傍身:工信部智能制造标准化项目工作组 专家、南京智能制造产业联盟 秘书长、全国工业测量与控制标准化技术委员会委员、全国工业电气防爆设备标准化技术委员会委员、中国仪器仪表学会 常务理事、江苏省自动化学会工业自控专业委员会副秘书长、南京自动化及仪表协会 副理事长。

原文实录

 

 

尊敬的各位智能制造及信息化的同行们,尊敬的主持人,协会的各位朋友们,大家晚上好。非常高兴受邀今天晚上跟各位交流信息化及智能制造方面的工作。以下就以我们工作中的一些体会与各位领导,各位专家进行交流、分享。其中一定会有很多不足之处,希望各位及时提出,以便我们共同探讨,谢谢。

好,第一份是关于智能制造两个核心路线的PPT,在我今天所分享的PPT中有一部分是在前期课程中有过分享,但考虑到有不少朋友没有听到当时的这个交流,所以我今天再提出和大家讨论。

从这页PPT中大家可以看到智能制造要遵循两个核心路线,一个核心路线是国家给出的“中国制造2025”纲要,这个纲要其中体现出五个重要方面,一个是创新驱动,质量为先,绿色发展,结构优化,人才为本。所以说我们在做自己工厂智能制造工作的时候,首先要尊从这五个方向,否则我们会没有方向目标或者就无法达成核心价值。第二个就是关于智能工厂建设的标准化路线,那就是说国家在2015年年底在上海发布的《国家智能制造标准化建设指南》,这个指南也给出了有三个方面要素,涉及维度、共性基础、关键技术等,今天我就不再一一解读了,大家可以看一下PPT上都有。其实以上两个核心路线的内容在网上都可以查到。

这份PPT给大家明晰了智能制造的工作方向和目标。做智能制造,不能盲目,不能随从,更不能按照自己的想象去做,要遵循国家的政策和标准化路线指南。这倒不是说标准化一定正确的、必须遵守的,但是需要了解的是,标准化一定是经过了多少年的积累和总结,是在我国及国际上的共同认识的基础上的技术总结。

 

这个是我们建设智能工厂所需要遵循的一个实施步骤,应该说做智能工厂很多企业不知道如何着手去做,有的企业先买了很多先进的自动化装备,而有的企业认为先做信息化,其实该怎么做智能制造,首先要做的并不是具体工作,而是总体规划。

首先我们明确我们究竟为何要做智能制造、最终要达成怎样的具体目标?要回答这个问题,那就必须首先对企业的现状要进行调研。我们说智能制造有目标,未来要完成怎样的成本降低、怎样的质量提升、怎样的人员效率提高等,那么如果不把当前的基础情况做一个详细调研,今后就没有基础数据资料可以比对,因此这是必须做的前期基础工作。这个工作做完之后,第二个要做一个政策对接,国家对智能制造给了很多政策,包括给了重点行业的发展方向,企业做智能制造的投入都很大,也都希望得到政府的支持甚至扶持,那就需要去学习、研究国家、省、市、区各级政府针对智能制造所给的政策,并在符合企业项目技术路线的前提下做好对接。国家是工信部,省市是是经信委,区一级是工信局等,还有科技、技改、中小企业发展等各个部门对于智能制造给出了很多扶持政策,我们希望企业去主动联系一下这些政府部门,争取能够得到政府的各类扶持,以进一步促进项目投入的力度。我们优倍电气由于智能制造工作起步早、成效明显,投入也较大,也获得了江苏省、南京市智能示范车间,去年共获得政府近200万扶持资金。

给企业智能制造设计技术路线非常重要,技术路线决定了企业做智能制造的一个总体的技术思路。在技术路线中我们会提及两化融合,因为两化融合是基础工作,如果两化工作没做好,那么智能制造就必然缺乏技术基础。

同时,制定项目达成后的质量目标尤为重要,我们做智能制造核心是什么?我们认为首先是质量,其次当然还有成本目标、安全,绿色制造、人才计划、信息化方案、自动化方案、项目进度等等,最后是一个投入预算。由于时间所限,我就不一一分解解读,PPT列表中也有较为详细的描述请大家参考。

只有在对企业做好一个较为完善的总体规划的前提之下,我们才能开始着手开展投入逐步实施智能制造,才能实施做落地的工作。

下面的问题是项目落地后首先做什么?仍然还是需要在总体规划的指导下,要分步骤、按规划进行。

据我对多家准备做智能工厂的企业了解及与他们交流,很多企业的规划初期显得很盲目,目标很高大上,一开始就要提出要实现无人化生产、要上机器人,最好还是艾法狗一样的机器人、要互联网+制造、要虚拟仿真、要做亚马逊一样的智能物流、最好整几台3D打印机最好了等等,很明显这是被一些“工业4.0枪手级专家”(这目前好像形成了一个圈子,不少自称专家的人到处演讲、写檄文级文章,乐此不彼)言论误导的结果,有这样的想法很好,但工作要分步分阶段、按目标阶段去做。首先,我们要实现第一期目标,第一期目标是什么呢?那就是基础的信息化工作,包括ERP、CRM和PDM,基础的信息化工作先做扎实,先做好我们再往下再做其他的工作。那么在这基础工作中可以看到除了信息化之外,我们要有装备的引进,在前期工作,前期总体规划做完之后,我们就知道我们的自动化和信息化该做到怎样的深度和广度,此时此刻就要考虑我们的先进的智能装备该怎么引进、该怎么定制,包括机器人集成,那么除此装备之外还有物联网系统,包括实施企业的工业总线连通,各关键生产工艺数据采集等等,这些方面的工作完成扎扎实实地完成之后,我们可以认为一期工作基本结束,企业才可以具备再往前跨到下一个目标的基础了。

好,我们一期工作做完之后,我们认为这个企业具备了基础的自动化以及信息化的基础,那么这个时候开展第二期工作。第二期工作我们可以理解为工业3.0,这有点片面,也不一定确切,因为经过德国他们自己评估,那么西门子数字工厂也不过才工业3.2,那么叫博世可能稍微好一点,但也不过工业3.3。其实,我们说2.0、3.0并不是一个数学的量化概念,它其实只是一个目标。第二期做什么呢?大家可以看到PPT中写到数字车间的信息化,其中智能制造最核心的软件——MES、PLM得到实施和应用,这可以对等于“月球上的一小步、人类进步的一大步”,同时,ERP也往前跨越了一大步,它不再进行是财务管理等,而是联接生产制造过程的数据管控。

在其中可以看到,我们的ERP已开始涉及排产,其次,整个产线实现了条码管理,车间工段、工艺实现了可视化,包括建立了的物料追溯体系,如电子厂可以做到从板卡到元器件到仓库成品半成品的全流程的物料追溯。这一阶段还实现自动化物流,包括简单的AGV小车,就是A到B,B到C的AGV控制点对点路径的自行小车。同时对应用了质量管控模块,自动形成产品质量报表、质量数据,甚至包括质量分析,实现了对每台设备进行能源管控和管理,包括我们工厂的废水、气等有害物质排放监控,实现了对生产设备、工具使用能效及维护的管理等等。以上这些工作完成后,我们认为这个企业的信息化以及智能化水平已经达到了一个相当的高度。我们《数字化车间通用技术要求》标准工作组目前正在编写数字化车间的技术性评估标准,如果达到我们这个PPT上所给出的第二期目标,那么拿到70分应该没有问题,因为它已经具备了一个企业的智能制造的基础,而且做的也很好了。

那么再往下是三期。有了二期的良好基础,自然对三期的目标要求更高,它是向着工业3.2甚至是工业3.5迈进,需从根本上大幅提升信息化及管控软件的水平,将生产由数字化一步推向智能化的高度。

在这工作里面我们可以看到排产工作不再是由ERP主导的、简单的、需要人工参与的、几乎无法与设备直接对接的计划性排产,而是要实现ERP-MES的智能对接,它要充分考虑我们的产品生产周期、产品的研发过程中的工艺制程反馈、包括设备运行、维护要素、人的因素、环境因素等等,综合产生的可实际应用的智能排产。智能化物流不再是一个A到B,B到C的简单的路线,它是一个与车间布局、生产计划、生产效能、仓储、人机、路径优化、安全因素等相关的一个智能化的物流体系。那么质量管理也不再是一个产生质量报表,它要具有对产品质量优化的过程,后面还有提及智能诊断,精细化成本管理等等,因为时间问题就不多解读了。可见三期完成后车间才可以实现真正的智能化管理。

接下来请看第四期,第四期我们可以说在迈向工业4.0,应该说这是一个接近理想的一个智能工厂的目标。它的设计采用了智能设计,这其实是包括了产品全生命周期的智能化设计、反馈、改进、再设计的过程,也可以实现协同设计等等,仿真优化,它不仅包括了产品研发过程中的仿真,还包括对产品的生产过程中的工艺仿真,包括生产节拍、流程、质量、成本、能耗等仿真。智能决策,包括配合企业市场行为的各种决策等。此时,即可将智能车间的概念升级为智能工厂了。

我们认为建设一个智能工厂需要按照以上步骤分步骤实施,最终逐步迈向工业4.0的目标。当然工业4.0并没有具体的目标,更没有终点,它永远是一个根据市场、企业的需求,不断完善、不断发展的过程。

 

好,大家可以看到这两页,这两页PPT其实是对上一页总体规划的一个分解。这里面对每一步的工作进行了详细的提出了一个要求和工作的目标。我就不一一解读了,上面写的非常清楚。我们希望一个智能制造企业在做工作之前首先要做总体规划。因为根据这几年的工作经验,我也负责一些项目的,为他们做一些规划,一些大的企业可能一年产值几百个亿,小企业一年产值几千万,有时候邀请我去做规划,看他们方案。其实看完之后才知道,其实很多企业是没有这么一个思路的。要么车间提出来一个智能制造的计划,侧重于自动化,上面提出来的智能制造计划侧重于网络化,互联网+,这样是不可以的,我们需要按照这个表格一项项去对应,去落实。

这里面特别强调一点,其实我们做智能工厂,从一开始做为什么做,做完之后会有什么结果,这个结果对企业的发展会不会起到促进作用,那么短期的看成本,看质量,长期的看那个战略和这个智能制造战略是不是符合国家的战略,符合公司的战略,让企业在适当竞争中立于不败之地,甚至走向世界,走向国际化。我们认为有这样一个目标才能促使企业真正的把智能制造落到实处。还有一个总体预算,有的企业没有预算,觉得可两个亿,三千万,两千万或五百万随便说,不能这么随便说的。我们需要进行分解,自动化需要多少成本,信息化需要什么成本,我们需要人才,人才需要什么成本等等,只有这样做完之后,我们这个项目才能真正落到实处,三年两年建设到底才能去做,而不是半途而废。

这是对大家比较关心的信息化的实施方案。我们CIO很多人员都是从事于ERP起家的,OA、CM等等做的相当不错,我们公司也有不少这样的同事。大家我们从智能工厂的要求,可能和两化融合不一样,在某一方面会有更多的要求,在很多方面也有很多提升。那么我们给出这么一个步骤出来,首先第一条首先以两化融合为核心,先经历企业的技术化信息平台,当时包括前面说到过,ERP、PDM、CRM、OH,OA是一个工具,先不管它。在这三个平台中我们作为第一期的工作,每个工作往下纵深有三个核心实现它。在实现完之后,我们认为这个企业信息化平台建成了,然后再做下一步。

下一工作毫无疑问和前面很相似,它走向了一个数字化车间的平台。这个平台强调什么呢,当然包括智能工厂的平台,强调什么?强调PLM,也可以认为是PDM,最重要的是MES生产过程执行系统,包括可视化,数据采集系统等,甚至包括手机APP。那么这个过程以什么为核心,我认为应是以制造数据的管控为核心。我记得去年有省的领导问我,在做智能工厂评估的时候,以什么作为直观的依据去判断一个工厂是否是智能工厂,我说不要看是否有机器人,去看是否有MES,如果没有MES就基本不用考虑了。

PPT图中横向有第1、2阶段各个软件,每一个软件往下又有三个核心模块,以上软件在智能工厂中必须得以有效实施应用。这个工作做完之后可以做下一步——智能制造的信息平台,它包括了对整个企业的数据化的提升和企业的综合管控,三个主要的核心包括大数据、云平台、仿真优化。当然了这个工作也并不是在最后阶段才去去做,很多基础工作在之前已经全部做好了,所以本此交流一开始就提出来一定要有一个总体规划。

 

好,以上PPT使大家看到了,这是一个自动化的实施方案。很多企业在做智能制造的前期就非常关注设备的自动化,我觉得也不算错。但是我们如何高效投资自动化?它不能盲目,也不是有机器人就是自动化,未必,机器人在工业4.0中非常重要,但是机器人不是唯一的,还有更重要的它是综合的实施,综合的方案。我们把它划分为七个模块,而这些模块如何搭建?每个模块有哪些内容?大家可以横向-纵向地理解一下,对于有一定自动化技术基础的朋友来说并不难,我就不一一解释了。因此,建立智能工厂的物理平台,它需要多种的技术、多种的装备,更需要有规划地构成,才可以建成一个完整的智能工厂综合性的自动化方案。

关于自动化装备,我多聊几句吧:去年至目前,我应邀去了很多的城市,青岛、泉州、深圳、郑州等地方做了一些政府组织的交流,发现很多的城市将机器人的应用数量作为考核指标,要求企业每万名员工中有三百台机器人或是五百台机器人等等,甚至直接依据机器人应用数量发放补贴等,其实我觉得这不是主要问题,机器人只是个工具,是个机械手。真正实现智能制造、即便是局部的自动化生产也不是仅仅靠机械手就能解决的,它还包括它周边的配合的装备,包括PLC及嵌入式软件等,我们称之为系统集成,因此应用机器人的同时必须着重提升系统集成能力。同时,我们做所有的这个工作要必须坚持一个原则,所有的装备必须互联互动的,它是基于工业物联网的,可以实现系统集成的综合方案,所以自动化实施的时候,不仅要考虑装备,更要多的考虑总体方案和集成方法。

 

好,我们前面反复强调智能制造过程中非常重要的软件是MES。它是一个工厂的一个生产过程控制系统。那么其实在过去MES得到很多应用,大家我们认为MES的概念和智能制造的MES的概念是不一样的。目前我正在起草工信部《智能工厂通用技术要求》中的“智能管理”和“智能生产”标准案的初稿,其实综合在一起就是我们所说的MES系统。从以上PPT中可以看见,其中计划排产、数据采集、设备管理、质量管理、交期预测、过程监控、成本管理和看板管理等是和过去的MES有明显区别的,新型的智能工厂的MES,它强调是个动态的,智能的,可交互的,可优化的管理流程。

前面和各位分享的是智能制造的总体规划一些方法和要求。那么下面我想举些案例,举一个案例跟大家分析一下如何实现智能制造车间和智能工厂。在此我想说说我们自己工厂的案例给大家分享,这个案例已经获得了江苏省及南京市智能制造示范车间,同时正在按国家智能制造标准化体系的要求开展建设。

 

好,各位看到的这三个截图是我们公司的三个软件,也就我在前面所说到第一期的技术信息化软件平台。这个平台包括ERP, CRM,手机端也开通了,包括我们的生产时序仿真系统,通过生产过程仿真,让每一个产品在没有生产之前,就知道该如何优化生产布局和生产工序。那么这些软件都是比较基础的软件,当然还有PDM\OA等。

 

这张截图我想和各位专家分享一下。因为这张图它代表什么呢,它代表一个产品可以通过后期或者在线去追溯这个产品生产过程中的每一个工艺点的数据,包括它的生产工艺情况,检测情况,可以在线的或者离线的方法可以进行检测和客户调用。

好,各位请看,我们这是左边这个是我们的一个产品的外观图,客户通过扫描我们的产品后面的这个二维码,按照我们公司的APP软件之后可以直接调取这个产品生产过程中的所有数据。如果做电子产品生产的专家看的很清楚,这是一个标准的SMT的生产过程,从PCB上料到入库,整个过程我们全部有数据监控。这些数据来自什么呢?来自于装备的检测,来自于我们仪器的检测等等,这些数据全部在线。它的符合性是怎样的?全部有详细的记录。通过这个方法可以让我们对产品质量进行追溯。当然,我们还做了非常详细的物料追溯,可以对这里没有提出来做一个物料追溯,我认为物料追溯比较简单,也较为容易实现,关键是产品工艺追溯。

 

这张图其实是上面这张图一个工艺点的点击结果。是将产品在老化过程中的环境温度对产品的准确度产生的影响进行了数据调用与显示。那么这个产品在老化过程中,它的参数是怎样的?经过怎样变化?从-10度到+55度不同的环境下是怎样一个特征曲线?我们通过我们的智能老化房把这个数据取出来,进入我们的系统,如果不合格,这个产品就是不合格的,不能给它出厂。这里面其实体现出智能制造核心的理念,就是工艺的追溯,质量的管控。

 

刚刚看到的是一个我们的产品的在线数据追溯,其实是就是我们一套MES软件,这个MES软件是我们公司自己写的,也适用于电子行业,包括机加工行业,组装行业。这是我们的MES界面,我们做了很多的设计,做了很多功能,功能可以相互的调配,数据库之间相互关联,包括新的标准要求都做进去了,大家简单看一看就可以了。

 

这个图片是我们MES对工厂中几乎所有的装备在线的一个管理。这个装备的运行情况,包括这个装备的,本来可以点开的,还可以点开,包括这个设备的功率消化情况,它的开机情况,全部可以在线监控,这个数据也可以通过我们内部的物联网上传到我们的管控中心,对设备进行运行和维护管理,包括对能效进行调配。

这一部分的,这一个截图,这是我们MES中对每个装备,每个工段能耗的管控,这个非常清晰的,每个装备某一个阶段能耗是怎样的,都可以显示出来,当然图表方式很多种,图表方式,这是其中之一,表达方式之一。

好,这是我们对工厂的原料仓库,成本仓库,包装车间综合的一个环境检测的一个看板,当然这是一个看板方式,通过我们的看板系统,远程系统可以监控到。因为我们电子产品对仓库,对车间是有严格的湿度、温度、管控要求,包括我们下一步还要建立ESD的管控,就是静防电的管控,包括地面震动等监控都要做起来。

 

好,这个截图我想和大家好好分享一下,这是我们公司对远程的供应商进行的一个在线监控系统。大家看到这个图片中是一款我们叫平板变压器的外协器件,由外协单位对它进行组装,这个组装过程中,我们特别关注它的磁性粘合度,这会影响它电感量这个指标,这个指标对于我们产品的综合指标影响很大。过去我们委托这个厂家帮我们做电感量检测,进来之后我们再进行检测,不仅多了一道工序,同时还时常检出不合格,与对方交涉很麻烦。后来我们怎么办?我们采取了在对方的车间安装了一套检验系统,我们送他们一套远程监控的MES,要求对方的生产人员在每个产品检测之前,必须上面贴着二维码再进行检测,所有的检测数据实时同步传送给我们总部,由我们远程自动判断产品是否合格、最终是否发货,同时指出,哪一只产品有问题必须退货,应用效果很好,不仅减少了我们公司一个质量检验人员,同时使对方的责任心更强,更做不了假。所以实施结果来看,这个系统上去之后,对方的公司也逐步接受,最终使我们的这个产品入库合格率达到百分之百。

其实我们可以再分享一下,我们的国家我们的行业在提倡协同制造,提倡互联网+制造。那么我们认为以上这个案例就是一个典型的互联网+制造。通过这样的方式提高产品品质,降低生产成本,这是一个非常好的典型的案例。

 

好,各位专家,这是我截取的我们构思的APP,我们手机模块上的一些功能。这些功能通过这是我们自己开发的,和我们的MES进行联动,因为它必须共享一个数据库,都是我们自己开发的一套软件产品,可以实现在线的,通过手机端对生产过程进行了解,包括对ERP进行审核。

 

 好,这张图片是我们公司所实现的一个整个公司的生产线的看板系统,就不一一说了。大家可以看到,整个从物料配送开始一直到后面的这个产品出货,整个过程中重要的需要去看的,这些点我们用看板的方式管理起来。当然看板是灵活设置的,里面的内容,通过我们的MES系统进行随时的一个调取,通过这个人工进行随时调取。工人都可以去看,我今天想看什么,明天想看什么,都可以做到。我们的手机端都可以和它互动,这是我们智能化的看板系统,当然包括工艺看板,不仅是一个物料看板,今天生产五百台、三百台,我们认为意义不大,关键是工序的看板,工艺情况看板,制造生产的。

好,大家看到这条生产线是我们从2011年半自动化生产线到2015年智能制造的升级,应该说简单可以看出来,我们简单说吧,我们2011年之前我们生产线有人工大概在60名,那我们现在整个厂员工合在一起,连仓库人员在一起大概18个人,其实这还是我们的单班常量,如果往班生产的话,大概在5-6个人就可以完成生产,而产量我们翻了两倍,能效提高更多,同时产品质量成本都做到很大提升。

 

其实这两页可以看到,我们在整个工业建设过程中非常注重所有装备之间的互联互通,这是一个核心问题,也是我在各地很多企业提出来的主要问题之一。如果设备之间无法实现互联互通,我们所有的目标都无法实现,所以对这个装备进行改造升级,包括自己动手提取里面的数据都有很多办法,我们是自己想了很多办法,把这些进口的装备,他们老外不愿意提供,把它提取了出来。这两页就是我们表达我们这方面的做了一些工作。

 

当然同时如果只是靠购买装备肯定是不行的,很多装备需要自己去定制,这个图片上两套装备,一个是机器人自动的调试,工作台,一个是我们端子的自动插件工作台,这两个工作台都是我们自己研制的,当然机器人是我们买来的,后面的装置都是自己研究的,研究过程中就考虑到物联网的问题,标准化走进协议问题等等。所以这些集成工作我们自己做,和我们自己的MES接口,整个产线打通了。

好,这个装备也是我们在智能制造实践过程中自己研发的一套重大装备。这套装备是给我们的电子产品进行综合老化的检验系统,它不是一个简单老化房,它里面充满了各种的技术,物联网、互联网,高精度检测,自动夹具,个性化的定制,柔性的这个物流系统都综合在这个老化房里面,当然我们用了两年的时间投入数百万做成的这套系统。其实这套系统目标是什么,它目标就是提高产品质量,让这个数据可以处理,让数据可以分析,知道我们的研发,知道我们的生产。

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