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    數字化車間建設主線、實施策略及選型原則

    作者:威海網絡公司 日期:2020-01-09 點擊:82

    經濟學家威廉·拉佐尼克在《車間的競爭優勢》一書中強調指出:“在價值創造過程中,其核心是通過車間生產將原料轉化為產品——這可以稱為生產性轉化。”

    在制造型企業,車間處于非常重要的位置。企業價值最終表現在產品與服務上,而車間是企業中將各種圖紙轉變為產品的主要場所,是決定生產效率與產品質量的重要環節,車間往往也是企業中員工數量最多的組織。因此,在很大程度上,車間強則企業強,車間智則企業智。《中國制造2025》中也明確指出:“推進制造過程智能化,在重點領域試點建設智能工廠/數字化車間。”數字化車間建設是智能制造的重要一環,是制造企業實施智能制造的主戰場,是制造企業走向智能制造的起點。

    一、數字化車間的建設主線

    目前,國內外對數字化車間還沒有標準的定義,筆者基于自己的理解,對數字化車間進行如下描述:

    數字化車間是基于生產設備、生產設施等硬件設施,以降本提質增效、快速響應市場為目的,在對工藝設計、生產組織、過程控制等環節優化管理的基礎上,通過數字化、網絡化、智能化等手段,在計算機虛擬環境中,對人、機、料、法、環、測等生產資源與生產過程進行設計、管理、仿真、優化與可視化等工作,以信息數字化及數據流動為主要特征,對生產資源、生產設備、生產設施以及生產過程進行精細、精準、敏捷、高效地管理與控制。數字化車間是智能車間的第一步,也是智能制造的重要基礎。

    需要指出的是,此處的“數字化車間”,是企業已經熟悉和常用的基本術語,其中“數字化”的內涵包括但是并不限于數字化本身,而是將數字化、網絡化要素集成為一體并在內涵上有所擴大的“數字化”概念,其基本含義與德國工業4.0中的“Smart(智巧)”相對應,與中國工程院提出“數字化網絡化”的智能制造第二范式相對應。本文以下凡是提及“數字化車間”之處,皆采用該術語內涵。

    智研院說|數字化車間建設主線、實施策略及選型原則

    圖1 數字化車間架構

    1 數字化車間架構圖

    很多人認為,大量采購和引入數字化設備是建設好數字化車間的前提。這是一個很大的誤解:數字化設備與數字化車間之間既非必要條件,也非充分條件。即便車間中全是數字化設備,如果沒有實現設備的互聯互通,沒有實現生產過程的數字化管理,數據沒有實現真正的有序流動,也不能稱之為數字化車間。相反,即便車間里的設備不全是數字化設備,但經過“三啞改造”,設備被接入信息化系統,生產過程實現數字化、網絡化與智能化(如智能排產、決策支持分析等),對生產計劃、生產資源、生產進度與產品質量等數據在信息化系統中進行有效管理,并可以根據生產需要進行有序流動,也可算是數字化車間。比如,在服裝加工等勞動密集型企業都可以通過數字化、網絡化改造實現車間的數字化管理。

    對于數字化車間建設,我們可以參考德國工業4.0中對“智能工廠”的定義: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。前半句“智能化生產系統及過程”,指除了包括智能化的機床、機器人等生產設施以外,還包括對生產過程的智巧化管控,站在信息化的角度,就是智巧化的MES制造執行系統。而后半句:“以及網絡分布式生產設施的實現”,是指將生產所用的生產設備與設施(如機床、熱處理設備、機器人、AGV、測量測試設備等各種數字化設備),進行互聯互通、智巧化的管理,實現信息化系統與物理系統的深度融合。目前很多企業實施的設備物聯網(包括傳統的DNC/MDC功能)是其重要的表現形式。

    從中可以看到,數字化車間建設有三條主線,一條是以機床、熱處理設備、機器人、測量測試設備等組成的自動化設備與相關設施,實現生產過程的精確化執行,這是數字化車間的物理基礎。第二條線是以MES為中心的智巧化管控系統,實現對計劃調度、生產物流、工藝執行、過程質量、設備管理等生產過程各環節及要素的精細化管控,這是典型的賽博系統。第三條主線是在互聯互通的設備物聯網基礎上,并以之作為橋梁,聯接起賽博空間的MES等信息化系統與機床等物理空間的自動化設備,構建車間級的CPS系統,實現了賽博與物理兩個世界的相互作用、深度融合。

    三條主線交匯,實現數據在自動化設備、信息化系統之間按照人的意愿進行有序流動,將整個車間打造成軟硬一體的系統級CPS,最終實現高效、高質、綠色、低成本的生產模式,提升企業競爭力。

    二、精益思想要貫穿始終

    如果說設備、MES、CPS等三條主線是“實線”的話,精益生產則是數字化車間建設的一條“虛線”,要貫穿數字化建設的始終。

    1)精益生產,智能制造的重要指導思想

    精益生產是管理學史上重要的實踐成果之一,深刻地影響著汽車工業,乃至全球制造業。精益生產基本思想和追求的管理目標,并沒有隨著智能制造的發展而落伍,恰恰相反,精益思想是企業進行智能制造體系構建的重要指導思想之一。

    在此,筆者總結出五條可以指導智能制造建設的精益思想原則。

    ① 關注客戶價值

    精益生產強調,流程中所有環節的輸入與輸出都應當用客戶價值這個標尺去衡量。在前端要打通客戶真實需求之間的接口,在企業內部,以客戶需求來定義自己的產品與服務。如果系統不能滿足客戶對高質、高效、低成本、高滿意度的要求,即便是設備或技術非常先進,也不能算是一個成功的智能制造項目。

    ② 識別并消除浪費

    企業在實施智能制造系統之前,應當對流程中各種浪費進行梳理與改善。精益生產中將制造過多過早、庫存、搬運、等待、不必要的作業、不必要的動作以及不良品流竄這七種形式,歸納為七大浪費,這七大浪費是企業生產效率不高、盈利能力不足的根源,需要不斷進行完善與消除。如果這些問題沒解決,就直接實施智能制造,很可能是用系統的方式把浪費固化下來,既喪失了改善的機會,又增加了不必要的投入。

    比如,沒有對庫存過多的浪費進行改善,就投入大量財力物力去建設智能化的立體倉庫;沒有對動作浪費進行改善,就引進機器人或機械臂去從事這些本屬于浪費的動作,這些都造成了很大的浪費。

    ③價值的快速流動

    精益生產強調價值流的快速流動,包括物理布局工藝流程化,信息傳遞自動化,以及人、產線設備、倉儲物流之間高效協同化。如果在物理布局上有大量斷點存在,就會給智能制造的排產與調度帶來了更大復雜度。

    在系統整體運轉的過程中,盡可能多地消除停滯和等待,需要將人、產線設備、倉儲物流之間的相互協作機制、信息傳遞機制、防錯與糾錯機制,在統一的系統框架內進行設計與建設。

    ④高度柔性與適應性

    精益生產的柔性是指通過快速切換(SMED)的實施與改善,實現產線在生產不同型號、不同配置,甚至是不同種類產品時,可以根據需要進行快速切換。

    在小品種多批量、客戶需求千變萬化的今天,智能制造建設也必須要考慮產線柔性與適應性等問題,否則就可能造成大量投資的浪費。

    ⑤盡善盡美原則

    精益生產中標準作業、自工序完結、良品條件創建與維持、質量內建、安燈控制、防錯與糾錯機制、變化點管理、全員生產性維持(TPM)等術語之下,都有一套品質維持的理念、原則與方法,這些原則和方法同樣可以指導智能制造的建設。

    比如,上下工序之間,設備與零件部之間都需要建立全數良品的加工條件與標準,當條件發生偏離時,應當向相關人員發出異常提醒,甚至停止生產。如果智能制造系統缺少這樣的機制,自動化程度越高,損失往往越大。

    2)智能制造,精益生產的有效使能手段

    經過幾十年的發展,精益生產已經成為制造業的重要指導思想。在技術快速進步的今天,智能制造又可以很好地促進精益生產的落地與進一步發展。

    傳統精益生產目視管理有很多很有效的手段和方法,比如5S管理、安燈、標準作業三票、可視化看板等方法。這些方法可以直觀地提示發生問題的區域、工位、或是機臺、材料等信息,但是要深究問題的根本原因還需要大量的觀察與分析,當變異的條件發生變化時,會給分析帶來很多困難。

    而智能制造以數字化、網絡化、智能化等新技術、新手段就可以較容易地解決這些問題。比如:

    識別浪費是精益改善的重要組成部分,除了傳統的精益手法,通過設備物聯網系統采集設備稼動率、待機原因等,能夠準確地識別出設備利用等方面的浪費;通過MES系統對物料、工具等進行精益化庫存管理,可以明顯地減少庫存的浪費;通過APS高級排產優化生產計劃,可以減少人員與設備等待的浪費等等。

    實現流的生產、均衡化生產是個不斷改善的過程,但在離散制造車間,生產設備動輒上百臺、工序上千上萬項,如何保證這些工序在不同設備上生產的均衡化、流動化?如果只靠人的經驗很難實現這種生產方式,很容易造成設備忙閑不均,造成工序的等待或停滯。通過APS高級排產以及生產過程協同管理等信息化手段,就可以有效解決這些問題,有助于實現產品“流”的生產及生產的均衡化。

    品質改善的目的是確保輸出產品品質一致。但由于生產條件各種變化,比如設備故障、熱處理溫度、刀具磨損等,都可能導致產品質量不穩定。通過設備狀態、工藝參數、刀具磨損等的實時監控,就可以快速發現問題,保證生產過程的受控,有效地提升產品品質。

    作為重要的使能手段,智能制造不僅可以有助于精益生產的落地,還可以促進精益生產的進一步發展。

    看板(Kanban)是精益生產中傳遞信號與控制生產的工具,分傳送看板和生產看板兩種。傳統的看板大多以卡片、紙張等形式存在,通常以手動方式進行填寫。但在智能制造進程中,這些數據可以通過MES等信息化系統在電子屏等數字化終端上實時顯示,具有更強的實時性與自動性。

    知識內建與管理也是精益生產中的重要理念。在精益運行良好的企業,都非常重視對知識的管理與傳承。以前主要是靠師傅言傳身教、標準作業文件與流程制度等傳統方式,存在學習時間長、可復制性差等缺點。通過數字化、網絡化、智能化等智能制造新技術、新手段,可以將知識體現在流程與系統中,隱性知識顯性化,對知識的沉淀、傳承、挖掘、使用都具有重要的促進作用。

    目前,大眾所熟知的精益生產管理方法與實現手段總結于上世紀八十年代,帶有明顯的時代特征。但事實上,如果現在重新去研究今天的豐田汽車,就會發現其實現方式已經發生了巨大的改變,體現了自動化、數字化、網絡化、智能化等很多最新技術成果。因此,精益生產的理念與手段也應該隨著智能制造的發展而發展。

    3)殊途同歸,精益智能共促企業良性發展

    雖然精益生產與智能制造是兩個領域的概念,側重點也不盡相同,精益生產主要是強調了生產過程中的管理理念與實現方法,智能制造更側重技術實現,但兩者是相輔相成的關系。

    從生產過程來看,精益生產中的很多理念,如生產布局、節拍、后工序拉動、標準作業等,是實施智能制造的基礎。快速切換、減少浪費、可視化生產、均衡化生產、準時化生產、工序流動化等理念,也是智能制造要實現的過程目標。同樣,智能制造中的設備互聯互通、高級排產、過程協同、資源精益化管控、質量過程管控、大數據分析、可視化、預測性維護等方法與手段,都有助于促進精益生產的落地與提升。

    從實現的目標來看,智能制造與精益生產也是殊途同歸,實現敏捷、高效、高質、低成本的生產與服務模式是兩者的共同目標。

    為體現精益思想與智能制造之間相輔相成、殊途同歸的關系,筆者從智能制造的視角設計了一個智能制造背景下的精益屋,請見圖2。

    該精益屋以自動化設備、信息化系統為基礎,以精益思想為主線,以自働化、智能化(含數字化、網絡化)為新時代的支柱,基于5S、生產布局、標準作業、設備TPM等傳統精益理念,在設備互聯互通、高級計劃排產、大數據分析等數字化、網絡化、智能化手段的支撐下,實現自動化、智能化、精益化三者的深度融合,并通過智能化手段更好地促進生產過程的均衡化、柔性化、準時化以及實現消除浪費與持續改進,從而確保企業的質量、成本、交期,構建一個客戶滿意、員工滿意、社會滿意、充滿活力與競爭力的智能化、精益化企業。


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    圖2智能制造背景下的精益屋

    三、數字化車間實施策略

    數字化車間建設是一項復雜的系統工程,數字化車間建設可遵循以下實施策略。

    1)統籌規劃,服務戰略

    智能制造不是企業的目的,企業真正目的是通過智能制造實現降本提質增效,提升企業競爭力。數字化車間建設也要為這個目的服務,從整體上服務于企業經營戰略。

    企業要結合自身實際情況,基于企業戰略進行智能制造的設計。比如,要對企業所處行業、企業規模、產品特點、盈利能力、行業地位、發展趨勢以及企業自身基礎、存在問題、實施目標等,進行深入分析并綜合考慮,這些不同的因素決定了企業不同的實施智能制造方法和路徑。

    數字化車間建設不僅僅是一系列新技術或新系統的單純應用,既涉及生產自動化系統,又涉及數字化、網絡化等信息化系統,還要考慮計劃調度、生產工藝、物料配送、精益生產、安全環保等各種因素,是一項影響到車間各個層面,甚至是可以影響到企業層面的綜合性工程,一定要有全局的概念與系統的思維。

    北京航天航空大學劉強教授有一個著名的智能制造“三不要理論”,即“不要在落后的工藝基礎上搞自動化,不要在落后的管理基礎上搞信息化,不要在不具備數字化網絡化基礎時搞智能化。”劉強教授強調了在智能制造規劃與建設時,也要注意工藝優化、管理優化等方面工作,而不能只盯著自動化、信息化、智能化。

    企業在進行數字化車間建設之前,一定要領導出面并持續關注,在企業戰略目標指導下進行系統規劃,逐步厘清企業存在的問題、建設目標、解決思路和實施步驟,調動企業各方資源,通力合作,避免信息化部門或車間等單一部門孤軍作戰,通過工藝優化、組織優化、流程優化、管理優化等工作,為數字化車間建設提供堅實基礎。

    2)聚焦痛點,扎實推進

    基于降本提質增效、快速響應市場的目的,從車間存在的實際痛點出發,打造一個能解決實際問題的數字化車間管控系統,在工藝、設備、管理以及信息化、網絡化、智能化等各個方面有重點地進行優化、挖掘潛力,最大程度地提升企業生產效率及管理水平。

    首先要聚焦痛點。根據痛點明確要解決的主要問題,比如,是生產效率不高,是產品質量不穩定,還是生產過程不透明等,并以問題為導向,制訂相應的解決方案。

    其次,還需要分步實施,扎實推進。數字化車間建設有很多階段,其實施順序取決于存在問題、生產特點、企業基礎及資金投入等多種因素,切忌貪大貪全,可從基礎、較易成功的地方著手。比如,從設備互聯互通做起,因為設備通訊、數據采集這些內容都是客觀因素,不太涉及人員、管理等主觀因素,實施的可控性強,成功率高。項目成功后,大家對信息化建設的信心與熱情就會增加,就會主動要求更多的改進與功能擴展。這時,再在前面成功實施的基礎上,逐漸推進到MES等涉及人員、管理等信息化系統,由于這些系統需要部分變更人員工作習慣及車間生產管理模式,主觀成分較大,甚至會觸動一些人的利益,實施的難度相對較大,可放在設備互聯互通等步驟之后,這也是一種較為務實的做法。當然,基礎好、推進力度大的企業,也可采取同步實施的方式。

    3)以人為本,管理取勝

    如前所述,本次智能制造不是“機器換人”的過程,而是以自動化、數字化、網絡化、智能化等新理念、新技術手段,幫助人類實現更高效、更高質、更綠色、更低成本的生產與服務。在智能制造時代,人變得更加重要,而不是相反。無論是機器人等設備,還是MES等信息化系統,都要基于幫助人、服務于人這個出發點,而不是簡單地替代人、減少人。另外,無論多么先進的系統,如果不把人的積極性調動起來,系統就不能發揮最大價值,智能制造就不可能取得成功。

    在數字化車間建設中,要以人為本,以更好地發揮人的價值為基本出發點。另外,還要充分意識到數字化車間建設的主體與應用對象不同。不像PLM等系統用戶基本上都是年輕的技術人員,數字化車間的主要用戶是人數眾多、文化水平偏低,甚至年齡偏大的車間工人,要充分考慮系統的易用性、便捷性、安全性、環保性等特點,以精益生產為指導思想,以使用者為中心,在流程優化、工藝優化等基礎上,以自動化、數字化、網絡化、智能化為手段,以降本提質增效為目標,以管理優化為突破口,通過數字化車間的建設實現精益化、智能化、高效化的生產模式,為企業智能化轉型升級在車間層面奠定堅實的基礎。

    智研院說|數字化車間建設主線、實施策略及選型原則

    4)效益驅動,落地為王

    在數字化車間建設中,既要符合智能制造的理念,有一定的先進性、前瞻性,又要本著務實落地原則。要汲取當年CIMS的經驗與教訓,不要過于理想化,不要過多強調自感知、自決策、自執行、自組織、自學習等所謂高大上技術,企業不是研究機構,應該以創造效益為根本目的。

    根據“二八原則”,解決80%的問題,通常只會耗費20%的成本,而剩下的20%卻需要高昂的成本。以前,產品更新換代慢,往往很多年都在重復生產同一款產品,而現在市場變化快速,為了適應日新月異的市場變化和個性化需求,即將建設的系統很可能過幾年就需要更新和調整。系統滿足當前需求并有一定的前瞻性即可,不要過分復雜、不要過于強調先進性,否則,沉重的投資會給企業帶來很大的經濟負擔。

    四、數字化車間實施效果

    通過成功實施數字化車間系統,企業在車間管理方面將會有質的提升,為企業智能化轉型升級奠定良好的基礎。

    1)設備互聯,“啞設備”聰明起來

    通過設備的互聯互通,將車間的數控機床、熱處理設備、機器人等數字化設備實現程序網絡通訊、數據遠程采集、程序集中管理、大數據分析、可視化展現、智能化決策支持,將設備由以前的單機工作模式,升級為數字化、網絡化、智能化的管理模式。

    2)協同生產,讓設備高效地運轉

    通過系統中的計劃、排產、派工、物料、質量、決策等模塊,以信息化系統為手段,實現各種信息的共享與協同,做到車間層面精準化計劃、精益化生產、可視化展現、精細化管理,將以前串行生產轉變為并行的協同生產模式,實現“一個流”的生產,工件轉移到設備前,加工程序等技術文檔、工裝夾具等生產資源已經全部準備就緒,大大減少設備的各種等待時間,可明顯提升設備生產效率,降低生產成本,提高客戶滿意度。

    3)虛實融合,數據在流動中增值

    改變傳統的制造模式,做到虛擬世界與物理世界深度融合,虛實精準映射、相互促進。車間各崗位、各設備都融于整個信息化系統,以數據有序流動為特征,以高效高質生產為核心,人、機、料、法、環、測各環節相互融合,基于數字化、網絡化、智能化的管理系統,使管理者能做到“看得見,說得清,做得對”,實現了生產過程的“Smart”,即敏捷、高效、高質、低成本、綠色、協同的智巧化生產與服務模式。

    4) 智能制造,降本提質增效是標尺

    通過數字化車間建設,對車間進行全面的科學管控,大幅度提升車間計劃科學性、生產過程協同性、生產設備與信息化系統的深度融合度,并在大數據分析與決策支持的基礎上進行透明化、量化管理,可對企業生產效率、產品質量、生產成本等方面有明顯改善。

    以下是數字化車間系統實施后的統計結果:

    • 制造信息量提高15-60%
    • 生產效率提高10-30%
    • 計劃質量提高25-70%
    • 生產透明度20-70%
    • 經濟效益提高10-25%
    • 生產靈活性提高15-60%
    • 生產周期降低15-40%
    • 外協費用降低5-15%
    • 生產準備成本降低15-40%
    • 處理緊急事故的成本降低20-60%
    • 生產管理成本減少15-25%
    • 生產計劃成本降低10-30%
    • 產品準時交貨率提高15-40%
    智研院說|數字化車間建設主線、實施策略及選型原則

    • 五、數字化車間系統選型原則

    目前市場上號稱能做數字化車間或MES系統的公司有很多,良莠不齊。企業在系統選型時應從以下幾個方面進行考慮:

    1)完整性。很多系統只是停留在生產、庫房、質量等部分模塊上,不能夠對車間進行全方位的管理,這類系統不能稱之為真正意義上的數字化車間或MES系統。

    2)先進性。制造企業需要的是一套理念及技術先進的系統,高級排產、數據自動采集、協同制造等都是數字化車間的核心功能,雖有很大的技術難度,但只有真正突破這些技術瓶頸,才能支撐起智能制造的發展需要,才能最大程度地發揮車間的生產潛能,而不僅僅滿足于臺賬的電子化或者簡單的看板管理。

    3)成熟性。系統應該是有行業成功案例的成熟產品,并具有良好的靈活性和擴展性。最好是平臺化產品,便于根據企業實際情況進行快速定制開發與系統部署,減少企業的實施風險。

    4)專業性。數字化車間系統具有非常明顯的行業背景,除了分為流程、離散兩個大類之外,即便是同為離散行業,也分機械加工、電子組裝、服裝加工等很多類型的行業。用戶要根據自己的行業特點、具體需求來選擇專業的系統。比如,有的系統即便在太陽能領域很成功,但可能沒做過軍工行業,甚至機械加工都沒做過,面對多品種、小批量的軍工等行業,這類系統就很難成功。

    5)技術團隊。數字化車間系統需要專業團隊進行二次開發與實施,需要周到、及時、專業的服務,制造企業需要對供應商進行公司實力、服務能力、典型客戶等多方面的考察,確保項目的成功率及將來可持續性的服務。

    6)選型人員組成要合理。最好采用“IT為主導,用戶為主體”的方式,IT部門組織交流、調研等活動,并從IT技術方面進行把關;而精通生產管理的使用部門則從功能上、使用方便性等方面進行確認,相互配合,共同完成選型工作。否則,縱然是IT部精挑細選回來的軟件,使用部門感覺不好用,不愿意配合使用,這樣的系統,即便是架構再好,集成性再好,最終還是避免不了失敗的結局。

    7)易用性。系統使用界面友好,操作簡單,易學易用,確保車間工人能掌握。

    8)性價比高。在滿足使用要求前提下,還要做到價格合理、功能實用,降低企業購置成本。

    總之,數字化車間建設要以實際需求為牽引,以經濟效益為驅動,以成功落地為導向。在先進設備的基礎上,在管理方面深挖潛力,充分發揮人的作用,構建數字化、網絡化和適度智能的生產模式,切實做到明顯的“降本提質增效”。并以量化數據為基礎,循序漸進,有效地提升企業的競爭力。比如通過三年時間,能將設備利用率提高一倍,將產品合格率提升一個檔次,就極有可能“確保企業的未來”,這才是比較務實的數字化車間建設原則。

    趙敏 走向智能論壇

    本文由威海網絡公司半島科技轉載整理2020.01.09

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