基于精益的智能工廠解決方案

基于精益的智能工廠解決方案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(chǔ)薄弱，因此推行智能制造需要考慮將管理技術(shù)與智能制造技術(shù)融合起來進行。近年來，相關(guān)單位通過精益生產(chǎn)、六西格瑪管理及流程管理等管理技術(shù)來規(guī)劃和優(yōu)化制造流程，夯實了工業(yè)化基礎(chǔ)，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(chǔ)。航空企業(yè)已開展了10余年的精益管理推廣工作，精益管理已融合在企業(yè)生產(chǎn)制造業(yè)務(wù)流程中并取得了顯著成效，所以，為更好推進企業(yè)信息化、數(shù)字化及智能化的融合，企業(yè)提出了智能制造推進與精益管理相融合的要求，以防止出現(xiàn)“兩張皮”現(xiàn)象。本文結(jié)合航空企業(yè)精益生產(chǎn)和智能制造的探索實踐，重點研究精益生產(chǎn)、先進制造技術(shù)與信息技術(shù)融合的方法，形成了基于精益的智能工廠定義、業(yè)務(wù)模型、組成部分及規(guī)劃流程，為企業(yè)開展智能工廠建設(shè)提供了思路和解決方案。一、精益管理與智能制造的融合（一）精益管理體系精益生產(chǎn)方式作為先進的管理技術(shù)，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(yīng)用；其有效提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率和質(zhì)量，縮短了生產(chǎn)周期，降低了生產(chǎn)成本，取得了良好的經(jīng)濟效益[1]。精益生產(chǎn)方式在生產(chǎn)制造領(lǐng)域取得成功后，又將生產(chǎn)系統(tǒng)的成功經(jīng)驗逐步延伸到企業(yè)的研發(fā)、供應(yīng)鏈管理、銷售與服務(wù)等業(yè)務(wù)領(lǐng)域，形成了以業(yè)務(wù)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(shù)與先進制造技術(shù)的深度融合，貫穿于產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動的各個環(huán)節(jié)，具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)等功能的新型生產(chǎn)方式。該定義的核心特點是面向制造業(yè)務(wù)流程，集合新一代通信技術(shù)和先進制造技術(shù)等技術(shù)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(jīng)營的核心是通過業(yè)務(wù)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(wù)流程中的非增值環(huán)節(jié)，規(guī)范和優(yōu)化業(yè)務(wù)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(shù)和數(shù)字化、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等新一代信息通信技術(shù)融入業(yè)務(wù)流程的各個環(huán)節(jié)，從技術(shù)角度提高流程中增值環(huán)節(jié)的效率和質(zhì)量。因此，業(yè)務(wù)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(shù)的角度優(yōu)化業(yè)務(wù)流程，提高業(yè)務(wù)流程質(zhì)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(chǔ)，智能制造的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)流程，精益管理通過構(gòu)建合適的生產(chǎn)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(dǎo)入前，運用精益管理工具優(yōu)化業(yè)務(wù)流程，也為產(chǎn)品生命周期系統(tǒng)（PLM）、企業(yè)資源技術(shù)（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(chǔ)。因此，基于精益的智能工廠定義是以精益思想為指導(dǎo)，將先進制造技術(shù)、信息通信技術(shù)和管理技術(shù)融合到制造業(yè)務(wù)流程中，形成以信息物理系統(tǒng)（CPS）為載體，以關(guān)鍵制造和管理環(huán)節(jié)的智能化為核心，以提高QCD（即質(zhì)量（Quality）、成本（Cost）及交貨期（Delivery）績效為目標的新型生產(chǎn)方式。規(guī)劃方案二、智能工廠組成部分智能工廠是生產(chǎn)制造業(yè)務(wù)的信息物理系統(tǒng)（CPS），該系統(tǒng)業(yè)務(wù)模型由1個物理系統(tǒng)和6項業(yè)務(wù)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(chǔ)設(shè)施為主體的智能工廠硬件，6項業(yè)務(wù)則是包含數(shù)字化工藝、智能計劃與調(diào)度、自動/透明化物流、智能設(shè)備維護、數(shù)字化檢測及智能生產(chǎn)管控在內(nèi)的智能生產(chǎn)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(chǎn)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。圖1智能工廠業(yè)務(wù)模型（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(guān)的制造資源及基礎(chǔ)設(shè)施，主要包括智能化裝備/生產(chǎn)線、智能物流與倉儲設(shè)施、數(shù)據(jù)采集裝備等基礎(chǔ)設(shè)施，應(yīng)以精益思想為導(dǎo)向，借助三維數(shù)字化工藝、布局規(guī)劃仿真等技術(shù)手段，按照精益的原則合理確定工廠功能區(qū)、生產(chǎn)線、物流及庫存的相互關(guān)系，使人員、設(shè)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(chǎn)線智能化裝備/生產(chǎn)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(chǎn)線，它是先進制造技術(shù)、信息通信技術(shù)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(chǎn)設(shè)備與工業(yè)機器人、增材制造設(shè)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(chǎn)裝備，可以通過通信技術(shù)實現(xiàn)設(shè)備的互聯(lián)和集中控制；智能生產(chǎn)線是按產(chǎn)品成組化原則組織起來，完成產(chǎn)品工藝過程并具有數(shù)字化和智能化特征的一種生產(chǎn)組織方式，智能生產(chǎn)線應(yīng)在精益生產(chǎn)線的基礎(chǔ)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(chǎn)參數(shù)自動采集、工藝動作自動控制、設(shè)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(chǎn)過程自主控制和優(yōu)化的自動化、連續(xù)化生產(chǎn)。2.智能物流與倉儲設(shè)施智能物流與倉儲設(shè)施是以條形碼、傳感器等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，利用先進的信息采集、傳遞和管理技術(shù)及智能處理技術(shù)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(shè)施包括智能化倉儲設(shè)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(shè)備，以及自動傳送帶、AGV機器人、自動叉車等配送設(shè)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(shè)備、采集器、視覺設(shè)備、智能傳感器、采集軟件等，對下能夠?qū)⒏鞣N類型的數(shù)據(jù)采集設(shè)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(chǎn)管理系統(tǒng)（信息化軟件系統(tǒng)）智能生產(chǎn)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(diào)度、自動/透明化物流、智能設(shè)備維護、數(shù)字化檢測及智能生產(chǎn)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(shù)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(zhuǎn)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(chǎn)系統(tǒng)規(guī)劃仿真等內(nèi)容。智能計劃與調(diào)度是將智能排產(chǎn)系統(tǒng)（APS）與制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）集成，實現(xiàn)生產(chǎn)計劃的自動編制、實時調(diào)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(chǎn)計劃管控平臺。智能計劃與調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)包括智能排產(chǎn)和動態(tài)調(diào)度、生產(chǎn)準備、異常管理、人機互動、改善提案、質(zhì)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(wǎng)技術(shù)、自動識別技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和人工智能技術(shù)應(yīng)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(shè)備維護指圍繞設(shè)備容易引發(fā)故障的關(guān)鍵部件與系統(tǒng)，采用嵌入式采集技術(shù)及智能傳感技術(shù)，實施設(shè)備工作狀態(tài)動態(tài)監(jiān)測、健康狀態(tài)評估、預(yù)測預(yù)警、故障診斷，以及遠程監(jiān)控和維護，提高設(shè)備的綜合應(yīng)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(zhì)量信息實時查詢和維護，通過智能化質(zhì)量檢測實現(xiàn)數(shù)字化質(zhì)量信息的采集、傳輸、分析、判斷及預(yù)警。智能生產(chǎn)管控是在信息系統(tǒng)集成的基礎(chǔ)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(yù)測和預(yù)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(yù)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(yù)定的績效指標需要人員、設(shè)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(yīng)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(shù)、信息技術(shù)及管理工具等實施持續(xù)優(yōu)化，才能最終達到工廠預(yù)定的生產(chǎn)能力、效率和質(zhì)量等績效指標。同時，在信息集成的基礎(chǔ)上建立基于數(shù)字孿生的生產(chǎn)過程仿真系統(tǒng)，歸納和提煉車間整體運行模型，并結(jié)合智能生產(chǎn)管理系統(tǒng)，持續(xù)優(yōu)化資源配置、生產(chǎn)作業(yè)調(diào)度、生產(chǎn)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(shè)過程，筆者設(shè)計了智能工廠規(guī)劃流程，規(guī)劃流程包括設(shè)定系統(tǒng)目標和約束、工藝方案設(shè)計與仿真、生產(chǎn)線布局設(shè)計、倉儲與物流設(shè)計、整體布局設(shè)計與仿真、管理