智造單元 智能制造的抓手 | 工業(yè)新概念

智造單元，是實現(xiàn)數(shù)字化工廠的基本工作單元。針對裝備制造業(yè)的離散加工現(xiàn)場，把一組能力相近的加工設備和輔助設備進行模塊化、集成化、一體化，實現(xiàn)數(shù)字化工廠各項能力的相互接口，具備多品種少批量（單件）產(chǎn)品生產(chǎn)能力輸出的組織模塊。它從資源軸、 管理軸和執(zhí)行軸這三個角度，來實現(xiàn)基本工作單元的模塊化、自動化、信息化，從而實現(xiàn)工廠的數(shù)字化、高效率運轉(zhuǎn)。

智造單元可以由“一個現(xiàn)場，三個軸向”來說明，包括：資源軸向、內(nèi)向管理軸向和工作執(zhí)行軸向，見圖1。

圖1：智造單元的三維視圖

資源軸上，主要是對人員、流程、產(chǎn)品、設備的管理。資源可以是任何活動的對象，也可以是執(zhí)行這些活動的前瞻主題。特別值得注意的是，員工是寶貴的資產(chǎn)。工廠工人在物理世界生產(chǎn)產(chǎn)品，不管職務是不是管理者，都會做決定并給其他人下達指示。

而管理軸則是質(zhì)量、成本、交期、安全，是生產(chǎn)過程中核心輸出的要素管控與運維；而在執(zhí)行軸PDCA，則是標準的戴明環(huán)，也就是計劃（Plan）、執(zhí)行（Do）、檢查（Check）、糾正（Action）。

這三個視圖，綜合地表達了智能制造的價值創(chuàng)造，其實是人類和各種設備活動的過程與結(jié)果的綜合表達。

這種方式與日本旨在解決智能制造的工業(yè)價值鏈促進會IVI的理念完全一致。日本IVI在 2016年12月提出了“工業(yè)價值鏈參考架構(gòu)”，旨在推動“智能工廠”的實現(xiàn)，見圖2。

圖2：IVRA工業(yè)價值鏈的三維圖

這正好把智造單元的三個軸向定義詮釋得很清楚，任何一個點均可以說明一個事件。只不過IVRA強調(diào)環(huán)境的管理，而智造單元關注了安全的方向。

在明確了工廠現(xiàn)場的三大主軸之后，智能制造的建設路徑就浮出水面。通過智造單元的組合，整個智能工廠的建設，就可以通過模塊化、分區(qū)化的方式，進行自由的升級組合，從而大大提高智能工廠的建設效率。

智造單元的模塊構(gòu)成包括：現(xiàn)場自動化、信息化和智能化，如圖3所示。

圖3：智造單元的模塊構(gòu)成圖

從體系機構(gòu)上看，包括模塊化、單元化、集成化和一體化四部分。模塊化和單元化可以令產(chǎn)品快速得到推廣，集成化服務于一條產(chǎn)線，一體化解決了一個系統(tǒng)范疇的智造生態(tài)環(huán)境。

再從軟件體系看，它以MES為核心，可以獨立運行，而智造單元的系統(tǒng)則可自由兼容工廠原有的軟件。向下跟MDC/DNC連接，或者通過物聯(lián)直接與設備相連；向上連接至PLM、CAPP、ERP；橫向與倉儲管理系統(tǒng)WMS對接；而在生產(chǎn)任務執(zhí)行上，則可以連接高級優(yōu)化排產(chǎn)系統(tǒng)APS上，實現(xiàn)自動優(yōu)化排產(chǎn)，實現(xiàn)高效生產(chǎn)。

智造單元與數(shù)字工廠的落成，絕不是智能體系的完成，而只是一個開始。因為在戴明環(huán)PDCA中，需要有一種持續(xù)改善的推動力——而人是最為重要的環(huán)節(jié)。物理實體和數(shù)字虛體的CPS場景建設，是系統(tǒng)集成商可以完成的；但人的經(jīng)驗和判斷，必須有客戶在現(xiàn)場生產(chǎn)線上的參與才可以執(zhí)行。所以說，一個智能制造的現(xiàn)場循環(huán)往復升級一定是三者相加才可以運行，單純?nèi)魏我环浇ㄔ煲粋€智能工廠都不是客觀的表達。

PDCA中最為核心的就是推動改善的動力源和方向，只有把人的因素考慮進來，那么這個戴明環(huán)才有了運轉(zhuǎn)方向。這種基于人的優(yōu)化，將人放在閉環(huán)之中，不斷循環(huán)，才能逐漸形成智能部分，這就是智能制造的核心。

智造單元最為重要的地方，就是將“人機網(wǎng)”一體化。“人機物”與“信息流、物流”緊密地融合在一起。與傳統(tǒng)的“智能制造”過于強調(diào)“智能”的自決策性不同，智造單元一開始就將人納入閉環(huán)之中，使得成為人機協(xié)作的典范。這就非常有實效的適應了實施智能制造初期的基礎環(huán)境。

智造單元的基本價值觀是，工廠現(xiàn)有的投資，需要得到最大的保護與傳承。這就意味著，繼往投入的設備等各種資產(chǎn)在將來可以被重復使用。一方面生產(chǎn)自動化的柔性大幅度提高，同時，智造單元的思想，可以把車間人工作業(yè)單元作為一個能力中心，一體化進入車間或公司的智能生態(tài)系統(tǒng)。由于重用性的提高，人工單元能力中心的一體化進入，對既有設備的投資，具有非常強的保護，同時，又在整體的智能生態(tài)下最大化的實現(xiàn)現(xiàn)場設備的效率和效能。這種四代同堂設備的運維方式，正是通過智造單元得以實現(xiàn)，體現(xiàn)了自動化、模塊化和數(shù)字化的疊加效果。

圖4：智造單元的分層實施

有了以上的硬件、軟件和模塊化組合，那么智能單元，就可以完成自由的組合，實現(xiàn)分扇區(qū)、分階段、分設備，對同一個工廠的不同設備、甚至同一條線的不同設備，進行“設備解列”與“設備入列”的在線切換模式。

在現(xiàn)有的工廠中，往往存在各種不同型號、不同代級的設備，完全可以稱為“設備世家 四世同堂”。現(xiàn)場有許多原來的老設備，維護得也很好；也有新設備，包括機器人、自動機械手等。如何將跨年代、跨型號的設備有效連接和升級改造，而不是簡單地一刀切地淘汰，是一個頭疼的現(xiàn)場問題。實際上，在這些裝備中，有些是可以直接進產(chǎn)線的，有些是可以通過改造后進入產(chǎn)線的。

智造單元考慮到四代同堂設備的現(xiàn)狀，分析不同設備的信息采集機制，通過靈活的信息收集方式，有些設備不需要聯(lián)網(wǎng)通信，只需采集信號；而有的設備，則可以采用多接口集成器，區(qū)別不同的數(shù)采方式，將各種設備集成進來。

由于智造單元具有豐富的模塊化接口，在現(xiàn)場可以采用“空間換時間”的措施，實現(xiàn)多設備共線運行。例如在生產(chǎn)現(xiàn)場，可能存在特別大型的設備，不便于搬運，那么就采用“空間換時間”的智能制造組線模式，通過智能物流采用AGV把各單元線無縫連起來。而對于單向鏈很長的產(chǎn)品，或者多個產(chǎn)品，則可以采用多個智造單元的陣列形式，其物資存取，可以是一個庫，也可以是多個庫。

這就意味著“以人為本、智造先行”的理念，將數(shù)字化工廠從大到小、自上而下開始拆分，從工廠到車間、到產(chǎn)線、到生產(chǎn)島、到單機設備的規(guī)劃布局；使用自下而上的方式進行實施，單機設備、單元島、智造單元、智造產(chǎn)線、數(shù)字化工廠，逐漸嵌套式、單元化處理，體現(xiàn)了智能制造的柔性，充分發(fā)揮數(shù)字化、網(wǎng)絡化的特點。

要實現(xiàn)智能制造，要兼顧投資和未來發(fā)展的需要，更為重要的是，一定要兼容企業(yè)現(xiàn)有的軟件體系，傳遞和延續(xù)客戶沉淀的管理智慧以及原軟件體系的價值。這種情況下，往往需要同線齊進（產(chǎn)線不斷，實現(xiàn)設備解列升級）、多階段混合（半自動化、半數(shù)字化相混合）、設備四世同堂（各種不同年代的設備同時推進），則意味智能制造的落地，必然是由各種智造單元所組成。而智造單元，正是通向智能制造的必經(jīng)之路。

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