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未来工厂智能化的六个重要方面

发表时间:2018/12/17 9:47:48  
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随着工业4.0的推进,我们对于未来汽车智能工厂以及智能物流有了全新的认识。未来智能工厂的几大特点也浮现了出来。本文基于对工业4.0、物联网技术、智能制造以及云技术的研究,提出未来智能工厂可能的运行模式并予以说明论述。


现阶段,越来越多的企业正在以工业4.0为目标,建设专属于自己的智能工厂与智慧物流。伴随着智能工厂和智慧物流的不断深入研究,未来工厂及物流的工作模式越来越清晰,本文以汽车工厂运行模式为例,从6个方面对未来汽车工业的智能化改变进行讨论。


智能工厂,就是利用各种现代化的技术,实现工厂的办公、管理及生产自动化,达到加强及规范企业管理、减少工作失误、堵塞各种漏洞、提高工作效率、进行安全生产、提供决策参考、加强外界联系、拓宽国际市场的目的。


智慧物流是通过大数据、云计算、智能硬件等智慧化技术和手段,提高物流系统思维、感知、学习、分析决策和智能执行的能力,提升整个物流系统的智能化、自动化水平。智慧物流具有两个特点:


一是互联互通,数据驱动:所有物流要素互联互通并且数字化,以“数据”驱动一切洞察、决策、行动;


二是深度协同,高效执行:跨集团、跨企业、跨组织之间深度协同,基于全局优化的智能算法,调度整个物流系统中各参与方高效分工协作。


未来工厂智能化的六个方面


1.信息生产,订单内容可更新


工厂中的生产模式大体可以分为订单生产MTO(Make To Order)和库存生产MTS(Make To Stock)两种。订单生产MTO指的是企业根据客户订单的需求量和交货期来进行生产安排,其宗旨在于降低库存,不做任何库存存放,有订单才安排生产,无订单则调整生产。库存生产MTS又称为现货生产,通过成品库存随时满足用户需求,产品在接到订单之前就已经生产出来,客户订单上的商品可以随时从货架上取到。这类产品通常属于大众化的通用规格的消费品,也可能是企业的自主品牌产品,主要随着市场的需求并参考本身的库存存量,来决定是否要安排生产计划。


现代汽车行业属于传统的制造业。在汽车市场上长久以来奉行的是“汽车企业生产什么、消费者选择什么”的销售理念,定制化服务只存在于极少数高档定制服务的车企中(产量很低)。汽车工厂的生产计划完全是按照自己根据市场调研做出的分析后制定的,车型、配置、颜色等在生产前就已经完全确定,汽车零部件的供应商则是根据汽车厂的生产计划来进行配合生产的。汽车工厂的生产过程是大规模、批量化的生产,生产不轻易调节改变,如图1。


现阶段汽车销售及生产流程图


汽车生产的过程中,绝大多数整车厂宣称实现了“零库存”,而零部件供应商的仓库却很“饱满”。“零库存”对于整车厂来讲节约了生产成本,但对于零配件供应商来说却是无法回避的成本。伴随着信息技术的飞速发展,步入工业4.0阶段的车企订单化生产即将到来。当汽车在客户下订单的时候即产生数字化的订单模型(包括客户选择的订制功能)。零部件供应商与车企同步得到订单,这样零部件供应商饱满的仓库将不再需要,汽车行业生产成本将进一步降低。


未来的汽车消费者不仅仅可以在汽车4S店订购汽车,而且会越来越多的体验在汽车企业的官方网站乃至电商平台上订购汽车。未来对于汽车的可选择配置也会变得多种多样,消费者可以根据自己的喜好订购个性化配置的汽车,而汽车企业生产使用的柔性化智能生产设备提供的混线生产能力也恰恰可以满足消费者的这种需求。


在汽车行业,未来的信息技术并不仅仅是汽车企业内部信息化的管理技术,而是在整个汽车制造行业、整个供应链中广泛实施的信息互联技术。伴随着工业互联网技术以及云技术的发展,带来的不仅仅是汽车生产周期的缩短,未来消费者同时可以享受到更大的消费裕度,既可以时时观测到自己订购的汽车处于哪个生产阶段,又可以对于汽车尚未安装的定制功能(甚至已经安装的部分)进行在线调整,未来汽车工厂对订单中尚未制造的部分可以迅速进行调节,就算生产中已经生产过的流程,也是支持调整与更新,这只是成本问题而并非技术问题。这一切全部来自于工业4.0中供应链的自适应技术与车企生产过程中柔性更高的智能化设备的使用。对于未来智能工厂中由智能设备生产出的汽车,当然也是智能的,如图2。


未来汽车销售及生产销售图


2.虚拟生产,设计生产数字化


未来汽车工厂的生产将转变为全程的数字化、信息化生产。这种数字化、信息化不仅仅是汽车设计模型的数字化、生产零部件的数字化、信息化,而是整个工厂中生产流程、生产工艺的数字化、信息化,是整个汽车生产供应链中所包含的所有内容的数字化、信息化。


虚拟制造技术因其原则上不消耗任何实际资源,同时能够在计算机上对产品的设计、加工、装配、运行乃至测试提供相应的结论,所以这项技术在越来越多行业及产品上得到应用。


1997年美国俄亥俄州举办的虚拟制造用户专题讨论会上,人们根据制造过程的侧重点不同将虚拟制造大致可以分为三类:以设计为核心的虚拟设计制造(例如:Solidworks、Catia等)、以生产为核心的虚拟生产制造(例如:AutoMod、Flexsim等)和以控制为中心的虚拟控制制造(例如Labview等)。


对于虚拟制造技术,其本身具备的优势是不言而喻的。


(1)由于虚拟设计技术的产生,原来产品的开发过程不再或少量需要制造样件、样机来进行测试产品的可制造性和装配的可行性,而且可以动态的演示设计产品的各种工作状况及相关的测试性能,使设计周期显著变短,节约企业研发成本。


某项目AGV设计图及AGV实物图


图3为今天国际物流技术股份有限公司为某项目设计研发的AGV,项目研发设计时间短、要求高、任务重,通过虚拟设计制造技术反复校核设计尺寸、安装流程,最终经现场装配验证产品性能优异,完全满足设计要求。虚拟设计软件已经成为今天国际物流技术股份有限公司设计工程师标准设计工具。


(2)虚拟制造技术可以模拟整个生产过程的工艺流程,同时对流程中的瓶颈点、流程中需要注意的核心参数(路径节点流量、生产工作节拍、缓存区的大小等)进行优化设计,使生产任务平衡合理的分配到各个工位,甚至可以模拟工人的疲劳程度,对整个系统进行优化配置。


某项目物流仿真界面截图

图4为今天国际物流技术股份有限公司为某物流中心项目制作的项目仿真截图,项目包含:托盘堆垛机、箱式堆垛机、托盘输送线、箱式输送线、分拣线、拆码垛机器人、AGV等。对于这种多设备耦合的复杂物流系统,通常情况下针对项目中的核心单机设备能力进行计算是无法检验说明整个系统的理论工作能力的。而通过仿真模拟针对这个项目中的每一个设备进行单独建模,按照1:1组成项目设备的整体布局,输入实际流量和软件调度原则即可以对项目系统进行仿真运行模拟,可以很好的检验项目中的单机工作能力以及由多种单机耦合在一起的复杂物流系统运行的项目整体工作能力。当针对项目的整体工作能力进行仿真验证后,通常情况下还可以对项目综合能力为目标对项目进行性能优化。事实证明仿真模拟在项目规划验证阶段得出的结论与项目实施后现场进行的测试基本相同,对项目中目标性能的优化也实现了系统能力的提升。


(3)虚拟控制技术则通过对控制系统进行模拟调试,调试成功后生成PLC代码,直接传输至现场待调试设备上的PLC,将调试时间大大缩短,图5为某项目虚拟仿真PLC调试界面截图。


某项目虚拟仿真PLC调试界面截图


伴随着互联网的迅速发展,远程调试、全球化调试已经成为可能。现阶段今天国际物流技术股份有限公司正在使用虚拟控制软件针对项目进行PLC虚拟调试工作。首先在虚拟软件中对某项目设备进行虚拟建模,将项目中的物流设备1:1建造后输入相应的工作流程逻辑。当相应的工作流程调试通畅后再针对项目中使用的PLC品牌进行虚拟调试,真实模拟项目中的动作及相关工作参数设置,最终输出PLC程序。使用这种调试工具,电控工程师在项目现场只需要进行简单的验证调试工作,大大缩短到了电气工程师现场工作的时间、降低了现场工作强度。


对于汽车工厂这样一个生产节拍要求高、工艺流程复杂、生产设备系统、物流输送系统等多系统耦合在一起的复杂系统,设计、生产运行参数的选择稍微不慎将对整个系统带来灾难性的后果,而虚拟制造技术完美的解决了这个问题。虚拟制造技术可以提供产品的模型设计、生产加工的优化,还可以通过模拟优化各种复杂工况流程与流程之间切换所产生的影响。而对于未来以工业4.0为基础的订单式生产的汽车智能制造企业来说,生产中多品种产品的混线生产模式将变成常态,而这正是虚拟制造技术的价值所在。


3.混线生产,生产流程柔性化


进入工业4.0时代,智能工厂中将使用越来越多的智能设备,同时生产流程的柔性将带来翻天覆地的变化。


生产管理模式的发展大致经历了四个阶段,如图6。


生产管理模式的发展大致经历了四个阶段


  • 手工作坊生产:工业革命之前,人们在简陋条件下手工生产产品;

  • 单件小批量生产:工业革命开始,手工模式被取代;

  • 大批量生产:第二次、第三次工业革命开始,大规模流水装配线、自动化生产线产生;

  • 多品种小批量柔性生产:工业4.0开始,该种模式能够在一条生产线上混线生产多种不同产品。

汽车生产长久以来一直是大规模流水装配线生产,生产模式则是按照库存生产模式运行的。汽车厂商根据市场上的销售反馈做出预估销量,然后对生产车型、配置进行排产。汽车工厂的产品存在着多种不同的配置选择,同时为了适用于不同的行驶区域,增加了总装车间装配的复杂性。


多品种、小批量、多批次、生产重复性低,是订单式生产企业的主要特点。订单式生产也是工业4.0中重要的组成部分,是未来智能工厂的主要生产模式。未来的汽车工厂中会使用越来越多的智能AGV或可变轨EMS等高柔性输送设备来替代现阶段单调的自动化输送流水线。生产线上的智能生产设备也将变成越来越多的可换手型的可以实施多种工作的机器人。未来承载零部件的AGV与承载车体的AGV甚至包括承载机器人专用卡具的AGV之间可以相互通讯编队(工业物联网,万物相联),同进同退进出装配工位以防止安装出错,而且生产线上的智能机器人同样可以通过RFID等信息识别技术确认安装信息,并将生产过程的相关信息反馈至远端数字云平台。



4.信息共享,供应链自适应化


供应链是指围绕核心企业,通过对信息流、物流、资金流的控制,从采购原材料开始,制成中间产品,最后由销售网络把产品送到消费者手中的将供应商、制造商、分销商、零售商直到最终用户连成一个整体的功能网链结构模式。


基于工业4.0技术,在客户订单产生之时,客户定制汽车的所有数据信息已经一并产生,包括汽车所有零部件的供应商、汽车将具体在哪个工厂生产、生产工艺中将使用哪些智能生产设备以及物流中需要哪家物流供应商等,即供应链产生。随着时间的推移,汽车订单中的原料供应商、零配件供应商、物流运输提供商等组成产业链中的每一个环节都可能会因为各式各样的原因而发生改变,甚至客户的定制需求想法都有可能会随时间改变的,而这时智能供应链的自适应技术便施展其能力。


自适应技术:是一类新的“智能组件/智能结构”,这些智能组件在工作条件改变的时候具有一个主动适应和目标优化调节的机械特性。这种主动的组件满足改善系统机械特性、效率、性能及其他特性的要求。自适应技术是一种决定性的面向未来的技术,它能在产品的经济性、安全性和舒适性获得最优化的同时,减少乃至避免震荡以及不希望的畸变和噪音。应用自适应技术的产品和方法能够获得决定性的竞争优势。


工业4.0中的供应链自适应技术将完美的解决供应链中数据改变这种问题。对于消费者下达的订单,在云平台中汽车生产厂、零部件供应商及三方物流服务商共同拥有订单数据信息,而对于消费者中途改变的订单内容,主机厂和零部件供应商及三方物流服务商可以通过平台对生产任务以及物流运输的货物进行优化调整,实现整个产业链的零库存生产。整个流程不再需要各方管理者做烦躁的数据计算工作,而只是审核、批准。计算改变所涉及到的巨大的信息访问量、运算量等则由云技术完成。


为今天国际物流技术股份有限公司为某生产企业研发的物流管控平台演示图。平台为该公司实现了原材料、辅料、五金备件从原产地到旗下五家生产工厂的运输、成品从五家生产工厂到最后的商业配送的实时跟踪管理,实现了统一管理、统一平台、统一监管的目的。对于相应急需物资的调配也给出智能物流的解决方案。该管控平台实现了对仓储作业、运输作业、养护作业以及物流资源、物流成本、物流绩效以及物流安全的综合管理。未来的管控平台将逐渐合并为一个巨大的信息计算存储平台,云平台。


5.信息存储,生产数据云存储


云计算平台也称为云平台。“云计算”现阶段最广为接受的是美国国家标准与技术研究院(NIST)的定义:云计算是一种按使用量付费的模式,这种模式提供可用的、便捷的、按需的网络访问,进入可配置的计算资源共享池(资源包括网络、服务器、存储、应用软件、服务),这些资源能够被快速提供,而只需投入很少的管理工作,或与服务供应商进行很少的交互。实现云计算这种模式所使用的技术就是云计算技术。


汽车生产的发展方向是订单化:既多品种,小批量的s生产方式。未来汽车工厂按客户订单进行混线生产成为常态。汽车的混线生产的技术研究主要集中在两个方面:生产线的平衡问题和混线生产的排产问题。生产线平衡是把不同车型的装配任务分配到生产线上的不同工位,保证各个工位对多种车型的装配时间接近,提高生产效率;生产线排产则是受到客户对不同车型订单的影响,需要对订单做出实时反映,保证客户订单车辆的交付。现实中的生产则涉及更多种方面的因素制约,各方面的影响因素耦合在一起共同作用于生产线,需要强大的计算能力进行分析计算,云计算技术则正好解决这一难题。


在工业4.0的作用下,汽车行业的生产逐渐实现全程数字化。不仅仅是汽车设计生产模型的数字化,而是整个汽车工厂工作流程、生产工艺的全程数字化,生产过程中整个产业链供给的数字化。对于生产模型、生产流程、生产工艺、产业链的整体调度的复杂数学模型的模拟仿真,远端的云平台计算则可以显示出其强大的运算能力。虚拟仿真技术与云计算技术相结合可以快速模拟计算出各种工况对于产品生产及工期的运行影响,最后给出最优的生产方案。而对于实际生产中订单包含的零件供应商的生产状态与库存、零部件在三方物流中的运输状况以及汽车工厂的生产进度所产生的新状况,云平台都可以实时对情况进行最优化调节。汽车工厂、零部件供应商、三方物流服务商产生的数据一并存储于云平台,任意端客户可以实时更新查询。这种生产全程的数字化跟踪优化和数据存储查询在之前的生产过程中是远远无法想象的,带之而来的是工厂也将翻天覆地的变化。


6.资源共享,工厂全球本地化


伴随着3D打印技术及智能工厂的快速发展,智能设备的能力越来越强,社会生产力将大幅提高。在这种情况下,虚拟技术的应用(生产产品的数字化与生产工艺的数字化)使未来生产变得越来越简单,同时智能生产设备强大的功能使得产品的生产不再受到生产条件方面的限制,使得客户订单本地化生产成为现实。未来汽车厂负责客户需求产品的设计与生产工艺的制定,产品的生产则完全可以由“云生产”中的本地“云工厂”完成。


“云生产”的定义:是一种按照使用量进行付费的工厂运行模式。客户通过有效的、便捷的网络访问方式,对分布于全球的可配置的智能工厂资源池(资源包括:附近原料储备、智能工厂的生产能力、物流运输资源等)进行查询,将这些资源统一配置后,客户付出极少的管理工作及与生产商的交互,生产商根据客户提供的数字化生产数据进行智能生产。这种生产方式就是“云生产”。提供这种生产模式的工厂就是“云工厂”。


“云生产”将工厂原有规模经济生产模式转变为区域经济生产模式,将智能工厂原本属于自己企业可供使用的富余的生产制造能力转变为具备区域优势的、可以服务于全球共享的生产能力。在“云生产”的使用过程中,用户可以统一查询某地区的可以调配使用的生产能力,系统同时提供该区域是否有合适的原材料资源及物流运输资源,当各方面匹配后系统针对用户项目进行综合成本计算。这种模式免去了原本只属于某地某工厂的大规模的原料采购、成品运输的成本及时间消耗。这种产品生产本地化的“云生产”模式将大幅降低物流运输成本,尤其是远距离的跨国项目,是未来智能工厂的一种发展趋势。


在未来汽车工厂很有可能形成一种模式,即假设某个丰田的智能工厂分享富裕的生产力作为云工厂后,生产线上可能生产着奔驰、宝马、奥迪等各大公司各种款式的车型(生产数字信息加密处理)。对于消费者来讲享受到的是快捷的定制化服务,而对于不同品牌汽车工厂来讲则省掉了大笔的运输费用和时间成本。当然这些还仅仅是一些关于汽车工业发展的猜想,让我们拭目以待看看未来汽车工业的智能工厂、智能物流的发展之路。(文章来源:深圳市今天国际物流技术股份有限公司



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