智能制造的推进策略

导读

INTRODUCTION

我国制造业面临着异常严峻的挑战,在这种背景下,制造企业如何实现转型升级?推进智能制造成为重要的途径。然而,目前我国制造企业推进智能制造面临着诸多难点与问题...

文章来源

本文引自智能制造丛书最新力作:《智能制造实践》(作者:黄培,许之颖,张荷芳)。

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智能制造推进的难点与问题

我国制造业面临着异常严峻的挑战:人口红利消失、“未富先老”、企业招工难,人工成本迅速上升;高房价、高地价迫使国内制造业向内地转移,低成本制造业向东南亚国家转移;高赋税以及社保费用的压力也给企业带来高昂的运营成本;原材料价格上涨对下游行业带来巨大的成本压力;环保风暴也给很多企业敲响了警钟;各类禁令事件则暴露出我国制造业核心技术缺失的尴尬现状;而国际贸易争端更是对出口型企业雪上加霜。
在这种背景下,制造企业如何实现转型升级?推进智能制造成为重要的途径。然而,目前我国制造企业推进智能制造面临着诸多难点与问题:
◉ 第一,概念满天飞,技术一大堆。
近几年来,从工业4.0的热潮开始,智能制造、信息物理系统(CPS)、工业互联网(平台)、企业上云、工业APP、人工智能、工业大数据、数字工厂、数字经济、数字化转型、C2B(C2M)等概念接踵而至,对于大多数制造企业而言,可以说是眼花缭乱、无所适从。智能制造涉及的技术非常多,例如云计算、边缘计算、RFID、工业机器人、机器视觉、立体仓库、AGV、虚拟现实/增强现实、三维打印/增材制造、工业安全、时间敏感网络、深度学习、数字孪生、MBD、预测性维护......,让企业目不暇接。这些技术看起来都很美,但如何应用,如何取得实效?很多企业还不得而知。
◉ 第二,摸着石头过河。
企业推进智能制造领域的相关技术十分缺乏经验,欠缺可以借鉴的成功案例。目前,制造企业已经存在3种类型的孤岛:信息孤岛、自动化孤岛,以及信息系统与自动化系统之间的孤岛。同时,企业也缺乏统一的部门来系统规划和推进智能制造。在实际推进智能制造的过程中,企业仍然是“头痛医头”,缺乏章法。
◉ 第三,理想很丰满,现实很骨感。
推进智能制造,前景很美好。但是绝大多数制造企业利润率很低,缺乏自主资金投入。在“专项”“示范”以及“机器换人”等政策刺激下,一些国有企业和大型民营企业争取到各级政府给予的资金扶持,而中小企业只能“隔岸观火”,自力更生。
◉ 第四,自动化、数字化还是智能化?
在推进智能制造过程中,不少企业对于建立无人工厂、黑灯工厂跃跃欲试,认为这就是智能工厂。而实际上,高度自动化是工业3.0的理念。对于大批量生产的产品,国外的优秀企业早就实现了无人工厂。例如,日本发那科仅需40s就能全自动装配完成一个伺服电机,但其前提是产品的标准化、系列化,以及面向自动化装配的设计,例如将需要用线缆进行插装的结构改为插座式的结构。e-works曾多次组团参观三菱电机的名古屋制作所可儿工厂,该工厂对于大批量生产的产品,大量应用机械手,实现高度自动化;
 
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↓三菱电机名古屋制作所实践视频
对于中小批量的产品,推进低成本自动化,即部分工位的自动化;而对于单件定制的产品,采取手工装配。e-works考察团还参观施耐德电气的法国诺曼底工厂,该工厂是生产继电器的自动化工厂,该工厂实现了绕线、装配、包装等全流程的自动化,而且可以在一条产线生产多种变型产品,但实际上还不是智能工厂。还有西门子一直将被广泛誉为工业4.0典范的安贝格电子工厂也是被称为数字化工厂,其特点是人机协作的柔性自动化生产、智能物流、工业软件广泛应用、海量的数据采集以及大数据分析。
 
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↓西门子成都数字化工厂介绍
一个真正的智能工厂,应该是精益、柔性、绿色、节能和数据驱动,能够适应多品种小批量生产模式的工厂。智能工厂不是无人工厂,却是少人化和人机协作的工厂,推进智能工厂绝不是简单地实现机器换人。南京的爱立信工厂有一条装配线,一开始设置的自动化率是90%,后来发现调整为70%,增加若干人工工位,整体质量和效率反而是最优的。此外,对于装备制造行业,机加工等工序并不适合建立自动化生产线,而建立柔性制造系统(FMS)则是更现实的选择。马扎克(MAZAK)、发那科(FANUC)的机加工车间应用FMS已达到720小时无人值守,自动生产不同的机械零件。
图1 MAZAK的FMS(柔性制造系统)
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↓山崎马扎克智能工厂
第五,理性看待投资回报。制造企业的企业家,尤其是中小型民营企业的老板,非常关心投资回报。很多企业的要求就是必须能够在3~4年能够收回投资的信息化、自动化系统才投入,甚至有的期望值更高。然而,有些账容易算,比如某条产线减少了多少工人。有些账却不那么容易算,例如工业软件作为一个使能要素,企业离不开工业软件,却难以计算出它究竟为企业直接或间接节省了多少成本,赚了多少钱。如果选型、实施和应用不到位,更是常常用不起来,业务部门牢骚满腹。长此以往,制造企业更加重硬轻软,最后停留在简单地做一点局部的自动化改善。
第六,数据采集与设备联网,迈不过去的坎。企业要真正实现智能制造,必须进行生产、质量、设备状态和能耗等数据的自动采集,实现生产设备(机床、机器人)、检测设备、物流设备(AGV、立库、叉车等),以及移动终端的联网,没有这个基础,智能制造就是无源之水。但是,现阶段很多制造企业还停留在单机自动化阶段,甚至一些知名企业的生产线也未联网,没有基础的设备联网,何谈工业互联网?
第七,基础数据和管理基础。无论是推进企业信息化、两化融合,还是进一步实现数字化转型,推进智能制造,基础数据的规范性和准确性都是必要条件。很多企业在实施ERP,或者ERP升级换型的过程中,花费时间最多的就是基础数据的整理。企业管理的规范性、业务流程的清晰,也是企业推进智能制造的“敲门砖”。但现实的情况是,一些企业的基础数据还没有理顺,却在大谈“工业大数据”。这种舍本逐末的做法,注定是难以取得实效的。
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智能制造推进的5项基本原则

随着我国劳动力成本迅速增长,节能减排的要求越来越高,市场竞争白热化,客户需求日益个性化,制造企业面临着越来越大的转型压力。在这种背景下,智能制造成为广大制造企业关注的热点。尤其是在车间的智能化改造方面,很多大中型制造企业开展了相关实践,还有众多企业在跃跃欲试。增加智能装备、建立智能产线、推进智能物流,减少人工,成为很多制造企业的共同选择。
智能制造势不可挡,但智能制造只是手段,不是目的。制造企业应当明确推进智能制造的目标,积极学习各种智能制造新兴技术,探讨应用各种智能制造技术的必要性、紧迫性与可行性,具体推进智能制造技术的应用必须做好需求分析与投入产出分析,明确总体拥有成本,根据自己的盈利水平确定合理的投资预算。千万不能为了智能化而智能化,为了争取政府项目而盲目大干快上智能制造项目,以免在老的信息孤岛问题、基础数据不准确的问题依然存在的情况下,又形成新的智能孤岛,甚至形成“仅供参观”的花架子。
因此,制造企业推进智能制造,需要把握以下5项基本原则:
【原则1】正确理解智能制造。
智能制造中的“智能”还处于Smart阶段,智能制造(Smart manufacturing)系统具有数据采集、数据处理和数据分析的能力,能够实现闭环反馈。智能制造的未来趋势是实现“Intelligent”,实现自主学习、自主决策和优化提升。智能制造融合了信息技术、先进制造技术、自动化技术和智能化技术。智能制造中的“制造”指的是广义的制造,并不仅仅包括生产制造环节的智能化,而是包括制造业价值链各个环节的智能化。企业信息化和工业软件的深化应用,是推进智能制造的基础和前提条件。
【原则2】正确理解和应用智能制造使能技术。
智能制造使能技术主要包括:物联网、增材制造(3D打印,包含设备、材料、工艺)、云计算、电子商务、电子数据交换(EDI)、PLC、DCS、自动识别技术(RFID、条码、机器视觉)、数控系统、大数据分析(包括工业大数据)、 虚拟现实/增强现实、Digital twin(数字孪生,包括产品、设备、车间)、工业安全、工业互联网、传感器、云制造和信息集成(EAI、ESB)等技术。需要明确的是,部分技术还处于发展的初期阶段,制造企业需要根据自身的产品特点、生产模式和运营模式来综合考虑应用方式。
【原则3】必须理解智能化与自动化的本质区别。
那些将机器人应用和无人工厂说成是工业4.0的说法是错误的。企业在建设智能工厂时,要整体考虑智能装备的应用、生产线和装配线的数据采集方式、设备布局和车间物流优化、在制品在工序之间的转运方式、生产工艺的改进与优化、材料的创新等,而不仅仅是某些工位的“机器换人”。智能化生产线能够实现柔性的自动化,快速切换生产多种产品,或者可以混线生产多种产品,能够实现生产数据、质量数据的自动采集,并实现自动化系统与质量分析系统、MES系统的信息集成。
【原则4】必须做好整体规划,选择适合企业自身特点的实施方案,有效规避风险。
推进智能制造需要解决更加复杂的、纵横交错的信息集成问题,例如IT系统与自动化系统的信息集成、供应链的数据交换;推进智能制造需要处理来源多样的异构数据,包括各种来自设备、产品、社交网络和信息系统的海量数据,需要确保基础数据的准确性;推进智能制造需要企业的IT部门、自动化部门、精益推进部门和业务部门,甚至供应链合作伙伴之间的通力合作。因此,制造企业必须充分认识到推进智能制造的复杂性、艰巨性和长期性。制造企业应当做好相关技术的培训,选择有实战经验的智能制造咨询服务机构,共同规划推进智能制造的蓝图。在整体规划的指导下,选择对于企业最有可能迅速见效的突破口优先实施。比如,推进基于物联网的预测性维护服务,促进企业已销售的产品的配件销售,提高客户服务满意度;或者通过实现生产线的智能化,提高设备的整体绩效和产品合格率;通过建立企业级BOM平台,实现产品的在线定制等。
【原则5】企业需要建立自己的专业队伍,并选择长期的战略合作伙伴。
推进信息化是个系统工程,推进信息化与工业化深度融合是一个更大的系统工程,而推进智能制造更是一个非常复杂的系统工程,涉及到诸多工业软件的集成应用,涉及到智能装备应用、设备联网、数据采集、数据分析和业务流程优化,并且需要与推进精益管理结合起来推进,因此,制造企业需要建立自身的专业队伍,融合信息化、自动化和管理人才,并选择若干长期的战略合作伙伴,包括咨询服务机构、智能制造的整体集成商、解决方案提供商和服务商等。制造企业在推进智能制造项目时,必须注意选择在企业所在行业具有实施和服务经验,产品具有开放性和可扩展性,具有本地化服务能力的解决方案提供商,选择具有良好的沟通能力、项目管理能力和丰富行业经验的项目经理。在推进智能工厂项目时,尤其需要考虑解决方案提供商是否具备软件、硬件和自动化的综合实力。
总之,推进智能制造,既要积极布局前沿技术的应用,又要夯实基础,务实推进。纵观中国制造业推进信息技术应用30多年的历程,经历了一个又一个的“工程”,从“会计电算化”、“甩图板”、CIMS工程、“两甩(甩图纸、甩账表)”到制造业信息化工程;产生了一次又一次的“热潮”,从财务软件、CAD、ERP、ASP、云计算、电子商务等,既有政府的积极推进,也有国内外主流厂商的推波助澜。不少制造企业在条件还不具备、对新兴技术认识还不清晰的情况下,就盲目上马应用一些技术尚不成熟的信息化单元系统,实施与应用也不到位,最终形成了很多信息化孤岛,没有达到预期目标,甚至多次推倒重来。因此,不论市场上有哪些“热词”(buzz word)或者热潮,制造企业都不能再盲目跟风,而是应当保持冷静与理智,以免事与愿违。企业需要在提升基础管理水平的基础上循序渐进,积极、稳妥地推进智能制造,从而真正取得实效。
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智能制造推进的策略

首先,推进智能制造的核心目的是帮助企业通过实现降本增效、节能降耗、提高产品质量、提升产品附加值、缩短产品上市周期、满足客户个性化需求,以及向服务要效益等途径,提升企业的核心竞争力和盈利能力。推进智能制造绝不能搞面子工程。
第二,必须对智能制造有正确的理解和认识。智能制造覆盖企业全价值链,是一个极其复杂的系统工程,不要期望“毕其功于一役”;推进智能制造需要规划、IT、自动化、精益等部门通力合作;不同行业的企业推进智能制造差异很大。推进智能制造,需要引入中立、专业的服务机构,开展多层次、多种形式的培训、考察、交流与学习,让企业上下树立对智能制造的正确认识。此外,需要强调的是,小批量、多品种的企业,不要盲目推进无人工厂;个性化定制和无人工厂是鱼和熊掌不可兼得;不能盲目推进机器换人。
第三,大处着眼,小处着手。企业要想推进智能制造取得实效,应当参照e-works智能制造金字塔的相关内容,通过智能制造现状评估、业务流程和工艺流程梳理、需求调研与诊断、整体规划及落地实施5个步骤,画出清晰的智能制造路线图,然后根据路线图和智能制造整体规划,稳步推进具体的项目,注重对每个智能制造项目明确其KPI指标,在测度关键绩效指标的基础上,评估是否达到预期目标。智能制造要取得实效,需要清晰的思路、明确的目标、高层的引领、专业的团队和高度的执行力。
图2 智能制造总体框架范例
第四,紧密跟踪先进制造技术的发展前沿。近年来,制造业的新材料、新技术、新工艺层出不穷,金属增材制造技术不仅改变了复杂产品的制造方式,还改变了产品结构,也彻底打破了可制造性的桎梏,催生了创成设计等新的设计模式,从计算机辅助人设计,演化为人辅助计算机设计。碳纤维复合材料的广泛应用催生了全新的制造工艺和制造装备。奥迪A8采用了铝制车身,车身焊接不能再使用点焊,取而代之的是铆焊、摩擦焊、激光焊等新工艺。材料和工艺的改进,往往会对产品的性能,例如抗腐蚀、耐久性带来巨大的提升。精密测量技术也在迅速发展,由接触式测量发展到非接触式测量,由离线检测演化为在线检测,由事后检测演化为边测量边加工,从而帮助制造企业提升产品质量。
第五,积极稳妥地推进数字化和智能化技术的应用。当前,人工智能技术的发展如火如荼,必将在制造业不断得到应用,尤其是在无人驾驶汽车、质量检测与优化、设备故障诊断和预测等领域。现在已经出现了Google的Tensorflow等开源的人工智能引擎可以应用。此外,虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、混合现实(MR)等可视化技术,在制造业也有很好的应用场景,例如设备操作培训和设备维修维护等。爱立信工厂应用增强现实技术进行电路板的检测,蒂森克虏伯电梯利用MR技术提高电梯维护的效率。Cobot(协作机器人,单臂和双臂)在装配、拧螺丝、涂胶等很多工序可以进行应用,机器人与视觉传感器、力觉传感器的集成应用能够大大提高机器人动作的准确性和灵活性。
图3 爱立信工厂利用AR技术辅助进行电路板质量检测
第六,选择真正靠谱的合作伙伴。智能制造系统架构十分复杂,也非常个性化,相关技术在不断演进,企业本身也是动态变化,智能制造评估体系和规划方法论也还处于不断完善的过程中,智能制造的推进是一个长期的过程。因此,企业推进智能制造需要寻找专业的合作伙伴,从培训、现状评估、规划,到具体的数字化工厂仿真、产线设计,到真正实现工控网络的建设,并建立工控安全体系,实现IT与OT系统的集成。

THE END