工業(yè)互聯(lián)時(shí)代的智能制造
伴隨著OT(操控技術(shù))、IT(信息技術(shù))、CT(通信技術(shù))等3T技術(shù)的深度融合，智能制造與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)向我們走來了。我們即將置身于一個(gè)數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化的智能工業(yè)時(shí)代。未來已來，顧首相問，何謂“智能”?“智”從何來?
本文，我們將從工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的大背景下，來解讀智能工廠，以及智能工廠的基礎(chǔ)建模。
一、說文解字說“智能”
“智”，三字而成，日為金烏,矢為弓箭，口為人言。字義為對太陽東升西落這樣的事情對答如流，口出如箭。引申為知萬物變化之根本，察萬物變化之規(guī)律，對事物的過去現(xiàn)在未來的變化了然于胸。
這里面包含了三個(gè)層面的含義：一是知萬物變化之根本的感知能力和認(rèn)知能力，二是察萬物變化之規(guī)律，從而指導(dǎo)自己行為(如日出而作、日落而息)的應(yīng)激能力和適應(yīng)能力，三是通過總結(jié)，對事物狀態(tài)和未來變化做出分析和判斷的能力。這實(shí)際上構(gòu)成了一個(gè)基于“意識——行為——經(jīng)驗(yàn)”的智能結(jié)構(gòu)體模型：
在這個(gè)模型中，智能結(jié)構(gòu)體通過感知和認(rèn)知形成意識，通過意識約束和指導(dǎo)行為，通過對行為能力和行為過程的總結(jié)用提煉形成經(jīng)驗(yàn)，借助經(jīng)驗(yàn)對未來的變化做出判斷和分析，并在更高的標(biāo)準(zhǔn)上優(yōu)化和提升自身的意識。
二、工廠如何變得“智能”
讓工廠變得智能，就要把工廠變?yōu)橐粋€(gè)智能結(jié)構(gòu)體，就需要建立工廠的意識，協(xié)調(diào)工廠的行為，洞察工廠的數(shù)據(jù)。
(1)建立工廠意識：邊緣計(jì)算與標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)知
我們要讓工廠有意識，首先要建立對工廠物理世界的感知能力。這依賴于以操控技術(shù)(OT)為代表的自動化與工業(yè)協(xié)議的發(fā)展，它為我們用信號量來描述、感知和反饋物理世界提供了基礎(chǔ)，這其中包括了傳感器、PLC、以太網(wǎng)等技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
在物理世界的邊緣，基于OT的邊緣計(jì)算設(shè)備和工業(yè)軟件對現(xiàn)場作業(yè)的工業(yè)數(shù)據(jù)(包括環(huán)境數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù))進(jìn)行不間斷反饋，形成了對工業(yè)物理世界的感知。感知是客觀的，被動的。
我們要讓工廠有意識，還要建立對工廠物理世界的認(rèn)知能力。認(rèn)知是主觀的、能動的，是基于工業(yè)機(jī)理的，是更高層次上的意識。
弦動別曲，葉落知秋。通過感知與認(rèn)識的結(jié)合，建立一個(gè)面向產(chǎn)品生命周期的數(shù)據(jù)采集體系和標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)知能力，才是智能制造的可靠基礎(chǔ)。前者通過工業(yè)軟件的整合和數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品生命周期數(shù)據(jù)的不間斷、低延時(shí)、準(zhǔn)確、可靠的反饋;后者通過數(shù)字化的模型對產(chǎn)品生命周期進(jìn)行描述，明確定義產(chǎn)品生命周期內(nèi)各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、生產(chǎn)工藝規(guī)范、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)以及操作規(guī)程等等，為我們評估性能、發(fā)現(xiàn)缺陷、預(yù)測故障、優(yōu)化生產(chǎn)作業(yè)流程提供標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)。
(2)協(xié)調(diào)工廠行為：柔性生產(chǎn)與數(shù)字主線
在生產(chǎn)制造領(lǐng)域，所有的生產(chǎn)都是有意識的，都是基于市場需求的。無論是面向庫存生產(chǎn)還是面向訂單生產(chǎn)，產(chǎn)能都是面向市場的。通過銷產(chǎn)轉(zhuǎn)換和協(xié)同，拉直客戶與產(chǎn)品之間的路線，快速、柔性化地調(diào)配生產(chǎn)資源，保障低成本、高績效、高質(zhì)量的產(chǎn)品交付，是柔性生產(chǎn)的終極目標(biāo)。
這需要從價(jià)值鏈、產(chǎn)品鏈、設(shè)備鏈三個(gè)管道上對生產(chǎn)過程進(jìn)行科學(xué)有效地組織和管理。筆者以業(yè)務(wù)鏈為機(jī)體，產(chǎn)品鏈和設(shè)備鏈為兩翼繪制了一個(gè)業(yè)務(wù)信息化、制造數(shù)字化和裝備數(shù)字化的“大飛機(jī)模型”，如下圖所示：
在圖中，一是基于業(yè)務(wù)協(xié)同的價(jià)值鏈管道，以ERP為代表實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)管理的信息化。從銷售訂單開始，全面管理生產(chǎn)計(jì)劃、原料供應(yīng)、生產(chǎn)制造、完工檢驗(yàn)、交付分銷和售后服務(wù)一系列價(jià)值增值環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)過程的信息化，保障企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營的有效組織和協(xié)同。
二是基于制造過程的產(chǎn)品鏈管道，以PLM+MES為代表實(shí)現(xiàn)制造數(shù)字化，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)開始，對生產(chǎn)制造過程中的工藝數(shù)據(jù)、投入產(chǎn)出、能源消耗、過程質(zhì)量等制造數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化采集和分析。
三是基于設(shè)備運(yùn)行的設(shè)備鏈管道，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)裝備的數(shù)字化運(yùn)維和運(yùn)行監(jiān)視。
從這三個(gè)管道的邏輯模型中，我們可以看到，人(業(yè)務(wù)、組織)、機(jī)(設(shè)備、產(chǎn)線)、物(物料、產(chǎn)品)在生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化融合，產(chǎn)生了一條支撐柔性生產(chǎn)的數(shù)字主線。這條數(shù)字主線整合產(chǎn)品生命周期各環(huán)節(jié)，集成產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、計(jì)劃排產(chǎn)調(diào)度數(shù)據(jù)、人機(jī)料法質(zhì)制造數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行運(yùn)維狀態(tài)數(shù)據(jù)，為建立柔性生產(chǎn)的數(shù)字化模型提供了全維度的數(shù)字化洞察。
(3)洞察工廠數(shù)據(jù)：大數(shù)據(jù)分析與生產(chǎn)優(yōu)化
通過數(shù)字主線上業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、制造數(shù)據(jù)特別是設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集和集成，形成不間斷的工廠大數(shù)據(jù)流，建立對生產(chǎn)運(yùn)行的數(shù)據(jù)洞察，并反饋回業(yè)務(wù)運(yùn)營里面去，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的不斷優(yōu)化。比如設(shè)備維修計(jì)劃、預(yù)測能力的提升，質(zhì)量分析可靠性的提升、工藝流程和操作規(guī)范優(yōu)化以及產(chǎn)能利用率的提高等等。
三、智能工廠的基礎(chǔ)建模
工廠建模的目的是為了數(shù)字化、結(jié)構(gòu)化的描述和處理生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的各種信息，按照組織劃分的原則、業(yè)務(wù)協(xié)同的規(guī)則、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的規(guī)則、物料(能源)平衡的原則等一系列共性規(guī)則和約束，將生產(chǎn)制造信息與物理世界聯(lián)系起來。
通過前面“大飛機(jī)模型”的分析,我們知道,人(業(yè)務(wù)、組織)、機(jī)(設(shè)備、產(chǎn)線)、物(物料、產(chǎn)品)在生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化融合,那么,工廠作為生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的主要承載者,其基礎(chǔ)建模也一定離不開這三部分,即業(yè)務(wù)組織建模、物理實(shí)體建模和產(chǎn)品工藝建模。
先說業(yè)務(wù)組織建模。業(yè)務(wù)組織是企業(yè)開展業(yè)務(wù)工作的基礎(chǔ)，也是評價(jià)業(yè)務(wù)績效的主體責(zé)任單元。有了工廠組織模型的定義，就可以按組織的維度洞察業(yè)務(wù)流程性能和制造過程績效。一般來說，工廠業(yè)務(wù)組織模型應(yīng)該包括一個(gè)樹形的生產(chǎn)組織架構(gòu)以及崗位人員、工作制度等基礎(chǔ)信息的定義。
再說物理實(shí)體建模。物理實(shí)體是對生產(chǎn)線、生產(chǎn)單元、生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)等物理生產(chǎn)資源的抽象和描述。常見的物理實(shí)體建模有兩種方式，一種是自頂向下的切割式建模，以ERP為代表，一種是自底向上的裝配式建模，以MES為代表。
在ERP中，對物理生產(chǎn)資源的描述是高度抽象化的，它站在生產(chǎn)組織和業(yè)務(wù)管理的角度，向下透視，把物理生產(chǎn)資源切割成一個(gè)個(gè)工作中心，建立起計(jì)劃排產(chǎn)、生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)和成本歸集的基本業(yè)務(wù)單元。
在MES中，由于管理的對象更加貼近實(shí)際生產(chǎn)資源，所以就更強(qiáng)調(diào)了物理建模的仿真性。它站在實(shí)際物理生產(chǎn)場景的角度，把一個(gè)個(gè)物理生產(chǎn)資源構(gòu)件化，然后再逐級向上裝配，最終形成一個(gè)工廠的物理模型。
以化工企業(yè)的工廠建模為例，首先在物理邊緣建立起與物理生產(chǎn)資源對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)模型，如側(cè)線、罐、進(jìn)出廠點(diǎn)、匯流點(diǎn)、互供點(diǎn)、裝置界區(qū)節(jié)點(diǎn)、計(jì)量節(jié)點(diǎn)、庫位、能源節(jié)點(diǎn)等，再向上裝配形成物理界區(qū)模型，并在ERP與MES的對接處建立ERP工作中心與MES物理實(shí)體以及組織模型的映射，如下圖所示。
最后說產(chǎn)品工藝建模。工藝模型是產(chǎn)品付諸生產(chǎn)的具體行動方案和路線圖，用于定義產(chǎn)品生產(chǎn)的工序和步驟，是產(chǎn)品從原料到中間產(chǎn)品再到最終產(chǎn)品的形態(tài)變化過程，是生產(chǎn)平衡、能源平衡、物料平衡的統(tǒng)計(jì)模型和工程模型。
工序過程在生產(chǎn)單元上完成，不同工藝路線在相同工序上的工藝要求不同，形成不同工藝的工藝卡片，記錄工序上的投入、產(chǎn)出、能耗、工藝參數(shù)、作業(yè)步驟。
這樣，通過三個(gè)基本模型和模型間引用關(guān)系的定義和構(gòu)建，來完整描述智能工廠的數(shù)字主線，從而建立起智能工廠的數(shù)字化模型。
