數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能工廠

PTC公司高級售前總監(jiān) 紀(jì)豐偉

數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能工廠

PTC公司高級售前總監(jiān) 紀(jì)豐偉

紀(jì)豐偉博士目前任PTC公司高級售前總監(jiān)。他專注于產(chǎn)品全生命周期管理（PLM）領(lǐng)域已超過17年，作為主要負(fù)責(zé)人領(lǐng)導(dǎo)和參與了多個國內(nèi)外領(lǐng)先PLM項目的咨詢和實施工作。目前紀(jì)豐偉博士已在國家核心期刊上發(fā)表了19篇論文，其中6篇為美國工程索引（EI）收錄，兩篇為英文論文。

紀(jì)豐偉博士畢業(yè)于清華大學(xué)，擁有機械制造及自動化專業(yè)博士學(xué)位。

目前，在解讀“中國制造2025”的主攻方向——智能制造時，業(yè)界基本已經(jīng)達(dá)成共識，即智能制造并不局限在智能工廠，而是涵蓋了產(chǎn)品的智能化、裝備和工廠的智能化、以及運營模式的智能化轉(zhuǎn)型。但在智能制造體系建立的過程中，企業(yè)仍然會首先將焦點集中在智能工廠的建設(shè)上，因為相對于產(chǎn)品形態(tài)和業(yè)務(wù)模式的轉(zhuǎn)型，裝備和工廠的智能化更直接、更可見也更可控。據(jù)估計，在未來五年，智能工廠市場將以每年6%的速度增長，到2020年，估值將達(dá)670億美元。

其實，如果問問制造業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者，智能工廠對他們來說究竟意味著什么，答案可能五花八門、各不相同。雖然回答會因行業(yè)、角色和地理位置而不盡相同，不過總體而言，他們的核心價值觀和目標(biāo)必定存在共通之處（如圖1、圖2所示）。

圖1

◎ 一些企業(yè)是利用數(shù)字化建模和仿真方法改善工廠運行效率、融合數(shù)字與實體世界，或者整合制造與研發(fā)流程。目前很多企業(yè)已經(jīng)采用了大量的自動化設(shè)備和系統(tǒng)，在單產(chǎn)線上取得了效率的最大化，但在良品率、OEE、設(shè)備可用性上仍然存在諸多問題需要突破。隨著中國制造企業(yè)規(guī)模的逐步擴大，異地制造、協(xié)同制造甚至云制造等新模式的不斷增多，企業(yè)生產(chǎn)管理的瓶頸進一步突顯，尤其體現(xiàn)在：管理層看不見實時的產(chǎn)線和設(shè)備狀態(tài)、由于信息化系統(tǒng)造成的數(shù)據(jù)“煙囪”導(dǎo)致看不清問題產(chǎn)生的原因、由于缺乏數(shù)據(jù)支撐使得管不好整個的生產(chǎn)運營狀態(tài)。

圖2

◎ 還有一些企業(yè)是希望構(gòu)建可根據(jù)市場需求隨時重構(gòu)的敏捷設(shè)備和敏捷系統(tǒng)，或是提高材料流動效率、利用大數(shù)據(jù)分析優(yōu)化整個價值鏈。雖然很多企業(yè)的自動化工廠規(guī)模越來越大，但很多設(shè)備并沒有被充分利用，自動化的設(shè)備和產(chǎn)線也缺乏面向未來個性化或小批量生產(chǎn)的柔性化設(shè)計。作為生產(chǎn)環(huán)節(jié)中最重要的要素——人，也缺乏足夠的精確指導(dǎo)，導(dǎo)致整個生產(chǎn)效率提升存在瓶頸，這個問題在人口流動和老齡化的大背景下顯得更加突出。

◎ 某些企業(yè)建設(shè)智能工廠是為了追求可持續(xù)發(fā)展、采用新一代材料并實現(xiàn)零浪費生產(chǎn)。

很多企業(yè)都會把上述目標(biāo)全部納入自己的智能工廠發(fā)展愿景。而這正是自動化工廠向智能工廠邁進過程中主要解決的問題，自動化或智能化不是目的，而是手段，目的是要通過新的技術(shù)體系構(gòu)建新形式的智能工廠，最終解決工廠管理的業(yè)務(wù)問題并應(yīng)對未來的業(yè)務(wù)形態(tài)。

在執(zhí)行過程中，企業(yè)采取了不盡相同的方式來建設(shè)智能工廠，借以實現(xiàn)各種各樣的目標(biāo)。工廠車間自動化、機器人技術(shù)、M2M和遠(yuǎn)程操作都是智能工廠的構(gòu)成要素，而物聯(lián)網(wǎng)的興起以及傳感器、電動機、交換器等各種設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)加速了這些技術(shù)的發(fā)展。那么，究竟什么樣的工廠可以被稱為智能工廠？工廠的自動化和智能化如何區(qū)分？哪些技術(shù)是智能工廠的關(guān)鍵要素？

雖然每個企業(yè)建設(shè)智能工廠的目標(biāo)、方式和手段都不盡相同，但在采用的技術(shù)要素方面卻有殊途同歸之妙，使得智能工廠的特征和關(guān)鍵技術(shù)要素越來越明顯，并使之有別于自動化工廠，這些關(guān)鍵技術(shù)要素包括以下幾點。

1.異構(gòu)異質(zhì)的設(shè)備和系統(tǒng)互聯(lián)

智能工廠未來的柔性首先來自于對設(shè)備狀態(tài)的感知和控制，這需要工廠內(nèi)所有的設(shè)備能夠被連接。這些設(shè)備可能是異構(gòu)的，例如來自不同國家、不同協(xié)議的設(shè)備，也可能是異質(zhì)的，如不同年代、不同型號的設(shè)備。同時，要深刻洞察工廠的狀態(tài)，除了連接各種設(shè)備，還需要能夠連接所有人、機、料、法、環(huán)要素，這些信息有些在設(shè)備中，有些在IT/OT系統(tǒng)中（如ERP/MES/SCADA/PLC等）。因此，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將成為智能工廠的首要因素。

要從物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)價值，關(guān)鍵在于制造商能否有效連接工廠車間的機器。對剛起步的公司而言，要實現(xiàn)連通性就必須投資高帶寬的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)——所需的投入高達(dá)20萬美元，并且要部署幾萬個傳感器。此外還要整合、存儲和分析海量的數(shù)據(jù)。根據(jù)最近的研究，僅35%的美國制造商收集傳感器生成的數(shù)據(jù)，并用于改進制造和運營流程。不過，雖然存在明顯的挑戰(zhàn)，仍然還有41%的美國制造商計劃使用傳感器采集數(shù)據(jù)。

食品巨頭Tyson公司位于德克薩斯州沃思堡（Fort Worth）的工廠已經(jīng)安裝了1500個傳感器來收集從生肉存量到廢水和電力使用情況的各類數(shù)據(jù)，讓遠(yuǎn)程工廠的管理者可隨時訪問這些數(shù)據(jù)。借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，任何一家Tyson工廠的管理者都有能力通過移動設(shè)備及早發(fā)覺生產(chǎn)延遲，在其演變成嚴(yán)重問題之前及時采取行動，從而節(jié)省寶貴的時間和成本。高效地加工雞塊并不是重點所在，關(guān)鍵是遠(yuǎn)程操作是一種有利可圖的選擇，尤其是在“工廠”環(huán)境惡劣、占地面積大或存在危險的情況下。

日本HIROTEC公司是汽車制造業(yè)內(nèi)最大的一級私人供應(yīng)商之一，向馬自達(dá)和通用等汽車制造廠家直接供應(yīng)零配件。HIROTEC年均生產(chǎn)700萬扇車門及150萬套排氣系統(tǒng)，同時向汽車原始設(shè)備制造廠家供應(yīng)生產(chǎn)裝備和沖壓模具，以滿足其生產(chǎn)需求。HIROTEC通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)利用其目前已有的系統(tǒng)和信息，在生產(chǎn)過程中實現(xiàn)前所未有的實時可見性。為此，HIROTEC使用PTC公司的Kepware技術(shù)來實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)，以ThingWorx作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺；HIROTEC的北美生產(chǎn)車間的數(shù)控（CNC）設(shè)備，將100個數(shù)據(jù)點連同Kepware置入ThingWorx平臺。這些車間在使用設(shè)備之時就會發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)帶來的益處，僅讓數(shù)控設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)時間可見就會對企業(yè)大有裨益。

2.數(shù)字主線（Digital Thread）

數(shù)字主線即一種端對端的信息鏈，使得制造商能夠理解制造過程的每個環(huán)節(jié)并找到正確的前進方向。數(shù)字主線能給企業(yè)帶來的好處就有很多，包括以下幾項。

√ 能夠在制造過程中追蹤CAD模型，從而在車間實際安裝之前確定可能存在的瓶頸和低效環(huán)節(jié)。

√ 通過傳感器收集實時產(chǎn)品數(shù)據(jù)并對其進行分析，以檢查車間進程與預(yù)測結(jié)果的吻合度。

√ 實現(xiàn)供應(yīng)鏈透明化，從而在裝載碼頭出現(xiàn)無法挽回的后果之前及時查明供應(yīng)鏈上游發(fā)生的延遲或問題，以便在做出調(diào)整的同時繼續(xù)減少呆滯庫存。

√ 充分說明每個“完工”產(chǎn)品，詳述其所有定制和變化部分，以便現(xiàn)場作業(yè)人員明確了解哪些部分是必不可少的。

√ 隨著零部件的更換或調(diào)整，要了解“實際維護”的產(chǎn)品，并跟蹤各部件故障率的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，還要追溯至特定的制造條件。

√ 在產(chǎn)品重新設(shè)計過程中，獲得并納入客戶使用數(shù)據(jù)，使制造過程在經(jīng)歷了一輪循環(huán)之后重新回到設(shè)計工程環(huán)節(jié)。

3.設(shè)備智能化

在智能工廠中，越來越多的個體化智能設(shè)備（如機器人）將被利用，從而保證產(chǎn)線調(diào)整的柔性。例如，Rethink機器人公司于2012年推出可以安全集成到制造車間的Baxter工業(yè)機器人以來，該公司一直處于協(xié)作機器人市場的前列。Rethink公司團隊正利用物聯(lián)網(wǎng)（IoT）所帶來的新一輪技術(shù)，以使其機器人產(chǎn)品保持領(lǐng)先的地位。其中的最佳例子是索亞（Sawyer）機器人定位系統(tǒng)，它是2015年推出的一款相對較新、可以完成精密任務(wù)的高性能協(xié)作機器人。工業(yè)環(huán)境中的機器人往往會依賴空間中的特定坐標(biāo)。如果機器人的周圍環(huán)境發(fā)生任何變化，機器人就更難完成既定任務(wù)。這不但會降低機器人的生產(chǎn)效率，還可能增加工作的風(fēng)險。為了幫助索亞在空間事件發(fā)生變化時定位并避免停機時間，Rethink團隊設(shè)計了一個定位系統(tǒng)，利用機器人手臂中攝像機的數(shù)據(jù)來識別索亞的位置。有了這種智能技術(shù)，機器人就可以輕而易舉地進行重新定位。作為無籠機器人，索亞可以安全地在人類身旁工作，且不會對人類造成傷害。

4.數(shù)據(jù)驅(qū)動

據(jù)麥肯錫全球研究院估計，到2025年，物聯(lián)網(wǎng)將給工廠帶來1.2～3.7萬億美元的經(jīng)濟效益，單在運營優(yōu)化方面就能創(chuàng)造1.7萬億美元的效益。運營優(yōu)化不能僅僅靠設(shè)備連接和可視化解決，還必須結(jié)合大數(shù)據(jù)分析技術(shù)實現(xiàn)運營狀況的洞察，并提供決策支持優(yōu)化。對于有些行業(yè)來說，大數(shù)據(jù)分析技術(shù)甚至需要延伸到邊緣設(shè)備端，從而保證問題響應(yīng)的速度和及時性。因此，數(shù)據(jù)驅(qū)動業(yè)務(wù)變革或工廠調(diào)整優(yōu)化將是智能工廠區(qū)別于自動化工廠的重要因素之一。

HIROTEC公司長期采用數(shù)據(jù)來支持其決策。例如，每個生產(chǎn)車間的溫度和濕度以及模具的撞擊次數(shù)都有數(shù)據(jù)可考。但這些信息都掌握在運營或車間管理人員手中，難以被用來做更系統(tǒng)的分析。模具撞擊之后會升溫，導(dǎo)致沖壓質(zhì)量下降，所以操作人員會計劃適時更換模具。如果模具傳感器能提供溫度數(shù)據(jù)，并與車間內(nèi)部溫度相結(jié)合，優(yōu)化模具撞擊次數(shù)，就把模具更換次數(shù)減到最少，提高生產(chǎn)速度。

美國卡羅萊納州格林維爾（Greenville）是美國發(fā)展最快的城市之一，也是美國重要的制造中心，同時還是通用電氣最大的項目——BrilliantFactory的所在地。位于格林維爾的工廠是“通用電氣”版的智能工廠——從設(shè)計環(huán)節(jié)延伸到了制造和供應(yīng)鏈，而這些還只是冰山一角。通過實施各種各樣的智能工廠計劃，通用電氣希望在全球節(jié)約100億美元的生產(chǎn)力。目前，該公司已在波蘭和印度建成了智能工廠。通用電氣稱，公司將把先進的制造技術(shù)與最新的材料科學(xué)及生產(chǎn)流程相結(jié)合，并采用最先進的數(shù)據(jù)分析技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)、云、大數(shù)據(jù)和工廠車間分析都在智能工廠車間有所應(yīng)用。在智能工廠，所有資產(chǎn)都能得到充分管理，而且正如工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)造的各種價值一樣，智能工廠也是以資產(chǎn)績效管理為起點。資產(chǎn)績效管理意味著公司能夠洞悉資產(chǎn)的每一個細(xì)節(jié)。公司能在數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上開展分析，從而獲得能夠改變行為模式和維護日程的洞察，從而減少停工時間。通用電氣重新思考工廠內(nèi)的生產(chǎn)方式——一切都將依靠數(shù)據(jù)以及將洞察實時納入流程的能力，將設(shè)計和制造更緊密地結(jié)合起來，以更快的速度、更少的錯誤制定并測試設(shè)計方案。

5.面向人的精準(zhǔn)執(zhí)行

在未來個性化、柔性化的智能工廠中，人類扮演的角色將發(fā)生改變，但同時對工人參與生產(chǎn)過程的要求也將更高。智能工廠需要新型的勞動力，他們要技能嫻熟、富有創(chuàng)造力、有學(xué)識、懂IT，他們的工作內(nèi)容不再以單調(diào)重復(fù)的人工作業(yè)為主，而是轉(zhuǎn)向設(shè)計、優(yōu)化以及流程監(jiān)控。智能工廠不僅需要關(guān)注設(shè)備、產(chǎn)線和運營狀況，還需要更為關(guān)注人在智能工廠中的角色，并對之提供精準(zhǔn)執(zhí)行的輔助，從而將人的失誤因素也降至最低。

Solar Turbines公司制造用于發(fā)電、氣體壓縮和抽吸的工業(yè)燃?xì)鉁u輪。產(chǎn)能為每年一兩百臺到350臺，不過這些設(shè)備極為復(fù)雜，針對特定用途定制，且必須具有高度的可靠性。此類設(shè)備通常在偏遠(yuǎn)地點運行，例如海洋中的鉆井平臺。這些設(shè)備的上市時間對客戶很重要，因此必須在6～18個月內(nèi)設(shè)計、建造、測試、交付復(fù)雜的定制設(shè)備。其目標(biāo)是“在任何地方設(shè)計，在任何地方建造”，從而為制造任務(wù)選擇最具成本效益的工廠，工程設(shè)計也可以在任何地方進行。Solar Turbines通過向工廠工人傳達(dá)2D、3D、增強現(xiàn)實指令來逐漸淘汰紙質(zhì)文件。目前，每個工位的平板屏幕上都有來自PTC PLM系統(tǒng)Windchill指示，在組裝部件時提供部件圖片、裝配指示和所有零件。工作站人員可以點擊查看各個組成部分。Solar正在測試一種過渡形式的增強現(xiàn)實技術(shù)。安裝在工作站上方的兩臺數(shù)字光處理（DLP）投影儀能夠照亮零件和裝配指示所在的位置。例如，以正確次序顯示螺栓上的墊圈組，因為沒有人可以永遠(yuǎn)記住接下來是該裝光滑墊圈、鎖緊墊圈還是星形墊圈。在此情形下，增強現(xiàn)實就在車間里有了用武之地。同時，他們也在利用平板電腦上的AR顯示BOM和工藝的詳細(xì)情況，并最終在各工位過渡到固定式平板顯示器。

在從自動化工廠向智能工廠過渡的過程中，異構(gòu)異質(zhì)設(shè)備和系統(tǒng)連接、面向整個價值鏈的數(shù)字主線、面向柔性的設(shè)備智能化、數(shù)據(jù)分析、運營持續(xù)優(yōu)化、精準(zhǔn)執(zhí)行成為智能工廠的共同關(guān)鍵詞，只是每個企業(yè)采用的技術(shù)路徑和優(yōu)先級有所不同，而這反映了智能工廠建設(shè)的最初目標(biāo)——一切以解決工廠管理的業(yè)務(wù)問題并應(yīng)對未來的業(yè)務(wù)形態(tài)為出發(fā)點。

正如PTC中國區(qū)總裁劉強先生所說：“在從自動化工廠向智能工廠過渡的過程中，異構(gòu)異質(zhì)設(shè)備和系統(tǒng)連接、面向整個價值鏈的數(shù)字主線、面向柔性的設(shè)備智能化、數(shù)據(jù)分析、運營持續(xù)優(yōu)化、精準(zhǔn)執(zhí)行成為智能工廠的共同關(guān)鍵詞，只是每個企業(yè)采用的技術(shù)路徑和優(yōu)先級有所不同，而這反映了智能工廠建設(shè)的最初目標(biāo)——一切以解決工廠管理的業(yè)務(wù)問題并應(yīng)對未來的業(yè)務(wù)形態(tài)為出發(fā)點。而ThingWorx為企業(yè)帶來的成功，充分體現(xiàn)了針對全球服務(wù)和合作伙伴的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可實現(xiàn)價值轉(zhuǎn)化的優(yōu)勢。企業(yè)可通過ThingWorx，為全球客戶提供優(yōu)質(zhì)制造服務(wù)和更為強大的物聯(lián)網(wǎng)解決方案，協(xié)助智能工廠的互通互聯(lián)?！?/p>