紙尿褲集成化智能工廠建設(shè)方案研究

徐　超

(上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院有限公司,上海 200233)

0　引言

發(fā)展智能制造既符合我國(guó)制造業(yè)發(fā)展的內(nèi)在要求，也是重塑我國(guó)制造業(yè)新優(yōu)勢(shì)、實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級(jí)的必然選擇[1]。產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)發(fā)布的《2016—2022年中國(guó)智能制造裝備行業(yè)分析及投資戰(zhàn)略研究報(bào)告》顯示，我國(guó)具備發(fā)展智能制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)[2]。

2015年，國(guó)家二孩政策全面實(shí)施，龐大的新生兒群體形成了紙尿褲行業(yè)剛性市場(chǎng)消費(fèi)需求[3]。消費(fèi)者對(duì)紙尿褲的品質(zhì)要求日益提高，網(wǎng)絡(luò)消費(fèi)的份額不斷增加。這對(duì)傳統(tǒng)紙尿褲行業(yè)的商業(yè)模式產(chǎn)生了重大沖擊[4]。國(guó)內(nèi)的紙尿褲行業(yè)屬技術(shù)密集型行業(yè)，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的依賴程度很高。但該行業(yè)的整體自動(dòng)化、信息化水平都處于相對(duì)較低的狀態(tài)[5]。

因此，本文提出了紙尿褲智能化工廠的建設(shè)方案。該方案涵蓋了從原材料入庫(kù)、發(fā)料、生產(chǎn)到產(chǎn)品入庫(kù)和出庫(kù)的全自動(dòng)流程設(shè)計(jì)。根據(jù)該方案建設(shè)的紙尿褲智能化工廠，可極大地提高生產(chǎn)效率，節(jié)約人工成本，降低人為操作造成的損失。

1　技術(shù)方案

1.1　智能工廠總體思路

在本方案中，以構(gòu)建“紙尿褲集成化智能工廠”為目標(biāo)，在數(shù)字化企業(yè)運(yùn)營(yíng)平臺(tái)上，將企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)(enterprise resource planning，ERP)、供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)(supply chain management，SCM)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(product data management，PDM)、制造執(zhí)行系統(tǒng)(manufacturing execution system，MES)、產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)(product lifecycle management，PLM)和商務(wù)智能(business intelligence，BI)等軟件應(yīng)用于紙尿褲生產(chǎn)，以期企業(yè)在成本控制、快速交付、靈活響應(yīng)、質(zhì)量控制等四個(gè)方面的能力得到有效提升[6]。

針對(duì)某紙尿褲公司的現(xiàn)有狀況，提出智能工廠生態(tài)系統(tǒng)的“三個(gè)維度”概念，即產(chǎn)品、生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)業(yè)務(wù)。智能工廠三維模型如圖1所示。在三個(gè)維度下，企業(yè)能充分實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)與信息化管理的有效結(jié)合，相互促進(jìn)彌補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)有效合力。

從三個(gè)維度出發(fā)，構(gòu)建智能工廠，能充分發(fā)揮應(yīng)用信息技術(shù)和通信技術(shù)的作用。通過(guò)智能軟件的運(yùn)用，在優(yōu)化人力資源、優(yōu)化材料利用和優(yōu)化能源效率的基礎(chǔ)上，可按市場(chǎng)和客戶所要求的時(shí)間，生產(chǎn)出通用或定制的高質(zhì)量產(chǎn)品，以快速響應(yīng)市場(chǎng)需求的變化和供應(yīng)鏈的變化[7]。

圖1　智能工廠三維模型

本方案所構(gòu)建的“紙尿褲集成化智能工廠”以制造執(zhí)行系統(tǒng)為驅(qū)動(dòng)，在生產(chǎn)制造的維度，構(gòu)建了基于信息控制一體化的智能生產(chǎn)制造系統(tǒng)。并在此基礎(chǔ)上，將其納入企業(yè)業(yè)務(wù)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的企業(yè)集成應(yīng)用開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)外以供應(yīng)鏈為紐帶的管理網(wǎng)絡(luò)一體化。紙尿褲集成化智能工廠信息集成功能框架如圖2所示。

圖2　信息集成功能框架

本方案建立和完善了以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(computer aided design,CAD)和CAM為基礎(chǔ)的PDM和PLM，然后延伸到產(chǎn)品售后的技術(shù)支持和服務(wù)。通過(guò)模型定義制造商、供應(yīng)商乃至開(kāi)發(fā)商之間的協(xié)同產(chǎn)業(yè)鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，充分實(shí)現(xiàn)了市場(chǎng)和研發(fā)、研發(fā)和生產(chǎn)、管理和通信之間的協(xié)同發(fā)展。建設(shè)協(xié)同的供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)后，智能車間使制造程序、管理程序、市場(chǎng)與價(jià)值創(chuàng)造鏈和各制造參與者之間的關(guān)系高度可視化。由此，規(guī)劃和運(yùn)行制造網(wǎng)絡(luò)所需的整體環(huán)境得到顯現(xiàn)。產(chǎn)品、生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)這三軸貫穿于各個(gè)制造參與者之間。模型居于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)上層的是管理職能，下層的是制造職能。職能背后是能夠?qū)⒐ぷ魅蝿?wù)與企業(yè)既定目標(biāo)、企業(yè)合作伙伴之間進(jìn)行協(xié)調(diào)的個(gè)體元素。

位于制造網(wǎng)絡(luò)中心層的是制造企業(yè)用來(lái)支撐業(yè)務(wù)的各種應(yīng)用程序。為優(yōu)化效率，選擇基于信息互換和工作流的數(shù)字化企業(yè)運(yùn)營(yíng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)新舊系統(tǒng)之間的集成和互聯(lián)。除制造參與者外，基于因特網(wǎng)的協(xié)同應(yīng)用程序也具有重要意義。根據(jù)供應(yīng)商到客戶的價(jià)值創(chuàng)造鏈，市場(chǎng)定位和門戶是通向供應(yīng)商和客戶的新入口，而且在產(chǎn)品生命周期內(nèi)，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)來(lái)支持協(xié)同設(shè)計(jì)、協(xié)同服務(wù)的新途徑[8]。

1.2　智能工廠的技術(shù)路線

基于智能工廠建設(shè)生態(tài)系統(tǒng)的“三個(gè)維度”，分四步來(lái)推動(dòng)智能工廠的建設(shè)方案：①智能裝備;②智能產(chǎn)線;③智能車間;④智能工廠。通過(guò)分步走的技術(shù)路線，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)紙尿褲制造業(yè)價(jià)值鏈的智能化和創(chuàng)新，促進(jìn)了信息化與工業(yè)化深度融合。

1.2.1研制智能裝備

加強(qiáng)智能工廠的基礎(chǔ)建設(shè)，即更換原生產(chǎn)車間里陳舊的基礎(chǔ)設(shè)備，包括重點(diǎn)部位儀表。智能裝備可以監(jiān)控自身運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，補(bǔ)償加工誤差，提高紙尿布帶狀原材料的恒張力控制精度，并進(jìn)行自主反饋，從而大幅度提高自動(dòng)化生產(chǎn)線運(yùn)行效率及安全性。系統(tǒng)通過(guò)開(kāi)放數(shù)據(jù)接口，支持設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，將以往單獨(dú)的設(shè)備組合成設(shè)備集群，使設(shè)備集群具備組合和分散的智能特性，保證了個(gè)性化訂單模式下彈性批量產(chǎn)品制造的實(shí)時(shí)控制和靈活性。

1.2.2建設(shè)智能產(chǎn)線

首先，在智能裝備的基礎(chǔ)上，打通生產(chǎn)線與裝備之間的物料雙向轉(zhuǎn)運(yùn)鏈路，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線物料自動(dòng)配送與回收功能。其次，采用傳感器自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過(guò)可視化終端實(shí)時(shí)顯示生產(chǎn)狀態(tài)，并通過(guò)機(jī)器視覺(jué)和多種傳感器進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行缺陷分析。在設(shè)計(jì)中，盡量考慮產(chǎn)線的多樣性和靈活性，使一條產(chǎn)線可支持多種相似產(chǎn)品的混線生產(chǎn)，以適應(yīng)小批量、多品種的生產(chǎn)模式。每一條產(chǎn)線都具備柔性調(diào)配的能力，一旦生產(chǎn)線上有設(shè)備出現(xiàn)故障，能夠盡快調(diào)整到其他設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)操作人員的專業(yè)培訓(xùn)也被列為智能產(chǎn)線建設(shè)的重要部分。

1.2.3構(gòu)建智能車間

構(gòu)建智能車間是實(shí)現(xiàn)整個(gè)智能工廠的關(guān)鍵步驟。首先，對(duì)車間的生產(chǎn)狀況、設(shè)備狀態(tài)、能源消耗、生產(chǎn)質(zhì)量、物料消耗等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和分析，以實(shí)現(xiàn)高效排產(chǎn)和合理排班；將MES運(yùn)用在車間，按照工廠紙尿褲生產(chǎn)的個(gè)性化需求，定制MES服務(wù)管理，提升設(shè)備利用率，提高產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程可追溯和上料防錯(cuò)，提高生產(chǎn)效率。其次，構(gòu)建有軌制導(dǎo)車輛自動(dòng)傳輸與調(diào)度系統(tǒng)，由搬運(yùn)機(jī)器人、自動(dòng)傳輸線、自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)等組成智能車間物流成套裝置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)與智能產(chǎn)線或智能裝備之間物料的自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)。

1.2.4建立智能工廠

智能工廠建設(shè)的終極目標(biāo)，在于形成完整的研發(fā)、計(jì)劃、調(diào)度、排產(chǎn)、倉(cāng)儲(chǔ)、運(yùn)輸、管理循環(huán)的生產(chǎn)管理類信息系統(tǒng)。在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、透明化、可視化、精益化的基礎(chǔ)上，將上層辦公與現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)互通，充分利用ERP、SCM、PDM、PLM、MES和BI的信息無(wú)縫對(duì)接，對(duì)整個(gè)工廠進(jìn)行指揮和調(diào)度。同時(shí)，產(chǎn)品檢測(cè)、質(zhì)量檢驗(yàn)和分析、生產(chǎn)物流也與生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)閉環(huán)集成。工廠的多個(gè)車間之間實(shí)現(xiàn)了信息共享、及時(shí)配送、協(xié)同作業(yè)，大大提高了工廠的運(yùn)作效率。

1.3　智能工廠通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

根據(jù)智能制造系統(tǒng)功能框架，將產(chǎn)品流程、經(jīng)營(yíng)管理流程與生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)鏈流程有機(jī)結(jié)合，形成了一個(gè)生產(chǎn)制造控制機(jī)制下的新型管理模式。采用IT和工業(yè)以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，搭建生產(chǎn)制造系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)信息物理流控制管理結(jié)構(gòu)。其使得ERP、SCM、MES的制造管理，PDM/PLM產(chǎn)品研發(fā)，產(chǎn)品服務(wù)生命周期和市場(chǎng)關(guān)系管理等功能有機(jī)融合在一個(gè)完整的紙尿褲企業(yè)與市場(chǎng)信息閉環(huán)系統(tǒng)；使得企業(yè)的價(jià)值鏈從單一的制造環(huán)節(jié)向上游的設(shè)計(jì)研發(fā)環(huán)節(jié)發(fā)展，企業(yè)的管理鏈也從上游向下游生產(chǎn)制造控制產(chǎn)業(yè)鏈延伸。數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的協(xié)同制造管理系統(tǒng)形成了制造網(wǎng)絡(luò)。該制造網(wǎng)絡(luò)集分析市場(chǎng)、PLM、生產(chǎn)、研發(fā)、控制和企業(yè)管理于一體，如圖3所示[9]。

統(tǒng)一的開(kāi)發(fā)平臺(tái)只需一個(gè)公共的變量定義和一個(gè)存放所有參數(shù)和控制功能的中央數(shù)據(jù)庫(kù)；統(tǒng)一的軟件工具能夠同時(shí)開(kāi)發(fā)、調(diào)試多個(gè)機(jī)械設(shè)備和系統(tǒng)單元；統(tǒng)一的開(kāi)放模塊式結(jié)構(gòu)是面向生產(chǎn)應(yīng)用的；統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)接口和語(yǔ)言(如TCP/IP、OPC、XML和SQL)，使得企業(yè)在各銷售平臺(tái)在聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)交換成為可能；統(tǒng)一的集成平臺(tái)是基于可編程邏輯控制器(pragrammable logic controller,PLC)的硬件平臺(tái)[10]。

圖3　通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

1.4　人工智能應(yīng)用對(duì)智能決策的支持

在本建設(shè)方案中，將人工智能應(yīng)用于電子商務(wù)銷售數(shù)據(jù)分析和智能生產(chǎn)調(diào)度。

通過(guò)公司的軟件平臺(tái)，市場(chǎng)銷售部將淘寶旗艦店(自營(yíng))、京東網(wǎng)上超市(代理分銷)和各地分銷商、代理商平臺(tái)所發(fā)生的產(chǎn)品-銷售歷史數(shù)據(jù)、近期(以月為單位)訂單數(shù)據(jù)采集、梳理、存儲(chǔ)在產(chǎn)品銷售數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中。采用專用數(shù)據(jù)聯(lián)機(jī)分析工具OLAP和數(shù)據(jù)挖掘工具，基于SCM供應(yīng)鏈管理和采購(gòu)管理，運(yùn)用三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能模型進(jìn)行機(jī)器自學(xué)習(xí)。在統(tǒng)計(jì)、對(duì)比和分析的基礎(chǔ)上，自動(dòng)生成產(chǎn)品銷量-區(qū)域-型號(hào)-競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手-歷史-未來(lái)趨勢(shì)的多維度智能分析結(jié)果，為企業(yè)合理制定和調(diào)整新品研發(fā)計(jì)劃、原材料采購(gòu)布局和生產(chǎn)計(jì)劃提供直接、有效的智能決策支持。

在智能生產(chǎn)調(diào)度方面，本方案充分發(fā)揮新建生產(chǎn)線和技改生產(chǎn)線的新型搬運(yùn)機(jī)器人和堆垛機(jī)器人的智能感知、決策和協(xié)調(diào)信息處理能力，借助相關(guān)智能軟件，對(duì)銷售部門流轉(zhuǎn)輸出的ERP訂單-BOM，按照產(chǎn)線設(shè)備生產(chǎn)能力和效率進(jìn)行生產(chǎn)優(yōu)先級(jí)排序；采用遺傳算法(genetic algorithm，GA)，動(dòng)態(tài)生成各生產(chǎn)線作業(yè)計(jì)劃，形成合理的智能生產(chǎn)調(diào)度。

2　方案實(shí)施效果

通過(guò)智能化工廠的總體設(shè)計(jì)、工藝流程設(shè)計(jì)和數(shù)字化建模，本方案完成了新廠多線生產(chǎn)車間的2D/3D數(shù)字化建模。該智能化車間/工廠方案的建設(shè)，將大大降低生產(chǎn)過(guò)程的能源消耗，增加生產(chǎn)產(chǎn)品的種類，提高產(chǎn)品質(zhì)量。通過(guò)智能系統(tǒng)集成設(shè)備，對(duì)信息實(shí)時(shí)采集，保證了生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和反饋；實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的庫(kù)存和相關(guān)數(shù)據(jù)查詢功能，遵循產(chǎn)品的先進(jìn)先出原則，減少了庫(kù)存壓力。通過(guò)智能化改進(jìn)措施，由智能化設(shè)備代替人工，減少了人工的操作環(huán)節(jié)，使生產(chǎn)效率提高了20%以上。

3　結(jié)束語(yǔ)

本方案將有效提高紙尿褲生產(chǎn)工廠的自動(dòng)化程度，并大幅度提升生產(chǎn)效率。但是，生產(chǎn)過(guò)程的“信息孤島”效應(yīng)，使生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)與生產(chǎn)管理系統(tǒng)無(wú)法有效連接。為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程全自動(dòng)智能化運(yùn)行，即產(chǎn)品從原材料出庫(kù)、生產(chǎn)制造、包裝堆垛到成品入庫(kù)這整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的一體化、集成化，生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與MES等信息系統(tǒng)的高度協(xié)同與集成技術(shù)將成為軟件系統(tǒng)研發(fā)的難點(diǎn)。這也是今后需要深入研究和實(shí)施的課題。

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