基于工業(yè)企業(yè)的智能制造需求分析

李春花

（用友公司 智能制造事業(yè)部，北京 100094）

1 引言

作為一個(gè)信息系統(tǒng)工作者，十幾年來，一直專注服務(wù)于煤炭、鋼鐵、化工、能源、汽配、加工等工業(yè)企業(yè)客戶，扎根于生產(chǎn)一線，了解生產(chǎn)模式，信息流轉(zhuǎn)方式，曾無數(shù)次和企業(yè)高層、生產(chǎn)管理者以及一線操作人員探討信息系統(tǒng)建設(shè)方面的目標(biāo)、存在的問題以及合理的解決方式，漸漸的、漸漸的，發(fā)現(xiàn)企業(yè)的需求在不斷的提升，認(rèn)知在不斷加深，傳統(tǒng)做信息化的思維已經(jīng)不能滿足企業(yè)所需。隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、移動(dòng)互聯(lián)等新技術(shù)在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的迅猛發(fā)展以及其對(duì)我們生活帶來的改變，國家針對(duì)于制造業(yè)提出了雄雄勃勃的智能制造2025規(guī)劃，并迅速席卷全國。針對(duì)于日新月異的新技術(shù)以及國家智能制造的規(guī)劃，幾乎所有制造業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)人均在思考如何通過新技術(shù)讓自己的企業(yè)變得更加智能、更加少人、更加高效、更加低成本、更加具有競爭力。

何為智能制造？對(duì)于智能，往往仁者見仁智者見智。企業(yè)的CEO們往往都會(huì)根據(jù)自身的情況進(jìn)行判斷，比如說某某裝置要改造、某某設(shè)備要替換，生產(chǎn)經(jīng)營數(shù)據(jù)要可視化，儀器儀表要電子化，計(jì)量要無人化、精確化，上下物流運(yùn)輸要高效、無人化，物料要穩(wěn)定、平衡

供給，配料要最優(yōu)方案、能耗要最低，工藝過程要全自動(dòng)控制，反應(yīng)終點(diǎn)自動(dòng)判斷，等等；無疑信息化、無人化、自動(dòng)化、數(shù)字化都已經(jīng)成了“智能化”發(fā)展道路的主要標(biāo)簽［3］。

智能化是一個(gè)持續(xù)的發(fā)展過程，不能一蹴而就，自動(dòng)化是基礎(chǔ)，但是并不是一談智能，就考慮改造設(shè)備，企業(yè)要根據(jù)自身的實(shí)際情況，量力而行，在某些點(diǎn)上結(jié)合信息化，再做些智能化的提升，也會(huì)對(duì)企業(yè)帶來不少價(jià)值。

2 智能制造需求特點(diǎn)

接下來，本文將從八個(gè)方面論述總結(jié)工業(yè)企業(yè)針對(duì)“智能制造”近年來的需求變化。

2.1 組織運(yùn)作變化：打破組織壁壘、數(shù)據(jù)高效協(xié)同［2］

談到組織，這里就不論述集權(quán)、分權(quán)、直線以及矩陣式等等組織的好處和弊端，主要談?wù)劗?dāng)前工業(yè)企業(yè)各部門間的數(shù)據(jù)協(xié)同新變化。

工業(yè)企業(yè)主要的業(yè)務(wù)部門有生產(chǎn)部、采購部、物流部、原料部、供應(yīng)部、銷售部、質(zhì)檢部、技術(shù)質(zhì)量部、財(cái)務(wù)部，傳統(tǒng)這些部門的協(xié)作方式都是單據(jù)、逐層審批，而今，直接在業(yè)務(wù)點(diǎn)定義觸發(fā)下一個(gè)流程的必要條件，當(dāng)滿足條件就進(jìn)行驅(qū)動(dòng)、對(duì)接，服務(wù)部門快速響應(yīng)，回復(fù)，然后再驅(qū)動(dòng)自己部門進(jìn)行業(yè)務(wù)處理，通過信息快速流轉(zhuǎn)更好的服務(wù)需求部門。比如：設(shè)備需要開機(jī)，生產(chǎn)部門做好開機(jī)方案，備料部門準(zhǔn)備好原料準(zhǔn)備，生產(chǎn)部門做好設(shè)備開機(jī)檢查，提供動(dòng)力能源的部門恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間開動(dòng)閥門，這是一個(gè)大連鎖、大協(xié)同的過程，講究高效、協(xié)同、共享，必須打破傳統(tǒng)的組織壁壘［4］。

圖1 生產(chǎn)為核心的服務(wù)模式

2.2 生產(chǎn)計(jì)劃新特性：追求成本最低、收益最高的計(jì)劃量

生產(chǎn)計(jì)劃作為生產(chǎn)管理部門非常重要的工作之一，它將指導(dǎo)下面各生產(chǎn)車間的生產(chǎn)工作，但是如何制定科學(xué)的生產(chǎn)計(jì)劃是一門深?yuàn)W的學(xué)問。在ERP時(shí)代，我們經(jīng)常聽說，計(jì)劃模式有面向庫存、面向訂單。針對(duì)離散行業(yè)經(jīng)常用MRP算法解決中間物料需求問題，倒排正排推算日期，這些方式，在計(jì)劃量的確定上，相對(duì)簡單、純粹。如今，客戶在確定計(jì)劃生產(chǎn)量時(shí)加入了更多的可以量化的科學(xué)因素以減少人的主觀性，讓最終確定的生產(chǎn)量的過程數(shù)字化、科學(xué)化，當(dāng)然也是最大收益化。

（1）不論離散和流程，確定計(jì)劃量前，都需要先進(jìn)行測算成本、測算邊際效益。

對(duì)于化工行業(yè)，化工行業(yè)產(chǎn)品種類多，裝置多，相互之間都有互供關(guān)系，所以需要考慮各個(gè)產(chǎn)品的盈利情況，平衡各裝置能力、需求。對(duì)于大型軸承加工，其加工周期長，市場變數(shù)多，中間環(huán)節(jié)可能還存在委外的復(fù)雜加工過程，也需要測算生產(chǎn)成本，保證生產(chǎn)環(huán)節(jié)的利潤，才能確定敢不敢接單、該不該接單、接多少最合適。

（2）確定計(jì)劃量，需要綜合平衡原料、中間產(chǎn)品、產(chǎn)品的供需關(guān)系。

對(duì)于依賴礦石原材料的冶煉企業(yè)，大部分礦需要進(jìn)口，進(jìn)口資源受限，所以在安排計(jì)劃時(shí)需要考慮資源的供給量，還需要考慮能夠產(chǎn)出多少中間物料，存儲(chǔ)空間多大，能被下游消耗多少，產(chǎn)出產(chǎn)品的銷售接單情況等等，這些因素需要工廠模型、物料模型、平衡計(jì)算，才能得到相對(duì)科學(xué)的計(jì)劃生產(chǎn)量。

圖2 約束計(jì)劃

3.3 排產(chǎn)變化:多約束的智能排產(chǎn)取代人為粗放判斷［1］

當(dāng)確定了需要完成的生產(chǎn)計(jì)劃量后，接下來，對(duì)于生產(chǎn)組織者來講，就要考慮如何生產(chǎn)，才能確保生產(chǎn)成本最低。當(dāng)初在確定生產(chǎn)計(jì)劃量時(shí)，已經(jīng)做了初步考慮，此處需要進(jìn)一步確定，明確排產(chǎn)。

（1）首先排程不是任何時(shí)候都需要，在市場供不應(yīng)求時(shí)，只需要滿負(fù)荷生產(chǎn)，不存在復(fù)雜的排產(chǎn)考慮，只有當(dāng)生產(chǎn)能力大于需要時(shí)，就需要考慮有優(yōu)化的排產(chǎn)模式。

（2）考慮原材料的約束，設(shè)備對(duì)原料有沒有特定的需要，當(dāng)一種料不能滿足使用時(shí)，如何搭配使用，也能得到相同品質(zhì)的產(chǎn)品，這時(shí)就會(huì)存在著優(yōu)化配料，目的是平衡資源，降低成本。此時(shí)需要了解每種原材料的特性，互補(bǔ)特性，成分含量，綜合考慮其價(jià)值。

（3）考慮產(chǎn)線差異，當(dāng)多條產(chǎn)線完全相同時(shí)，再考慮是否有最低負(fù)荷的前提下，簡單會(huì)采取平均分配的原則，但是當(dāng)投料和產(chǎn)出出現(xiàn)非線性變化時(shí)，也需要進(jìn)行排程計(jì)算。對(duì)于有差異的產(chǎn)線，就需要考慮分別在那條產(chǎn)線排多少量劃算，這個(gè)劃算，需要綜合考慮物流成本、用料成本、能耗成本、切換成本、設(shè)備損耗成本、人工成本等因素。在眾多的約束下完成了排產(chǎn)算法。

圖3 智能排產(chǎn)

2.4 生產(chǎn)調(diào)度變化：系統(tǒng)模型計(jì)算的結(jié)果代替人的經(jīng)驗(yàn)判斷

對(duì)于流程企業(yè)來講，基本前端生產(chǎn)都是混合料熱反應(yīng)的過程，控制溫度、壓力、進(jìn)料速度等工藝參數(shù)。目前，絕大多數(shù)企業(yè)都依賴有經(jīng)驗(yàn)的工藝師、技術(shù)員的目視、耳聽、嗅覺再結(jié)合相對(duì)滯后的化驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)問題、判斷問題。企業(yè)在這個(gè)環(huán)節(jié)迫切的需要智能算法、在線監(jiān)測、智能模型去替代人的主觀判斷，去減弱對(duì)工藝師的依賴。智能算法結(jié)果是要精準(zhǔn)的指導(dǎo)投料、指導(dǎo)參數(shù)調(diào)整，確定反應(yīng)終點(diǎn)，達(dá)到優(yōu)化調(diào)度的目的。

（1）建立智能模型的前提是要有數(shù)據(jù)，并且要求影響目標(biāo)結(jié)果的工藝數(shù)據(jù)要盡可能的齊全；

（2）其次要進(jìn)行機(jī)理研究和數(shù)據(jù)挖掘分析，按照企業(yè)提供的多年大數(shù)據(jù)，建立經(jīng)驗(yàn)型的理性知識(shí)、尋找規(guī)律，得到一個(gè)算法模型，最后根據(jù)當(dāng)前的數(shù)據(jù)以及模型，推算今后可能發(fā)生的改變與轉(zhuǎn)變；

（3）除了依賴模型，我們也可以初步提供一些相關(guān)性數(shù)據(jù)，通過散點(diǎn)圖、折線圖、直方圖等友好的展現(xiàn)給調(diào)度人員并輔助其做出判斷。

智能化是一個(gè)逐步實(shí)現(xiàn)的過程，先實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、信息化，再通過工藝和數(shù)據(jù)模型輔助人的判斷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)指揮人，最終實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)指揮機(jī)器設(shè)備并完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化。

圖4 數(shù)據(jù)為核心的分析方式

2.5 物流管理變化：智能物流、高效利用資源替代傳統(tǒng)的低效分配

物流管理是優(yōu)化，化資源配置的過程，從倉庫選址、空間分配到存貨分配，從運(yùn)輸工具到承運(yùn)人、運(yùn)輸計(jì)劃、運(yùn)輸路線安排以及運(yùn)輸環(huán)節(jié)的控制，無不考慮“安全”、“成本”、 “效率”、“效益”。

（1）當(dāng)工廠條件允許時(shí)，企業(yè)會(huì)考慮在布局上進(jìn)行整改，會(huì)考慮一些自動(dòng)軌道傳輸設(shè)備（如RGV、立體倉庫等），通過信息系統(tǒng)與設(shè)備聯(lián)機(jī)控制，這無疑很大程度解決了運(yùn)輸?shù)男蕟栴}。

（2）不能實(shí)現(xiàn)這些自動(dòng)化改造時(shí)，企業(yè)也會(huì)想到從信息化協(xié)同層面并結(jié)合AGV小車提高物流效率，下游自動(dòng)發(fā)送準(zhǔn)確的要料信息或者上游自動(dòng)推送給下游物料指令，然后自動(dòng)完成車輛優(yōu)化調(diào)度，車輛精準(zhǔn)定位，準(zhǔn)確的識(shí)別出從A地點(diǎn)運(yùn)送貨物到B地點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)物料自動(dòng)、高效配送。

智能物流整個(gè)環(huán)節(jié)依賴大量的IT信息技術(shù)支撐，比如：地圖、衛(wèi)星定位、RFID掃碼貨物識(shí)別、視頻等。

2.6 物料追蹤變化：先進(jìn)的跟蹤技術(shù)取代原始的粗放跟蹤方式

對(duì)從事產(chǎn)品加工的工業(yè)企業(yè)來講，無論流程還是離散都會(huì)把物料跟蹤擺到一定高度去談，跟蹤是為了在后續(xù)產(chǎn)品出現(xiàn)問題時(shí)，便于追溯源頭，分析問題，尋找原因。跟蹤也可以實(shí)現(xiàn)投料的放錯(cuò)校驗(yàn)。

（1）流程行業(yè)，在產(chǎn)品生產(chǎn)過程往往伴隨著復(fù)雜物理化學(xué)及界面的反應(yīng)以及分子結(jié)構(gòu)的改變，物料跟蹤首先指元素的跟蹤，會(huì)做元素平衡計(jì)算。當(dāng)源頭的物料批成分確定后，在漫長的生產(chǎn)轉(zhuǎn)換過程中，檢測各環(huán)節(jié)各種物料元素成分，判斷是否達(dá)到產(chǎn)品質(zhì)量的要求，確保生產(chǎn)的有效性；其次，需要進(jìn)行量的平衡跟蹤，跟蹤回收率，跟蹤中間物料的庫存，跟蹤每一次移動(dòng)過程中的量差，以此判斷生產(chǎn)異常、跑冒滴漏、上下游能力的匹配等。

（2）離散行業(yè)，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)組裝環(huán)節(jié)零部件的跟蹤，對(duì)零部件進(jìn)行信息標(biāo)識(shí)，需要校驗(yàn)每個(gè)零件的型號(hào)是否正確可用，相對(duì)簡單可行。如果再去追溯零部件的原材料，又類似流程行業(yè)，中間生產(chǎn)環(huán)節(jié)較多，伴隨物理化學(xué)反應(yīng)，很多時(shí)候只是進(jìn)行粗略的批量跟蹤即可，大致掌握原材料和產(chǎn)品的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以便產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問題，可以回溯原料批次質(zhì)量。

物料追蹤時(shí)，目前基本是采用了條碼、芯片記載信息，通過讀取設(shè)備，實(shí)現(xiàn)防錯(cuò)、校驗(yàn)的目的，這些條碼視不同的場景需要，對(duì)材質(zhì)和粘貼方式都有特殊的要求。

2.7 數(shù)據(jù)分析變化：大數(shù)據(jù)分析取代傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)分析

智能制造，離不開數(shù)據(jù)的支撐，要想實(shí)現(xiàn)智能化，數(shù)據(jù)是基礎(chǔ)，模型是核心。為了實(shí)現(xiàn)智能化，企業(yè)首先考慮的是增設(shè)自動(dòng)化設(shè)備、傳感設(shè)備、計(jì)量設(shè)備和視頻設(shè)備等，將設(shè)備的一些信息參數(shù)數(shù)字化，通過標(biāo)準(zhǔn)的OPC接口實(shí)現(xiàn)和下位機(jī)的連接通信以及和其他軟件的接口，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)和視頻設(shè)備的采集。

數(shù)據(jù)采集接口實(shí)現(xiàn)后要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，要根據(jù)數(shù)據(jù)處理的時(shí)間、頻率、處理方式不同進(jìn)行分批、分類處理，處理包括了采集、計(jì)算、存儲(chǔ)、清洗等過程，大量的數(shù)據(jù)處理要考慮性能、效率等問題，確保數(shù)據(jù)計(jì)算準(zhǔn)確、高效。

處理完成的數(shù)據(jù)為分析決策、數(shù)據(jù)模型提供依據(jù)，當(dāng)然在使用時(shí)要進(jìn)行分級(jí)分組織的數(shù)據(jù)授權(quán)。

2.8 指揮調(diào)度變化：大屏調(diào)度中心取代傳統(tǒng)電話溝通

流程行業(yè)大部分依賴DCS可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，企業(yè)也基本都建有調(diào)度指揮中心。在智能制造的浪潮下，項(xiàng)目建設(shè)首先從升級(jí)調(diào)度中心開始，調(diào)度中心不再是簡單的視頻監(jiān)控、電話調(diào)度中心，大屏的元素變得更加豐富起來。通過信息化在生產(chǎn)過程的全面應(yīng)用，大屏里實(shí)時(shí)刷新著最新的生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)、產(chǎn)量、處理量、安環(huán)、能源、設(shè)備、質(zhì)量、人員等方方面面的信息，甚至一部分生產(chǎn)的自動(dòng)指令，也從這里發(fā)送出來。大屏調(diào)度中心是名符其實(shí)的智慧心臟［5］，也是企業(yè)智能制造宣傳的窗口［6］。

而離散行業(yè)，受制于條件、技術(shù)成熟度大部分設(shè)備都無法實(shí)現(xiàn)集中控制，多數(shù)PLC在現(xiàn)場進(jìn)行人工操作，對(duì)調(diào)度大屏實(shí)際需求相對(duì)弱化。今后，隨著數(shù)控機(jī)床的不斷改造，集中化的控制和調(diào)度，也會(huì)成為重要訴求。

圖5 調(diào)度指揮中心大屏