立足于企業(yè)現(xiàn)狀的智能制造及發(fā)展

同濟大學 中德學院 上海 200092

1 工業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略計劃

近十年來,世界各國為了應對科學技術(shù)的迅猛發(fā)展和國際市場的競爭,制定了許多工業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略計劃,例如美國于2012年提出的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、德國于2013年提出的工業(yè)4.0、中國于2015年提出的中國制造2025等。這些工業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略計劃雖然側(cè)重點不同,但具有相同的目標,即建立智能工廠,如圖1所示。

▲圖1 工業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略計劃目標

因為各國具有不同的基礎和環(huán)境,所以工業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略計劃實施的途徑各不相同。中國是制造大國,要實現(xiàn)制造強國,必須要“開道超車”,即以創(chuàng)新的思維,開辟新的途徑,沿著智能制造的方向,實現(xiàn)偉大的中國夢想。

2 智能制造

什么是智能制造？目前還沒有統(tǒng)一、公認的定義。這其中有兩個原因：其一,不同的人從不同的技術(shù)背景出發(fā),給出了不同的定義；其二,技術(shù)是與時俱進的,會不斷革新與演化。對于智能制造,筆者認為制造是本體,智能是靈魂。

智能制造的宗旨是將最新的通信和網(wǎng)絡技術(shù)、工業(yè)軟件技術(shù)、人工智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、系統(tǒng)管理技術(shù)等新興技術(shù)與制造業(yè)深度融合,實現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期活動的數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化,構(gòu)建更優(yōu)化的產(chǎn)品價值鏈和生產(chǎn)過程,生產(chǎn)出更好的產(chǎn)品,提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。

由此可見,實施智能制造,一方面必須針對企業(yè)現(xiàn)狀,實實在在解決企業(yè)存在的亞健康癥狀,使企業(yè)在激烈的市場競爭中生存下來；另一方面要面向未來的發(fā)展趨勢,通過頂層設計,打好轉(zhuǎn)型升級的基礎,使企業(yè)獲得核心競爭力和核心競爭優(yōu)勢,主導或引領市場。

3 制造企業(yè)亞健康癥狀

目前,大部分制造企業(yè)存在的亞健康癥狀,也就是痛點,大致有11個方面。

(1) 設備綜合效率(Overall Equipment Effectiveness,OEE)低。2013～2014年,MES國際與LNS調(diào)查公司對全球的離散、流程等行業(yè)進行了調(diào)查,被調(diào)查企業(yè)的平均設備綜合效率為71%。如圖2所示,設備綜合效率達到80%為優(yōu)秀,中國被調(diào)查企業(yè)的平均設備綜合效率為37%。實際上,許多中國企業(yè)的設備綜合效率低于30%。

▲圖2 設備綜合效率對比

(2) 產(chǎn)品和原材料庫存量、在制品量居高不下。所謂“外行看熱鬧,內(nèi)行看門道”,產(chǎn)品、原材料和在制品大量積存,會占用企業(yè)的流動資金。

(3) 交貨周期長、交貨誤期多。企業(yè)生產(chǎn)存在悖論現(xiàn)象,一方面是庫存積壓,另一方面是不能及時交貨。

(4) 生產(chǎn)過程狀況不透明。投入原材料,產(chǎn)出產(chǎn)品,但中間過程不透明,像一個“黑匣子”。

(5) 產(chǎn)品質(zhì)量較差,質(zhì)量原因不能追溯,客戶投訴不能及時得到解決。

(6) 存在繁多的紙質(zhì)文件,數(shù)據(jù)、信息中斷。

(7) 信息技術(shù)軟件系統(tǒng)孤島化,并且各自為政,不能實現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息的共享。

(8) 生產(chǎn)計劃協(xié)調(diào)能力差,生產(chǎn)處于失控狀態(tài)。

(9) 生產(chǎn)缺乏柔性,反應能力差。

(10) 生產(chǎn)過程中數(shù)據(jù)、信息沒有積累和分析，沒有將這些數(shù)據(jù)、信息轉(zhuǎn)換為企業(yè)的數(shù)據(jù)資產(chǎn)，是一個極大的浪費。

(11) 缺乏全體員工參與,以及企業(yè)持續(xù)自我改進的文化。

上述這些亞健康癥狀,不可能通過某個軟件系統(tǒng)或自動化系統(tǒng)得到解決,屬于一個系統(tǒng)化的問題。只有通過智能制造的整體解決方案,分步實施,才能逐步改善。

4 數(shù)字化

約翰·惠勒曾說過it from bit(萬物來自信息),其中,it指代物質(zhì),bit指代信息。簡單而言,傳統(tǒng)工業(yè)就是原子的重組,制造業(yè)做的事情幾乎就是將每個原子再重組,這是重要且最重要的基礎,即數(shù)字化是智能制造的基礎。

當今處于數(shù)字科技和互聯(lián)網(wǎng)的時代,來源于數(shù)據(jù)和信息的重組。未來的趨勢是數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化,重組數(shù)據(jù)和信息相比重組原子,可能得到更大的獲益。由此可見,智能制造的意義就是如何以數(shù)據(jù)的自動流動化解不確定性,使正確的數(shù)據(jù)在正確的時間、以正確的方式傳遞給正確的人和機器。

德國工業(yè)4.0實質(zhì)上就是產(chǎn)品生命周期中價值鏈的整體升級和重組。在產(chǎn)品生命周期中,所有參與價值創(chuàng)造的實體形成網(wǎng)絡,實現(xiàn)所有相關(guān)信息的實時共享,從而獲得隨時從數(shù)據(jù)中創(chuàng)造最大價值流的能力。以此為基礎,通過人、物體和系統(tǒng)的連接,實現(xiàn)跨企業(yè)價值網(wǎng)絡的動態(tài)建立、實時優(yōu)化和自組織,這樣便可以根據(jù)不同的標準對成本、效率和能耗進行優(yōu)化。

曾有德國學者問,工業(yè)4.0強調(diào)的是工業(yè)數(shù)字化,中國在開展智能制造,是否超越了德國？筆者在大學本科時的學位論文是開發(fā)設計一個計算機輔助工藝設計系統(tǒng)TJCAPP。1983年筆者本科畢業(yè)留校后,張曙教授對其作了技術(shù)鑒定,成為中國的第一個CAPP(Computer Aided Process-Planning)系統(tǒng)。筆者從此一直從事企業(yè)數(shù)字化與信息化教學、研究工作。工業(yè)4.0和中國制造2025發(fā)展戰(zhàn)略計劃發(fā)布之后,就分別稱之為工業(yè)4.0和智能制造,這只是稱呼上的不同。綜合國內(nèi)一些學者和專家的意見,筆者認為智能制造有三個發(fā)展階段，依次為數(shù)字化制造(Digital Manufacturing)、靈巧化制造(Smart Manufacturing)和智慧化制造(Intelligent Manufacturing),如圖3所示。

筆者曾參加和評審了多個國家工業(yè)和信息化部的智能制造項目。實際上這些項目只能稱為數(shù)字化制造,是智能制造的第一階段,或稱之為智能制造的第一個版本。由此可見,中國現(xiàn)階段開展的智能制造與德國工業(yè)4.0的工業(yè)數(shù)字化,是異曲同工的。

綜合以上分析,數(shù)字化是智能制造的基礎,沒有數(shù)字化制造,智能制造只能是“空中樓閣”。

▲圖3 智能制造發(fā)展三階段

5 制造執(zhí)行系統(tǒng)

企業(yè)如何實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級？在成都召開的2015第二屆中國數(shù)字工廠推進大會上,筆者提出了企業(yè)要徹底數(shù)字化。數(shù)據(jù)和信息就如同是工業(yè)4.0與智能制造中流動著的“血液”,數(shù)字化指將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔?通過網(wǎng)絡化和智能化的決策,創(chuàng)造有用的價值。目前,企業(yè)最大的浪費是數(shù)據(jù)的浪費,沒有積累產(chǎn)品全生命周期的數(shù)據(jù)。

1990年,美國先進制造研究協(xié)會(Advanced Manufacturing Research,AMR)首次提出制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System,MES)的概念。筆者曾于1990年1月至1992年6月,作為中方專家先后兩次赴聯(lián)邦德國波鴻魯爾大學,參加一個為期近20個月的中德兩國政府合作項目研究工作,主要開發(fā)獨立制造島中一個作業(yè)計劃與實時生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng),當時的翻譯為生產(chǎn)指揮系統(tǒng),對應德語Leitstand。

在數(shù)字化制造生產(chǎn)管理中,有兩個及其重要的系統(tǒng)——企業(yè)資源計劃(Enterprise Resource Planning,ERP)系統(tǒng)和MES。有人認為,ERP系統(tǒng)中已經(jīng)有了生產(chǎn)計劃的編制,為何還要MES中的生產(chǎn)計劃？實際情況是,ERP系統(tǒng)中的生產(chǎn)計劃和MES中的生產(chǎn)計劃是兩個不同級別的生產(chǎn)計劃。

ERP系統(tǒng)中的生產(chǎn)計劃是產(chǎn)品級的生產(chǎn)計劃,其范圍涉及整個企業(yè)或集團,在時間上屬于長期或中期計劃,如半年或幾個月。

MES中的生產(chǎn)計劃是工序級的生產(chǎn)計劃。眾所周知,一個產(chǎn)品由許多零部件組成,每個零部件的加工由多道工序完成。一道工序在一臺機床上操作完成,如在車床上完成,稱之為車削工序；在銑床上完成,稱之為銑削工序；在熱處理車間進行熱處理,稱之為熱處理工序。部件需要裝配,同樣分為若干個裝配工序。為了與ERP系統(tǒng)中的生產(chǎn)計劃相區(qū)別,將MES中的生產(chǎn)計劃稱為作業(yè)計劃。作業(yè)計劃的范圍涉及一個車間、一個制造單元或一條生產(chǎn)線等,在時間上屬于短期計劃,如一周、一天,甚至一個班次。

由此可見,ERP系統(tǒng)中的生產(chǎn)計劃與MES中的生產(chǎn)計劃,在時間跨度和詳細程度上是不同的,兩者與設備控制共同組成生產(chǎn)管理和控制中的三個層次，如圖4所示。

▲圖4 生產(chǎn)管理和控制三層次

ERP系統(tǒng)中的生產(chǎn)計劃、MES中的生產(chǎn)計劃,以及設備控制是生產(chǎn)管理和控制的三個不同層次,作用各不相同,相互之間無法替代。這三個層次分別由不同的軟件系統(tǒng)加以實現(xiàn),相互之間既有聯(lián)系,又有區(qū)別。三個層次數(shù)據(jù)信息的詳細程度和時間節(jié)拍不盡相同,各司其職。

ERP系統(tǒng)中的生產(chǎn)計劃,是產(chǎn)品級的生產(chǎn)計劃,涉及整個企業(yè)或集團的主生產(chǎn)計劃,也是基于理想狀態(tài)的一個生產(chǎn)計劃,是企業(yè)宏觀指導的生產(chǎn)計劃。MES中的生產(chǎn)計劃,根據(jù)主生產(chǎn)計劃的要求,分解為零部件的物料清單(Bill of Material,BOM)。如果是自制的零件,還需分解為零件加工工序,制定作業(yè)計劃。在制定作業(yè)計劃時,要考慮企業(yè)車間中實際生產(chǎn)設備的負荷,也就是在滿足主生產(chǎn)計劃規(guī)定的時間范圍內(nèi),生產(chǎn)設備是否有空閑安排加工零件。如果是外購件,需要裝配為部件或產(chǎn)品,那么要制定裝配作業(yè)計劃。

按照傳統(tǒng)的企業(yè)生產(chǎn)管理的金字塔計劃和控制模式,將MES僅近似理解為執(zhí)行系統(tǒng),這是不全面的。MES應是企業(yè)生產(chǎn)管理集成的核心軟件系統(tǒng),是一個生產(chǎn)指揮系統(tǒng)。

企業(yè)金字塔計劃和控制模式如圖5所示。首席執(zhí)行官根據(jù)董事會作出決策,管理整個企業(yè),指揮部門經(jīng)理或主管去實施各項具體活動。同理,在離散型制造中,MES根據(jù)ERP系統(tǒng)中的生產(chǎn)計劃,分解出零部件物料清單表、零件加工工序訂單,根據(jù)實際生產(chǎn)資源,詳細優(yōu)化并作出加工計劃,分配加工任務。與此同時,根據(jù)實際生產(chǎn)過程情況的反饋,及時調(diào)整作業(yè)計劃,實時實施智能生產(chǎn)調(diào)度,使生產(chǎn)計劃與生產(chǎn)實際進程保持同步,進而真正實現(xiàn)在計劃優(yōu)化目標下的生產(chǎn),使企業(yè)取得最佳的經(jīng)濟效益。實際生產(chǎn)過程情況的反饋,可以通過MES中機器數(shù)據(jù)采集和工況數(shù)據(jù)采集終端得到,普遍采用監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(Supervisory Control and Data Acquisition System,SCADAS)。由此可見,MES管理著企業(yè)的實際生產(chǎn)進程,實現(xiàn)生產(chǎn)計劃與實時智能生產(chǎn)調(diào)度,是生產(chǎn)管理的“首席執(zhí)行官”,因此完全可以將MES稱為生產(chǎn)指揮系統(tǒng)。

▲圖5 企業(yè)金字塔計劃和控制模式

MES小而精。小指這一系統(tǒng)針對一個車間、一個單元或一條生產(chǎn)線的一個生產(chǎn)單位,精指這一系統(tǒng)統(tǒng)一考慮了這一生產(chǎn)單位中的所有資源,并精確地為每個班次做出優(yōu)化資源配置,根據(jù)所反饋的實際生產(chǎn)狀況,迅速做出修正,使生產(chǎn)計劃與實際生產(chǎn)保持同步。這樣的同步也稱為虛實同步,可以使實際生產(chǎn)在優(yōu)化的計劃和合理可行的資源配置下進行。

企業(yè)通過實施EMS,可以在以下幾個方面獲得顯著的益處：

(1) 通過作業(yè)計劃優(yōu)化,在同樣的生產(chǎn)資源環(huán)境下,提高10%～20%的效益；

(2) 根據(jù)精確的生產(chǎn)進度控制,實現(xiàn)準時生產(chǎn)法,減少50%左右原材料庫存和在制品積存量；

(3) 通過合理的作業(yè)計劃和實時智能生產(chǎn)調(diào)度,將生產(chǎn)設備綜合效率提高為原來的兩倍；

(4) 實現(xiàn)生產(chǎn)過程的透明化,最大限度保證最短的產(chǎn)品交貨周期；

(5) 實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的實時監(jiān)控,保證100%質(zhì)量原因追溯率；

(6) 合理配置人力資源,通過精確的工作量和薪酬計算,調(diào)動員工的積極性。

6 結(jié)論

智能制造與智能工廠是發(fā)展的方向,在特定行業(yè)、基礎好的企業(yè)中,應該開展這一方面的應用研究。對于大多數(shù)企業(yè)而言,應該開展局部,如智能制造單元、智能產(chǎn)品、智能生產(chǎn)線等的應用研究。

工業(yè)4.0的精髓是創(chuàng)造新的價值鏈和價值網(wǎng)絡,并不斷提高數(shù)字化程度,最終實現(xiàn)自動化和智能化。

智能制造的核心是數(shù)字化、信息化、智能化,目的是提高企業(yè)產(chǎn)品設計、制造和服務能力,使企業(yè)在市場競爭中獲得生存或主導地位。

實施MES是企業(yè)提高經(jīng)濟效益的最佳切入點。

筆者最后提出一點建議：不能解決企業(yè)的生存問題,就不要涉及數(shù)字化制造；不能實現(xiàn)企業(yè)的長遠發(fā)展,就不要奢談智能制造。