智慧制造在電子工廠的應(yīng)用及展望

陳微

摘要：從18世紀60年代以來，人類社會已經(jīng)經(jīng)歷了3次工業(yè)革命，而現(xiàn)在，我們正在經(jīng)歷第四次工業(yè)革命。由于全球數(shù)字革命，其他行業(yè)都跟著起了翻天覆地的變化，整個工業(yè)世界都變得跟以往截然不同：以往前三次工業(yè)革命，都能看到生產(chǎn)工具，制造資產(chǎn)的升級，如第一次工業(yè)革命，機械化代替了人力，第二次工業(yè)革命又引入了電力，第三次工業(yè)革命開始有了自動化，第四次工業(yè)化，則主要是引入了跟機械升級無關(guān)的顛覆性技術(shù)：AI和5G技術(shù)。AI和5G技術(shù)的介入，不僅僅是提升了工業(yè)制造的效率，還促使了新的商業(yè)模式的實現(xiàn)。相應(yīng)的制造業(yè)等實體經(jīng)濟為了緊跟時代潮流，提升競爭優(yōu)勢，也面臨產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級迫切需求。從最開始的只是制造產(chǎn)品，到現(xiàn)在的制造業(yè)服務(wù)化，工廠傾向于提供更多的服務(wù)，如安裝，售后，給客戶提供一站式解決方案，甚至設(shè)立服務(wù)中心，以驅(qū)動業(yè)務(wù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：智慧制造;制造業(yè)服務(wù)化;ISA95標準制造構(gòu)架

工廠在制造服務(wù)化的過程中，信息（數(shù)據(jù)分析）正在改變工廠查看監(jiān)督人、機、法、料的方式。生產(chǎn)流程的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，對生產(chǎn)效率和專業(yè)話的提升，帶來巨大的便利。工廠為了實現(xiàn)高效、靈活、防呆，通常需要做好四項工作：

1.收集資料。隨時檢測設(shè)備、資產(chǎn)、人工、制程，以收集數(shù)據(jù)

2.建立數(shù)據(jù)庫，以適當?shù)谋砀?、模版合理化呈現(xiàn)收集到的數(shù)據(jù)。

3.分析和建模，用數(shù)據(jù)庫中得到的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，建立模型，預(yù)測人、機、法、料趨勢，簡化流程。

4.總結(jié)。建立在分析和建模的基礎(chǔ)上，同過機器的自我學(xué)習(xí)，和操作人員的其他方面的認知，來優(yōu)化模型，提高參與度。

每個工廠的每一條產(chǎn)品線，都會配備不同的設(shè)備和機器，作業(yè)人員則按照格式化常規(guī)文件的指令，來執(zhí)行特定任務(wù)。為了做好如上四項工作，我們通常以ISA95標準制造架構(gòu)設(shè)立不同的系統(tǒng)。包括PLC、DCS、SCADA、MES、ERP系統(tǒng)。

1.PLC（可編輯邏輯控制器系統(tǒng)）。相當于一個小型計算器，現(xiàn)在的PLC不僅僅生產(chǎn)流程，甚至還可以面相系統(tǒng)級，可以控制整個車間的流程，實現(xiàn)制程控制、直接控制、系統(tǒng)控制。它的核心就是控制。任何需要可靠控制的機器或數(shù)字化設(shè)備，都可以用PLC來控制，它不僅易于變成，還能及時發(fā)現(xiàn)和處理故障，從ISA95標準來看，PLC處于第一層上的一個設(shè)備;

2.DCS（分布式控制系統(tǒng)）。面相現(xiàn)場控制，同時兼?zhèn)淞藬?shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)存儲的功能，但本質(zhì)上，DSC設(shè)備還是一個高端的，努力向L2層跨越的控制器;

3.SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)）。它具備一定的控制功能，同時側(cè)重于數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)測，及時快速的向作業(yè)員提供資料，一旦發(fā)生狀況，則會發(fā)出警報和通知。SCADA已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)控、監(jiān)督、警報處理、自動化等功能，在ISA95標準制造架構(gòu)中，處于L2層。

4.MES（制造執(zhí)行控制系統(tǒng)）。主要用于制造的電腦化系統(tǒng)，用于營運信息的收集和生產(chǎn)控管，處于ISA95標準制造構(gòu)架中的L3層。它的主要功能之一除了用于監(jiān)控，同時具備業(yè)務(wù)管理等功能，通過同L4層ERP系統(tǒng)的對話，來獲取更多的營運信息，更好的實現(xiàn)對生產(chǎn)的管控。

ERP（企業(yè)資源管理系統(tǒng)）。所有的企業(yè)資源配置，都將在這一層實現(xiàn)，包括企業(yè)的六種經(jīng)營活動：技術(shù)活動、商業(yè)活動、財務(wù)活動、保障活動、會計活動、經(jīng)營活動。它控制和指揮了企業(yè)所有的業(yè)務(wù)流程和生產(chǎn)排程處于ISA95標準制造構(gòu)架中的L5層。

智慧制造已經(jīng)是西方發(fā)達國家的主要制造技術(shù)和高端科技，面對制造業(yè)產(chǎn)能的日益擴大，制造業(yè)面臨人力穩(wěn)定，制造技術(shù)與品質(zhì)穩(wěn)定，產(chǎn)業(yè)競爭力內(nèi)外部的各種壓力，發(fā)達的智慧制造不僅解決了“勞動密集”工廠的人力管理成本與問題，也同事能夠提升制造品質(zhì)的穩(wěn)定度。

企業(yè)在建立制造模型的過程中，應(yīng)充分考慮沒想經(jīng)營活動的實際狀況，平衡并優(yōu)化不同經(jīng)營活動的工作量、特性，建立不同層次，在用不同的分層方法，擴展當前的制造架構(gòu)，以達到效率最優(yōu)化。在智慧制造中，為整合各項資源，需要將不同供應(yīng)商的邊緣、設(shè)備的不同技術(shù)互相直接相互結(jié)合，通過對制造構(gòu)架系統(tǒng)中添加分析、物聯(lián)網(wǎng)以及人工智慧來降低風(fēng)險、成本，并提高效率。企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營活動，為了獲得好的制造構(gòu)架模型，需要同時解決垂直方向和水平方向上的整合。由上至下可分為邊緣級別、工廠或工作間級別、企業(yè)或后端級別。

1.邊緣級別。以產(chǎn)品質(zhì)量檢查為例，當今社會人們對于產(chǎn)品外觀和質(zhì)量要求越來越高，制造廠商對于產(chǎn)品質(zhì)量和外觀檢查的要求也越來越高，一般企業(yè)，至少有3+2道質(zhì)量管控，包括制造廠商的進料檢驗、線檢驗、出貨檢驗，以及供應(yīng)商的出貨檢驗和客戶的進料檢驗。相關(guān)的質(zhì)量檢驗人員每天重復(fù)數(shù)百上千次的重復(fù)性工作，不僅僅容易引起疲勞誤檢，對成本、標準型、一致性也是一大挑戰(zhàn)，有些檢驗工作甚至?xí)θ梭w造成危險或者危害。 通過智慧制造，我們至少有如下幾種解決方案：

1）視覺檢查系統(tǒng)基于機器學(xué)習(xí)算法。以檢查光效為例，工廠設(shè)立暗箱工站，內(nèi)置攝像頭和計算器，對不同角度留明度、顏色進行值計算，并在不斷的生產(chǎn)過程中得出最佳留明值，從而取代人工檢驗，實現(xiàn)智慧制造。

2） 基于圖形對比的自動檢驗，如雜質(zhì)、高度、縫隙、重量等基于幾何形狀的檢測，通過紋理和區(qū)域?qū)Ρ?，來提取和驗證缺陷。取消人工檢驗，

3）基于聲音對比的自動檢測，如在測量產(chǎn)品厚度、音質(zhì)等方面，通過計算重音和低音的赫茲，來設(shè)定檢驗合格線，取消人工檢驗。

當前的智慧制造，機器人的可操作性已經(jīng)越來越高，作業(yè)員通過控制智慧設(shè)備控制過程，而智慧設(shè)備的健康則由標準制造構(gòu)架系統(tǒng)的預(yù)測性維護統(tǒng)計系統(tǒng)來維護，真正能實現(xiàn)解放人工。

2.工廠或工作間級別。以IBM的PSB制造構(gòu)架系統(tǒng)為例。PSB是指工廠服務(wù)匯流排，它主要用于實現(xiàn)生產(chǎn)廠房和IT廠房直接工廠級層整合的軟體組件，整合人、機、法、料4個層次，使之形成一個閉合的連接，它為信息提供了路徑、轉(zhuǎn)換、中介、配置和工作流，并相互之間能夠即時傳遞所需信息。該系統(tǒng)主要通過如下4個途徑實現(xiàn)人、機、法、料的整合：

1）轉(zhuǎn)換和鏈接：由PLC系統(tǒng)對機器的數(shù)據(jù)進行即時的解讀，并通過SCADA系統(tǒng)鏈接進入ERP系統(tǒng)，從而整合機器與數(shù)據(jù)之間的邏輯，實現(xiàn)維護和發(fā)布管理的標準化管理。

2）規(guī)則配置管理和組合：對廠房、機器、整合層對人、機、法、料進行合理的資源配置，這些配置基于產(chǎn)房、機器、整合、產(chǎn)品等特性定義規(guī)則，再由生產(chǎn)計劃人員進行安排和檢驗。

在工廠層，PSB系統(tǒng)按照產(chǎn)品類型和優(yōu)先級進行整理，對特殊情況，如品質(zhì)，進行連續(xù)性管控，對工廠預(yù)測分析循環(huán)產(chǎn)生的警報進行顯示，從而為工廠決策人員提供決策邏輯;在整合層，PSB系統(tǒng)根據(jù)訊息內(nèi)容和業(yè)務(wù)狀況，規(guī)定線路，制定優(yōu)先級、警報信息、異常信息，對如上信息再做出商業(yè)文字訊息驗證，對信息內(nèi)容強化進行彈性處理;在邊緣層，主要是對儲存區(qū)域?qū)?yīng)到工廠數(shù)據(jù)模型進行配置管理，即插即用。對警報、信號轉(zhuǎn)撥等信息，根據(jù)產(chǎn)品參數(shù)的螺絲驅(qū)動方式進行動態(tài)行為管控。對基于預(yù)測分析事件的機器進行行為控制。

PSB通過管理本地活動與PLC、SCADA、ERP、邊緣的鏈接，使得用戶在該制造構(gòu)架系統(tǒng)中能夠建立業(yè)務(wù)規(guī)則，為使用者提供了一種自然的方式來管理策略，并生成一整套的程序，使得作業(yè)人員可以自動執(zhí)行頻繁發(fā)生的決策。

3.企業(yè)或后端級別。企業(yè)級別則需要分析所有邊緣級別和工廠級別的所有數(shù)據(jù)。在手機資料和建立數(shù)據(jù)庫完成后，以適當?shù)谋砀瘛⒛０娉尸F(xiàn)給到相應(yīng)的邊緣級別和工廠級別做相應(yīng)的分析和建模。針對企業(yè)級別制造構(gòu)架系統(tǒng)的建立，需要為應(yīng)用程式提供相應(yīng)的設(shè)備，在分析的基礎(chǔ)上提出解決的方案。通過分析工作流程、上下端和環(huán)境等各項因素來提高企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和運行效率，從而實現(xiàn)整個工廠價值鏈的超過那本，并提高運營效率。

從商業(yè)角度來看，智慧制造的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，圍繞生產(chǎn)品質(zhì)和生產(chǎn)優(yōu)化，創(chuàng)造了傳統(tǒng)制造業(yè)所無法實現(xiàn)的生產(chǎn)率和專業(yè)化。智慧制造的目標是能夠以大量成本制造個性化產(chǎn)品，為了實現(xiàn)這個目標，有必須考慮改善生產(chǎn)工具，制造業(yè)應(yīng)該引進更多的智慧制造，同時改善供應(yīng)，銷售，制造，工程，研發(fā)，人力和運營之間的合作，根據(jù)自身的不同特性建立不同的制造構(gòu)架系統(tǒng)。

總結(jié)

中國在改革開放以后的40年時間里，跨越了第一次工業(yè)革命到第三次工業(yè)革命，并進入了第四次工業(yè)革命。上個世紀開始，西方國家把制造業(yè)外包給了中國，把服務(wù)業(yè)外包給了印度，這不是自主選擇的結(jié)果，而是市場看不見的手調(diào)控的結(jié)果。我們經(jīng)歷了第一階段的國產(chǎn)品牌代工時代、經(jīng)歷了第二階段的世界產(chǎn)品中國造、經(jīng)歷了第三階段世界新物中國造，近幾年由于貿(mào)易戰(zhàn)和降低人工成本，制造業(yè)逐漸開始向南亞國家轉(zhuǎn)移，中國為了提高競爭力，實現(xiàn)彎道超車，必須集中力量，建立新階段：支持中國創(chuàng)造的創(chuàng)新體系，大力研究相應(yīng)制造場景的5G應(yīng)用技術(shù)，滿足智慧制造領(lǐng)域物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的需求，建立IIOT（工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺），實現(xiàn)資訊技術(shù)與營運技術(shù)的高端結(jié)合，從而實現(xiàn)從“邊緣創(chuàng)造”走向“中國名牌”。