【數(shù)字化工廠】基于自治系統(tǒng)的數(shù)字化工廠演示線
德國(guó)工業(yè)4.0發(fā)展至今，隨著網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)CPS技術(shù)的深入應(yīng)用，生產(chǎn)的自動(dòng)化和靈活性不斷得到提高，推動(dòng)了生產(chǎn)形態(tài)的逐步演進(jìn)。目前，德國(guó)工業(yè)4.0從技術(shù)上已經(jīng)進(jìn)入到大規(guī)模定制代工生產(chǎn)的雛形階段。我們認(rèn)為的工業(yè)4.0的終極狀態(tài)會(huì)是一個(gè)什么樣子呢？
以汽車行業(yè)為例，可以設(shè)想這樣一個(gè)場(chǎng)景：在一個(gè)巨大的廠房里，按照矩陣式布置了20x40個(gè)加工島。每個(gè)加工島由若干臺(tái)機(jī)器人和一批工裝構(gòu)成。在加工島之間，來回穿梭著一臺(tái)臺(tái)無人駕駛的、承載著半成品汽車的AGV小車。當(dāng)AGV到達(dá)某個(gè)加工島后，一群機(jī)器人立即將半成品汽車卸到加工臺(tái)上進(jìn)行緊固，進(jìn)行生產(chǎn)和裝配，然后再搬回到AGV小車上。就這樣，在流轉(zhuǎn)了若干個(gè)加工島之后，半成品的汽車終于變成了完工的汽車。如果說這種無人化的、無流水線傳動(dòng)帶的加工方式打破了很多人對(duì)汽車工廠的傳統(tǒng)印象的話，那么更加令人驚奇的是，在這個(gè)廠房里，甚至可以同時(shí)為不同品牌的汽車進(jìn)行代工。而從廠房出口駛出的汽車，不僅可以是完全不同的車型，而且沒有兩臺(tái)是一模一樣的配置。
圖：未來汽車代工生產(chǎn)的場(chǎng)景
從今天的經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)知來看，這些描述聽起來簡(jiǎn)直是一個(gè)天方夜譚。但是，在德國(guó)工業(yè)4.0技術(shù)的推動(dòng)下，這一幻想正在逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。從推動(dòng)代工生產(chǎn)的視角，德國(guó)庫(kù)卡機(jī)器人將其稱為矩陣式生產(chǎn)（Matrix Production）；從產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的視角，將其應(yīng)用到實(shí)戰(zhàn)的德國(guó)大眾把它叫做模塊化生產(chǎn)（Modular Production）。眼下，筆者正站在沈陽自動(dòng)化研究所的實(shí)驗(yàn)室里，面對(duì)著這樣一個(gè)第三代數(shù)字化工廠的示范線，眼前似乎浮現(xiàn)出未來汽車大規(guī)模定制代工生產(chǎn)的場(chǎng)景。這一切，都始于五年前德國(guó)政府為了向中國(guó)政府介紹工業(yè)4.0，委托SAP實(shí)地接待中國(guó)工信部領(lǐng)導(dǎo)參觀的數(shù)字化工廠。
圖：2014年德國(guó)專家向中國(guó)政府領(lǐng)導(dǎo)介紹工業(yè)4.0數(shù)字化工廠
第一代工業(yè)4.0數(shù)字化工廠
2014年正值工業(yè)4.0方興未艾之際?；诙嗄甑膶?shí)踐，SAP發(fā)布了第一代的工業(yè)4.0數(shù)字化工廠解決方案。這是一個(gè)典型的實(shí)現(xiàn)了垂直集成架構(gòu)的數(shù)字化工廠。在OPC 協(xié)議的支持下，SAP打通了自家的企業(yè)資源計(jì)劃ERP到自家的制造執(zhí)行系統(tǒng)MES到第三方的可編程邏輯控制器PLC之間的壁壘。在SAP MES和PLC之間無需任何軟件中間層，便可以實(shí)現(xiàn)主數(shù)據(jù)無冗余的高速集成。
這一年德國(guó)政府提供給中國(guó)工信部領(lǐng)導(dǎo)參觀的，是一家實(shí)施了SAP的德國(guó)工業(yè)燃?xì)饩呱a(chǎn)企業(yè)Elster。實(shí)際上，盡管Elster的一條生產(chǎn)線上已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)多品種小批量的生產(chǎn)，在水平集成上也可圈可點(diǎn)，但是使用垂直集成打通工業(yè)金字塔的概念，與國(guó)內(nèi)推行的“兩化融合”的思想高度契合，給來訪的中國(guó)領(lǐng)導(dǎo)和專家們留下了深刻的印象。那幾年，也是垂直集成概念在國(guó)內(nèi)數(shù)字化工廠最為風(fēng)行的幾年，不少人將能夠與ERP和PLC連接的MES，看成是實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0的標(biāo)配，興起了一股開發(fā)各行各業(yè)MES系統(tǒng)的高潮。無疑，這為大規(guī)模建設(shè)工業(yè)4.0數(shù)字化工廠奠定了一個(gè)起點(diǎn)。
圖：2014年漢諾威工博會(huì)上SAP展示的第一代工業(yè)4.0數(shù)字化工廠解決方案
第二代工業(yè)4.0數(shù)字化工廠
2016年，SAP推出了“水平集成+垂直集成+產(chǎn)品全生命周期集成”的第二代工業(yè)4.0數(shù)字化工廠。在ERP－MES－PLC的基礎(chǔ)上，加入了個(gè)性化定制的概念，涵蓋了從電商系統(tǒng)hybris提出產(chǎn)品定制要求，在產(chǎn)品生命周期管理PLM中進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，然后進(jìn)入到ERP下單生產(chǎn)，以及通過供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)SCM與供應(yīng)商協(xié)同組織供貨的完整過程。
現(xiàn)在回想起來，那幾年在國(guó)內(nèi)也是個(gè)性化定制工廠最紅火的時(shí)光。服裝、家具、家電等輕工業(yè)產(chǎn)品的定制，儼然就是工業(yè)4.0的代名詞。現(xiàn)在看來，輕工業(yè)產(chǎn)品的個(gè)性化定制，在整個(gè)制造行業(yè)里，門檻相對(duì)還是比較簡(jiǎn)單。工業(yè)4.0的難點(diǎn)依舊還是那些復(fù)雜產(chǎn)品+復(fù)雜加工過程的大規(guī)模定制，典型的代表就是汽車?？胁幌缕囘@塊骨頭，停留在第二階段的數(shù)字化工廠，還不能代表德國(guó)工業(yè)4.0的水平。
圖：2016年漢諾威工博會(huì)上SAP展示的第二代工業(yè)4.0數(shù)字化工廠解決方案
第三代工業(yè)4.0的數(shù)字化工廠
又過了兩年，2018年，SAP緊接著推出了基于模塊化生產(chǎn)的第三代數(shù)字化工廠，不僅實(shí)現(xiàn)了汽車行業(yè)的大規(guī)模定制化生產(chǎn)，還一下子拔高了工業(yè)4.0數(shù)字化工廠的高度。直到今天，國(guó)內(nèi)也沒能出現(xiàn)與之相仿的整體方案。原因很簡(jiǎn)單。第三代的數(shù)字化工廠，實(shí)現(xiàn)了全面自動(dòng)化、高度智能化和深度定制化，它對(duì)于背后系統(tǒng)的集成要求，提出了極高的要求。由于沒有人工操作來作為緩沖，哪怕是系統(tǒng)之間一點(diǎn)點(diǎn)的不匹配，都會(huì)是災(zāi)難性的事故。真正考驗(yàn)工業(yè)系統(tǒng)整體能力的時(shí)刻來臨了。而第三代數(shù)字化工廠，也就是前文提到的大規(guī)模定制代工生產(chǎn)的雛形。
SAP的這套方案，起源自奧迪電動(dòng)汽車的新工廠。讀到這里，一定會(huì)有好奇的讀者會(huì)問，為什么會(huì)是電動(dòng)汽車？
圖：2018年漢諾威工博會(huì)上SAP展示的第三代工業(yè)4.0數(shù)字化工廠解決方案
走向新能源和自動(dòng)駕駛的汽車工業(yè)正在呼喚下一代的大規(guī)模定制
汽車工業(yè)發(fā)展到今天，已經(jīng)走到了一個(gè)十字路口。盡管在此之前，很多汽車廠都嘗試搞過大規(guī)模定制，并且也在傳統(tǒng)的流水線上，通過混線排序生產(chǎn)，將大規(guī)模定制變?yōu)榱爽F(xiàn)實(shí)，但是，今天汽車工業(yè)能達(dá)到的定制化水平，距離未來的要求，還有很大的差距。
今天的汽車都是由人來駕駛的基于內(nèi)燃機(jī)的汽車。駕駛員的眼和手，完全離不開對(duì)前方的觀察和方向盤。對(duì)于汽車的配置，尤其是各種內(nèi)飾，沒有太多的精力加以關(guān)注。只有到了L3自動(dòng)駕駛實(shí)現(xiàn)之后，可以允許“eye off”和“hands off”，這時(shí)駕駛員的注意力，才有可能關(guān)注到車廂內(nèi)部的其他配置。并且，隨著技術(shù)的進(jìn)步，電動(dòng)汽車和自動(dòng)駕駛將會(huì)徹底改變車內(nèi)的布置，使得汽車從“交通工具”，轉(zhuǎn)化為“生活工具”。到這時(shí)，人們對(duì)于汽車的配置要求，才回真正釋放出來。正如同樣的房型，不會(huì)有同樣的裝修一樣。如下圖所示，2021年，寶馬汽車的L3自動(dòng)駕駛的汽車就將量產(chǎn)，距離現(xiàn)在只有兩年時(shí)間。以今天汽車工業(yè)的水平，能夠造得出這種高度定制化的汽車嗎？
圖：自動(dòng)駕駛汽車將逐步解放人類的“眼”和“手”，為汽車的個(gè)性化配置提供空間（圖中時(shí)間表是寶馬發(fā)布的計(jì)劃）
傳統(tǒng)的流水線式的大規(guī)模生產(chǎn)已經(jīng)達(dá)到了優(yōu)化的頂峰
今天的汽車工業(yè)，在100年前福特制的流水線生產(chǎn)下，無論是在銷量，還是柔性上，都已經(jīng)達(dá)到了優(yōu)化的極限。對(duì)于客戶的定制化需求，汽車工業(yè)普遍采用混線排序生產(chǎn)的方式，將不同配置要求的車輛，在充分考慮到產(chǎn)線的各種制約因素之后，按照既定的順序進(jìn)行排產(chǎn)，投放到產(chǎn)線上組織生產(chǎn)。排產(chǎn)過程中最主要的制約因素，就是由流水線的勻速直線移動(dòng)帶來的。正所謂成也蕭何，敗也蕭何，流水線簡(jiǎn)化了生產(chǎn)計(jì)劃和現(xiàn)場(chǎng)的物流工作，但也帶來了僵化的產(chǎn)線布置、剛性要求的統(tǒng)一生產(chǎn)節(jié)拍等缺陷。對(duì)于需要更加靈活地調(diào)整生產(chǎn)工藝的定制化生產(chǎn)需求，將所有的生產(chǎn)設(shè)備拍成一條直線的流水線，是無法滿足的。人們不得不將目光，轉(zhuǎn)移到生產(chǎn)設(shè)備的機(jī)群式布置方式，輔之以基于無人駕駛AGV的物流的新一代生產(chǎn)方式。這其實(shí)也正是從2013年開始由德國(guó)聯(lián)邦教育與研究部領(lǐng)銜資助的Arena2036項(xiàng)目研究的主題之一。
圖：在Arena2036研究項(xiàng)目中設(shè)想的未來的汽車敏捷工廠（來源：https://www.forschungscampus.bmbf.de）
自治系統(tǒng)是德國(guó)科技最新的發(fā)展階段
實(shí)際上，德國(guó)工業(yè)在科技領(lǐng)域的前瞻性研究的步伐，不僅在趨勢(shì)上領(lǐng)先，而且非常堅(jiān)實(shí)和腳踏實(shí)地，與產(chǎn)業(yè)界的融合也十分有效。如下圖所示，從2011年到2013年，德國(guó)科技界的研究重點(diǎn)，放在了IT與OT融合的工業(yè)4.0（Industry 4.0），它與國(guó)內(nèi)所提的智能制造大體相當(dāng)。接下里的5年里，德國(guó)科技界又將重點(diǎn)放在了智能服務(wù)世界（Smart Service World），它與國(guó)內(nèi)所提的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)或產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大體相當(dāng)。在目前這個(gè)階段，研究階段又放在了自治系統(tǒng)（Autonomous System）領(lǐng)域，推動(dòng)自動(dòng)駕駛汽車、智能機(jī)器人和互聯(lián)的基礎(chǔ)設(shè)施的開發(fā)。無論是上文中提到的矩陣式生產(chǎn)，還是模塊化生產(chǎn)，都是自治系統(tǒng)在生產(chǎn)制造領(lǐng)域里的應(yīng)用。
圖：從工業(yè)4.0，到智能服務(wù)世界和自治系統(tǒng)
第三代數(shù)字化工廠在奧迪的實(shí)踐
第三代數(shù)字化工廠的模塊化生產(chǎn)，具有以下四個(gè)特點(diǎn)：
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獨(dú)立：每一個(gè)工作站都是一個(gè)單獨(dú)的模塊，傳統(tǒng)生產(chǎn)線的物理先后順序上的限制不復(fù)存在。在需要的時(shí)候，模塊可以隨時(shí)加入和退出，不會(huì)相互影響。
-
可變：每個(gè)產(chǎn)品都可以有自己虛擬可變的加工流程順序，在離開每個(gè)工作站的時(shí)候，對(duì)下一個(gè)工作站目的地做出最優(yōu)決策。
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智能：所有的產(chǎn)品和物料通過AGV在車間內(nèi)自動(dòng)運(yùn)輸，只有在需要的時(shí)候才會(huì)發(fā)出，從而將在制數(shù)量降到最低，并提高效率。
-
靈活：模塊化提高了生產(chǎn)系統(tǒng)的擴(kuò)展性和適應(yīng)性，并且對(duì)產(chǎn)品的形狀、尺寸具有更高的適應(yīng)，可以按照需要方便地進(jìn)行調(diào)整。
圖：模塊化生產(chǎn)的加工工作站布局示意圖
從奧迪的視角，采用模塊化生產(chǎn)，可以從以下幾個(gè)方面獲得收益：
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節(jié)省設(shè)備投資
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從生產(chǎn)實(shí)踐和瓶頸優(yōu)化方面獲得顯著受益
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提高定制生產(chǎn)下的高產(chǎn)量
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靈活可優(yōu)化的工廠布局
第三代數(shù)字化工廠演示線進(jìn)入中國(guó)
在中科院沈陽自動(dòng)化研究所的大力支持下，SAP中國(guó)在沈陽的演示線上實(shí)現(xiàn)了第三代數(shù)字化工廠的理念。
在SAP S/4 HANA、SAP ME/MII、SAP EWM等系統(tǒng)以及沈自所研發(fā)的設(shè)備和工控算法的支持下，這套演示線以一個(gè)減速器缸體缸蓋和齒輪的裝配過程為例，實(shí)現(xiàn)了多臺(tái)無人駕駛的AGV小車和配套的機(jī)器人在不同加工工位之間的協(xié)同制造過程。
在這套演示線里，個(gè)性化產(chǎn)品的銷售訂單在SAPC/4HANA 銷售云創(chuàng)建，隨后無縫傳入SAP S/4HANA系統(tǒng)創(chuàng)建生產(chǎn)訂單，并下達(dá)至車間。
在生產(chǎn)過程中，SAP高級(jí)倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)（SAP EWM）和SAP制造執(zhí)行系統(tǒng)（SAP ME）按照業(yè)務(wù)流程緊密對(duì)接，從原材料出庫(kù)、生產(chǎn)執(zhí)行、原料消耗到成品入庫(kù)和最終發(fā)貨，所有環(huán)節(jié)均可以根據(jù)產(chǎn)品或者工藝的變化，進(jìn)行快速響應(yīng)調(diào)整，并且整個(gè)流程能得到精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)的記錄和跟蹤。
基于模塊化生產(chǎn)概念，矩陣式布局生產(chǎn)方式，通過沈自所的WIA工業(yè)無線技術(shù)使控制系統(tǒng)從有線變?yōu)闊o線，機(jī)械結(jié)構(gòu)可以靈活部署；工業(yè)軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）技術(shù)使工業(yè)網(wǎng)絡(luò)可以隨產(chǎn)線布局的變化而自適應(yīng)組態(tài)；“物源”平臺(tái)的管控一體化軟件和邊緣控制器，使工站，機(jī)器人等設(shè)備的工序工步隨產(chǎn)品設(shè)計(jì)變化而自適應(yīng)重組。
通過沈自所的“物源”平臺(tái)，SAP的IT系統(tǒng)與沈自所的OT系統(tǒng)的緊密集成，倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)、制造執(zhí)行系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)以及AGV車輛管理和調(diào)度系統(tǒng)共同協(xié)作，生產(chǎn)過程中可以根據(jù)產(chǎn)品，工藝，設(shè)備狀態(tài)和訂單情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)的工藝路線調(diào)配和內(nèi)物流配送，減少等待時(shí)間，生產(chǎn)效率實(shí)現(xiàn)最大化。
與傳統(tǒng)的流水式生產(chǎn)線相比，從技術(shù)的角度來看，第三代的數(shù)字化工廠系統(tǒng)的復(fù)雜性是較高的，反映在增加的接口、系統(tǒng)集成的數(shù)量，以及算法設(shè)計(jì)和各個(gè)不同系統(tǒng)之間的交互，并且對(duì)于傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的業(yè)務(wù)流程也有較大的改變。從設(shè)備和IT系統(tǒng)的角度，它對(duì)于可用性、主數(shù)據(jù)的質(zhì)量等都提出了較高的要求。這條演示線，對(duì)于在中國(guó)市場(chǎng)推廣第三代數(shù)字化工廠，將會(huì)起到非常好的引導(dǎo)作用。
圖：沈自所第三代數(shù)字化工廠演示線實(shí)景拍攝
希望有更多的企業(yè)參與到新一代數(shù)字化工廠的推廣和實(shí)踐中來。
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