數(shù)字化工廠的框架與落地實踐

精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上專心---專注---專業(yè)專心---專注---專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上專心---專注---專業(yè)數(shù)字化工廠的框架與落地實踐數(shù)字化工廠正在閃現(xiàn)迷人的色彩，其光芒吸引了制造業(yè)的注意力。然而耀眼輝光之中，很多企業(yè)也被各種相互矛盾和相互糾纏的概念弄得無所適從，渴望能夠擁有一個洞開一切的神器。而數(shù)字化工廠的確猶如一道有著清晰軌跡的光路，它正指引著那些走向理解智能工廠和工業(yè)4.0的必經(jīng)之路。數(shù)字化工廠的定義雖然國內(nèi)外對數(shù)字化工廠的研究越來越多，但是對于數(shù)字化工廠的定義卻沒有統(tǒng)一的定論。目前存在兩種數(shù)字化工廠的定義，一種是廣義的，一種是狹義的。廣義數(shù)字化工廠以生產(chǎn)產(chǎn)品或提供服務的制造企業(yè)為核心企業(yè)，以及相關聯(lián)的成員，包括核心制造企業(yè)、供應商、軟件系統(tǒng)服務商合作伙伴、協(xié)作廠商、客戶、分銷商、銀行等，是其生產(chǎn)與經(jīng)營過程中所有信息數(shù)字化的動態(tài)聯(lián)盟。狹義數(shù)字化工廠以制造資源、生產(chǎn)操作和產(chǎn)品為核心，以產(chǎn)品生命周期數(shù)據(jù)為基礎，應用仿真技術、虛擬現(xiàn)實技術、實驗驗證技術等，使產(chǎn)品在生產(chǎn)工位、生產(chǎn)單元、生產(chǎn)線以及整個工廠中的所有真實活動虛擬化，并對加工和裝配過程進行仿真、試驗、分析、優(yōu)化的一種集成組織方式。筆者傾向并采用的概念為狹義的數(shù)字化工廠。實際上，這也符合工廠企業(yè)的實際認知。數(shù)字化工廠將產(chǎn)品信息數(shù)字化、過程信息數(shù)字化和資源物料信息數(shù)字化，并將這三種數(shù)字化流進行有效結(jié)合，是真實工廠的制造過程（包括設計、性能分析、工藝規(guī)劃、加工制造、質(zhì)量檢測、生產(chǎn)過程管理和控制）在計算機上的一種映射。數(shù)字化工廠、智能工廠與工業(yè)4.0工業(yè)4.0的官方說法文字太多。簡單說，工業(yè)4.0有兩個維度：技術維度就是物聯(lián)網(wǎng)和服務在制造業(yè)的應用，而商業(yè)維度就是用戶驅(qū)動。其兩大主題也為讀者所耳熟能詳，一是“智能工廠”，重點研究智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及過程，以及網(wǎng)絡化分布式生產(chǎn)設施的實現(xiàn)；二是“智能生產(chǎn)”，主要涉及整個企業(yè)的生產(chǎn)物流管理、人機互動以及3D技術在工業(yè)生產(chǎn)過程中的應用等。數(shù)字化工廠和工業(yè)4.0之間隔著一個智能工廠的距離。關于工業(yè)4.0的階段和實施先決條件，北航劉強教授說過一段話，提到了非常經(jīng)典的“三不要原則”。第一，不要在不具備成熟的工藝下做自動化，工藝如果不成熟，就最好先做生產(chǎn)線，這是工業(yè)2.0解決的問題。第二，不要在管理不成熟的時候做信息化，這是工業(yè)3.0解決的問題。第三，不要在不具備網(wǎng)絡化和數(shù)字化的基礎時做智能化，這是工業(yè)4.0解決的問題。數(shù)字化本身其實就是智能的一部分，是一個入口；而智能工廠是在數(shù)字化工廠的基礎上融合物聯(lián)網(wǎng)技術和各種智能系統(tǒng)等新興技術于一體，從而提高生產(chǎn)過程的可控性、減少生產(chǎn)線人工干預。數(shù)字化工廠是智能工廠的落腳點，而智能工廠又是工業(yè)4.0的基礎和落腳點。只有實現(xiàn)了數(shù)字化工廠，才有可能實現(xiàn)工業(yè)4.0。數(shù)字化工廠的路徑數(shù)字化工廠是在信息集成的基礎上，對研發(fā)、制造、管理等各個環(huán)節(jié)進行全面的過程集成，構(gòu)建數(shù)字化工廠是一項艱巨并且復雜的系統(tǒng)工程。而任何復雜系統(tǒng)工程的實施都離不了系統(tǒng)建模、系統(tǒng)仿真、系統(tǒng)分析和優(yōu)化，同樣數(shù)字化工廠也不能例外。首先要全面了解數(shù)字化工廠，建立數(shù)字化工廠的模型和參考架構(gòu)，然后需要有一套完整的方法論、工具和流程對數(shù)字化工廠的各個階段進行建模、規(guī)劃、分析和優(yōu)化。圖4的參考架構(gòu)是筆者研究參考了眾多工業(yè)4.0框架體系后提出的針對企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型框架模型，重點是根據(jù)當前企業(yè)現(xiàn)狀從管理咨詢維度和IT信息化維度，分解智能制造時代數(shù)字化車間、數(shù)字化工廠和數(shù)字化企業(yè)的層級關系，面向落地和實施。隨著現(xiàn)代制造對產(chǎn)品開發(fā)的要求不斷提高，以及產(chǎn)品逐步轉(zhuǎn)向多品種、小批量的訂單模式，企業(yè)內(nèi)各系統(tǒng)之間的統(tǒng)一性與有效整合問題就逐漸浮出水面。目前大多數(shù)企業(yè)面臨的是對原來工廠從基礎信息化與自動化向數(shù)字化改造的問題。無論是建新廠還是改造老廠，首先要面對的問題就是數(shù)字化工廠的規(guī)劃，而每一家企業(yè)所處的階段都不盡相同，這就需要梳理企業(yè)現(xiàn)狀，量身剪裁出合身的數(shù)字化工廠規(guī)劃藍圖。如圖5所示，數(shù)字化工廠的建設X軸代表著技術水平，Y軸代表著管理水平。管理水平從基礎管理、標準化管理一直到集成化管理、智能化管理。技術水平從基礎IT與自動化，到業(yè)務流程變革，再到系統(tǒng)集成，最后實現(xiàn)CPS。企業(yè)可以根據(jù)自身所處的階段，重點關注本階段需要重點去推進的事情，做到2.0補課，3.0普及，4.0目標。在數(shù)字化工廠的建設過程中，有了細致周密的數(shù)字化規(guī)劃藍圖，就擁有了數(shù)字化工廠建設的基點和指南針。接下來就應該選擇最合適的技術，這里特別注意不是指最先進的技術，先進的技術并不一定能在企業(yè)數(shù)字化建設中發(fā)揮最大的效用，需要根據(jù)企業(yè)自身功能和用途需求合理決策。在信息化程度還比較低的企業(yè)，RFID技術的使用不見得比條碼技術更實用。制造業(yè)的數(shù)字化工廠建設是一個大的系統(tǒng)工程，并非幾天、幾個月就能建設好并投入使用的，需要一個較長的實施周期，不能跨越式建設。每個階段都是以前一個階段為基礎逐步推進的，而且很多問題并不是技術上的問題，而是管理、組織方式、觀念變革等方面的問題。這是對管理者真正的考驗。管理者需要痛下決心，付出勇氣和耐心。這同時也對數(shù)字化工廠的咨詢顧問提出了非常綜合的高要求：他們需要了解企業(yè)管理，懂技術實現(xiàn)，懂生產(chǎn)運營等等。員工的士氣也是一個重要考量因素。這是一個學習型的漸進過程，企業(yè)管理者、員工和咨詢顧問三方都必須深浸其中，才能推進全面的數(shù)字化建設。數(shù)字化工廠規(guī)劃核心要素數(shù)字化工廠建設的核心要素可以歸納為工廠裝備數(shù)字化、工廠物流數(shù)字化、設計研發(fā)數(shù)字化、生產(chǎn)過程數(shù)字化，如圖6所示。通過這四個方面的建設，數(shù)字化工廠帶動產(chǎn)品設計方法和工具的創(chuàng)新、企業(yè)管理模式的創(chuàng)新。工業(yè)4.0和數(shù)字化工廠的相關技術將促進產(chǎn)業(yè)鏈和價值鏈的分工重組，傳統(tǒng)的行業(yè)界限將消失，并會產(chǎn)生各種新的業(yè)態(tài)和合作形式，形成自動化、信息化、一體化、精益化、集成化的數(shù)字化工廠。在四要素中，工廠裝備數(shù)字化是數(shù)字化工廠建設的前提和基礎，為設計、研發(fā)、生產(chǎn)等各個環(huán)節(jié)提供基礎數(shù)據(jù)的支持。工控產(chǎn)品，如PLC、伺服電機、傳感器等仍然是數(shù)字化工廠不可或缺的部分。在此基礎上，工廠物流能夠從被動感知變?yōu)橹鲃痈兄瑢崿F(xiàn)透明、安全和高效，包括產(chǎn)品運輸過程跟蹤、運輸車輛跟蹤定位、物料出庫、物料配送上線等。更加重要和經(jīng)常被切斷的環(huán)節(jié)，來自上游的設計。通過設計研發(fā)數(shù)字化，從而實現(xiàn)設計、工藝、制造、檢測等各業(yè)務的高度集成，包括CAD/CAPP/CAE/CAM/PLM的集成，虛擬仿真技術、MDB模型的應用，產(chǎn)品全生命周期管理等。生產(chǎn)過程的數(shù)字化主要是利用數(shù)字化的手段應對更復雜的車間生產(chǎn)過程管理，這其中最重要的是制造執(zhí)行系統(tǒng)MES的建設以及MES與ERP/PLM和車間現(xiàn)場自動化控制系統(tǒng)的交互。MES在智能制造領域的作用越來越明顯。MES既是一個相對獨立的軟件系統(tǒng)，又是企業(yè)信息傳遞路由器，匯集市場與服務、產(chǎn)品設計、MRP/ERP、供應鏈等信息，并轉(zhuǎn)化為詳細的生產(chǎn)作業(yè)指令，從而實現(xiàn)復雜產(chǎn)品制造過程生產(chǎn)現(xiàn)場的管理與控制。MES向上承接ERP下達的生產(chǎn)計劃以及PLM經(jīng)過仿真驗證的產(chǎn)品BOM，向下銜接車間現(xiàn)場SCADA控制系統(tǒng)，彌補了ERP與車間過程控制之間的真空，實現(xiàn)了工業(yè)4.0所強調(diào)的垂直方向上的集成以及貫穿價值鏈的端到端工程數(shù)字化集成。數(shù)字化工廠的標桿西門子工業(yè)軟件大中華區(qū)技術總經(jīng)理方志剛先生用圖8非常清晰地表達了一個數(shù)字化工廠的完美嬗變過程和日益成形的工業(yè)4.0工廠建設足跡。全球最負盛名的數(shù)字化工廠是西門子安貝格工廠，我們需要去那里學習什么呢？這張圖耐人尋味地表達了三十年的發(fā)展歷程。從1982年開始引入車間管理系統(tǒng)起，到RFID的引入，到數(shù)據(jù)優(yōu)化的管理，到工藝路線管理系統(tǒng)。這是一個蝶變的過程，也是一個持續(xù)改善的過程。這座外觀與工人數(shù)量基本維持原狀、連生產(chǎn)面積都未增加的工廠，三十多年一直向著一個光芒之地在自我進化。那個光芒之地，正是我們心目中的工業(yè)4.0圣地。在這個演化過程中，該工廠的產(chǎn)能較26年前提升了8倍，每年可生產(chǎn)約1200萬件Simatic系列產(chǎn)品，按每年生產(chǎn)230天計算，差不多平均每秒就能生產(chǎn)出一件產(chǎn)品。而西門子成都工廠作為安貝格的姊妹工廠，是西門子在德國之外的首家數(shù)字化企業(yè)，也是西門子在全球第三個工業(yè)自動化產(chǎn)品研發(fā)中心。從201