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一文读懂 “智能工厂” 如何规划

【精益管理网】    时间:2018-12-31   作者:姚克荣   来源:eworks  H - 小 + 大

在当前智能制造的热潮之下,很多企业都在规划建设智能工厂。那么,智能工厂的规划要考虑哪些核心要素?关注哪些维度?

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本文结合中国电子科技集团十四所的智能工厂建设实践、作者与企业进行沟通交流以及e-works的国际考察和咨询服务实践,就此问题进行深入探讨。

一、制造工艺的分析与优化

在新工厂建设时,首先需要根据企业在产业链的定位,拟生产的主要产品、生产类型(单件、小批量多品种、大批量少品种等)、生产模式(离散、流程及混合制造)、核心工艺(例如机械制造行业的热加工、冷加工、热处理等),以及生产纲领,对加工、装配、包装、检测等工艺进行分析与优化。企业需要充分考虑智能装备、智能产线、新材料和新工艺的应用对制造工艺带来的优化。同时,企业也应当基于绿色制造和循环经济的理念,通过工艺改进节能降耗、减少污染排放;还可以应用工艺仿真软件,来对制造工艺进行分析与优化。

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二、数据采集

生产过程中需要及时采集产量、质量、能耗、加工精度和设备状态等数据,并与订单、工序、人员进行关联,以实现生产过程的全程追溯。出现问题可以及时报警,并追溯到生产的批次、零部件和原材料的供应商。此外,还可以计算出产品生产过程产生的实际成本。有些行业还需要采集环境数据,如温度、湿度、空气洁净度等数据。

企业需要根据采集的频率要求来确定采集方式,对于需要高频率采集的数据,应当从设备控制系统中自动采集。企业在进行智能工厂规划时,要预先考虑好数据采集的接口规范,以及SCADA(监控和数据采集)系统的应用。不少厂商开发了数据采集终端,可以外接在机床上,解决老设备数据采集的问题,企业可以进行选型应用。

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三、设备联网

实现智能工厂乃至工业4.0,推进工业互联网建设,实现MES应用,最重要的基础就是要实现M2M,也就是设备与设备之间的互联,建立工厂网络。那么,设备与设备之间如何互联?采用怎样的通信方式(有线、无线)、通信协议和接口方式?采集的数据如何处理?这些问题企业应当建立统一的标准。

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在此基础上,企业可以实现对设备的远程监控,机床联网之后,可以实现DNC(分布式数控)应用。设备联网和数据采集是企业建设工业互联网的基础。

四、工厂智能物流

推进智能工厂建设,生产现场的智能物流十分重要,尤其是对于离散制造企业。智能工厂规划时,要尽量减少无效的物料搬运。很多优秀的制造企业在装配车间建立了集中拣货区(Kitting Area),根据每个客户订单集中配货,并通过DPS(Digital Picking System)方式进行快速拣货,配送到装配线,消除了线边仓。

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离散制造企业在两道机械工序之间可以采用带有导轨的工业机器人、桁架式机械手等方式来传递物料,还可以采用AGV、RGV(有轨穿梭车)或者悬挂式输送链等方式传递物料。在车间现场还需要根据前后道工序之间产能的差异,设立生产缓冲区。立体仓库和辊道系统的应用,也是企业在规划智能工厂时,需要进行系统分析的问题。

五、生产质量管理

提高质量是工厂管理永恒的主题,在智能工厂规划时,生产质量管理更是核心的业务流程。质量保证体系和质量控制活动必须在生产管理信息系统建设时统一规划、同步实施,贯彻质量是设计、生产出来,而非检验出来的理念。

质量控制在信息系统中需嵌入生产主流程,如检验、试验在生产订单中作为工序或工步来处理;质量审理以检验表单为依据启动流程开展活动;质量控制的流程、表单、数据与生产订单相互关联、穿透;按结构化数据存储质量记录,为产品单机档案提供基本的质量数据,为质量追溯提供依据;构建质量管理的基本工作路线:质量控制设置-检测-记录-评判-分析-持续改进;质量控制点需根据生产工艺特点科学设置,质量控制点太多影响效率,太少使质量风险放大;检验作为质量控制的活动之一,可分为自检、互检、专检,也可分为过程检验和终检;质量管理还应关注质量损失,以便从成本的角度促进质量的持续改进。对于采集的质量数据,可以利用SPC系统进行分析。制造企业应当提升对QIS(质量管理信息系统)的重视程度。

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六、设备管理

设备是生产要素,发挥设备的效能(OEE—设备综合效率)是智能工厂生产管理的基本要求,OEE的提升标志产能的提高和成本的降低。生产管理信息系统需设置设备管理模块,使设备释放出最高的产能,通过生产的合理安排,使设备尤其是关键、瓶颈设备减少等待时间;在设备管理模块中,要建立各类设备数据库,设置编码,及时对设备进行维保;通过实时采集设备状态数据,为生产排产提供设备的能力数据;企业应建立设备的健康管理档案,根据积累的设备运行数据建立故障预测模型,进行预测性维护,最大限度地减少设备的非计划性停机;要进行设备的备品备件管理。

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七、智能厂房设计

智能工厂的厂房设计需要引入BIM(建筑信息模型),通过三维设计软件进行建筑设计,尤其是水、电、气、网络、通信等管线的设计。同时,智能厂房要规划智能视频监控系统、智能采光与照明系统、通风与空调系统、智能安防报警系统、智能门禁一卡通系统、智能火灾报警系统等。采用智能视频监控系统,通过人脸识别技术以及其他图像处理技术,可以过滤掉视频画面中无用的或干扰信息、自动识别不同物体和人员,分析抽取视频源中关键有用信息,判断监控画面中的异常情况,并以最快和最佳的方式发出警报或触发其它动作。

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整个厂房的的工作分区(加工、装配、检验、进货、出货、仓储等)应根据工业工程的原理进行分析,可以使用数字化制造仿真软件对设备布局、产线布置、车间物流进行仿真。在厂房设计时,还应当思考如何降低噪音,如何能够便于设备灵活调整布局,多层厂房如何进行物流输送等问题。

八、智能装备的应用

制造企业在规划智能工厂时,必须高度关注智能装备的最新发展。机床设备正在从数控化走向智能化,实现边测量、边加工,对热变形、刀具磨损产生的误差进行补偿,企业也开始应用车铣复合加工中心,很多企业在设备上下料时采用了工业机器人。

未来的工厂中,金属增材制造设备将与切削加工(减材)、成型加工(等材)等设备组合起来,极大地提高材料利用率。除了六轴的工业机器人之外,还应该考虑SCARA机器人和并联机器人的应用,而协作机器人则将会出现在生产线上,配合工人提高作业效率。

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九、智能产线规划

智能产线是智能工厂规划的核心环节,企业需要根据生产线要生产的产品族、产能和生产节拍,采用价值流图等方法来合理规划智能产线。智能产线的特点是:在生产和装配的过程中,能够通过传感器、数控系统或RFID自动进行生产、质量、能耗、设备绩效(OEE)等数据采集,并通过电子看板显示实时的生产状态,能够防呆防错;通过安灯系统实现工序之间的协作;生产线能够实现快速换模,实现柔性自动化;能够支持多种相似产品的混线生产和装配,灵活调整工艺,适应小批量、多品种的生产模式;具有一定冗余,如果生产线上有设备出现故障,能够调整到其他设备生产;针对人工操作的工位,能够给予智能的提示,并充分利用人机协作。

设计智能产线需要考虑如何节约空间,如何减少人员的移动,如何进行自动检测,从而提高生产效率和生产质量。企业建立新工厂非常强调少人化,因此要分析哪些工位应用自动化设备及机器人,哪些工位采用人工。对于重复性强、变化少的工位尽可能采用自动化设备,反之则采用人工工位。

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本文作者:中国电子科技集团十四所 姚克荣

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