| 數(shù)字化工廠：工業(yè)4.0發(fā)展必經(jīng)之路 |
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數(shù)字化工廠正在閃現(xiàn)迷人的色彩，制造業(yè)正在被其光芒所吸引。然而輝光之中，很多企業(yè)也被各種相互矛盾和相互糾纏的概念所混淆，大家都渴望自己擁有一個(gè)洞開一切的神器。而數(shù)字化工廠，的確是一道有著清晰軌跡的光路，它在指引，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：工業(yè)4.0發(fā)展必經(jīng)之路 數(shù)字化工廠的定義雖然國內(nèi)外對(duì)數(shù)字化工廠的研究越來越多，但是對(duì)于數(shù)字化工廠的定義確沒有統(tǒng)一的定論。就目前而言，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(wù)的制造企業(yè)為核心企業(yè)，以及相關(guān)聯(lián)的成員，包括核心制造企業(yè)、供應(yīng)商、軟件系統(tǒng)服務(wù)商合作伙伴、協(xié)作廠商、客戶、分銷商、銀行等，使其生產(chǎn)與經(jīng)營過程中所有信息數(shù)字化的動(dòng)態(tài)聯(lián)盟。狹義數(shù)字化工廠以制造資源(resource)、生產(chǎn)操作(operation)和產(chǎn)品(product)為核心，以產(chǎn)品生命周期數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，應(yīng)用仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)等，是產(chǎn)品在生產(chǎn)工位、生產(chǎn)單元、生產(chǎn)線以及整個(gè)工廠中的所有真實(shí)活動(dòng)虛擬化，并對(duì)加工和裝配過程進(jìn)行仿真、試驗(yàn)、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(shí)際上，這也符合工廠企業(yè)的實(shí)際認(rèn)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，并使這三種數(shù)字化流進(jìn)行有效結(jié)合，是真實(shí)工廠的制造過程(包括設(shè)計(jì)、性能分析、工藝規(guī)劃、加工制造、質(zhì)量檢測(cè)、生產(chǎn)過程管理和控制)，在計(jì)算機(jī)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的說法文字太多，簡單說，有兩個(gè)維度，技術(shù)維度就是物聯(lián)網(wǎng)和服務(wù)在制造業(yè)的應(yīng)用，而商業(yè)維度就是用戶驅(qū)動(dòng)。其兩大主題也是讀者耳熟能詳，一是“智能工廠”，重點(diǎn)研究智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及過程，以及網(wǎng)絡(luò)化分布式生產(chǎn)設(shè)施的實(shí)現(xiàn);二是“智能生產(chǎn)”，主要涉及整個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)物流管理、人機(jī)互動(dòng)以及3D技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)過程中的應(yīng)用等。數(shù)字化工廠和工業(yè)4.0之間隔著一個(gè)智能工廠的距離。關(guān)于工業(yè)4.0的階段和實(shí)施先決條件，北航劉強(qiáng)教授說過一段話非常經(jīng)典的“三不要原則”，，不要在不具備成熟的工藝下做自動(dòng)化，工藝如果不成熟，就先做生產(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(shí)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(luò)化和數(shù)字化的基礎(chǔ)時(shí)做智能化，這是工業(yè)4.0解決的問題。
數(shù)字化本身其實(shí)就是智能的一部分，是一個(gè)入口;而智能工廠是在數(shù)字化工廠的基礎(chǔ)上附加了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和各種智能系統(tǒng)等新興技術(shù)于一體，提高生產(chǎn)過程可控性、減少生產(chǎn)線人工干預(yù)。 數(shù)字化工廠是智能工廠的落腳點(diǎn)，而智能工廠又是工業(yè)4.0的基礎(chǔ)和落腳點(diǎn)。只有實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化工廠，才有可能實(shí)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(chǔ)上，對(duì)研發(fā)、制造、管理等各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行全面的過程集成，構(gòu)建數(shù)字化工廠是一項(xiàng)艱巨并且復(fù)雜的系統(tǒng)工程。 而任何復(fù)雜系統(tǒng)工程的實(shí)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(duì)數(shù)字化工廠的各個(gè)階段進(jìn)行建模、規(guī)劃、分析和優(yōu)化。
企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型框架上圖中的參考架構(gòu)即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(duì)企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型框架模型，重點(diǎn)是根據(jù)當(dāng)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(shí)代數(shù)字化車間、數(shù)字化工廠和數(shù)字化企業(yè)的層級(jí)關(guān)系，面向落地和實(shí)施。 隨著現(xiàn)代制造對(duì)產(chǎn)品開發(fā)的要求不斷挑，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(duì)原來工廠，從基礎(chǔ)信息化與自動(dòng)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(duì)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(lán)圖。如下圖所示，數(shù)字化工廠的建設(shè)x軸代表這技術(shù)水平，y軸代表著管理水平。管理水平從基礎(chǔ)管理、標(biāo)準(zhǔn)化管理一直到集成化管理、智能化管理。技術(shù)水平從基礎(chǔ)IT與自動(dòng)化，到業(yè)務(wù)流程變革，再到系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)CPS。企業(yè)可以根據(jù)自身所處的階段，重點(diǎn)關(guān)注本階段需要重點(diǎn)去推進(jìn)的事情，做到2.0補(bǔ)課，3.0普及，4.0目標(biāo)。
數(shù)字化工廠實(shí)施路徑圖在數(shù)字化工廠的建設(shè)過程中，有了細(xì)致周密的數(shù)字化規(guī)劃藍(lán)圖，就擁有了數(shù)字化工廠建設(shè)的基點(diǎn)和指南針。接下來就應(yīng)該選擇合適的技術(shù)，這里注意不是的技術(shù)，的技術(shù)并不一定在企業(yè)數(shù)字化建設(shè)中發(fā)揮的效用，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(shù)的使用，不見得比條碼技術(shù)更實(shí)用。制造業(yè)的數(shù)字化工廠建設(shè)是一個(gè)大的系統(tǒng)工程，并非幾天、幾個(gè)月就能建設(shè)好并投入使用的，需要一個(gè)較長的實(shí)施周期，不能跨越式建設(shè)。每個(gè)階段都是以前一個(gè)階段為基礎(chǔ)，逐步推進(jìn)的，而且很多問題并不是技術(shù)上的問題，而是管理、組織方式、觀念的變革。 這是對(duì)管理者真正的考驗(yàn)。管理者需要痛下決心，付出耐心。而這同時(shí)也對(duì)數(shù)字化工廠的咨詢顧問，提出了非常綜合的要求：需要了解企業(yè)管理、懂技術(shù)實(shí)現(xiàn)、懂生產(chǎn)運(yùn)營等等。員工的士氣也是一個(gè)重要考量。這是一個(gè)學(xué)習(xí)型的漸進(jìn)過程，三方都必須深浸其中，才能推進(jìn)全面的數(shù)字化建設(shè)。數(shù)字化工廠規(guī)劃核心要素?cái)?shù)字化工廠的建設(shè)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(shè)計(jì)研發(fā)數(shù)字化、生產(chǎn)過程數(shù)字化，如下圖所示。通過這四個(gè)方面的建設(shè)，帶動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(guān)技術(shù)將促進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈和價(jià)值鏈的分工重組，傳統(tǒng)的行業(yè)界限將消失，并會(huì)產(chǎn)生各種新的業(yè)態(tài)和合作形式，形成自動(dòng)化、信息化、一體化、精益化、集成化的數(shù)字化工廠。
核心四要素這其中工廠裝備數(shù)字化，是數(shù)字化工廠建設(shè)的前提和基礎(chǔ)，為設(shè)計(jì)、研發(fā)、生產(chǎn)等各個(gè)環(huán)節(jié)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的支持。工控產(chǎn)品，如PLC、伺服電機(jī)、傳感器等仍然是數(shù)字化工廠不可或缺的部分。 在此基礎(chǔ)上，工廠物流能夠從被動(dòng)感知變?yōu)橹鲃?dòng)感知，實(shí)現(xiàn)透明、安全和高效，包括產(chǎn)品運(yùn)輸過程跟蹤，運(yùn)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(shè)計(jì)。通過設(shè)計(jì)研發(fā)數(shù)字化，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、工藝、制造、檢測(cè)等各業(yè)務(wù)的高度集成，包括CAD/CAPP/CAE/CAM/PLM的集成，虛擬仿真技術(shù)，MDB模型的應(yīng)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(yīng)對(duì)更復(fù)雜的車間生產(chǎn)過程管理，這其中重要的是制造執(zhí)行系統(tǒng)MES的建設(shè)以及MES與ERP/PLM和車間現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的交互。MES在智能制造領(lǐng)域的作用越來越明顯。它既是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的軟件系統(tǒng)又是企業(yè)信息傳遞路由器，匯集市場(chǎng)與服務(wù)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、MRP/ERP、供應(yīng)鏈等信息，并轉(zhuǎn)化為詳細(xì)的生產(chǎn)作業(yè)指令，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品制造過程生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的管理與控制。MES向上承接ERP下達(dá)的生產(chǎn)計(jì)劃以及PLM經(jīng)過仿真驗(yàn)證的產(chǎn)品BOM，向下銜接車間現(xiàn)場(chǎng)SCADA控制系統(tǒng)，彌補(bǔ)了ERP與車間過程控制之間的真空，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)4.0所強(qiáng)調(diào)的垂直方向上的集成以及貫穿價(jià)值鏈的端到端工程數(shù)字化集成。 下面這張圖充分的反映了數(shù)字化工廠幾大核心系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)信息流動(dòng)關(guān)系，強(qiáng)調(diào)了不同系統(tǒng)之間的應(yīng)用邊界和交互界面。
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