智造單元 智能制造的抓手 | 工業新概念

智造單元，是實現數字化工廠的基本工作單元。針對裝備制造業的離散加工現場，把一組能力相近的加工設備和輔助設備進行模塊化、集成化、一體化，實現數字化工廠各項能力的相互接口，具備多品種少批量（單件）產品生產能力輸出的組織模塊。它從資源軸、 管理軸和執行軸這三個角度，來實現基本工作單元的模塊化、自動化、信息化，從而實現工廠的數字化、高效率運轉。

智造單元可以由“一個現場，三個軸向”來說明，包括：資源軸向、內向管理軸向和工作執行軸向，見圖1。

圖1：智造單元的三維視圖

資源軸上，主要是對人員、流程、產品、設備的管理。資源可以是任何活動的對象，也可以是執行這些活動的前瞻主題。特別值得注意的是，員工是寶貴的資產。工廠工人在物理世界生產產品，不管職務是不是管理者，都會做決定并給其他人下達指示。

而管理軸則是質量、成本、交期、安全，是生產過程中核心輸出的要素管控與運維；而在執行軸PDCA，則是標準的戴明環，也就是計劃（Plan）、執行（Do）、檢查（Check）、糾正（Action）。

這三個視圖，綜合地表達了智能制造的價值創造，其實是人類和各種設備活動的過程與結果的綜合表達。

這種方式與日本旨在解決智能制造的工業價值鏈促進會IVI的理念完全一致。日本IVI在 2016年12月提出了“工業價值鏈參考架構”，旨在推動“智能工廠”的實現，見圖2。

圖2：IVRA工業價值鏈的三維圖

這正好把智造單元的三個軸向定義詮釋得很清楚，任何一個點均可以說明一個事件。只不過IVRA強調環境的管理，而智造單元關注了安全的方向。

在明確了工廠現場的三大主軸之后，智能制造的建設路徑就浮出水面。通過智造單元的組合，整個智能工廠的建設，就可以通過模塊化、分區化的方式，進行自由的升級組合，從而大大提高智能工廠的建設效率。

智造單元的模塊構成包括：現場自動化、信息化和智能化，如圖3所示。

圖3：智造單元的模塊構成圖

從體系機構上看，包括模塊化、單元化、集成化和一體化四部分。模塊化和單元化可以令產品快速得到推廣，集成化服務于一條產線，一體化解決了一個系統范疇的智造生態環境。

再從軟件體系看，它以MES為核心，可以獨立運行，而智造單元的系統則可自由兼容工廠原有的軟件。向下跟MDC/DNC連接，或者通過物聯直接與設備相連；向上連接至PLM、CAPP、ERP；橫向與倉儲管理系統WMS對接；而在生產任務執行上，則可以連接高級優化排產系統APS上，實現自動優化排產，實現高效生產。

智造單元與數字工廠的落成，絕不是智能體系的完成，而只是一個開始。因為在戴明環PDCA中，需要有一種持續改善的推動力——而人是最為重要的環節。物理實體和數字虛體的CPS場景建設，是系統集成商可以完成的；但人的經驗和判斷，必須有客戶在現場生產線上的參與才可以執行。所以說，一個智能制造的現場循環往復升級一定是三者相加才可以運行，單純任何一方建造一個智能工廠都不是客觀的表達。

PDCA中最為核心的就是推動改善的動力源和方向，只有把人的因素考慮進來，那么這個戴明環才有了運轉方向。這種基于人的優化，將人放在閉環之中，不斷循環，才能逐漸形成智能部分，這就是智能制造的核心。

智造單元最為重要的地方，就是將“人機網”一體化?！叭藱C物”與“信息流、物流”緊密地融合在一起。與傳統的“智能制造”過于強調“智能”的自決策性不同，智造單元一開始就將人納入閉環之中，使得成為人機協作的典范。這就非常有實效的適應了實施智能制造初期的基礎環境。

智造單元的基本價值觀是，工廠現有的投資，需要得到最大的保護與傳承。這就意味著，繼往投入的設備等各種資產在將來可以被重復使用。一方面生產自動化的柔性大幅度提高，同時，智造單元的思想，可以把車間人工作業單元作為一個能力中心，一體化進入車間或公司的智能生態系統。由于重用性的提高，人工單元能力中心的一體化進入，對既有設備的投資，具有非常強的保護，同時，又在整體的智能生態下最大化的實現現場設備的效率和效能。這種四代同堂設備的運維方式，正是通過智造單元得以實現，體現了自動化、模塊化和數字化的疊加效果。

圖4：智造單元的分層實施

有了以上的硬件、軟件和模塊化組合，那么智能單元，就可以完成自由的組合，實現分扇區、分階段、分設備，對同一個工廠的不同設備、甚至同一條線的不同設備，進行“設備解列”與“設備入列”的在線切換模式。

在現有的工廠中，往往存在各種不同型號、不同代級的設備，完全可以稱為“設備世家 四世同堂”?，F場有許多原來的老設備，維護得也很好；也有新設備，包括機器人、自動機械手等。如何將跨年代、跨型號的設備有效連接和升級改造，而不是簡單地一刀切地淘汰，是一個頭疼的現場問題。實際上，在這些裝備中，有些是可以直接進產線的，有些是可以通過改造后進入產線的。

智造單元考慮到四代同堂設備的現狀，分析不同設備的信息采集機制，通過靈活的信息收集方式，有些設備不需要聯網通信，只需采集信號；而有的設備，則可以采用多接口集成器，區別不同的數采方式，將各種設備集成進來。

由于智造單元具有豐富的模塊化接口，在現場可以采用“空間換時間”的措施，實現多設備共線運行。例如在生產現場，可能存在特別大型的設備，不便于搬運，那么就采用“空間換時間”的智能制造組線模式，通過智能物流采用AGV把各單元線無縫連起來。而對于單向鏈很長的產品，或者多個產品，則可以采用多個智造單元的陣列形式，其物資存取，可以是一個庫，也可以是多個庫。

這就意味著“以人為本、智造先行”的理念，將數字化工廠從大到小、自上而下開始拆分，從工廠到車間、到產線、到生產島、到單機設備的規劃布局；使用自下而上的方式進行實施，單機設備、單元島、智造單元、智造產線、數字化工廠，逐漸嵌套式、單元化處理，體現了智能制造的柔性，充分發揮數字化、網絡化的特點。

要實現智能制造，要兼顧投資和未來發展的需要，更為重要的是，一定要兼容企業現有的軟件體系，傳遞和延續客戶沉淀的管理智慧以及原軟件體系的價值。這種情況下，往往需要同線齊進（產線不斷，實現設備解列升級）、多階段混合（半自動化、半數字化相混合）、設備四世同堂（各種不同年代的設備同時推進），則意味智能制造的落地，必然是由各種智造單元所組成。而智造單元，正是通向智能制造的必經之路。

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