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      智能工廠系統(tǒng)集成解決方案探析

      2023-09-16 09:49:34供稿機械工業(yè)第六設(shè)計研究院有限公司劉俊編輯馬晨
      起重運輸機械 2023年17期
      關(guān)鍵詞:產(chǎn)線系統(tǒng)集成工廠

      供稿/機械工業(yè)第六設(shè)計研究院有限公司 劉俊 編輯/馬晨

      二十大報告中明確提出,高質(zhì)量發(fā)展是全面建設(shè)社會主義現(xiàn)代化國家的首要任務(wù),以智能制造為主攻方向,提升制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展水平。“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃中也明確提出了智能制造示范工廠領(lǐng)航行動。近期工信部等七部門聯(lián)合發(fā)布的《機械行業(yè)穩(wěn)增長工作方案(2023—2024 年)》亦提到要系統(tǒng)深入推進智能制造,加快制造業(yè)數(shù)字化智能化轉(zhuǎn)型升級,促進機械行業(yè)穩(wěn)增長、提質(zhì)量、促升級、保安全,這些均為高端制造業(yè)發(fā)展提供了巨大機遇。

      同時,由于目前智能制造已經(jīng)進入深水區(qū),大多數(shù)制造業(yè)企業(yè)對智能制造已經(jīng)有了一定的認識和了解。但在智能工廠具體推進和實施時,尤其是針對多品種、多規(guī)格,批量或小批量生產(chǎn)性質(zhì)的離散型制造企業(yè),依然面臨無從下手的情況,缺乏系統(tǒng)性地可指導(dǎo)智能工廠實施落地的方法和指南,從而導(dǎo)致在建設(shè)過程中出現(xiàn)工廠建設(shè)周期延長、投資超支等問題。進度、質(zhì)量和費用不能得到有效控制,無法達到預(yù)期的實施效果。

      智能工廠涵蓋的內(nèi)容

      智能工廠作為智能制造的載體,涵蓋精益改善、工藝流程再造、智能物流倉儲、自動化提升、工廠物聯(lián)網(wǎng)、信息化應(yīng)用系統(tǒng)、土建公用基礎(chǔ)配套設(shè)施、建模仿真和數(shù)字孿生等建設(shè)內(nèi)容,需要多專業(yè)、多學(xué)科交叉,投資大、周期長,是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程。智能工廠建設(shè)到底需涵蓋哪些內(nèi)容,我們在新編制的國家標準里對其架構(gòu)和內(nèi)容進行了定義。如圖1 所示,包括物理工廠和虛擬工廠兩部分,其中物理工廠,包括實體工廠和信息化系統(tǒng)。右側(cè)是虛擬工廠,包括與實體工廠一一映射的三維信息實體模型和包含工廠實際生產(chǎn)運行機制的仿真模型,通過與物理工廠的不斷迭代和交互,最終形成工廠數(shù)字孿生體,實現(xiàn)虛實集成。同時以智能制造標準體系和安全體系為兩翼,通過規(guī)范接口、協(xié)議和規(guī)則等,有力支撐智能工廠的目標實現(xiàn)。

      圖1 智能工廠總體架構(gòu)

      智能工廠系統(tǒng)集成解決方案

      智能工廠總體架構(gòu)確定后,針對典型的離散型制造企業(yè),在實施智能制造時該如何做或者從哪里切入,之前工信部在推行智能制造綜合標準化和新模式應(yīng)用時,提出了五種智能制造新模式,并針對每種新模式給出了相應(yīng)的指南,給早期實施智能化改造的企業(yè)提供了一定的依據(jù)。與燈塔工廠建設(shè)提出的用例類似,近兩年工信部又陸續(xù)發(fā)布了《智能制造典型場景參考指引》,以2022 年發(fā)布的指引為例,共包括16 個環(huán)節(jié)45 個智能制造典型場景,涵蓋從研發(fā)、生產(chǎn)到銷售等全流程各個環(huán)節(jié)。企業(yè)實施時最重要的是要根據(jù)每個企業(yè)自身的產(chǎn)品特點和生產(chǎn)組織模式,梳理出切合自身發(fā)展的典型場景,并在此基礎(chǔ)上總體規(guī)劃,分步實施,最終實現(xiàn)目標。

      1)實施路徑

      一條相對合適的實施路徑是在診斷和總體規(guī)劃的基礎(chǔ)上,進行精益工藝布局優(yōu)化,智能倉儲物流的有序銜接和自動化的提升,同時輔之以綠色低碳的設(shè)施和手段,最后進行信息系統(tǒng)的實施和整體集成,從而實現(xiàn)整個工廠的智能化生產(chǎn)、低碳化運營。如圖2 所示。

      圖2 智能工廠實施路徑

      圖3 基于精益的工藝和物流優(yōu)化

      2)實施內(nèi)容

      ①診斷

      通過調(diào)查企業(yè)基本情況、產(chǎn)品產(chǎn)量、設(shè)備與自動化水平、信息化軟件、網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、質(zhì)量管理等方面現(xiàn)狀,運用智能制造成熟度模型,評估企業(yè)智能制造水平。對標行業(yè)先進,分析差距原因。并在此基礎(chǔ)上,提出企業(yè)進行智能化改造的頂層設(shè)計方案和實施建議。

      ②智能工廠總體規(guī)劃

      確定企業(yè)智能制造的目標和典型應(yīng)用場景,在此基礎(chǔ)上進行工藝優(yōu)化、自動化規(guī)劃、智能倉儲及物流規(guī)劃等,并確定企業(yè)信息化規(guī)劃的應(yīng)用架構(gòu)、集成架構(gòu)和技術(shù)架構(gòu)。最后給出企業(yè)實施智能制造的總體技術(shù)路線,包括實施進度、實施費用、相應(yīng)關(guān)鍵點和保障措施分析等。

      ③基于精益的工藝和物流優(yōu)化。

      從產(chǎn)品分析入手,按照產(chǎn)品生產(chǎn)工藝特點,分別梳理工藝流、物流、信息流及業(yè)務(wù)流,最終形成布局合理、物流短捷高效的工藝布局方案和倉儲物流配送方案,在此基礎(chǔ)進行物流仿真驗證,不斷迭代優(yōu)化平面布局方案,為企業(yè)實施智能制造奠定基礎(chǔ)。

      ④自動化提升

      通過智能產(chǎn)線建模與仿真、離線編程、虛擬建造、虛擬調(diào)試、機器人集成與應(yīng)用、視覺技術(shù)、RFID技術(shù)、高精度伺服控制、先進傳感檢測等技術(shù)手段,識別生產(chǎn)自動化、物流自動化和檢測自動化等提升點。尤其是智能工廠中工藝布局、物流倉儲、智能產(chǎn)線關(guān)系緊密,相互銜接和影響,需要不斷迭代優(yōu)化。

      ⑤虛擬工廠同步建設(shè)和優(yōu)化

      在進行物理工廠方案制定的過程中,需同步進行虛擬工廠的搭建,通過建模和仿真的工具,對產(chǎn)品、工廠和生產(chǎn)過程進行數(shù)字化建模,對工藝布局、物流倉儲、關(guān)鍵產(chǎn)線、人機工程、產(chǎn)能和設(shè)備OEE 等進行仿真優(yōu)化。

      ⑥綠色土建公用配套基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計和實施

      工藝布局、產(chǎn)線和物流都解決后,就需要進行綠色土建公用配套基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計和實施,采用合適的綠色節(jié)能技術(shù) 比如焊接煙塵治理,余熱回收利用等,同時針對工廠用能比較大的企業(yè),重點從能源綜合利用方面入手,打造工廠用能側(cè)多能互補的零碳解決方案,實現(xiàn)節(jié)能降碳和綠能減碳的目的,打造零碳綠色智慧能源示范工廠。

      ⑦信息化系統(tǒng)的實施

      主要包括SCADA、安燈看板、設(shè)備聯(lián)網(wǎng)、透明工廠等系統(tǒng)的設(shè)計,同時進行各個系統(tǒng)的集成。

      ⑧整體系統(tǒng)集成和數(shù)字孿生

      在精益工藝的基礎(chǔ)上,智能工廠整體系統(tǒng)集成,主要包括產(chǎn)線的集成、物流、以及信息化系統(tǒng)的集成,尤其是與車間底層數(shù)據(jù)交互的信息化系統(tǒng)集成。很多企業(yè)智能工廠實施效果不好,主要是在這三個集成方面出了問題,從而出現(xiàn)斷點。一個很核心的就是要將工藝貫穿至產(chǎn)線、物流和信息化全過程,遵循一切均是為生產(chǎn)服務(wù)的原則,最終可以實現(xiàn)物理工廠和虛擬工廠的雙向數(shù)據(jù)集成、數(shù)字孿生,在此基礎(chǔ)上進行虛擬工廠的實時監(jiān)控、歷史回溯和調(diào)產(chǎn)推演等。

      應(yīng)用成效

      針對某液壓泵制造工廠智能化改造項目,首先通過診斷找出短板和存在的問題,在此基礎(chǔ)上提出項目的目標和擬建設(shè)的智能制造場景。通過分析產(chǎn)品的特點和生產(chǎn)工藝,在此基礎(chǔ)上進行價值流分析,三維工藝布局、產(chǎn)線及物流仿真優(yōu)化分析、搭建智能工廠總體架構(gòu)和系統(tǒng)集成架構(gòu)。

      通過BIM 技術(shù)進行三維模型的創(chuàng)建,包括內(nèi)部的殼體加工線、后蓋自動化加工線、閥芯閥套加工線、自動裝配線等,并且對各產(chǎn)線進行了仿真。

      最終項目建成后,相關(guān)指標對比均有明顯提升,如設(shè)備自動化率提升40%,設(shè)備OEE 提高15%,建成后單件產(chǎn)品綜合成本下降20%。

      液壓件是關(guān)鍵基礎(chǔ)部件,基于此類項目智能工廠建設(shè)實踐積累,在由江蘇省人民政府、工業(yè)和信息化部、中國工程院、中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會共同主辦的第二屆智能制造創(chuàng)新大賽中,中機六院“液壓基礎(chǔ)件智能工廠系統(tǒng)集成解決方案”和“基于數(shù)字孿生的智能柔性油缸裝配線”兩個項目在大賽中斬獲佳績,雙雙榮獲智能制造系統(tǒng)集成賽道和裝備賽道領(lǐng)航組全國總決賽二等獎和人氣獎。

      建議

      由于智能工廠建設(shè)投資大、周期長、責(zé)任大;涉及工藝、物流、產(chǎn)線、自控和信息化等多個專業(yè),技術(shù)含量高、系統(tǒng)性強、資質(zhì)要求高。且設(shè)備、物流、信息化之間有交叉,尤其是到后期系統(tǒng)集成聯(lián)調(diào)聯(lián)試階段,邊界劃分不清、相互推諉扯皮等問題會集中凸顯。因此建議企業(yè)在成立智能制造專班,并且一把手強力推動的基礎(chǔ)上,采取EPC 總承包或全過程咨詢模式,引入合適的智能工廠系統(tǒng)集成解決方案供應(yīng)商參與,從而保證智能工廠實施的效果。

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