智造單元

智造單元，是實現數位化工廠的基本工作單元。針對裝備製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組化、集成化、一體化，實現數位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組。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組化、自動化、信息化，從而實現工廠的數位化、高效率運轉。

基本介紹

• 中文名：智造單元
• 外文名：Smart Manufacturing Unit（SMU）
• 相關詞：智慧型製造

簡介

智慧型製造正在成為不可逆轉的製造趨勢，而智造單元，正是智慧型製造落地最有效的抓手。智造單元，是設計與實施智造工廠的有效組線模式。作為一個最小的數位化工廠，提供了一個完整的多品種小批量的解決方案。甚至可以在不影響產線運轉的情況下，實現多種設備的線上入列和出列的切換。

智造單元的工作機制

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。

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，都會做決定並給其他人下達指示。

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，也就是計畫（Plan）、執行（Do）、檢查（Check）、糾正（Action）。

這三個視圖，綜合地表達了智慧型製造的價值創造，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慧型製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“智慧型工廠”的實現。

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後，智慧型製造的建設路徑就浮出水面。通過智造單元的組合，整個智慧型工廠的建設，就可以通過模組化、分區化的方式，進行自由的升級組合，從而大大提高智慧型工廠的建設效率。

智造單元的構成

智造單元的模組構成包括：現場自動化、信息化和智慧型化。

智造單元的模組構成圖

從體系機構上看，包括模組化、單元化、集成化和一體化四部分。模組化和單元化可以令產品快速得到推廣，集成化服務於一條產線，一體化解決了一個系統範疇的智造生態環境。

再從軟體體系看，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體。向下跟MDC/DNC連線，或者通過物聯直接與設備相連；向上連線至PLM、CAPP、ERP；橫向與倉儲管理系統WMS對接；而在生產任務執行上，則可以連線高級最佳化排產系統APS上，實現自動最佳化排產，實現高效生產。

智造單元與數字工廠的落成，絕不是智慧型體系的完成，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，一個智慧型製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慧型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。這種基於人的最佳化，將人放在閉環之中，不斷循環，才能逐漸形成智慧型部分，這就是智慧型製造的核心。

智造單元最為重要的地方，就是將“人機網”一體化。“人機物”與“信息流、物流”緊密地融合在一起。與傳統的“智慧型製造”過於強調“智慧型”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範。這就非常有實效的適應了實施智慧型製造初期的基礎環境。

設備世家 四世同堂

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複使用。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慧型生態系統。由於重用性的提高，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，又在整體的智慧型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、模組化和數位化的疊加效果。

智造單元的分層實施

有了以上的硬體、軟體和模組化組合，那么智慧型單元，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”的線上切換模式。

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”。現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線和升級改造，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後進入產線的。

那么，如何讓老設備和新設備並肩作戰發揮作用？

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採集機制，通過靈活的信息收集方式，有些設備不需要聯網通信，只需採集信號；而有的設備，則可以採用多接口集成器，區別不同的數采方式，將各種設備集成進來。

由於智造單元具有豐富的模組化接口，在現場可以採用“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，不便於搬運，那么就採用“空間換時間”的智慧型製造組線模式，通過智慧型物流採用AGV把各單元線無縫連起來。而對於單向鏈很長的產品，或者多個產品，則可以採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，將數位化工廠從大到小、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、數位化工廠，逐漸嵌套式、單元化處理，體現了智慧型製造的柔性，充分發揮數位化、網路化的特點。

軟硬一體 走向三化

自動化從硬體而言，一直在向著單元化、模組化、集成化的方向發展；而信息化則從自上而下的方向開始下沉。這使得當IT與OT相互結合的時代，正在成為工廠級最為期望的局面。

自動化和信息化融合在中國其實曾經有過一個並不算太遠、廣為人所熟知的故事。那就是二十世紀末期在中國所大規模開展的CIMS（計算機集成製造系統）。當時一方面是CAD\CAE以及信息化軟體MRP、ERP的引用，另一方面是以數控加工設備、柔性設備為代表的自動化設備。二者的結合，本來期待著一個嶄新的工業面貌。然而，當年CIMS理念過於超前。它的核心都是基於計算機的能力和對流程結合所做出的判斷。當時中國工業界——其實也包括德國工業界，都太樂觀地高估了當時的技術要求，又太低估了人的作用。後來德國人的反思中，除了技術要素尚未達到要求之外，忽視人的環節而過於強調自動化、過分依賴計算機技術，是一個巨大的失誤。

CIMS的理念，一方面將重複性勞動用自動化方式替代，並提出了柔性自動化生產線；另一方面在此基礎上加上信息化，本質就是實現了信息集成和信息監督。

數字工廠的三大目標

然而從既往的經驗來看，簡單地將自動化與信息化疊加，並不等同於數位化。需要同時將其他各種資源要素進行數位化，再加上物聯網技術和工業大數據的加強，才能真正實現良好的人機互動下的柔性自動化模組，從而推動數字工廠的建設。

數字工廠要實現三大核心目標：設備自動化、管理信息化和人員高效化，在路徑上實現了人機互動和高度柔性，在目標上實現了設備的最大的有效開動率為檢視點。

設備自動化在於保證設備有效開動時間，使設備利用率達到最大，製造精度和柔性最大化，這一目標適合多品種小批量，自動化的核心在柔性；管理信息化將設計研發、生產運維、經營決策等進行分項管理的信息、集成互動，以完成企業業務數據的有效流動，為各類決策和日常工作提供數據載體支持，這一目標核心在“便捷”；人員高效化則基於信息化系統的數據，使決策有了依據，目標精準，針對性地處理結構性問題，避免常規工作消耗，以此達到“高效”；人員高效的目的是降低對工具機有效開動率的影響，從而最終支持了設備的有效開動率。

而這三化相互交叉，必須各自都要形成一定顆粒度的模組化。藉助大量的製造資源模組化、標準化單元的出現，組合成智造單元，才能形成有效的數字工廠，實現智慧型製造。

智造單元的不同角度