何为工业自动化、智能化?作概念莫忘初衷:转型升级
2016-02-17

转载:吴昊阳 直观学机械

 

       08年金融海啸以后,中国制造业受到巨大冲击,整个行业陷入恐慌。当时业界的共识是:制造企业必须“转型升级”才能走出困境。至于如何转型,如何升级,具体策略和路线也是见仁见智。从盛行数月的“互联网思维”到3D打印热,从“大众创新、万众创业”到“互联网金融”,从“工业4.0、工业大数据”到“中国制造2025”再到现在被说滥的“智能制造”。让人感觉我们的制造业已经被这些名目繁多的概念搞得晕头转向,甚至开始忘记了初衷。

 

何为工业自动化、智能化?作概念莫忘初衷:转型升级

 

      本文将仅就生产技术升级,试图梳理制造企业的转型升级路线。目前比较流行的制造技术升级的概念是:自动化,信息化和智能化。然而,并非所有制造业都要通过这“三化”实现技术升级;同一个企业的不同发展阶段也需要兼顾不同的升级策略;不同类型的制造业也需要考虑适合自身发展规律的升级路线。总之绝无固定模式可言,必须具体问题具体分析。

一. 哪些制造企业适合通过“智能制造”转型升级

      在谈这个问题之前,首先需要明确“智能化”和“自动化”的区别。由于目前没有任何关于智能化外延的界定,自动化和智能化之间的界线十分模糊,因此,当智能制造成为国家战略以后,许多稀松平常的自动化项目也被冠以智能制造之名。

      在笔者看来,智能制造的特征是对复杂生产情形的决策。决策算法的有效性以及对复杂约束条件的适应性决定了智能化程度的高低。

      尽管很多自动控制产品具备一定的智能算法,例如有些加工中心可以在切削过程中根据切削力和震动频率等参数实时优化进给速度和主轴转速;或者根据床身热变形量对刀具轨迹进行补偿, 但是这些技术归根结底都是工艺过程的一种前馈控制,只是控制算法更加复杂而已。为便于后面论述,我更愿意将这部分划归为工艺自动化,当然也可以叫“智能设备”。


智能化应强调对不可知事件的判断和决策,而自动化则强调对既定动作和已知事件的执行。

      又如,一台柔性制造系统可以自动识别和检测零件,并根据识别码自动选择工装,自动装夹,自动调用不同的程序完成全部加工,由于完成的这一系列活动都是既定的,并没有根据约束条件和目标进行决策,因此只能算是比较高级的自动化系统,不能算智能。

      下面案例实现了按订单全柔性生产,但是由于无法进行动态调度,因此即便自动化程度已经很高,那么在我看来也不能称为真正意义的智能制造。

 

何为工业自动化、智能化?作概念莫忘初衷:转型升级

 

       可见,智能化和自动化是两个独立的概念,二者只是产生的历史时期有先后,但是在项目实施过程中并没有必然的先后顺序。

 

何为工业自动化、智能化?作概念莫忘初衷:转型升级

 

明确了智能化和自动化的区别之后,回到本段的问题:“哪些制造企业适合搞智能制造呢?”简而言之:生产管理越复杂,企业越适合上智能制造项目。

这类企业通常
1、产品系列多,工序变化多,零部件品种多,供应链管理复杂;
2、多以组装工序为主,多为劳动密集型企业;
3、典型行业:家电,服装,数码产品等;

最适合搞智能制造的比较极端的例子是产品维修:

1、每一个维修项目都各不相同,因此生产模式属于单件定制;
2、每一个维修项目的工序复杂,没有既定模式,几乎无章可循;
3、维修(生产)数据难以定义,更难以度量,难以采集;
每一个维修项目的周期无法量化,产品复杂程度越高,维修周期不确定性越大;

因此在面临这样复杂问题的时候就只有通过“智能化”才能解决问题。

二. 哪些制造企业适合通过“自动化”转型升级

自动化生产 vs. 手工生产

       首先,与“自动化生产”相对应的是“手工生产”。我们通常讲的自动化升级都是指用自动化设备和装置替代人工。因此,凡是人工作不了或者不愿意做的工作都可以通过自动化进行升级,越是动作简单,重复,繁重的生产模式,越适合采用自动化升级策略,例如搬运,包装,喷涂等;而动作越复杂,对人手灵活性依赖越大的生产模式就不适合自动化升级,例如皮具制作,制衣等。

刚性生产 vs. 柔性生产

       其次,需要考虑生产“柔性”与“刚性”。所谓刚性生产是指大批大量生产单一或少量产品,这种生产模式特别适合自动化,例如紧固件等工业标准件的生产就是通过自动化专机实现的;所谓柔性生产是指多品种小批量,甚至单件定制化生产,这种生产模式对自动化系统的智能化程度要求较高(从某种意义上接近或等同于智能制造),比较典型的行业是汽车的混线生产和非标零件的机械加工。
下图将目前国内制造业转型升级的方向进行了划分:

 

何为工业自动化、智能化?作概念莫忘初衷:转型升级


X向表示产品种类的复杂程度;Y向表示生产工序要求动作的灵活程度。


I. 产品种类复杂且动作灵巧度高:手工柔性生产

      典型行业如飞机、航天器等复杂机电产品装配,成衣、皮具定制,家电、数码产品组装,以及前文所论述过的产品维修或返修;

       这类生产对动作灵活性要求高,因此无法通过自动化手段替代人工或者替代人工的自动化设备研发投入过高。例如目前的机器人或运动控制技术都难以达到人手的复杂和灵活程度,因此诸如皮具制作和缝纫等工作在相当长的时间内无法被机器所取代;

       适合这类制造企业的生产模式我称之为:手工柔性生产,即生产管理组织复杂且无法实现自动化。实际上这类企业非常适合走“智能制造”路线,既通过智能决策系统或相关的软件产品管理生产并指导工人操作。智能产品的作用在于指导生产,避免人为失误。

实操方案一:自动配料系统

      例如保时捷发动机在装配过程中大量工序无法实现自动化,而产品多品种小批量的特点又难以避免工人在装配过程中犯错误。为调和这个矛盾,该生产系统采用集中备料的方案,发动机上的小型零部件随托盘运动到各个装配工位,装配工直接在托盘上取用配套的部件并按照电子操作终端的指示进行装配和自检即可。

 

何为工业自动化、智能化?

 

       此外,有类似成熟系统的汽车企业还有宝马,但它的配料需要工人根据物料车的指示在制定仓库托盘中拾取,没有实现自动化。

       实际上比较成熟的软件应用是在服装行业,包括许多国内企业在内,许多成衣定制的服装集团都已经采用自动下料,配料系统:一件成衣所需要的全部布料和配件等,会通过该系统配送给某个工位或制作单元,而工人之需要按照设计要求缝制即可。

实操方案二:操作辅助终端(电子作业指导书+生产数据采集系统)

 

何为工业自动化、智能化?


       图片为克莱斯勒变速箱组装线,值得注意的是每个工位上都有操作辅助终端,工人在装配过程中严格按照电子作业指导书的每个步骤进行,同时辅助终端也记录相应的生产组装数据并发送给上位机。

       以上两个方案是智能制造的基础,也是智能制造的雏形:自动配料方案实现柔性和单件定制化生产,操作辅助终端实现人与生产系统的数据交互;至于智能排产,动态调度,专家决策等系统都可以在这两个技术方案的基础上实施。

II. 产品种类单一且动作灵巧度高:手工刚性生产
       典型行业如传统的服装,鞋帽业等,这类行业产品产量大,但生产过程基本上只能通过手工实现。

这种靠薄利多销生存的行业除非在产品设计和工艺上做文章,否则在自动化或智能化层面几乎没有改良的余地。当然,自动装配技术在不断改进,而这也需要模块化设计理念的完善。

 

何为工业自动化、智能化? 


值得注意的是视频中有一处是自动化机构将柔软的连接带穿过卡槽。

III. 产品种类单一且动作灵巧度低:自动化刚性生产

       典型行业就是工业标准件生产如紧固件,轴承,齿轮,五金件,连接端子,微电子等行业,以及相对简单日用品如食品、饮料行业,纺织,印刷和制笔业等。

       这类产品通常是通过专机和自动化设备实现的,而且技术非常成熟。中国大量低端制造业企业都属于这种类型的制造业,都可以通过自动化专机实现量产。

      而且,这种行业一旦开发出全自动高效量产的专用设备,那么就极有可能实现对该行业的垄断,为其他竞争对手设置投资门槛。克强总理前不久提到的圆珠笔芯困境实际上就是这个道理:几大笔业集团垄断了笔芯制造设备,使笔芯的生产成本降至最低,因此中国这种市场追随者就很难获得同样的自动化系统,如果自行研发同类设备在投资上也并不划算,所以倒不如放弃这个行业,或者另辟蹊径,开发替代性产品和技术。

下面图片是德国最著名的荧光笔生产商STABILO的自动化生产线

 

何为工业自动化、智能化?

 

      中国的中小制造企业里,有非常多是从事单一产品的批量化生产的,如USB线,鼠标,摄像头,拉链,打火机等。相信在未来的5年内必定会出现生产这些通用产品的全自动化生产线,也一定会在中国出现世界级的行业寡头。

IV. 产品种类复杂且动作灵巧度低:自动化柔性生产

       最典型的行业就是汽车,目前国际上主流车型均采用混线生产模式,即自动化柔性线。这种生产系统对设备的自动化程度和软件的智能化程度要求极高。是目前复杂程度最高的生产系统。与汽车类似的还有电子行业,如电路板的生产。事实上木工是最容易实现自动化柔性生产的行业。理由是木工制造的工序简单,零件结构标准化程度较高,产品的多样性要求较高。说得更通俗些,就是木工行业与乐高积木的相似性最大。

 

何为工业自动化、智能化?

 

       图片中所显示的系统,CAD软件为木屋设计提供了非常多的标准件库,并且可以自动生成项目BOM表;CAM软件具备下料计算功能,可以在标准尺寸木料上优化毛坯下料尺寸并自动生成每个零件的NC代码;同时ERP系统将所需木料尺寸和数量发送给供应商并进行采购;木料到达车间后,生产系统可根据木料编码和尺寸决定下料毛坯,并对毛坯进行机械加工;加工好的零件被贴上标签,连同五金件打包送往建造工地,建筑团队可以根据图纸把送来的这批木料零件拼装成木屋。

       从这个案例可知,由于木屋的木料零件都是直的,基本上都可以通过切割和钻孔完成,工序简单,可以在CNC上完成所有工序,因此容易实现自动化。此外,木梁的拼接相对简单,零件种类少且标准化程度高,给PLM系统的简化带来便利。与之相似的还有楼梯加工系统。

 

何为工业自动化、智能化?

 

      很多政府官员和企业家都认为木工是落后的夕阳行业,应该淘汰。但实际上瑞士,德国和奥地利等制造业最发达的国家已经通过技术升级,正在将木工行业改造成最接近“智能制造”和“工业4.0”理想的技术密集型产业。这个思路值得中国企业学习,不断用新技术改造旧产业和就产能,而不是一刀切地推到重来。

4. 哪些制造企业适合通过“信息化”转型升级

       首先需要明确“信息化”和“数字化”两个概念。实际上“数字化”这个概念是近几年伴随着数字工厂慢慢被提及得越来越频繁,当我们说数字化的时候通常是指“图形化”,即将产品和生产相关的数据用图形的方式表达出来。而因为数字本身也是一种信息,所以信息化应该是包含数字化的大概念。

       我们通常所说的信息化产品有很多,典型的如ERP,MES,CRM等。信息化的本质是把生产过程的复杂性通过信息表达和信息处理手段进行自动的管理,所以从某种意义上,信息化可以理解为管理流程的自动化。

       为了便于区分制造业相关的信息技术,索性将信息化和数字化概念分开:数字化指图形相关的产品和技术,如数字工厂(Digital Factory),组态软件(Configuration software),仿真软件(Simulation),数据采集系统(SCADA),CAD/CAM/CAE等;信息化指流程相关的产品和技术,如ERP,CRM,MES,EMS(能源管理系统),APS等。

       另外,数字化强调的是状态监控,图形化界面可以很好地辅助人类决策;而智能化强调专家决策系统,智能系统可以快速根据约束条件的改变获得次优解或近优解,代替人类决策。

       现在,基本的数字化和信息化产品已经成为企业的必备工具,如CAD/CAM和ERP等。随着工业4.0和智能制造概念的提出,很多新玩艺开始受到关注。比如工业4.0中提出的信息物理系统CPS使得3D仿真和组态产品成为工控领域的新宠;而智能制造又使得MES和APS获得新生;10年前我做组态软件和MES的时候,离散制造行业几乎没有市场,现在想来,当时做的东西完全可以大言不惭地包装成工业4.0项目,而现在相当一部分鼓吹4.0的企业做的就是做MES和SCADA。当时只有为数不多的几个行业有实力搞MES和SCADA(现在可以号称生产大数据):油田,石化,电力,烟草以及少量钢铁企业。离散制造业最开始上MES的据我所知是黎明机械,与中石油霍尼韦尔的MES项目几乎同时。

      在面对种类繁多的信息化产品和方案时,企业需要认清自身的实际需求,绝对应该尽量避免在追求酷眩的过程中迷失。其中比较容易盲目投入的是数字工厂项目,并不是说数字工厂不重要,而是由于图形化实时显示工厂运行状况通常会让人“不明觉厉”,感觉很酷。但问题是图形化的程度要多少,是否一定3D仿真?2D是否就已经足够表达工厂运行信息?车间设备级的动作仿真是否有必要?搞这些花里胡哨的东西是不是只是为了给领导看?

3. 哪些制造企业适合通过“产品设计和工艺”转型升级

       由于产品是制造业创造价值的最终载体,而制造业的产品永远是实物,所以产品被设计成什么样子(产品设计)和如何把实体产品做出来(生产工艺)是制造业永恒的话题。在任何阶段投入精力研究产品设计和生产工艺几乎都是正确的战略选择。

       值得中国制造企业注意的是:设计和工艺是不可分的,生产设备和工艺现状可能制约着设计,而设计的好坏又直接影响到工艺/工序路线的选择,影响到产品的功能,质量,可靠性,生产成本等。

 

何为工业自动化、智能化?

 
      在笔者看来,中国制造企业转型升级应该始终围绕着工艺提升展开,特别是工业产品生产商。将X轴定义为工序复杂程度,将Y轴定义为工艺难度,以此区分不同行业的技术难点。

I. 工序复杂度高且工艺难度高

       高端工业产品都具有这个特性,而这种行业通常都是大型企业集团,他们有自己的战略规划,这类企业的转型升级是全方位的,需要阶段性发现生产短板并加以弥补。

       典型行业如航空发动机,飞机,航天器,汽车等;

II. 工序复杂度低且工艺难度高

       典型行业如轴承,叶片加工等特种零件的生产;

       由于工序少,工艺难,所以在这类企业里通常容易见到大量高端设备,但是种类相对较少。

       这种行业特别容易出现利基企业即所谓的隐形冠军。只要企业保持某种特殊工艺的领先性就可以获得技术独占性优势。这种企业在转型升级时就应该考虑工艺的提升,并且根据现有特殊工艺研发专用设备。

       另外,值得注意的是工艺的替代性,这类企业必须时刻留意最新的技术动向,时刻关注自己的工艺诀窍是否会被新技术所取代。同时也需要思考,在现有工艺技术的基础上,是否可以衍生出其它产品。

       德国和日本这类企业非常多,但是同样面临转型问题。

III. 工序复杂度低且工艺难度低

       这类产品说白了就是没有什么生产技术含量的,以通用标准化产品为主,比如工业标准件,这类产品强调质量和产品的稳定性。这种行业适合采用自动化专机或专门的自动化系统。尽量通过机器保证产量,质量和利润;

IV. 工序复杂度高且工艺难度低

      典型行业如家电和数码产品生产,每一个工序都很简单,但是步骤非常多。在这类企业的生产车间里会见到各式各样的设备和工作站。中国制造业目前的优势恰恰就在这个象限:

a、由于技术起步晚,因此欠缺工艺积累;

b、由于承接产业转移的缘故,这类复杂程度高但难度小的业务就逐步转移到中国,而中国庞大的市场对成产规模的放大作用使得中国企业在过去的30年里练就了出色的生产协调和组织能力,使得中国企业特别擅长组织超大规模的生产,工序越复杂,需要协调的人员越多,中国企业特别是民营企业,越是有优势

c、由于生产组织复杂,所以要求生产系统的信息化程度高,我十分相信这种信息化甚至智能化系统可以在中国企业中得到最好的测试和应用,而未来创新的管理理论也一定会出现在中国;

3. 制造企业转型升级策略小结

a、产品设计和生产工艺是制造的基础,永远具备升级空间;
b、在设计和工艺都明确的基础上才可能谈设备升级和自动化升级;
     设备升级和自动化升级都是机器替代繁琐重复性体力劳动;
     设备升级指的是专机的设计研发,(专机稳定定型后才成为标准机);
      设备升级是基于产品工艺的自动化集成;
      自动化升级是基于生产工序和车间物流的自动化集成;
c、信息化升级是基于管理流程的自动化,用以替代繁琐重复性脑力劳动;
d、数字化升级时基于产品模型表达和生产状态的可视化,用以直观辅助设计和决策
e、智能化升级是基于复杂生产状态的决策系统;

 

何为工业自动化、智能化?

 

总之,转型有风险,决策须谨慎!

 

 

 
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