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关于对装备工业实现智能制造的认识与思考

2018-2-2 10:52:09阅读 作者:沈烈初

 

装备工业是制造业的基础,为各行各业提供先进实用可靠的成套装备,使这些行业能优质、高效、经济地生产各类产品,满足人民对物质与文化不断提高的需求。在国家提倡“两化”深度融合的今天,制造业正在向数字化、网络化、智能化方向发展,因而首先要求装备工业超前发展数字化、网络化及智能化(以下简称“三化”),为我国从制造大国迈向制造强国打下物质基础。目前坊间都在热议德国工业4.0概念:1.0机械化;2.0电气化、半自动化;3.0信息化、高度自动化、少人化;那么4.0就是数字化、网络化及智能化了,即所谓虚拟实体系统CPS(cyber physical system),也有人翻译为信息物理系统。但首先要认识到,我国的制造业水平不同于德国,推进我国智能制造发展,工业4.0可作为参考,而不能简单地复制,必须通过实践和总结找到属于我们自己的成功之路。

一、装备的“三化”和制造过程的“三化”应齐头并进似乎一说智能制造就是指制造过程的“三化”,实际上应该是两个领域的“三化”,首先是装备的“三化”;其二为制造过程的“三化”,两者既有联系又有很大区别。因为智能制造,即产品制造过程的“三化”,是建立在提供的装备“三化”基础上,即“智能体”,否则无法实现智能制造。装备“三化”水平,很大程度上决定各行各业“三化”水平及实现的难易程度。但单机构成不了生产力,只有成套才能真正发挥生产力的作用,因而装备单机实行“三化”过程中,要有通信接口,与其上下游设备可以互联互通、信息交换。有些成套设备来源于不同企业,如何“三化”则显得更加重要。“中国制造2025”中的十大高端装备都要求定位在“三化”水平上,同时也要使其生产、制造过程实现“三化”管理。

二、实现智能制造不可能一蹴而就

工业3.0是信息化、高度自动化、少人化;工业4.0应该是高度信息化(即数字化、网络化)+智能化,构成CPS系统。“三化”因而不是并列的,是前后有发展顺序的关系,因而工业4.0是高度信息化向智能化过渡,要用很长时间才能完成。数字化是将物体特征或工艺过程转化为数字描述或数学模型。网络可以看作为信息高速公路,没有信息的网络,类似没有汽车的高速公路一样。没有它,信息就无法高速传递,互联互通。信息化即是数字化和网络化的融合,包括信息获取、信息传递、信息处理、信息再生和信息利用。所谓物联网,就是物(含人)用数字描述,通过互联网进行物与物、物与人、人与物、人与人四维互联互通,因为物与人都是物理体,即实体。

如何判别信息化(数字化、网络化)与智能化,最容易的办法是:前者是管理的开环系统,后者是管理的闭环系统。智能化是在信息化基础上,实现系统的自组织、自记忆、自诊断、自决策、自适应,使系统在更佳或最优情况下运行。因而需要建立大量的数据库,建立各类数学模型或专家系统,而且信息必须是实时采集、加工、通信和处理。

因此,智能化的发展是一个漫长、不断改进与完善,进而发展的过程,不是一蹴而就的,不是通过执行一个专项就变为智能制造了。这仅仅是开始而已。推动企业“入门”,即称谓“师傅领进门,修行在个人”。目前在科技上还有很多没有解决的问题,要摸着石头过河, 实践- 总结- 再实践多次循环,不断推进。

三、应正确对待实体制造和虚拟制造的关系

虚拟设计、虚拟制造是一种手段,是为实体设计、实体制造服务的。通俗地讲,实体设计、实体制造是“皮”,虚拟设计、虚拟制造是“毛”,“皮之不存,毛将焉附?”信息技术发展到现在,有可能用计算机推演千百种方案进行比较,取得最佳方案后,再变为实体设计与实体制造,开发出新产品,再验证修正完善,这样可大大缩短研发周期,节约研发资金。新产品定型后,再用计算机推演得出最佳的制造过程,从而安排实体制造的工艺及生产过程。尽管这样,也有一个不断完善的过程,因为研发与制造过程受多种内外因素的干扰,在这里有经验的设计师、工程师、制造工艺师仍然要做决策、干预的工作,才能做出好产品,才能保质量、降成本、缩短生产周期。

计算机发展到今天,CPU集成电路线宽可达24 nm,实验室可达8nm,运算速度可达亿次以上,北京市计算中心运算速度已达每秒500万亿次,我国超级计算机运行速度超过每秒9.3亿亿次。因此,需要海量的数据,这些数据必须来源于实践或实体。目前大家谈论的大数据、云平台,就是将海量数据经过分析,提取有用的信息,为实体制造与实体设计服务的。

只有实体制造才能生产出产品,满足人们衣食住行用各方面需要, 笔者担心的是: 有些人“本末倒置”,舆论误导。

四、德国RAMI4.0与中国版4.0的比较

德国RAMI4.0(工业4.0参考架构模型)与中国工业和信息化部、国家标准化管理委员会在“关于印发国家智能制造标准体系建设智能(2015版)的通知”(工信部联装[2015]485号)中发布的国家智能制造系统架构(以下简称中国版4.0),两者模型如右图:笔者对比两者“参考架构模型”,发现“中国版”来源于“德国版”(RAMI4.0),两者大同小异,而笔者不得其解的是,问题出在“小异”处。在笔者眼里“小异”更加重要,是不是制订中国版的专家为了适应中国实际情况,而删去了一些小模块或层级,或不了解各类企业实际情况而形成“小异”呢?

例一:中国版与德国版都是三维立体模型,两者比较,中国版模型是倒置的,可能直观些,并无本质区别,可以同等理解,并无好坏之分。

其三维比较:纵轴:中国版为智能功能,德国版为层级(layers),包括了资产(各种生产要素)及信息化层级。横轴:中国版为生命周期,德国版为生命周期及价值链(l i f ecycle & value stream)。

第三轴(即Z轴):中国版为系统层级,德国版为Hierarchy levels。德国版在两端增加了两个重要层级:

1)起始端增加了产品(product),这很重要,这是生产系统的“输出”,而中国版丢失了“产品”这个重要内容。

2)终端是跨企业连接(connectedworld)(中国版称之为协同),笔者认为是企业借助互联网与服(务)联网与外部世界联接,向前与上游的产业链连接;向后与下游的用户连接。哪个模型更符合生产企业实现工业4.0或智能制造,请专家及企业家们在实践中对比思考。

例二:横轴问题

1)生命周期及价值链的问题,一般概念来讲,生产过程是信息流带动物流及价值流(资金流),物流过程就是产品的增值过程,也就是价值流,这对企业尤为重要,降低成本,增加附加值,加速资金的流动速度,为什么中国版没有呢?是不是缺乏经济经营的思维,而仅从技术层面考虑。

2)中国版生命周期没有区分产品研发、定型领域及定型后投入量产的生产领域,德国版区分为两个领域:研发、定型领域(type)及产品投入生产领域(instance)。笔者认为德国版更科学一些,符合实际一些。为什么呢?因为新产品研发到定型,这一阶段的生命周期极为复杂,可能有多次反复,因为定型前要多次试验、验证、试用、修改完善。如以民品乘用车为例,一个新车型从研发到定型少则需要34年,多则可能达10年,需要数十亿的资金。试制方式因品种而异,有的还需要在试制车间做样车,如红旗牌乘用车,其研发到定型花多少时间啊。如军品从研发到定型是一个严格的过程,产品一旦定型,进入正式生产领域,如需要修改则需要严格的审查批准。几年前出现的“丰田门事件”震动了世界汽车行业及千百万用户,究其原因,是新车样车试验验证不够细致严格所致,丰田接受了严重的教训,为了确保新车的安全性与可靠性,在品质保证部设立了一个EDEREarlyDetection Early Resolution,早期发现早期解决)重要机构,对市场回收的不良零部件,逐个检查,建立数据库反馈给有关部门不断改进。世界上很多企业,其新产品研发定型与量产不在同一个场地,如苹果手机,乔布斯仅在苹果企业里进行研发、定型与销售,而量产是在全世界择优选择代工企业代工。他们如何进行智能制造呢?看来德国版更符合实际一些。

特别更要重视在生命周期内的价值链的增值过程,也就是说:信息流加速物流及资金流的流动速度,使价值流迅速增值,这意味着更有效进行生产,提高资金利用率与迅速增值,从而降低成本,取得更多的利润。笔者看到不少企业,为了急功近利,新产品“带病”投入量产,造成很大损失,如许多专项研发出的新产品样品变不了产品,多么可惜啊!因此全生命周期管理,根据目前实际情况,要把全寿命质量管理(QMS),特别是可靠性管理DFEMAPFEMA管理放在突出地位。中国版有考虑缺失,不知对否?

3)从纵轴“系统层级”看,实质为信息化处理层级,中国版为五级,德国版为六级,多了一个功能级(Function)。最底层为资源要素/资产层,即要进行生产的必要物质基础,包括人、财、物及现场设备(含材料、设备、外购件、外协件等)等生产要素,经过“系统集成/集成层”,即把人、财、物用数字信息描述,再经过“互联互通/通信层”,通过有线、无线等通信技术,实现实体各要素之间信息交换。中国版“信息融合层”,是指与外界的大数据、云计算融合。德国版“信息层”是指应用相关的数据,需定义数据的语义,是实现互操作的基础。该层级仍处于企业内部而尚未“上升”到大数据和云计算。因此,笔者认为中国版阐明不是很恰当。在信息层之上德国版还有一个“ 功能层” 中国版没有, 为什么?)。“功能层”是在定义数据语义的基础上,进一步形式化定义必要的功能,是实现互操作的另一个基础。这些功能为上层“业务层”的业务流程提供支撑。笔者认为功能层还是需要的一个信息化的层面,将来可以实现生产过程的各阶段,依靠物联网与上下游企业互联互通,通过服务网与用户密切合作,取得不同的实时信息,在不同层次、不同系统内做反馈之用,可以是内反馈、外反馈、前置反馈等,因而才具有信息深度的自感知,智慧优化自决策(多参数、人工智能),精准控制自执行等功能,并可实现远程实时控制及反馈功能的先进智能制造过程。作为一个大系统来说,输出端实际达到的目标值与输入端的设定值进行比较,其误差经多次循环,其差值达到允许范围内即可,这就是智能制造的内涵,否则就是信息化(数字化、网络化)管理了,这是作为外行的笔者的一些粗浅看法,不当之处,请专家指正。

最上面一层中国版是“新业态”,是指个性化定制、远程运维和工业云等服务型制造模式,而德国版称之为“Business”的业务层,是指业务流程,即与客户签订合同以后,把商务信息与相应需要的人、财、物、外协零部件、总成等信息输入智能制造大系统内,这就是输入端,输出端就是根据合同的商品与服务。看来德国版更加结合实际,中国版更加超前,但不知企业内部现有问题在哪里解决。另外企业领导层(含董事会)的决策,有的称B I ( Busness Intellegence),如何贯彻到信息化管理系统中去,并快速响应,这两种模型都没有涉及,不知为什么?

如何解决,请教专家学者。

4)第三轴(或称Z轴)中国版称之为系统层级,德国版称之为Hierarchy levels,实质上就是进行生产的地点与场所。中国版系统层级自下而上共五层,分别为设备、控制、车间、企业和协同,这个层次基本与ISA 95传统企业系统功能层次结构一致,但根据智能制造需求在最上层增加了协同。德国版自下而上分为七个层次,分别为产品、现场设备、控制设备、站(station)、工作中心(work center)、企业、互联世界。

智能制造的一个重要目标是实现产品个性化定制和柔性生产,可以说“产品”是决定制造装备和生产工艺设计的关键。智能制造不能仅关注制造过程,还有被制造的产品本身。因此,德国版在最底层增加了产品层级。此外,为了统一考虑工厂自动化和流程自动化,德国版在控制设备层之上增加“站”和“工作中心”。“站”是指“生产单元”,“工作中心”是指“生产线”或“制造岛”,如此比中国版更加细化具体。最上层中国版“协同” 层和德国版“ 互联世界(connected world)”层,都是指可采用物联网、服()联网与全球的上下游企业、个人、用户连接。

五、不同工业化阶段决定了智能制造应顶层设计、分步实施

模型的实用价值是核心价值,中德两国目前所处的工业化发展阶段完全不同,中国还处在工业化时期,德国已完成了工业化,处在后工业化时期,已经具有高度社会化、专业化的生产结构,很多产品处在“引领技术、引领市场”的高端地位。鉴于国内制造业,特别是装备工业,大多还处于工业1.02.0时代,少数处在3.03.0初期阶段(如合资的汽车企业),因行业、地区、企业大小、所有制、创新能力、发展阶段等有很大差异,因此必须分类指导,推进所谓“智能制造”。也就是说,参考模型对企业而言,仅起引导作用,智能制造是一个长期的过程,如常熟开关有限公司,生产塑壳断路器、框架式断路器,从1991年引进CAD开始,陆续引进CAMCAPPERP等软件,至今从销售、计划、设计、用户服务、生产、质量、财务、物流等方面共有25个子系统,20多台服务器,大约花了25年时间,但尚未达到高度信息化水平,智能化管理还刚刚开始,还处在规划阶段。现在到处宣传智能制造,有可能误导企业及地方官员。智能化前提是高度信息化(数字化、网络化)。而信息化的前提是科学化管理,如精益化生产LP、准时化管理JIT等,反之,如生产管理中形成数据不规范或不全面,怎么能实现实时的信息化管理呢?笔者参观过的工厂大部分生成的数据不真实,不能实时提供,那信息化管理有什么意义呢?但不排斥CADCAMCAPPCAESCMCRM及库存、财务、工资等局部小系统的引进使用,培养人员,使生产过程科学化,一等有机会就可以把信息孤岛互联互通了,因此企业必须有一个顶层设计,局部实施,积累经验,培养人员,注意系统设计时,各信息孤岛之间的接口,其信息交换能兼容。

六、标准化和模块化是智能制造实现的基础

信息化管理与产品的模块化设计、生产组织结构、模式有极大关系,笔者20世纪50年代在德国学习时,其产品设计结构采取模块化,零部件尺寸要素标准化。这种技术模式可追溯到第二次世界大战之前,这是适应大规模工业化需要,因而工业结构发展为社会化、专业化大生产方式,因其可节约资源,降低成本,并可迅速转型升级,有利于缩短新产品开发周期。由于产品是模块化设计,因此企业内生产组织就要相应地变化。至7080年代,笔者再到德国考察时,其普遍采用制造岛(production cell)。结构相似,工艺相近的零部件在一个“制造岛”生产,这是成组加工(GT)的进一步发展。20165月仪综所石镇山副所长去德国考察生产低压自动化控制装置的Beckhoff 公司,还是采用这种“制造岛”生产模式。这对采用信息化管理又有新的内涵。“制造岛”的现场设备之间的互联互通,就构成所谓的二级管理的“智能体”了。

20世纪60年代,时任大连机床厂总工程师曾宪林同志推行成组加工(GT),对生产组织进行了调整,分设了轴类、盘类、杂件、齿轮、箱体、大件、装配等专业化车间。从而引起了机床行业同仁们的关注,形成了两派、两种模式,一种以零件为对象的专业化车间,一种以产品为对象的封闭式车间,到现在两种模式生产组织形式在机床厂还都存在。因此信息化管理的模式也有很大差别。60~70年代,车间尚采用流转单、工票等纸质的信息带动物流,跟着物流传递,现在可以实现无纸化的信息流,物流也采用二维码或条码,用机器人、AGV小车等加上必要的人力进行流动。

要尽量减少非标设计与生产,若不从设计上改革,不采用标准化、模块化设计,那就很难实现定制化、专业化、端对端、纵向集成、横向集成、硬件与软件结合的工业4.0的现代化大生产模式。在经济全球化的今天,不论研发设计、生产与销售的信息化管理都已面向全球,我们要真正做到利用国内外两种资源(人力、物力、信息)、两种市场、两种资金“以我为主,师洋而不崇洋”,进而实现强国之梦。

七、如何看待“智能制造工业园”

由于德国工业4.0及“中国制造2025”的宣传,并写入了政府工作报告,引起了全国极大的关注,地方政府也响应号召,采取措施,纷纷建立“智能制造工业园”与“机器人工业园”,似乎“亮点”多多。据称全国机器人工业园已有二三十家,从事机器人的企业达到数百家之多。过去几年兴起的新能源工业园、新能源汽车工业园等尚在记忆中,这种运动式搞技术创新、转型升级,似乎需要高层进行评估其得失,否则造成社会资源的极大浪费。在发达国家美、德、日等都没有以特定对象研发、生产的工业园区(不同于开发区、创新示范区),我们这样搞是不是符合国情?是不是符合技术经济发展规律?全世界的产业链已经或即将互联互通了,“你中有我,我中有你”,一个产业的发展不能局限于一个园区,这与产业集群不同。特别是在浙江,市场化发展最快,民营企业为主发展制造业。在改革开放以后,利用市场配置资源的规律就形成了产业集群及企业集群,上下游联动发展,如模具、制衣、纽扣、阀门、低压电器等产业集群,这是建立专业化大生产的基础,实现降低成本及对市场的快速响应,满足用户的需要。如笔者过去参观的福建省莆田市的制鞋集群、石狮市的制衣业集群。据称巴黎、意大利、美国的某种款式第一天上市,第三、四天就会出现在石狮及莆田市场,当然这里有一个知识产权的问题,这是靠高度的信息化,实现了与全球市场的互联互通。智能制造要靠这种用市场配置资源的集群式的生产模式。工业园似乎是政府行为,集群式是市场行为,哪种能更多、快、好、省地发展智能制造呢?这需要高层来研究。前车之鉴要多总结。

八、软件、传感器与系统集成是目前急需解决的问题

信息化与智能化的发展既要靠硬件,更要靠软件。国内工业软件研发与应用的短板也应得到彻底改变,没有自主可控的工业软件研发和应用体系,我国智能制造的发展不可能持续。大型企业或集成商要有自己的软件开发人员,通用性软件如C A DC A P PC AMCAEERP等可以买得到,但结合现场工艺与生产需要的应用软件要自己开发。其人员不仅要懂得信息化、智能化技术,还要懂得工作对象的产品与工艺,否则“皮”“毛”不能结合,“两化”不能真正融合。我看到信息化管理成功的企业,应用软件都是自行开发的。如银川市共享铸造公司有30多位软件人员,特别是开发MES系统,因为铸造是有其特殊需要,既有离散形式的,又有流程形式的。银川马扎克小巨人数控机床制造企业,其MES系统也是自行开发的CPC系统。制造低压电器的常熟开关有限公司很多应用软件也是自行开发的,已经接近定制化,一台产品也可以接订单,并按订单进行生产。自行开发的软件,尤其是应用软件,经济适用,又便于保密。

传感器之重要性就不言而喻了,但是到现在为止还没有被政府及业界人士重视,使传感器大大受制于人,特别受制于发达国家,往往引起很多政治与商业麻烦。为此笔者于2012313日、20121020日、2013220日三次给时任中央领导写过信,得到中央领导同志的重视与批示,而且工信部、科技部等主管部门主要领导亲自部署,这几年取得不少成果。但传感器的发展并不理想,不知问题出在什么地方。而过去政府颁布的“物联网”、“智能制造”,现在颁布的“互联网+”也都把传感器作为核心技术来攻关,目前形成“九龙治水”的管理模式,解决不了小小的极为重要的传感器的发展,笔者不得其解。虚拟制造与实体制造,或信息与物理系统的桥梁就是传感器,没有传感器就没有智能制造,没有装备的数字化、网络化、智能化,就没有物联网,也就发挥不了互联网的作用,不知这种思考是否正确?

在推进信息化管理过程中,集成商很重要,一头连着企业,企业的需求是千变万化的,一头连着自己开发或上游企业的软硬件供应商。国外厂商如S c h n e i d e r A B B S A P B o s c h G E Beckhoff 等都与中国的大企业、大集团或智能制造工业园签订了合作协议,把它们成功的软硬件、系统集成的经验与中国企业的需求结合起来,对他们来说,中国是一个庞大的市场,出售他们的软硬件及系统,并可了解中国企业的运营数据。但这里如何解决信息安全问题,不知我国对接的企业注意到这个问题没有?政府有关部门如何指导与干预,这涉及中国国民经济的安全问题。中国也需要一大批推动智能制造的集成商,一些大企业如徐州工程机械股份有限公司成立了一个信息化公司,100多人,不仅对内,也可对外承接企业信息化管理的系统解决方案与实施。

总之,我们还处在信息化阶段,还没进入智能化时代,有些宣传言过其实可能起误导作用。

九、关于智能制造的深层次工作

德国工业4.0提出了八个优先行动计划,特别强调了标准、安全、培训、监管、资源效率等内容。我国也应结合自身实际,在推进智能制造过程中对相关内容做出系统考虑。比如人才方面不仅要充分重视高端科技人才、管理人才,更要发挥身怀绝技、具有长期制造经验积累的能工巧匠的作用和发扬“工匠精神”。特别是实现网络化制造的过程中,如何更好地在法律法规环境下保护商业机密和知识产权,加强产品质量监督,以及针对不同的制造模式、产业新形态和价值链的变化,财政税收制度的改革支撑,完善监管体系和配套的法律法规文件的任务更加重要。

结论:智能制造是一个长期系统的过程,不可能一蹴而成。特别是,机械工业面临巨大的下行压力,经济效益连续下降,产品质量尚未解决,要把“能用不太可靠”变为“好用很可靠”任务十分艰巨。因此,在新产品转型升级步履艰难的情况下,要因地制宜,因企制宜,因产品与生产方式制宜。统一规划,分步实施,先易后难,先考虑企业效益(指质量、成本、交货期),要用投入产出经济理论来审视,不要为智能制造而智能制造。现阶段还在于科学化、信息化管理,不求其名,但求其效果,不要为了争取立项、争取政府支持,而写得很好,做得还可以,但效果较差,更不可能持久,其关键是人,是各级领导及专业人员。

以上仅是个人的一些不成熟的一孔之见。笔者不是信息化方面的技术人员,仅是以自己在工厂工作13年的企业情结,站在企业的角度往上看智能制造的“高大上”技术而已,请教于专家、教授和决策的官员。

本文经机械工业仪器仪表综合技术经济研究所欧阳劲松所长、石镇山副所长,及宋彦彦教授、刘丹博士、王春喜博士增删斧正,因此是一篇集体创作的文章,再次表示衷心感谢。错误之处,由笔者承担。

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