【數(shù)字化工廠】基于自治系統(tǒng)的數(shù)字化工廠演示線
德國工業(yè)4.0發(fā)展至今，隨著網(wǎng)絡物理系統(tǒng)CPS技術的深入應用，生產(chǎn)的自動化和靈活性不斷得到提高，推動了生產(chǎn)形態(tài)的逐步演進。目前，德國工業(yè)4.0從技術上已經(jīng)進入到大規(guī)模定制代工生產(chǎn)的雛形階段。我們認為的工業(yè)4.0的終極狀態(tài)會是一個什么樣子呢？
以汽車行業(yè)為例，可以設想這樣一個場景：在一個巨大的廠房里，按照矩陣式布置了20x40個加工島。每個加工島由若干臺機器人和一批工裝構成。在加工島之間，來回穿梭著一臺臺無人駕駛的、承載著半成品汽車的AGV小車。當AGV到達某個加工島后，一群機器人立即將半成品汽車卸到加工臺上進行緊固，進行生產(chǎn)和裝配，然后再搬回到AGV小車上。就這樣，在流轉了若干個加工島之后，半成品的汽車終于變成了完工的汽車。如果說這種無人化的、無流水線傳動帶的加工方式打破了很多人對汽車工廠的傳統(tǒng)印象的話，那么更加令人驚奇的是，在這個廠房里，甚至可以同時為不同品牌的汽車進行代工。而從廠房出口駛出的汽車，不僅可以是完全不同的車型，而且沒有兩臺是一模一樣的配置。
圖：未來汽車代工生產(chǎn)的場景
從今天的經(jīng)驗和認知來看，這些描述聽起來簡直是一個天方夜譚。但是，在德國工業(yè)4.0技術的推動下，這一幻想正在逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實。從推動代工生產(chǎn)的視角，德國庫卡機器人將其稱為矩陣式生產(chǎn)（Matrix Production）；從產(chǎn)業(yè)應用的視角，將其應用到實戰(zhàn)的德國大眾把它叫做模塊化生產(chǎn)（Modular Production）。眼下，筆者正站在沈陽自動化研究所的實驗室里，面對著這樣一個第三代數(shù)字化工廠的示范線，眼前似乎浮現(xiàn)出未來汽車大規(guī)模定制代工生產(chǎn)的場景。這一切，都始于五年前德國政府為了向中國政府介紹工業(yè)4.0，委托SAP實地接待中國工信部領導參觀的數(shù)字化工廠。
圖：2014年德國專家向中國政府領導介紹工業(yè)4.0數(shù)字化工廠
第一代工業(yè)4.0數(shù)字化工廠
2014年正值工業(yè)4.0方興未艾之際。基于多年的實踐，SAP發(fā)布了第一代的工業(yè)4.0數(shù)字化工廠解決方案。這是一個典型的實現(xiàn)了垂直集成架構的數(shù)字化工廠。在OPC 協(xié)議的支持下，SAP打通了自家的企業(yè)資源計劃ERP到自家的制造執(zhí)行系統(tǒng)MES到第三方的可編程邏輯控制器PLC之間的壁壘。在SAP MES和PLC之間無需任何軟件中間層，便可以實現(xiàn)主數(shù)據(jù)無冗余的高速集成。
這一年德國政府提供給中國工信部領導參觀的，是一家實施了SAP的德國工業(yè)燃氣具生產(chǎn)企業(yè)Elster。實際上，盡管Elster的一條生產(chǎn)線上已經(jīng)可以實現(xiàn)多品種小批量的生產(chǎn)，在水平集成上也可圈可點，但是使用垂直集成打通工業(yè)金字塔的概念，與國內(nèi)推行的“兩化融合”的思想高度契合，給來訪的中國領導和專家們留下了深刻的印象。那幾年，也是垂直集成概念在國內(nèi)數(shù)字化工廠最為風行的幾年，不少人將能夠與ERP和PLC連接的MES，看成是實現(xiàn)工業(yè)4.0的標配，興起了一股開發(fā)各行各業(yè)MES系統(tǒng)的高潮。無疑，這為大規(guī)模建設工業(yè)4.0數(shù)字化工廠奠定了一個起點。
圖：2014年漢諾威工博會上SAP展示的第一代工業(yè)4.0數(shù)字化工廠解決方案
第二代工業(yè)4.0數(shù)字化工廠
2016年，SAP推出了“水平集成+垂直集成+產(chǎn)品全生命周期集成”的第二代工業(yè)4.0數(shù)字化工廠。在ERP－MES－PLC的基礎上，加入了個性化定制的概念，涵蓋了從電商系統(tǒng)hybris提出產(chǎn)品定制要求，在產(chǎn)品生命周期管理PLM中進行產(chǎn)品設計，然后進入到ERP下單生產(chǎn)，以及通過供應鏈管理系統(tǒng)SCM與供應商協(xié)同組織供貨的完整過程。
現(xiàn)在回想起來，那幾年在國內(nèi)也是個性化定制工廠最紅火的時光。服裝、家具、家電等輕工業(yè)產(chǎn)品的定制，儼然就是工業(yè)4.0的代名詞?，F(xiàn)在看來，輕工業(yè)產(chǎn)品的個性化定制，在整個制造行業(yè)里，門檻相對還是比較簡單。工業(yè)4.0的難點依舊還是那些復雜產(chǎn)品+復雜加工過程的大規(guī)模定制，典型的代表就是汽車?？胁幌缕囘@塊骨頭，停留在第二階段的數(shù)字化工廠，還不能代表德國工業(yè)4.0的水平。
圖：2016年漢諾威工博會上SAP展示的第二代工業(yè)4.0數(shù)字化工廠解決方案
第三代工業(yè)4.0的數(shù)字化工廠
又過了兩年，2018年，SAP緊接著推出了基于模塊化生產(chǎn)的第三代數(shù)字化工廠，不僅實現(xiàn)了汽車行業(yè)的大規(guī)模定制化生產(chǎn)，還一下子拔高了工業(yè)4.0數(shù)字化工廠的高度。直到今天，國內(nèi)也沒能出現(xiàn)與之相仿的整體方案。原因很簡單。第三代的數(shù)字化工廠，實現(xiàn)了全面自動化、高度智能化和深度定制化，它對于背后系統(tǒng)的集成要求，提出了極高的要求。由于沒有人工操作來作為緩沖，哪怕是系統(tǒng)之間一點點的不匹配，都會是災難性的事故。真正考驗工業(yè)系統(tǒng)整體能力的時刻來臨了。而第三代數(shù)字化工廠，也就是前文提到的大規(guī)模定制代工生產(chǎn)的雛形。
SAP的這套方案，起源自奧迪電動汽車的新工廠。讀到這里，一定會有好奇的讀者會問，為什么會是電動汽車？
圖：2018年漢諾威工博會上SAP展示的第三代工業(yè)4.0數(shù)字化工廠解決方案
走向新能源和自動駕駛的汽車工業(yè)正在呼喚下一代的大規(guī)模定制
汽車工業(yè)發(fā)展到今天，已經(jīng)走到了一個十字路口。盡管在此之前，很多汽車廠都嘗試搞過大規(guī)模定制，并且也在傳統(tǒng)的流水線上，通過混線排序生產(chǎn)，將大規(guī)模定制變?yōu)榱爽F(xiàn)實，但是，今天汽車工業(yè)能達到的定制化水平，距離未來的要求，還有很大的差距。
今天的汽車都是由人來駕駛的基于內(nèi)燃機的汽車。駕駛員的眼和手，完全離不開對前方的觀察和方向盤。對于汽車的配置，尤其是各種內(nèi)飾，沒有太多的精力加以關注。只有到了L3自動駕駛實現(xiàn)之后，可以允許“eye off”和“hands off”，這時駕駛員的注意力，才有可能關注到車廂內(nèi)部的其他配置。并且，隨著技術的進步，電動汽車和自動駕駛將會徹底改變車內(nèi)的布置，使得汽車從“交通工具”，轉化為“生活工具”。到這時，人們對于汽車的配置要求，才回真正釋放出來。正如同樣的房型，不會有同樣的裝修一樣。如下圖所示，2021年，寶馬汽車的L3自動駕駛的汽車就將量產(chǎn)，距離現(xiàn)在只有兩年時間。以今天汽車工業(yè)的水平，能夠造得出這種高度定制化的汽車嗎？
圖：自動駕駛汽車將逐步解放人類的“眼”和“手”，為汽車的個性化配置提供空間（圖中時間表是寶馬發(fā)布的計劃）
傳統(tǒng)的流水線式的大規(guī)模生產(chǎn)已經(jīng)達到了優(yōu)化的頂峰
今天的汽車工業(yè)，在100年前福特制的流水線生產(chǎn)下，無論是在銷量，還是柔性上，都已經(jīng)達到了優(yōu)化的極限。對于客戶的定制化需求，汽車工業(yè)普遍采用混線排序生產(chǎn)的方式，將不同配置要求的車輛，在充分考慮到產(chǎn)線的各種制約因素之后，按照既定的順序進行排產(chǎn)，投放到產(chǎn)線上組織生產(chǎn)。排產(chǎn)過程中最主要的制約因素，就是由流水線的勻速直線移動帶來的。正所謂成也蕭何，敗也蕭何，流水線簡化了生產(chǎn)計劃和現(xiàn)場的物流工作，但也帶來了僵化的產(chǎn)線布置、剛性要求的統(tǒng)一生產(chǎn)節(jié)拍等缺陷。對于需要更加靈活地調(diào)整生產(chǎn)工藝的定制化生產(chǎn)需求，將所有的生產(chǎn)設備拍成一條直線的流水線，是無法滿足的。人們不得不將目光，轉移到生產(chǎn)設備的機群式布置方式，輔之以基于無人駕駛AGV的物流的新一代生產(chǎn)方式。這其實也正是從2013年開始由德國聯(lián)邦教育與研究部領銜資助的Arena2036項目研究的主題之一。
圖：在Arena2036研究項目中設想的未來的汽車敏捷工廠（來源：https://www.forschungscampus.bmbf.de）
自治系統(tǒng)是德國科技最新的發(fā)展階段
實際上，德國工業(yè)在科技領域的前瞻性研究的步伐，不僅在趨勢上領先，而且非常堅實和腳踏實地，與產(chǎn)業(yè)界的融合也十分有效。如下圖所示，從2011年到2013年，德國科技界的研究重點，放在了IT與OT融合的工業(yè)4.0（Industry 4.0），它與國內(nèi)所提的智能制造大體相當。接下里的5年里，德國科技界又將重點放在了智能服務世界（Smart Service World），它與國內(nèi)所提的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)或產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大體相當。在目前這個階段，研究階段又放在了自治系統(tǒng)（Autonomous System）領域，推動自動駕駛汽車、智能機器人和互聯(lián)的基礎設施的開發(fā)。無論是上文中提到的矩陣式生產(chǎn)，還是模塊化生產(chǎn)，都是自治系統(tǒng)在生產(chǎn)制造領域里的應用。
圖：從工業(yè)4.0，到智能服務世界和自治系統(tǒng)
第三代數(shù)字化工廠在奧迪的實踐
第三代數(shù)字化工廠的模塊化生產(chǎn)，具有以下四個特點：
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獨立：每一個工作站都是一個單獨的模塊，傳統(tǒng)生產(chǎn)線的物理先后順序上的限制不復存在。在需要的時候，模塊可以隨時加入和退出，不會相互影響。
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可變：每個產(chǎn)品都可以有自己虛擬可變的加工流程順序，在離開每個工作站的時候，對下一個工作站目的地做出最優(yōu)決策。
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智能：所有的產(chǎn)品和物料通過AGV在車間內(nèi)自動運輸，只有在需要的時候才會發(fā)出，從而將在制數(shù)量降到最低，并提高效率。
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靈活：模塊化提高了生產(chǎn)系統(tǒng)的擴展性和適應性，并且對產(chǎn)品的形狀、尺寸具有更高的適應，可以按照需要方便地進行調(diào)整。
圖：模塊化生產(chǎn)的加工工作站布局示意圖
從奧迪的視角，采用模塊化生產(chǎn)，可以從以下幾個方面獲得收益：
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節(jié)省設備投資
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從生產(chǎn)實踐和瓶頸優(yōu)化方面獲得顯著受益
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提高定制生產(chǎn)下的高產(chǎn)量
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靈活可優(yōu)化的工廠布局
第三代數(shù)字化工廠演示線進入中國
在中科院沈陽自動化研究所的大力支持下，SAP中國在沈陽的演示線上實現(xiàn)了第三代數(shù)字化工廠的理念。
在SAP S/4 HANA、SAP ME/MII、SAP EWM等系統(tǒng)以及沈自所研發(fā)的設備和工控算法的支持下，這套演示線以一個減速器缸體缸蓋和齒輪的裝配過程為例，實現(xiàn)了多臺無人駕駛的AGV小車和配套的機器人在不同加工工位之間的協(xié)同制造過程。
在這套演示線里，個性化產(chǎn)品的銷售訂單在SAPC/4HANA 銷售云創(chuàng)建，隨后無縫傳入SAP S/4HANA系統(tǒng)創(chuàng)建生產(chǎn)訂單，并下達至車間。
在生產(chǎn)過程中，SAP高級倉儲管理系統(tǒng)（SAP EWM）和SAP制造執(zhí)行系統(tǒng)（SAP ME）按照業(yè)務流程緊密對接，從原材料出庫、生產(chǎn)執(zhí)行、原料消耗到成品入庫和最終發(fā)貨，所有環(huán)節(jié)均可以根據(jù)產(chǎn)品或者工藝的變化，進行快速響應調(diào)整，并且整個流程能得到精準、實時的記錄和跟蹤。
基于模塊化生產(chǎn)概念，矩陣式布局生產(chǎn)方式，通過沈自所的WIA工業(yè)無線技術使控制系統(tǒng)從有線變?yōu)闊o線，機械結構可以靈活部署；工業(yè)軟件定義網(wǎng)絡（SDN）技術使工業(yè)網(wǎng)絡可以隨產(chǎn)線布局的變化而自適應組態(tài)；“物源”平臺的管控一體化軟件和邊緣控制器，使工站，機器人等設備的工序工步隨產(chǎn)品設計變化而自適應重組。
通過沈自所的“物源”平臺，SAP的IT系統(tǒng)與沈自所的OT系統(tǒng)的緊密集成，倉儲系統(tǒng)、制造執(zhí)行系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)以及AGV車輛管理和調(diào)度系統(tǒng)共同協(xié)作，生產(chǎn)過程中可以根據(jù)產(chǎn)品，工藝，設備狀態(tài)和訂單情況進行動態(tài)的工藝路線調(diào)配和內(nèi)物流配送，減少等待時間，生產(chǎn)效率實現(xiàn)最大化。
與傳統(tǒng)的流水式生產(chǎn)線相比，從技術的角度來看，第三代的數(shù)字化工廠系統(tǒng)的復雜性是較高的，反映在增加的接口、系統(tǒng)集成的數(shù)量，以及算法設計和各個不同系統(tǒng)之間的交互，并且對于傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的業(yè)務流程也有較大的改變。從設備和IT系統(tǒng)的角度，它對于可用性、主數(shù)據(jù)的質量等都提出了較高的要求。這條演示線，對于在中國市場推廣第三代數(shù)字化工廠，將會起到非常好的引導作用。
圖：沈自所第三代數(shù)字化工廠演示線實景拍攝
希望有更多的企業(yè)參與到新一代數(shù)字化工廠的推廣和實踐中來。
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