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工业4.0——中国制造2025之智能工厂
  2020-10-27      83

一、前言

在工业4.0浪潮的推动下,我国制造企业面临着巨大的转型压力。 一方面,劳动力成本不断增加、产能过剩、竞争力激烈以及客户定制化需求日益增长的因素,迫使制造企业竞争策略转变。受“疫情”的影响,很多工厂出现了招工难,缺乏专业技术人员的巨大压力,必须实现降本增效,快速推进智能工厂建设。另一反面,5G、物联网(loT)等新兴技术也迅速发展起来,为智能工厂的建设提供强而有力的支撑。

物联网技术的发展

物联网(Internet of Things),简称loT,是基于互联网等信息载体,使具有独立操作功能的设备实现互联互通的网络。

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图(1)架构关系

物联网通常可分为四层:感知层、网络层、平台层和应用层;也有另一种常见的分法,是把平台层与应用层合并,定义为感知层、网络层和应用层。

很多人可能会问互联网和物联网有什么区别呢?

下面我们来简单了解下互联网和物联网的区别与联系。

互联网主要是指人与人之间的联网,比如我们通过微信/QQ等方式的通讯联系;物联网,顾名思义,就是指物与物之间的联网。

所以说,物联网的本质还是互联网,只不过终端不再是计算机(PC、服务器),而是嵌入式计算机系统及其配套的传感器。

物联网的诞生,与互联网相辅相成,互相促进,使生产以更加的智能的方式呈现。例如,高层领导不需要去产线了解实际状况,可直接通过一部手机对生产状况了如指掌,包含物料使用状况,WIPOEEYeild Rate等数据状况。

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图(2)AI 智能展示

智能仓储行业发展

传统工厂迫切改善现状的需求,促进智能仓储自动化行业快速发展。目前很多制造企业仍较偏向于投资大量资金在生产线自动化设备的更新换代,大量购入高速进口贴片机,虽然这些可以带来很多产能,但却忽略了生产来源的前端——仓库部分的规划。传统仓库依赖大量人力进行收料、IQC检验、入库、分拣挑料以及出库等作业,并采用纸质信息记录物料出入库等信息。

很多工厂因为产能需求高,想通过大量招工来解决效率问题,可是人力成本不断增加,流程复杂,人员效率低,导致效果适得其反。高速的生产制造设备与传统的手工业愈发冲突。

智能工厂不同于传统工厂,涉及到自动化产线、柔性化生产、精益化研发、及时化物流、绿色化制造、数据化决策等多个技术领域与业务领域。

1.1 智能仓储类别

n1.1.1 立体仓储

A.立体仓储外观示意

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图(3)箱式立体仓储 

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  图(4)栈板式立体仓储

B.存放物料属性:

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图(5)盘状物料 

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图(6)异型物料 

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 图(7)PCB板

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图(8)PCBA板       

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图(9)成品/原材料

C.物料存放形式:

可分为静电箱及栈板形式;

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图(10)静电箱                 

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图(11)栈板

D.作业方式:

自动完成出入库作业

1)物料入库作业

物料来料后,人员进行拆箱作业,完成拆箱后,扫描物料信息及静电箱外箱条码,进行信息绑定,点击“入库”,系统自动分配储位,堆垛机根据系统指令,执行入库作业,系统自动更新库存信息,并反馈至MES

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 图(12)入库界面        

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 图(13)入库示意

2)物料出库作业

MES系统自动下发出库指令至i-WMS,仓储系统自动检索库存信息,堆垛机根据系统指示,去对应储位完成取料作业,完成出库后,系统自动更新库存信息,并反馈至MES

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图(14)出库示意

E.应用环境:

原材料库/成品库/线边仓

n1.1.2 盘状智能仓储

A. 盘状智能仓储外观示意

      

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图(15)盘状智能仓储

B. 存放物料属性:

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 图(16)7/13寸物料        

C. 物料存放形式:

                    

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图(17)单盘存放示意

D. 作业方式

自动完成物料出入库作业

1)物料入库作业

人员在作业区提前将物料串入料串,可通过AGV自动将物料送至盘状智能仓储的入库前端,进行入库作业,CCD自动扫描物料信息,系统自动记录并分配储位,机械手根据系统指令将物料放入对应储位,系统自动更新库存信息,并反馈至MES,全程实现无纸化,物料信息交互实时化。

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图(18)全自动入库

2)物料出库作业

MES系统自动下发出库指令至i-WMS,仓储系统自动检索库存信息,可根据系统设定的“先进先出”原则进行出料,出料模式可分为“整工单出库”、“单卷出库”、“首发料出库”、“缺料补料出库”、“紧急出库”等,机械手根据系统指令执行出库作业,物料可直接流至静电箱或Magazine(可根据站位信息进行存放),最后由AGV将物料送至指定产线,无需人员来回奔波,节省人力,效率也大幅度提高。

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图(19)全自动出库

仓储出库备料模式也可按照JIT备料模式进行。通过MES系统(MES提前计算产线N小时的缺料信息),i-WMS自动获取定时缺料信息,此时智能仓储自动进行库存信息检索,若满足库存出库需求,仓储自动执行工单缺料补料作业;若仓储内物料库存数量不满足工单出库需求,此时仓储后台会自动发送缺料信息至大仓(可通过邮件或短信的形式通知人员进行补料作业)。具体出料模式可根据客户实际需求进行调整,软件弹性化大。

n1.1.3 智能亮灯货架

A. 外观示意

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图(20)智能亮灯货架

B. 存放物料属性

盘状物料/异型物料

C. 物料存放形式

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图(21)摆放示意

D. 作业方式

1)手动操作

物料上架作业:

人员扫描物料信息及亮灯货架储位信息,完成上架绑定作业,扫描完成后将物料放入对应储位,继续下一盘物料上架作业;

物料下架作业:

系统下发出库指令,对应货架储位亮灯,人员根据亮灯提示进行取料,取料前扫描物料信息进行出库解绑作业,继续下一篇物料下架作业。

目前市场上有普通亮灯货架以及感应式亮灯货架,其区别在于感应式亮灯货架可以预防人员误拿误放,每个储位都设有感应sensor,通过感应sensor反馈的信号进行物料与储位的绑定和解绑作业,系统自动记录对应关系。

1.2 如何选择智能仓储?

智能工厂的风潮带动了很多做智能仓储的自动化公司的迅速发展。面对这么多形形色色的智能仓储供应商,客户该如何选择呢?智能仓储的选择其实主要取决于应用环境、物料属性等因素。

对智能仓储进行选型前,我们需要先分析并设计该公司未来智能工厂的长远目标,以及基于长远目标下的智能工厂整体架构蓝图。并在此基础上,分析并设计各阶段的短期目标,为后续的智能工厂建设指明方向。首先要根据企业的发展战略,制定智能工厂建设的整体目标。

其次在目标确定的基础上,要规划出未来的智能工厂整体框架蓝图,该框图是企业的智能工厂建设的支撑框架,通过该框图可以明晰的知道未来智能工厂建设蓝图,分为哪些系统,各在哪个层面,核心项目有哪些等,他们之间的系统逻辑关系如何,并为后续的分项设计提供基础。

如下图为i-Stock为某制造企业设计的智能工厂整体框架图:

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图(22)智能工厂框架图

企业在决定导入智能工厂时,需要准备大量的数据,供应商在帮企业规划时,需要根据企业实际情况进行。

1)首先,仓库人员需根据厂内生产状况及后续发展状况收集现有工厂内的物流数据。

包含如下数据:

ü物料数据

ü作业流程

ü现有吞吐量

ü库存数据

ü运输数据

ü工效数据

ü仓储数据

ü其他数据

并分析目前物流中存在的薄弱环节。

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图(23)某企业的数据分析

2) 对现有的物料清单进行详细分析

确定每类物料的获取方式和供应方式,以及物料的存放要求。

3) 对现有流程的分析

整理工厂现有作业流程,罗列出现有作业流程存在的弊端,便于供应商对症下药。流程的梳理很重要,会影响后期导入智能仓储后的软件架构建立。

4) 物料配送方式设计

供应商来料后,将物料送至原料仓的方式;原材料出库后,将物料送至产线的方式;半成品加工完成后,流至下一工站的流转方式;成品流转至成品仓的方式等模式,这些都需要在供应商前期方案规划中考虑。

包括AGV小车设计(RFID、磁条、激光等多种导引小车的选择),电子看板系统,实现物料的精确配送。

基于以上设计分析,对未来的进货流程、出货流程、配送流程等物料流转流程进行设计,将未来的物料流转流程规范化。

对厂房内各层(跨楼层)以及厂房与厂房(跨厂房)等功能布局进行规划与设计,重点是厂房内各存储区域、以及拣配区域、生产线边区域布局进行整体设计;

对物料从入库、到货、质检、上架、下架、拣配、出库等流程进行全面规划,设计不同物料的管理模式,如批量管理物料、分批管理等,对不同管理模式的物料设计不同的物流流程;

根据生产需要及周转需要,对不同区域的面积需求、码垛需求、周转容器等进行设计,以实现物料数量一目了然、快速齐套、配送及时等目标。

对厂房内上下层之间(跨楼层)物料流动,2个厂房之间(跨厂房)空中的物料流动,以及物料与产线之间匹配的流动模式进行整体设计,如上下物料流动方式、平行物料流动方式、物料存储方式等。

对产线与仓储之间物料的配送模式和配送方式进行设计,包括AGV、RGV、叉车等,对线边仓库进行设计。

最终,本部分将输出工厂物流管理流程、物料管理模式、仓储区域布局规划、周转容器设计标准、分拣方式与路线、车间配送方式与路线、线边仓等内容。

1.3 信息蓝图设计

信息化是智能工厂建设的必备条件,在此阶段,需要对智能工厂下信息化蓝图进行整体设计与规划,并对其中的核心系统进行详细分析,避免导致后续的信息化孤岛等问题。

目前很多制造企业在导入智能工厂的过程中,出现以下诸多问题点:

1)只重视硬件设备的导入,忽略软件系统的架设:

很多工厂紧跟工业4.0的热潮,一股脑的大量导入智能设备,却忽略了目前厂内软件环境是否支持?最终导致设备到厂后无法将设备功效发挥至最大化。

2)数据接口开放权限

智能设备导入前期未考虑所需对接设备是否可以开放接口权限,导致预期设想无法达成。例如:原本设计希望智能仓储可以获取贴片机的缺料预警、 Feeder管理、抛料计算等功能,但是由于贴片机有接口权限,无法对外开放,导致该功能无法实现。下图为预计希望实现的目标:

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图(24)智慧车间应用

3)存在大量信息化孤岛和自动化孤岛

ERP系统、MES系统、SAP系统、生产线数据采集系统各司其职,相互之间不进行信息交互,导致很多企业只能采用半手工、半自动化的方式进行数据化管理,效率低下,准确性也难以保障,而且有些公司在生产管理上仍然采用手工计划与排程模式,所以生产效率并未因导入大量的自动化设备改造而得到有效提升,导致资源浪费。

为避免上述问题点再次发生,在智能工厂整体目标确定后,要规划出未来的信息化整体框图,该框图是公司未来信息化建设的目标与指引,要清晰的阐述公司未来信息化系统的应用数量、覆盖范围、以及多个系统之间的逻辑关系等,并为后续的分系统设计提供基础。如下图,将各个层面串联起来,实现信息互通:

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图(25)全层面覆盖图

基于灵活、高性能的前提,整体软件系统架构需涵盖工厂的核心业务流程,实现Portal协同、数字化智能仓储、自动化物流运输、益制造、精细作业、全面质量管理、预警管理、设备管理、人员绩效等。真正地做到与工厂内部软件系统(MES/ERP/SAP等)无缝对接。

实现上述目标,企业需有专门负责该项目的IT人员与供应商的研发人员进行对接。对接内容主要包含:整体框架、应用目标、作业范围、仓储功能、通讯接口等。

1.4 实施效益

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        总结:

制造业走向智能工厂,这是中国经济转型升级的必然,是社会经济发展的手段,是科学技术发展的规律,是企业获取可持续发展竞争优势的模式。通过集成多种自动化硬件设备、MES(生产执行系统)、ERP(生产管理系统)、QMS(品质管理系统)、SCM(物流管理系统)等多种软硬件,接入云存储及工业大数据分析,最终实现智能物流及物联网连接。

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