工業(yè)4.0概念的光環(huán)正在減弱，而更多工廠轉型升級的真知灼見正在不斷地涌現出來。智能制造作為中國制造2025的主攻方向，其中的數字化、網絡化和智能化提出了一個可以探索的路徑。對于中國的制造企業(yè)迎來了不可避免的制造模式的范式轉型，即智能制造，對于企業(yè)而言，則面臨的是一條一條具體的生產線。如何從生產線出發(fā)，找到智能制造的發(fā)展路線，是一個非常迫切的問題。

智造單元，正是智能制造zui為落地的抓手。它像一根紅線，在一個復雜的局面中，牽引著智能制造走向破局之點。它是一個zui小的數字化工廠，提供了一個完整的多品種小批量的解決方案。

智造單元，把復雜系統(tǒng)變簡潔

智能制造是一個復雜的系統(tǒng)，這決定了它需要從一個整體論來考量。它在企業(yè)內部是一個混合狀態(tài)，企業(yè)局部也可以有智能制造，而不必一定要等到整體上全部實現——這是一個交互滲透的過程。而在局部實現智能制造，如果從企業(yè)內部生產實踐來看，zui為可行的基礎上是，需要從zui小的智能制造單元開始，拓展到一條條數字化產線，再到局部相互連接的系統(tǒng)，zui后構建出巨系統(tǒng)。

 圖1：智能制造的系統(tǒng)集成 

來源：*安筱鵬博士《軟件視野下的未來工業(yè)》

這里的zui小智能制造單元，就是需要構建的“智造單元”。智造單元是從工廠車間的基本運營出發(fā)，從資源軸、 管理軸和執(zhí)行軸這三個角度，把一組能力相近的加工設備和輔助設備進行模塊組合，并通過軟件連接，實現多功能模塊的集成化，鏈接企業(yè)資源管理與研發(fā)等管理軟件形成企業(yè)的一體化系統(tǒng)，具備多品種少批量產品的生產能力輸出的組織模塊。作為智能制造實現的zui小單元，可以實現數字工廠所需要的設備自動化、管理信息化、人員化。因此制造單元的基本特征，可以總結為“軟硬一體，三軸三化”，也就是“設備模塊成一體，三軸視角車間掛；軟件連接數據通，數字工廠靠三化”。

三軸視角，扎根車間

智造單元是扎根于工廠尤其是車間級而自然生長的希望之花。智能制造zui為重要的問題，都需要回到現場去解決。而智造單元的“三軸”，就是圍繞現場要素，從三個方向進行管理：資源軸向，內向管理軸向和工作執(zhí)行軸向，見圖2。

      
 圖2： 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(zhí)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，都會做決定并給其他人下達指示。

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(zhí)行軸PDCA，則是標準的戴明環(huán)，也就是計劃（Plan）、執(zhí)行（Do）、檢查（Check）、糾正（Action）。

這三個視圖，綜合地表達了智能制造的價值創(chuàng)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能制造的工業(yè)價值鏈促進會IVI的理念*一致。日本IVI在 2016年12月提出了“工業(yè)價值鏈參考架構”，旨在推動“數字工廠”的實現，見圖3。

圖3：IVRA工業(yè)價值鏈的三維圖

這個三維圖，把智造單元的三個軸向定義詮釋得很清楚，真實地反映了工廠的現場活動，*是從車間的視角，考慮企業(yè)的實際運營。只不過IVRA強調環(huán)境的管理，而智造單元則采用了安全的方向。

在明確了工廠現場的三大主軸之后，智能制造的建設路徑就浮出水面。通過智造單元的組合，整個數字工廠的建設，就可以通過模塊化、分區(qū)化的方式，進行自由的升級組合，從而大大提高數字工廠的建設效率。

圖4：智能制造的建設路徑

軟硬一體，走向三化

自動化從硬件而言，一直在向著單元化、模塊化、集成化的方向發(fā)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zui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并不算太遠、廣為人所熟知的故事。那就是二十世紀末期在中國所大規(guī)模開展的CIMS（計算機集成制造系統(tǒng)）。當時一方面是CAD\CAE以及信息化軟件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(yè)面貌。然而，當年CIMS理念過于超前。它的核心都是基于計算機的能力和對流程結合所做出的判斷。當時中國工業(yè)界——其實也包括德國工業(yè)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。后來德國人的反思中，除了技術要素尚未達到要求之外，忽視人的環(huán)節(jié)而過于強調自動化、過分依賴計算機技術，是一個巨大的失誤。

CIMS的理念，一方面將重復性勞動用自動化方式替代，并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(jiān)督。

然而從既往的經驗來看，簡單地將自動化與信息化疊加，并不等同于數字化。需要同時將其他各種資源要素進行數字化，再加上物聯網技術和工業(yè)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塊，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、管理信息化和人員化，在路徑上實現了人機交互和高度柔性，在目標上實現了設備的zui大的有效開動率為檢視點。

圖5： 數字工廠的三大目標

設備自動化在于保證設備有效開動時間，使設備利用率達到zui大，制造精度和柔性zui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(fā)、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(yè)業(yè)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”；人員化則基于信息化系統(tǒng)的數據，使決策有了依據，目標，針對性地處理結構性問題，避免常規(guī)工作消耗，以此達到“”；人員的目的是降低對機床有效開動率的影響，從而zui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塊化。借助大量的制造資源模塊化、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，實現智能制造。

圖6：智造單元的不同角度

局部驅動，推進系統(tǒng)方向

智能制造固然是一個整體系統(tǒng)，但卻要從局部搭建、局部推動。這就要從智能制造的zui小單元：智造單元開始建設。智造單元的模塊構成包括：現場自動化、信息化和智能化。

圖7：智造單元的模塊構成圖

從體系機構上看，包括模塊化、單元化、集成化和一體化四部分。模塊化和單元化可以令產品快速得到推廣，集成化服務于一條產線，一體化解決了一個系統(tǒng)范疇的智造生態(tài)環(huán)境。

再從軟件體系看，它以MES為核心，可以獨立運行，而智造單元的系統(tǒng)則可自由兼容工廠原有的軟件。向下跟MDC/DNC連接，或者通過物聯直接與設備相連；向上連接至PLM、CAPP、ERP；橫向與倉儲管理系統(tǒng)WMS對接；而在生產任務執(zhí)行上，則可以連接優(yōu)化排產系統(tǒng)APS，實現自動優(yōu)化排產，實現生產。

圖8：MES為核心的信息化體系

智造單元與數字工廠的落成，絕不是智能體系的完成，而只是一個開始。因為在戴明環(huán)PDCA中，需要有一種持續(xù)改善的推動力——而人是zui為重要的環(huán)節(jié)。物理實體和數字虛體的CPS場景建設，是系統(tǒng)集成商可以完成的；但人的經驗和判斷，必須有客戶依據系統(tǒng)的運維數據在現場生產線上的參與才可以執(zhí)行。所以說，一個智能制造的現場循環(huán)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數字工廠都不是客觀的表達。

PDCA中zui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(huán)才有了運轉方向。這種基于人的優(yōu)化，將人放在閉環(huán)之中，不斷循環(huán)，有表達方式、可控制手段和可操控的方向，才能逐漸形成智能部分，這就是智能制造的核心。

而智造單元的一個zui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(tǒng)的“智能制造”過于強調“智能”的自決策性不同，智造單元一開始就將人納入閉環(huán)之中，使得成為人機協作的*。

圖9：人機網一體化

這就非常有實效的適應了實施智能制造初期的基礎環(huán)境。有了人的要素介入，解決持續(xù)運營優(yōu)化的方向，推動智造單元的建設。

設備四世同堂，保護投資

智能單元，zui為重要的特點，就是可以完成自由的組合，實現分扇區(qū)、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模塊，進行“設備解列”與“設備入列”的離線、在線切換模式。這是采用智造單元“三軸”視角，很容易解決的問題。

在實際工廠改造升級以及運營過程中，企業(yè)中zui為困惑的問題是，智能制造從哪里破局？全新的工廠，如何建設；而對于既有的產線，從哪里改造；不同的設備如何處理。許多企業(yè)的設備，各種型號各個年代都有，說是“四世同堂”一點都不夸張。而智造單元適應了四代同堂的現實需求。在國產裝備中，有些是可以直接進產線的，有些是可以通過改造的，如何在智能制造單元中讓老設備有價值發(fā)揮作用，集成到智造單元中，需要著重考慮。

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采集機制，通過靈活的信息收集方式，有些設備不需要聯網通信，只需采集信號；而有的設備，則可以采用多接口集成器，區(qū)別不同的數采方式，將各種設備集成進來。

根據智造單元的“三軸視角”，數字工廠的問題可以多角度切換。由于智造單元具有豐富的模塊化接口，在現場可以采用“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，不便于搬運，那么就采用“空間換時間”的智能制造組線模式，通過智能物流采用AGV把各單元線無縫連起來。而對于單向鏈很長的產品，或者多個產品，則可以采用多個智造單元的陣列形式，其物資存取方式，可以是一個庫，也可以是多個庫。通過獨立模塊和多模塊并存的方式，隨時組成不同的工藝路線，可以支持不同代級的設備，四世同堂同時發(fā)揮效力，zui大限度保護既有投資。

工業(yè)4.0的語境中，大規(guī)模定制被反復提及，這甚至被有些人認為是智能制造zui為重要的目標。要實現這個目標，生產線只有“柔性十足”才能實現。以往的剛性生產，是指大批大量生產單一或少量產品，這種生產模式特別適合自動化，尤其是那些工業(yè)標準件。而柔性生產則要復雜的多，其訂單往往是多品種小批量，zui小批量甚至為一。要想達到“單件自動化”這樣的*生產，非智能單元莫屬。

智能制造的落地生根

“軟硬一體，三軸三化”的智造單元，可以實現多品種小批量的解決方案，提升企業(yè)在制造環(huán)節(jié)的核心競爭力。更重要的是，它以人為主、自動化與信息化相結合的機制，有效兼容企業(yè)現有的軟件體系和設備投資保護，在延續(xù)客戶既有投資價值的基礎上，實現智能制造的順利升級。
(文章來源于知識自動化，版權屬于原作者，如有侵權，我們將及時處理）