e-works数字化企业网  »  文章频道  »  基础信息化  »  IT综合

从“工业4.0”到卓越制造标准体系的研究

—— 论CPS、精益生产与MES的关系

2014/12/29    来源:e-works    作者:李佑莉  刘朱锋      
关键字:工业4.0  CPS  MES  智能制造  
要从复杂的概念落实到制造业的实际业务中,必然需要层层的分解梳理与深入剖析才能化繁为简、得其真髓。面对工业4.0,我们从哪里开始层层剥离呢?须得从工业4.0中提得最多的三个字母——CPS开始。

  “工业4.0”从2013年正式提出以来,持续了一年多的热度不但没有衰减的趋势,更因为中国2025规划、中国成为全球最大机器人市场等利好政策和消息而持续升温。扑面而来的浪潮让人对制造业的未来充满了期待,可是,当理想照进现实,要完全实现工业4.0,也许是个漫长的过程,可能需要二三十年甚至更长的时间,我们现在也无法预知未来这个概念是否能够成功实现,但可以肯定的是,目前越来越多的事实表明,信息技术特别是互联网技术的发展和应用正以前所未有的广度和深度在推进制造业生产方式、发展模式的变革,智能化、网络化将是工业发展的大趋势。

  对作为世界工厂、全球制造业大国的中国来说,如何在这场革命浪潮中避免被洗牌呢?而面对工业4.0,作为智能制造的有机组成部分和核心细胞----制造业企业,他们更关注的是,“工业4.0” 概念大、范围广、边界泛、场景多,这些理念如何与实际的制造业业务相结合,如何提升企业的实际制造能力和制造水平,如何使“工业4.0”真正“落地”?

  所以,“工业4.0”概念与制造业企业如何结合是问题关键所在,我们认为,要从复杂的概念落实到制造业的实际业务中,必然需要层层的分解梳理与深入剖析才能化繁为简、得其真髓。面对工业4.0,我们从哪里开始层层剥离呢?须得从工业4.0中提得最多的三个字母——CPS开始。

  一、对CPS的理解

  对CPS的理解在业内已经有很多相关的讨论,我们的体会,也许可以简化通俗的归纳为:连接两个世界(物理世界和虚拟世界),融合三大网络(互联网、物联网、服务网),承载3C能力(计算能力、通信能力、控制能力)。CPS 构建的前提也就是试图把人、物、系统通过各种网络实现连接,而至于在CPS中流动的,是信息和信息所承载的知识。CPS的发展趋势,也必将是更加自动化和智能化。

  CPS实际上是一个由众多的异构元素组成的复杂系统,也就是说,它是由众多的CPS子系统,甚至更小的CPS细胞所组成的,而对于不同行业的特定应用场景通常需要构建特定的系统结构,比如说,面向能源的CPS系统、面向交通的、面向保健医疗的、面向工业的。不同的CPS单元除了联网这一基本条件外,还需必备的是其相应的智能体系。

  二、制造业企业的CPS

  在了解了CPS宏观的概念后,我们缩小范围,聚焦我们关注的制造业。制造业企业CPS作为CPS系统的组成细胞,既有CPS的共性,也有面向行业特征的个性。

  我们先从CPS的字面意义上来分解制造业企业CPS的要素:

制造企业的CPS要素

  可见,制造业企业CPS涵盖了企业的绝大多数重要的构成要素。

  但我们通过分析可知,针对制造业企业的特点来说,企业在构建CPS系统中,还需要贯穿符合企业实际管理情况的相应的管理理念,例如常说的精益生产、敏捷制造、网络化制造等等。关于这一点,在工业4.0或者是CPS概念中并没有详细阐述,这是因为工业4.0的大概念几乎涵盖了整个社会的所有领域,从制造业领域看,就包括需求规划环节(策划者)、协同制造环节(生产者)、经销流通环节(传递者)、运行使用环节(消费者)、回收利用环节(回收者)。“工业4.0”旨在整个社会大环境下,通过整体的互联互通提高各个产业的资源利用效率、降低整体成本,终极目标是实现资源(能源和原材料)的最佳利用、在有效保护环境的情况下实现生产力的革命性提高。

  这么庞大的理念体系具化到一个制造业企业,该如何高效利用资源、降低成本、保护环境、提高生产力?我们认为要实现这个目标,就必须将物理系统、网络化这些CPS的理念与精益生产相结合。因为精益理念的核心就是消除一切无效劳动和浪费,通过不断地降低成本、提高质量、增强生产灵活性、实现无废品和零库存等手段确保企业在市场竞争中的优势,从整个社会视角看,所有企业都努力做到了这一点,也就实现了“工业4.0”的大目标----有效保护环境、资源最佳利用、革命性提升生产力。

  所以我们认为,如果把构建CPS系统比作构建企业的“躯体”的话,那么“精益”的管理思想是企业贯穿全局的“灵魂”所在,一个有思想的“活”的企业,要将两者进行很好的融合,使CPS构建中贯穿“精益”思想,实现两者相融相通。这应该是制造业企业CPS的个性化特征。

  既然制造业企业CPS涵盖了这么多内容,那么这些要素在企业内要如何组织起来呢?我们认为,制造业企业CPS的架构也应该与CPS大框架相匹配,从纵向和横向两个维度来构建。纵向就是制造业企业CPS的技术架构,横向就是CPS的业务架构。

  先说技术架构:我们认为,制造业企业CPS架构包括了物理层、网络层、应用层和决策层。

制造业企业CPS架构

  物理层是与生产相关的物理世界,包括人、机器、厂房、物料、系统等等,并且涵盖了感知子系统,也就是相应的传感设备和数据采集装置,主要负责从物理世界采集原始信息,并根据系统指令改造物理世界;

  网络层保证感知数据在异构的网络中可靠的传输;

  •  应用层面向用户,提供交互界面和功能,同时可进行协同处理;

  下层的各项数据,都为决策层提供了数据分析和数据挖掘的依据,为顶层决策提供支持。

  纵向的技术架构要求所有相关的系统,从产品的设计研发到工艺到自动化制造,都要有标准化的接口和技术相互连接,确保生产管理系统与机器控制系统相连接,实现信息的高度透明和实时。

  而从横向的业务架构来说,更多的是强调企业间的合作,例如大型集团,在企业间的业务流上(或价值链上)进行集成,是为了实现各企业间的无缝合作,提供实时的产品与服务。这就要求更高一级的生产系统合作伙伴之间有开放稳定的接口。

  制造业企业CPS的构建,对企业来说是很大的挑战,可以说涉及到制造环节的方方面面,不是能一蹴而就的。但是,这种改变也不是遥不可及的,是可以循序渐进逐步实现的过程。

  结合目前我国的国情来看,从大的业务流程以及基本的硬件设施来说,整体改变不会很大,而更为关键的是,人、设备、软件系统与思维导向的改变。

  首先,制造业企业的几个关键要素,资源、信息、物体和人要达到深度的融合。无论是人、设备,还是产品、原料,以及相关的工艺法则、法律法规,甚至包括能源消耗,除了实现实体间的物理连接外,还需要通过软件管理、业务集成等实现“虚拟连接”。

  其次,从感知网转换到感控网。对工业网络的构建已不是停留在嵌入式系统应用的“感知”层面了,还需要加入控制能力和自治能力,而这种控制网络也不再局限于工厂内部封闭的系统中,而是能和互联网通信,这部分当然也需要更高级的软件平台的支撑。

  再者,基于网络的服务与工业整合。从卖产品到卖服务的转变,将是未来发展的大趋势。服务型导向的商业模式正在改变更多传统工业企业的商业模式。就像现在电信运营商那里购买几年的通信套餐服务就可以免费或低价的获得手机一样,未来的家电、家居甚至汽车等都可能通过服务合约而免费赠送。因此,制造业企业CPS的构建,生产出的产品的联网能力与企业服务网络的构建也很重要。

  三、制造业企业CPS与精益生产的融合

  前面提到,要在构建企业级CPS的过程中融入精益的理念和思想,而且实现两者互融互通,贯穿到企业业务的方方面面,这是制造业企业CPS应该具备个性化的关键点所在。

  那么现在问题又来了,制造业企业构建CPS,这可能是个漫长而庞大的工程,而同时更重要的是在这个过程中,需要根据企业的外部竞争环境和内部适应性,逐步的提升管理和贯彻精益生产,提高效益水平,这也不是一蹴而就的事情;那么,在企业资金和资源有限的前提下,这两者如何能够和谐的互通共荣?企业如何根据自身情况有效规划,在合适的时机推动某一项业务的变革(包括物理资产的升级改造、管理模式的转变、人的提升等)。一个具体的企业,究竟如何决策才是最科学合理的,怎么判断在什么时候进行何种投资和业务改进呢?这些问题对于每个企业来说都是很大的挑战。

  对于这些问题,也是我们一直在思索和探讨的问题,对此我们也进行了全面深入的调查、研究和分析。现在,在基于制造业企业CPS理论和精益生产理论的基础之上,融合我们在工业领域多年的企业信息化咨询和服务的丰富经验,我们形成了一套行之有效的“卓越制造标准体系”,通过这套体系,可以帮助企业评估当前所处的发展水平和存在的瓶颈问题,并给出相应的解决方案建议。

  这套体系基于CPS的构成要素和精益思想的精髓融会贯通,把制造业企业的业务行为和管理过程进行抽取、转换、映射和再融合,最终科学的解构为人员、物体、资源、管理和信息五个域,通过对这五个域的分解细化,基本涵盖了企业智能制造的全过程,通过对此进行指标评价,可以清晰的对企业智能制造的水平给出量化的判定,涉及了企业的各个层次和各个方面。

  具体来说,卓越制造标准体系设置了5级模型,分别为管理初始阶段、管理升级阶段、基础完善阶段、持续改善阶段和卓越制造阶段。通过所设定的各项细分指标(已细化到48项二级指标和240项三级指标),使用问卷、访谈、实地考察、甚至有可能是第三方鉴定等调研手段,针对企业智能制造的这五个域进行客观的评估,并综合得出企业在各方面目前处于哪一级的发展阶段。

卓越制造标准体系
卓越制造标准体系

  最后的评价结果与企业共同进行分析和讨论,结合企业未来发展的愿景,我们诊断定位企业的短板,并给出相应的改进方案建议和实施路径,比如,困扰很多企业的产能匹配问题,会细化分解到供应链的问题、物流配送的问题、库存管理的问题、生产排产的问题、产线布局的问题、设备工装的问题、操作人员的问题、管理方式的问题、研发工艺的问题等等,具化的方案建议可能包括更改产线布局、设备工装更换、生产流程改进、管理方式变革、操作人员培训、设备保养计划、变更流程控制、高级计划排程、产线数据采集、质量控制体系等等,最后给出系统性方案,所有的改进建议如何实施推进,如何建立规章制度、如何通过IT系统固化等等。这套体系经过实际的项目检验,已经取得了一些成效,获得了不少企业的认同,很多企业的生产管理在经过科学的评估后,都迅速定位了瓶颈问题和关键改进点,经过业务咨询、流程改进和IT支撑与固化,业务上在短期内都得到了针对性的有效的改善。

  四、MES与制造业企业CPS的关系

  我们知道,作为制造企业生产前线的解决方案,MES系统在过去的十几年发展迅速。在制造业企业CPS构建中,MES系统实际是CPS的重要组成部分,是实现制造业企业中“物理世界”与“虚拟世界”联通的重要手段和有效途径。MES系统“承上启下”的特性,使其具备通过对车间人员、设备、物料等“实物”数据的采集与跟踪,实现生产现场与管理活动的数据转换和信息沟通的能力。

  其次,MES系统中的实时化管理、减少无附加值的活动、提高交货能力、实现对制造系统的集成等实施价值,都是与精益生产“创造价值,消除浪费”的理念不谋而合的。因此,从制造业企业CPS构建的思想层面,MES系统是实现精益生产的技术支撑和最佳软件载体。

  再者,MES系统向智能化方向发展的趋势必将促进制造业企业向“智能工厂”和“智能生产”的方向发展。面对未来,企业仅关注生产监控、数据采集等问题是远远不够的,在解决了生产过程的自动化后,必然向智能化发展。MES系统在未来将进一步实现现场实时分析、协同智能决策及时调整制造执行过程,将进一步打通从上游到下游的整个供应链,未来的生产将处于“工业集成”的应用时代。MES系统将变得更加智能,这也是工厂智能化的强大推动力。

  因此,综上所述,工业4.0与制造业企业发展的关系,从当前发展阶段来看,应该是以构建企业CPS为目标,卓越标准制造体系为指南,以MES系统为代表的一系列软硬件系统为支撑体系,为最终实现智能工厂和智能生产打下坚实的基础。

  作者:武汉佰思杰科技有限公司 李佑莉 刘朱锋

  关于佰思杰公司:前身为武汉佰钧成技术有限责任公司的企业信息化事业部,根据集团多元化、专业化、独立化的经营战略和发展规划,于2012年分拆并正式成立了武汉佰思杰科技有限公司。佰思杰为国内大中型制造企业(集团)提供个性化整体性的IT支撑服务和专业化解决方案,业务范围涵盖企业信息化领域的PLM、ERP、MES、MRO、QMS、WMS、eHR、BPM、数据中心、企业门户等全业务链条。  
责任编辑:涂君军
本文为作者授权转载文章,任何人未经原作者同意,不得复制、转载、摘编等任何方式进行使用,e-works不承担由此而产生的任何法律责任! 如有异议请及时告之,以便进行及时处理。联系方式:editor@e-works.net.cn tel:027-87592219/20/21。
e-works
官方微信
掌上
信息化
编辑推荐
新闻推荐
博客推荐
视频推荐