智造单元——工业4.0时代智慧工厂的基本单元

           智造单元，是设计与实施智造工厂的有效组线模式。作为一个最小的数字化单元，提供了一个完整的多品种小批量的解决方案。甚至可以在不影响产线运转的情况下，实现多种设备的在线入列和出列的切换。简单讲，它可以针对装备制造业的离散加工现场，把一组能力相近的加工设备和辅助设备进行模块化、集成化、一体化，实现智慧工厂各项能力的相互接口，具备多品种少批量（单件）产品生产能力输出的组织模块。它从资源轴、 管理轴和执行轴这三个角度，来实现基本工作单元的模块化、自动化、信息化，从而实现工厂的数字化、高效率运转。

           智造单元的工作原理如图1所示：

           智造单元可以由如上示意图的“一个现场，三个轴向”来说明，包括：资源轴向、内向管理轴向和工作执行轴向。

           资源轴上，主要是对人员、流程、产品、设备的管理。资源可以是任何活动的对象，也可以是执行这些活动的前瞻主题。特别值得注意的是，员工是宝贵的资产。工厂工人在物理世界生产产品，不管职务是不是管理者，都会做决定并给其他人下达指示。

           而管理轴则是质量、成本、交期、安全，是生产过程中核心输出的要素管控与运维；而在执行轴PDCA，则是标准的戴明环，也就是计划（Plan）、执行（Do）、检查（Check）、纠正（Action）。

           在明确了工厂现场的三大主轴之后，智能制造的建设路径就浮出水面。通过智造单元的组合，整个智能工厂的建设，就可以通过模块化、分区化的方式，进行自由的升级组合，从而大大提高智能工厂的建设效率。

           智造单元的构成

           智造单元的模块构成包括：现场自动化、信息化和智能化，如图2所示。

           从体系机构上看，包括模块化、单元化、集成化和一体化四部分。模块化和单元化可以令产品快速得到推广，集成化服务于一条产线，一体化解决了一个系统范畴的智造生态环境。

           再从软件体系看，它以MES为核心，可以独立运行，而智造单元的系统则可自由兼容工厂原有的软件。向下跟MDC/DNC连接，或者通过物联直接与设备相连；向上连接至PLM、CAPP、ERP；横向与仓储管理系统WMS对接；而在生产任务执行上，则可以连接高级优化排产系统APS上，实现自动优化排产，实现高效生产。

           智造单元与数字工厂的落成，绝不是智能体系的完成，而只是一个开始。因为在戴明环PDCA中，需要有一种持续改善的推动力——而人是最为重要的环节。物理实体和数字虚体的CPS场景建设，是系统集成商可以完成的；但人的经验和判断，必须有客户在现场生产线上的参与才可以执行。所以说，一个智能制造的现场循环往复升级一定是三者相加才可以运行，单纯任何一方建造一个智能工厂都不是客观的表达。

           PDCA中最为核心的就是推动改善的动力源和方向，只有把人的因素考虑进来，那么这个戴明环才有了运转方向。这种基于人的优化，将人放在闭环之中，不断循环，才能逐渐形成智能部分，这就是智能制造的核心。

           智造单元最为重要的地方，就是将“人机网”一体化。“人机物”与“信息流、物流”紧密地融合在一起。与传统的“智能制造”过于强调“智能”的自决策性不同，智造单元一开始就将人纳入闭环之中，使得成为人机协作的典范。这就非常有实效的适应了实施智能制造初期的基础环境。

           智造单元的基本价值观是，工厂现有的投资，需要得到最大的保护与传承。这就意味着，继往投入的设备等各种资产在将来可以被重复使用。一方面生产自动化的柔性大幅度提高，同时，智造单元的思想，可以把车间人工作业单元作为一个能力中心，一体化进入车间或公司的智能生态系统。由于重用性的提高，人工单元能力中心的一体化进入，对既有设备的投资，具有非常强的保护，同时，又在整体的智能生态下最大化的实现现场设备的效率和效能。这种四代同堂设备的运维方式，正是通过智造单元得以实现，体现了自动化、模块化和数字化的叠加效果。

           有了以上的硬件、软件和模块化组合，那么智能单元，就可以完成自由的组合，实现分扇区、分阶段、分设备，对同一个工厂的不同设备、甚至同一条线的不同设备，进行“设备解列”与“设备入列”的在线切换模式。

           在现有的工厂中，往往存在各种不同型号、不同代级的设备，完全可以称为“设备世家 四世同堂”。现场有许多原来的老设备，维护得也很好；也有新设备，包括机器人、自动机械手等。如何将跨年代、跨型号的设备有效连接和升级改造，而不是简单地一刀切地淘汰，是一个头疼的现场问题。实际上，在这些装备中，有些是可以直接进产线的，有些是可以通过改造后进入产线的。

           智造单元考虑到四代同堂设备的现状，分析不同设备的信息采集机制，通过灵活的信息收集方式，有些设备不需要联网通信，只需采集信号；而有的设备，则可以采用多接口集成器，区别不同的数据采集方式，将各种设备集成进来。

           由于智造单元具有丰富的模块化接口，在现场可以采用“空间换时间”的措施，实现多设备共线运行。例如在生产现场，可能存在特别大型的设备，不便于搬运，那么就采用“空间换时间”的智能制造组合模式，通过智能物流采用AGV把各单元线无缝连起来。而对于单向链很长的产品，或者多个产品，则可以采用多个智造单元的阵列形式，其物资存取，可以是一个库，也可以是多个库。

           这就意味着“以人为本、智造先行”的理念，将智慧工厂从大到小、自上而下开始拆分，从工厂到车间、到产线、到生产岛、到单机设备的规划布局；使用自下而上的方式进行实施，单机设备、单元岛、智造单元、智造产线、智慧工厂，逐渐嵌套式、单元化处理，体现了智能制造的柔性，充分发挥数字化、网络化的特点。

           要实现智能制造，要兼顾投资和未来发展的需要，更为重要的是，一定要兼容企业现有的软件体系，传递和延续客户沉淀的管理智慧以及原软件体系的价值。这种情况下，往往需要同线齐进（产线不断实现设备解列升级）、多阶段混合（半自动化、半数字化相混合）、设备四世同堂（各种不同年代的设备同时推进），则意味智能制造的落地，必然是由各种智造单元所组成。而智造单元，正是通向智能制造的必经之路。