“三化融合”打造柔性数字工厂（上）
建设数字工厂需考虑自动化、精益化和信息化，三者缺一不可，只有三者相互支撑、融合提升，同时要兼顾局部优化和全局优化，避免信息孤岛和自动化孤岛，才能真正实现数字化转型，成为领先的精益数字工厂。
定制化生产面临的挑战
随着个性化定制需求越来越突出，多品种小批量、 短交期给生产管理带来了很大难度。
▲大规模定制下产品生产的特点
个性化定制生产企业普遍面临这些困难。困难主要集中在以下这些方面：计划编制、成套和缺件、高库存和在制品、多个部门之间协同、柔性自动化产线集成、生产过程、应对变更和插单等。
▲定制化生产面临的现实问题
常见的应对策略包括大规模定制和柔性化生产，主要有几个方面：
▲应对个性化定制的常见措施
先建设后集成的问题
很多企业意识到解决这个问题，需考虑建设柔性自动化及数字工厂，其中的自动化和信息化的建设，他们选择了：优先推进单点自动化→集成和数字化转型→智能化提升及引领的实施路径。
▲柔性数字工厂常见的推进策略
这种渐进式数字工厂建设路线是正确的，单点自动化及柔性化通常会选择建设柔性化自动化的生产线。下图是常见的柔性制造系统原理图，包括了加工单元、存储系统、搬运系统、工夹具管理及管理信息系统这五个部分。
▲常见的柔性制造系统的原理图
有些企业投入了很多资金，进行柔性自动化改善，但并没有发挥出应有的效益，常见的特征如下：
▲自动化产线建设常见的问题
（1） 自动化产线手工输入、统计分析及生产切换麻烦
产线数据均是手工输入，易出现人为错误，且生产切换周期长，生产过程、质量数据通常需要导出，靠手工汇总才能进行统计分析。造成这个问题的主要原因是上层信息系统缺位，或有上层信息化系统，但缺少集成。
（2） 缺少统一集成规范，集成难度和成本很高
自动化产线的建设缺少信息化集成接口规范，为将来集成造成很多技术上的困难，补救成本很高。原因是前期轻视信息化的作用，信息化部门参与不够，缺少集成标准及规范。
（3） 自动化仓储与物流设备重复建设、浪费严重
每条线都有独立的自动化仓储与物流设备，不能共享使用，大部分仓储物流设备利用率很低，导致重复投资和浪费。原因是总体规划不足，缺少上层信息系统同步建设，导致各生产线各自为政，重复建设。
（4） 企业其他部分工作没有跟上来，自动化无法充分发挥作用
企业其他部分工作没跟上来，比如物料齐套率低、缺少自动化配送，该自动化系统作用不能充分发挥。造成这个问题的原因是配套工作没有同步进行，包括信息系统、物流系统、供应链系统的建设，设计工艺的模块化和结构化等。
（5） 自动化系统运维难度和成本高
由于不同柔性生产线管理系统是由不同厂家提供的，功能模块完整程度不一，技术架构也不同，这些系统的运维也非常困难。造成这个问题的原因是缺少标准化。
（6） 没从企业整体考虑，没解决企业关键问题
部分自动化项目在立项时，没从企业整体考虑，没解决企业的关键问题，局部优化不代表整体的优化，产生成本，但不产生效益。造成这个问题的原因是精益化总体规划不足，没有找对优化的关键点或者方向。
▲产线自动化未必是企业的关键问题
以上6个问题就导致了“自动化孤岛”！ 前期花费大量资金、精力及时间，却没有取得应有的效益，事后集成又需要花费大量金钱、时间和精力加以补救，且补救难度还很非常大。所以说，“先建设再集成”有时是短视的、不负责任的说法！
局部自动化是指针对企业的某个部分，比如一台机器、一个单元、一条产线、一个车间实现的自动化，假如做得好，也能使该局部实现优化，即局部优化。局部自动化形成了的“自动化孤岛”。这些单元自动化相当于，军队的单兵作战能力很强，但如果缺少统一指挥与调度的指挥官，整体作战能力就会变得很差。
三化融合推进数字工厂
事实上，很多企业也意识到了总体规划的重要性，但在总体规划方面能力不足，面临很多难以跨越的问题，比如：
精益生产如何指导自动化和信息化建设？
信息化如何对自动化进行支撑？
如何制定通用的集成规范和标准，减少集成成本，缩短项目周期？
如何通过信息化打通各个自动化单元，实现整体协同精益化？
建设数字工厂要同时考虑自动化、精益化与信息化，三者缺一不可，只有三者互相支撑、融合提升，才能真正实现数字化转型，成为领先的精益数字工厂。
▲三化融合推进数字工厂
精益化既是智能制造的基础，同时也是目标，需要关注局部优化和全局优化。数字工厂建设能帮助降低成本、提升品质、缩短交期，这与精益生产的目标一致，精益生产推进的同时，需进行自动化与信息化的总体规划，指引自动化、信息化及智能化项目实施。
自动化通常需要先行，更多替代体力劳动，更多关注局部优化的实现。自动化可以更好地减少人的体力劳动、提高生产效率、提高产品质量的稳定性，为信息化与智能化创造条件，信息部门参与自动化项目，制定自动化产线和各个业务、中控系统的集成接口标准。
信息化支撑智能化，更多代替脑力劳动，更多关注整体优化的实现。信息化负责生产计划制定、所有产线/设备联网、包括生产、质量、仓储、物流、包装等资源的计划调度，确保生产资源的自动优化与高效利用，实现柔性自动化生产与精益化生产，更大程度地减少、脑力劳动。
▲正确理解自动化、信息化、精益化的辩证关系
如图，从三个维度将精益、自动化与信息化分为4个层次：
精益的角度，追求更高层次的精益，从单元级的改善提升至车间级、工厂级甚至供应链级的改善。
自动化角度，从刚性自动化、柔性单元、柔性产线上升至柔性自动化工厂的改善。
信息化角度，从碎片式系统、集成式系统上升至平台一体化、智能化平台。
如图所示，通过产线自动化实现单点级的改善，通过信息化和智能化实现对车间、工厂与供应链更高层次的改善和优化。
▲通过信息化、智能化对精益提供更高层次的支持
MOM是制造系统的大脑
对于自动化的产线和设备，更多是接收指令和工艺参数，并进行自动化生产，可以认为替代了人的体力劳动，是生产制造的执行机构。当然，自动化设备不仅可以替代人生产执行，还能替代人进行生产排程、物流配送、质量检验、包装发运与生产调度等。
我们认为：MES平台是制造系统的大脑，负责计划的制定、所有产线和设备的联网、包含生产、质量、仓储、物流、包装等资源以及相关活动的计划排程和动态调度，确保生产资源的自动优化与高效利用。
▲MES驱动制造，是制造系统的大脑
虽然柔性单元、柔性生产线具有部分感知和边缘控制的功能，但柔性单元和柔性线更多是为了替代人的体力劳动，关注局部优化。MOM/MES是为了更多替代让人的脑力劳动，关注制造系统整体的优化。
MOM/MES并不是替代传统的PLM（产品生命周期管理）、ERP（企业资源规划）、IIOT（工业物联网）系统，而是与PLM、ERP、IOT形成了互补的关系。
▲部分智能化支撑手段的业务流场景
如下图，MOM位于产品生命周期轴、企业信息化轴和价值链轴的核心交汇环节，需避免制造运营管理相关信息系统的碎片化，建立统一的MOM平台。
▲避免制造运营管理信息系统碎片化
从总体角度来看，建立统一的制造运营平台，要考虑覆盖从零部件到总装发运全制造链、支持异地多工厂协同、支持各组织职能横向协同、支持人机料法环全生产要素、支持与供应商的协同、平台化和可持续发展支持等等。
▲统一的制造运营平台需考虑的因素
另外，对于集团型企业，还要考虑覆盖不同放入管理层次需求，覆盖集团、园区、分厂、车间、产线、工位多个层次管控需求。建立多层级计划一体联动、基地与分厂物流协同、制造过程透明、质量全生命周期溯源、产线与信息系统互联互通的管控体系。
▲覆盖集团、园区、分厂、车间、产线、工位多个层次的管控
为更好实现MOM高效协同，要选择一体化平台的MOM系统，基于统一底层技术平台，可选配的业务模块、单一的数据源和统一的开发运维平台，减少系统集成与接口的数量。MOM平台提供了生产排程、生产执行、仓库管理、物流执行、质量控制、设备管理、采购协同、能源环境管理以及工业物联等等功能。
▲基于单一数据源的一体化MOM平台
柔性工厂须配柔性的MOM系统
建设柔性自动化工厂不是一蹴而就的，要持续的优化和调整，不断提升自动化、精益化以及智能化水平，这就要求最核心的信息系统MOM也要是灵活可扩展、柔性的。
从业务角度来说，MOM应当提供如下建模功能，能方便定义产品工艺模型、柔性自动化单元、计划及调度模型、仓储及物流模型、质量控制模型、设备联网模型、智能分析等等模型，这些建模功能能方便对模型进行调整。
▲MOM需支持的低门槛的业务建模能力
从IT角度来说，系统应当建立低代码可配置的开发方式，提供包含数据结构建模、基于脚本的插件开发、在线表单设计、在线报表看板设计、在线集成接口开发等工具，能够快速对已有功能模块进行扩展，也可以开发出新模块。
▲从IT角度提供低代码可配置的开发方式
高度自动化的工厂，为实现柔性自动化生产，MOM平台建议具备和产线集成、支持柔性生产建模以及工业IOT物联的相关模块，能够快速搭建模型，不但能加快项目推进的进度，提高系统的稳定性，还能保证系统良好的可维护性与灵活性，满足工厂持续改进系统调整的要求。
▲MOM平台柔性生产建模和工业物联的相关支撑
FMS（柔性制造系统）的功能和MOM平台中很多模块，比如计划排程、生产执行、物料配送、质量管理、设备监控等都有相关关系，也需利用“工业物联”模块用来连接自动化生生产、仓储以及物流设施，基于以上特性，FMS系统可作为MOM平台的子模块，通过MOM平台为传统FMS“赋能”。
下图是一条焊接的柔性生产线，包含三个自动焊、人工焊、机加工作业岛。
▲包含三个作业岛的柔性生产线
德沃克智造系统能提供对自动化产线设备的内在集成能力，实现信息的采集、工艺信息下发、生产过程监控等功能。
▲德沃克智造系统虚拟工位
计划智能排程与调度优化
对多品种、小批量、短交期、多变化的柔性自动化工厂，生产计划制定通常是很困难的，特别是经常插单、工艺变更、生产过程不稳定，同时还需根据多品种的工艺差异，合理组合生产计划，减少工艺切换带来的成本，生产计划和调度通常是最需要经验，工作繁琐，最有挑战性的岗位，一个车间有10多个计划员，但计划制定效果依然不理想。
生产计划是工厂运行的指挥棒，生产计划要指导物料的备料、工具工装的准备、拉动物料的配送、驱动自动化设备自动生产和按顺序进行生产切换等。加入生产计划不合理，会导致产能的巨大损失，原材料以及在制品积压、无法按期交货等问题。
基于MOM平台，实施高级计划排程APS模块，建立拉动式的计划体系，考虑单个设备、单条产线产能的约束，最重要的是，考虑不同自动化产线之间的平衡，优化瓶颈，减少在制品。比如有些批量生产的工或瓶颈工序需要拉动上游工序的生产，这样能有效减少在制品数量，事实上自动化工厂在制品缓存都有一定容量限制。
系统可以快速验证生产计划的合理性，例如检查物料的齐套性、工具工装的准备，并且提前驱动生产准备，同事对异常进行及时的预警。以前要人工去了解和跟踪物料的齐套、工具工装的情况，需要花费大量的时间，得到的信息时效性很差，通常会造成计划不合理。
对多品种、小批量、短交期、多变化的工厂，APS解决了“计划没有变化快”的问题，排程模块能根据收集的最新信息，设备可用情况、订单齐套性等，支持快速滚动重排，确保计划更新的合理性与及时性，同时针对一定周期内的生产计划进行锁定，保证生产计划的稳定，这点对于柔性自动化工厂无疑是非常重要的支撑。