MOM：智能工厂的大脑——“三化融合”打造柔性智能工厂
建设智能工厂必须同时考虑自动化、精益化和信息化，三者缺一不可，只有三者互相支撑、融合提升，必须同时兼顾局部优化和全局优化，避免信息孤岛、自动化孤岛，才能真正实现数字化转型和智能化提升引领，从而成为领先的精益智能工厂。
作者：佰思杰CTO 骆金松
随着个性化定制的需求越来越突出，多品种、小批量、 短交期对生产管理造成了很大难度。
▲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着如下困难。比较典型的包括：计划编制的困难、成套和缺件的困难、高库存和在制品、多个部门之间协同的困难、柔性自动化产线集成的困难、生产过程的管控、应对变更和插单的困难等。
▲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，主要有如下几个方面：
▲应对个性化定制的常见措施
许多企业意识到要解决这个问题，必须考虑建设柔性自动化和智能工厂，对于其中的自动化和信息化的建设，选择了“优先推进单点自动化→集成和数字化转型→智能化提升和引领”的实施路径。
▲柔性智能工厂常见的推进策略
这种渐进式智能工厂建设路线应该是正确的，单点自动化和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的原理图，主要包括了加工单元、存储系统、搬运系统、工夹具管理、管理信息系统五个部分。
▲常见的柔性制造系统的原理图
但是一些企业投入了很多资金，进行了柔性自动化改善，但没有发挥出应有的效益，常见的特征包括：
▲自动化产线建设常见的问题
（1） 自动化产线手工输入、统计分析和生产切换麻烦
产线的数据都是手工输入，容易出现人为的错误，而且生产切换周期较长，生产过程、质量数据通常需要导出，依靠手工汇总才能进行统计分析。造成这个问题的原因是上层信息系统缺位，或者有上层信息化系统，但是缺少集成。
（2） 缺少统一的集成规范，集成的难度和成本很高
自动化产线建设缺少信息化集成接口规范，为将来的集成造成许多技术上的困难，补救成本很高。造成这个问题的原因是前期轻视信息化的作用，信息化部门参与不足，缺少集成标准和规范。
（3） 自动化仓储和物流设备重复建设、浪费严重
每条线都有独立的自动化仓储和物流设备，互相不能共享使用，大部分仓储物流设备利用率不高，导致很大的重复投资和浪费。造成这个问题的原因是总体规划不足，缺少上层信息系统的同步建设，造成各生产线各自为政，重复建设的问题。
（4） 企业其他部分的工作没有跟上来，自动化不能充分发挥作用
企业其他部分的工作没有跟上来，例如物料齐套率不高、缺少自动化配送，该自动化系统的作用不能充分发挥。造成这个问题的原因是，配套的工作没有同步进行，包括信息系统的建设，物流系统的建设、供应链系统的建设、设计工艺的模块化和结构化等。
（5） 自动化系统运维的难度和成本都很高
由于不同柔性生产线的管理系统由不同厂家提供，功能模块完整程度不一，技术架构不同，这些系统的运维非常困难。造成这个问题的原因是缺少标准化。
（6） 没有从企业整体考虑，没有解决企业的关键问题
有些自动化项目在立项时，没有从企业整体考虑，没有解决企业的关键问题，局部优化不代表整体优化，产生成本，不产生效益。造成这个问题的原因通常是：精益化总体规划不足，没有找对优化关键点或方向。
▲产线自动化未必是企业的关键问题
以上这6个问题导致的结果是形成了“自动化孤岛”！ 前期花费了大量资金、精力和时间，但却没有取得应有的效益，事后集成时又需要花费大量的金钱、时间和精力去加以补救，而且补救的难度还非常大。处理的不好，“先建设再集成”有时是短视的、不负责任的说法！！！
▲自动化孤岛
局部自动化一般是指针对企业的某一部分，如一台机器、一个单元、一条产线、一个车间所实现的自动化，如果做得好，它也能使该局部实现优化，即局部优化。局部自动化形成了所谓的“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，但是如果缺少统一指挥和调度的指挥官，整体作战能力就会很差。
事实上，许多企业也意识到总体规划的重要性，但是在总体规划方面能力不足，面临着很多难以跨越的问题，例如：
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？
笔者认为，建设智能工厂必须同时考虑自动化、精益化和信息化，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和智能化提升，从而成为领先的精益智能工厂。
▲三化融合推进智能工厂
精益化既是智能制造的基础也是目标，同时需要关注局部优化和全局优化。智能工厂建设必须帮助降低成本、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，需要进行自动化和信息化的总体规划，并指引自动化、信息化和智能化项目的实施。
自动化通常要先行，更多替代体力劳动，更多关注局部优化的实现。自动化通常可以更好实现少人化、减少人的体力劳动、提高生产效率、提高产品质量的稳定性，为信息化和智能化创造条件，信息部门必须参与自动化项目，制定自动化产线与各个业务、中控系统的集成接口标准。
信息化支撑智能化，更多替代脑力劳动，更多关注整体优化的实现。信息化负责生产计划的制定、所有产线/设备的联网、包含生产、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和高效利用，实现柔性自动化生产和精益化生产，更大程度上减少人的脑力劳动。
▲正确理解自动化、信息化、精益化的辩证关系
如下图，我们从三个维度将精益、自动化和信息化分为4个层次：
从精益的角度，我们追求更高层次的精益，从单元级的改善（例如柔性单元或柔性产线）提升到车间级、工厂级甚至供应链级的改善。
从自动化角度，从刚性自动化、柔性单元、柔性产线上升到柔性自动化工厂的改善。
从信息化角度，从碎片式系统、集成式系统上升到平台一体化、智能化平台。
如下图所示，通过产线的自动化实现单点级的改善，通过信息化、智能化实现对车间、工厂、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
对于自动化的产线/设备，更多是接收指令与工艺参数，并进行自动化的生产，可以认为更多替代了人的体力劳动，是生产制造的执行机构。当然，自动化设备不仅仅可以替代人生产执行，而且可以替代人进行生产排程、物流配送、质量检验、包装发运、生产调度等。
我们认为：MOM/MES平台是制造系统的大脑，负责计划的制定、所有产线/设备的联网、包含生产、质量、仓储、物流、包装等资源和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和高效利用。
▲MOM/MES驱动制造，是制造系统的大脑
下图展示了MOM如何打造数字孪生工厂，并展示了工业物联、工业智能、边缘计算、柔性自动化等技术对数字孪生工厂的支撑。其中MOM通过状态感知实现了信息流与实物流的一致性，并通过工业智能、自主控制实现对工厂的动态调度和优化，从而实现大脑的作用。
▲基于MOM打造数字孪生工厂
虽然柔性单元、柔性生产线具有部分感知、边缘控制功能，但柔性单元和柔性线更大程度上是为了替代人的体力劳动，更多还是关注局部优化。MOM/MES是为了更多的替代让人的脑力劳动，更多的关注制造系统整体的优化。
MOM/MES并不替代传统的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是互补的关系。下图展示了MOM/MES与PLM、ERP、IOT系统之间的关系，并展示了部分智能化支撑手段的业务场景。
▲部分智能化支撑手段的业务流场景
如下图所示，MOM位于产品生命周期轴、企业信息化轴、价值链轴的核心交汇环节，必须避免制造运营管理相关信息系统的碎片化，建议建立统一的MOM平台。
▲避免制造运营管理信息系统碎片化
从总体规划角度来，建立统一的制造运营平台，需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。
▲统一的制造运营平台需考虑的因素
另外，对于集团型企业，还需要考虑覆盖不同管理层次的需求，能覆盖集团、园区、分厂、车间、产线、工位多个层次管控的需求。建立多层级计划一体联动、基地/分厂物流协同、制造过程透明、质量全生命周期溯源、产线/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
为了更好实现MOM的高效协同，最好选择一体化平台的MOM系统，基于统一的底层技术平台，可选配的业务模块、单一的数据源、统一的开发运维平台，减少系统集成和接口的数量。MOM平台通常提供了生产排程、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、工业物联等功能。
▲基于单一数据源的一体化MOM平台
对于柔性自动化工厂，其建设不是一蹴而就的，必须持续的优化和调整，不断提高自动化、精益化和智能化水平，这就要求最核心的信息系统MOM也必须是灵活的、可扩展的，或者说是柔性的。
从业务角度，MOM应该提供如下建模功能，可以方便定义产品工艺模型、柔性自动化单元、计划和调度模型、仓储和物流模型、质量控制模型、设备联网模型、智能分析等模型，这些建模功能可以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，系统应该建立一种低代码可配置的开发方式，提供包括数据结构建模、基于脚本的插件开发、在线的表单设计、在线的报表看板设计、在线的集成接口开发等工具，可以快速对已有的功能模块进行扩展，也可以开发出新的模块。
▲从IT角度提供低代码可配置的开发方式
对于高度自动化的工厂，为了实现柔性自动化生产，MOM平台建议具备与产线集成、支持柔性生产建模、工业IOT物联的相关模块，可以快速搭建模型，不但可以加快项目推进的进度，提高系统的稳定性，而且可以保证系统良好的可维护性和灵活性，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）的功能与MOM平台中许多模块，如计划排程、生产执行、物料配送、质量管理、设备监控等均有相关关系，也需要利用“工业物联”模块用来连接自动化生生产、仓储和物流设施，基于上述特性我们认为FMS系统可以作为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，包括三个自动焊、人工焊、机加工作业岛。
▲包含三个作业岛的柔性生产线
下图展示了MOM系统内置的FMS模块对柔性产线的建模能力。
▲在MOM中可以通过配置映射到柔性生产线的相关要素
另外MOM最好提供可配置的指令系统，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、拉动物流配送、驱动在制品的转序等功能。
▲MOM内置IOT模块实现采集控制配置
总体来说，MOM一体化平台的选型可以考虑如下图所示诸多方面，可以参见笔者关于MOM平台选型和实施建议相关的文章。
▲MOM一体化平台的选型建议
针对柔性智能工厂中，计划排程、生产准备、生产执行、质量控制、仓储物流、包装发货等相关业务的规划思路和落地，笔者也有一些产品规划和项目经验分享给大家，抛砖引玉。
对于多品种、小批量、短交期、多变化的柔性自动化工厂，生产计划的制定通常是非常困难的，尤其是经常插单、工艺经常变更、生产过程不稳定的情形，同时还需要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，因此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，我们的客户甚至一个车间有10多个计划员，但是计划制定效果依然不理想。
▲计划智能排程与调度优化
生产计划是整个工厂运行的指挥棒，生产计划需要指导物料的备料、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、按顺序进行生产切换等。如果生产计划不合理，将导致产能的巨大损失，原材料和在制品积压、无法按期交货等许多的问题。
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，不仅考虑单个设备、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。例如有些批量生产的工序(如烘烤、老化、干燥)，或瓶颈工序需要拉动上游工序的生产，这样可以有效减少在制品的数量，事实上自动化工厂在制品缓存都有一定的容量限制。
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，并提前驱动生产准备，并对异常进行及时的预警。过去要人工去了解和跟踪物料的齐套、工具工装的情况，无疑需要花费大量的时间，而且得到的信息时效性比较差，经常会造成计划不合理。
对于多品种、小批量、短交期、多变化的工厂，APS解决了过去常说的“计划没有变化快”的问题，排程模块可以根据收集的最新信息，设备的可用情况、订单的齐套性等，支持快速滚动重排，确保计划更新的合理性和及时性，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性，这一点对于柔性自动化工厂无疑是非常重要的支撑。
对于自动化工厂，越来越多的工厂建设了立体仓库，并配备了自动输送线、AGV等自动化物流设备。但是如果缺少根据生产计划的提前备料，以及生产执行过程中根据实时进度驱动自动出库和AGV提前准时配送，就无法支撑自动化产线的连续生产。
为了实现生产过程中的自动化物料配送，一般需要事先将物料入自动化立体库，为了加快自动化立体库的周转率，可以根据最近生产计划所需要的物料将物料事先备料到立体库中，一旦生产计划即将被执行时，就可以提前拉动相关的物料精准配送到工位。
对于自动化设备，上料点一般只能储存非常有限的物料，配送太多物料到配送点导致上料点无法接收，甚至占用AGV设备，或导致自动化输送线的拥堵。如果配送不及时会导致生产线停工待料。所以必须确定合理的配送策略，实时监控上料点的物料消耗，及时进行补充配送。例如，MOM调度平台，可以根据各个上料点配送物料的周期及上料点可缓存的容量，设置物料任务下发的数量，以此来控制物料在途数以及下发节奏，从而保证物料的及时供应，也不至于造成物流的阻塞。
同时，MOM平台也可以从业务层面，对物流任务进行组合管理，通过建立任务池的机制，对一定周期内的物流任务进行优化组合，提高物流设备的利用率和物流执行的效率。在某项目中有双工位AGV、堆垛机，MOM平台对业务触发的物流任务打包组合，将相邻区域或者同巷道的物流任务组合下发，以便物流设备一次并行执行多个任务，提高物流效率和设备利用率。
▲柔性自动化精准配送场景
现在越来越多的企业推行精益的供应链，甚至是拉动供应商精准将物料直送到装配车间的工位，必须将物料拉动配送系统进一步延伸到供应商，这就要求对供应链的精准掌控能力，必须实时掌握供应商的物料齐套情况，并且确保供应商能够按要求实现精准配送。
除了物料以外，还需要进行工具工装的准备，根据生产计划，系统可以自动检查工具工装的齐套情况，不齐套的工具工装需要实现入库到立体库，并实时监控工具工装的齐套情况。生产过程中，根据生产的实时进度，驱动立体库自动出库、AGV自动将工具工装配送到工位。
例如对于某刹车片工厂，热压工序需要对刹车片进行粉末冶金成型，模具是重要的工具工装，不同刹车片的形状、尺寸不同，需要使用不同的模具，因为涉及到数以百计的热压机，每天有大量的模具出库、预热、配送任务，这些工作必须合理的安排，否则会影响到热压工序的连续生产。
▲拉动模具的配送、驱动模具的回收
上图展示了模具的出库、配送、预热、更换、模具回收的全过程。其中只有更换过程需要人工参与，其他所有工作包括模具的自动出库、模具输送线AGV自动配送到预热箱、模具在预热箱自动预热、预热好的模具AGV配送到工位、AGV将回收的模具配送到立库、立库堆垛机自动入库全过程都自动实现。
基于这种方法，即使还没有到上班时间，MOM系统根据当日生产计划，可以调度立体库模具提前出库，通知AGV将模具配送到指定的预热箱进行预热，这样员工上班之后就可以立刻进行模具安装或换模，最大限度减少热压设备等待时间。这样人和机器和谐交互，充分发挥各自的优势。
对于自动化的生产，MOM需要建立一套可自动执行的闭环控制流程，包括设备的唤醒、拉动物料配送、工艺参数下发、自动上料、启动设备生产、采集与自动报工、任务完工、生产切换控制等。自动化产线需要遵循标准的集成协议，以实现与MOM平台的统一集成。
▲MOM驱动自动化生产控制流程
对于自动化设备，MOM在某个自动化设备生产完成时，通知设备进入待机状态，以最大限度节省能源，当需要再次生产时，MOM发送指令给设备对设备进行唤醒。
生产线按一定的速率生产产品/半成品，同时消耗零部件和原材料，MOM需要监控上料点的消耗情况，提前拉动物料的配送，维持生产的持续性同时，确保生产物料的持续供应。
当某自动化设备生产完一个订单时，按计划排程的顺序要自动切换到下一订单继续生产。前一个订单生产完成之前，下一个订单的物料可能已经开始配送，以便可以确保产线的连续生产。
为了确保与设备的可靠集成，MOM一般提供指令池，并提供对指令的调度，以便跟踪指令的执行情况。
有些产线提供了在线检验功能，能够实时采集产品的质量信息，基于SPC分析对异常进行监控，一旦出现异常立刻停止生产，并及时进行预警，通常是声光提醒，避免大批量的不合格品，并及时对异常进行处理。
我们有些项目实施了在线测量功能，例如实时采集磨削之后的厚度，并进行SPC分析，例如监控到尺寸连续7个点上升（异常判定规则的一种），即可判定存在异常。另外有些项目实施了机器视觉检测，并对不合格品进行剔除。
▲质量信息实时采集与监控预警
有些生产工序，需要进行首件检验，这通常需要人的介入，生产完首个产品（也可能是几个）时，设备自动停下等待首件检验，并进行声光提醒和计时，检验员基于PDA反馈首检结果，支持一键确认继续生产，最大限度确保首件检验得以及时进行，减少设备等待时间。
对于自动化产线产出的半成品，应该及时装盒（或其他容器、托盘等），MOM应实时掌控产线产出半成品的情况，并及时驱动AGV将半成品配送到下一自动化产线和设备的上料点。同时在在制品到达下一工序前，下达工艺参数、检验参数等加工信息，保证设备加工时有对应的工艺控制信息。
对于后工序有较长等待时间的情况，例如产品需要静置若干小时、或者后工序是批量生产方式（例如烘烤、老化、干燥），需要积累一定量的半成品，此时可能需要驱动AGV临时入缓冲区，甚至驱动入自动化立体库。
MOM需要掌握在制品流转的实时情况，包括监控在制品缓冲区、立体库的货位使用情况、并调度空容器，以确保自动化产线产出产品时不会因为空容器不足而停止生产。对于已消耗的物料产生的空容器，MOM应该及时回收。
▲在制品自动转序和成品入库
MOM必须实时掌握工厂的运行情况，实物流和数据流必须保持一致。原材料的配送、在制品的周转、成品的入库、工具工装的配送都离不开容器和托盘。一般需要采用RFID和条码技术。
随着个性化定制的需求越来越突出，制造企业建设柔性智能工厂的需求越来越迫切。我们认为，建设智能工厂必须同时考虑自动化、精益化和信息化，三者缺一不可，只有三者互相支撑、融合提升，必须同时兼顾局部优化和全局优化，避免信息孤岛、自动化孤岛，才能真正实现数字化转型和智能化提升引领，从而成为领先的精益智能工厂。
制造运营平台MOM是制造系统的大脑，要实现多生产资源的计划排程和动态调度，确保生产资源的优化和高效利用。必须实现MOM中信息流和实物流的一致，并通过工业智能、自主控制实现对工厂的动态调度和优化，从而实现大脑的作用。应该考虑建设统一的MOM平台，避免信息系统碎片化。MOM应该覆盖零部件到总装发货全制造业务链条、实现异地多工厂协同，各组织职能横向高效协同，支持人机料法环全生产要素、支持与供应商的协同等。
智能工厂需要持续改进，MOM平台应该是柔性可配置的。包括了对产品工艺、柔性单元产线、计划排程、生产资源、仓储物流、质量控制、设备联网、分析优化等方面业务方面的建模能力。从IT角度，MOM提供一种低代码可配置的开发方式，提供包括数据结构建模、基于脚本的插件开发、在线的表单设计、在线的报表看板设计、在线的集成接口开发等工具，可以快速对已有的功能模块进行扩展，也可以开发出新的模块。
对于高度自动化的工厂，为了实现柔性自动化生产，MOM平台建议具备与产线集成、支持柔性生产建模、工业IOT物联的相关模块。FMS（柔性制造系统）的功能与MOM平台中许多模块，如计划排程、生产执行、物料配送、质量管理、设备监控等均有相关关系，也需要利用“工业物联”模块用来连接自动化生生产、仓储和物流设施，基于上述特性我们认为FMS系统可以作为MOM平台的子模块，通过MOM平台为传统FMS“赋能”。