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智能制造的八個(gè)場(chǎng)景,柔性智造最為有效


中國(guó)的制造業(yè),無(wú)論是流程制造還是離散制造,都遇到了進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸期。對(duì)于流程制造來(lái)說(shuō),如水泥、鋼鐵,表現(xiàn)比較明顯的是能源利用率的提升問(wèn)題——特別是進(jìn)入雙碳時(shí)代后,制造業(yè)的環(huán)保需求逐步加大。對(duì)于離散制造來(lái)說(shuō),突出問(wèn)題是需求側(cè)市場(chǎng)變化太快,工廠的投入和產(chǎn)能存在巨大不確定性。

  智能制造的八大場(chǎng)景有六大場(chǎng)景著眼于產(chǎn)線的微觀智能,分別是自適應(yīng)控制、生產(chǎn)工藝優(yōu)化、能耗優(yōu)化、專(zhuān)家知識(shí)系統(tǒng)、智能質(zhì)檢、預(yù)測(cè)性維護(hù);另外兩大大場(chǎng)景著眼于大型組織的數(shù)據(jù)歸一與協(xié)同的宏觀智能,分別是數(shù)據(jù)移動(dòng)在線、產(chǎn)銷(xiāo)協(xié)同與柔性制造。從微觀到宏觀,這九大場(chǎng)景已經(jīng)基本覆蓋了智能制造的所有關(guān)鍵環(huán)節(jié),完全可以作為回答智能制造現(xiàn)階段問(wèn)題的著力點(diǎn)。

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場(chǎng)景一:數(shù)據(jù)移動(dòng)在線化

  去年12月工信部等八個(gè)部門(mén)正式印發(fā)《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》,明確到2035年,規(guī)模以上制造業(yè)企業(yè)全面普及數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化,重點(diǎn)行業(yè)骨干企業(yè)基本實(shí)現(xiàn)智能化。
 

  人員的排班排產(chǎn)、產(chǎn)線的調(diào)度優(yōu)化、貨物流轉(zhuǎn)、金融周轉(zhuǎn)等運(yùn)營(yíng)效率的提速,都需要生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)數(shù)據(jù)的在線化與移動(dòng)化。數(shù)據(jù)的在線可以讓企業(yè)管理人員在生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)過(guò)程中,依據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)不斷調(diào)優(yōu)決策。

  制造行業(yè)解決方案2.0從對(duì)生產(chǎn)狀況影響最大的人和設(shè)備著手,讓設(shè)備數(shù)據(jù)、成本數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)呈現(xiàn)。通過(guò)生產(chǎn)碼、庫(kù)位碼、報(bào)工碼、物料碼等四個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的二維碼,解決制造企業(yè)最核心的進(jìn)(采購(gòu))、銷(xiāo)(銷(xiāo)售)、存(倉(cāng)儲(chǔ))、生產(chǎn)環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)在線化和移動(dòng)化的難題。

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場(chǎng)景二:自適應(yīng)控制

  利用生產(chǎn)裝備和工藝的自動(dòng)化是智能制造在過(guò)去幾十年追求的重要目標(biāo),但是由于生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜性、生產(chǎn)原料的不穩(wěn)定性和環(huán)境變化,生產(chǎn)產(chǎn)線完全依賴(lài)傳統(tǒng)的PLC(可編程邏輯控制器)、DCS(分散控制系統(tǒng))很難做到自動(dòng)控制,依賴(lài)產(chǎn)線工人根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷各種異常進(jìn)行頻繁的操作控制,也會(huì)因?yàn)槠诤徒?jīng)驗(yàn)的差異出現(xiàn)波動(dòng)。
 

  融合數(shù)據(jù)感知和AI決策的自適應(yīng)控制應(yīng)運(yùn)而生。自適應(yīng)控制基于產(chǎn)線的機(jī)理進(jìn)行建模,根據(jù)歷史記錄,生產(chǎn)結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練和優(yōu)化,將模型下發(fā)到生產(chǎn)端根據(jù)產(chǎn)線實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)推理生產(chǎn)參數(shù)并推薦,最后結(jié)合控制技術(shù)對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行閉環(huán)控制。

  不同工藝專(zhuān)家技術(shù)水平不同,調(diào)出來(lái)的效果相差較大。而培養(yǎng)一位合格的工藝專(zhuān)家需要1--2年的時(shí)間,一旦離崗,經(jīng)驗(yàn)也隨之帶走。

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場(chǎng)景三:工藝優(yōu)化

  工藝,是一家企業(yè)如何利用生產(chǎn)工具對(duì)各種原材料、半成品進(jìn)行加工或處理,使之成為產(chǎn)品的方法,包括鑄造、鍛壓、機(jī)械加工、熱處理、焊接、裝配、油漆等工藝類(lèi)別。
 

  一方面,各個(gè)行業(yè)都有自己的通用數(shù)字工具和自動(dòng)化設(shè)備,如CAPP(計(jì)算機(jī)輔助工藝過(guò)程設(shè)計(jì)系統(tǒng))。另一方面,企業(yè)自主研發(fā)創(chuàng)新、經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的加工方法,可以成為企業(yè)自己的獨(dú)門(mén)秘籍,比如毛坯制作、機(jī)械加工、熱處理等各個(gè)環(huán)節(jié)先后順序的優(yōu)化,都可以提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、提升產(chǎn)品質(zhì)量,是一家工業(yè)企業(yè)最核心的競(jìng)爭(zhēng)力。

  每家制造業(yè)企業(yè)都規(guī)定了產(chǎn)品的工藝路線、機(jī)器設(shè)備和加工模具的種類(lèi)、品名及編號(hào)、檢驗(yàn)方法等,是組織生產(chǎn)和工人進(jìn)行生產(chǎn)操作的重要依據(jù)。

  過(guò)去20年中國(guó)制造業(yè)的工藝優(yōu)化,主要聚焦于兩個(gè)方面:引進(jìn)國(guó)外的輔助工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)和培養(yǎng)有經(jīng)驗(yàn)的專(zhuān)家。今天,則轉(zhuǎn)向了數(shù)據(jù)智能。

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場(chǎng)景四:能耗優(yōu)化

  能耗優(yōu)化直接關(guān)乎“十四五規(guī)劃和2035遠(yuǎn)景目標(biāo)”中“雙碳目標(biāo)”的達(dá)成,已經(jīng)成為流程制造企業(yè)發(fā)展的重中之重。《中國(guó)上市公司碳排放排行榜(2021)》顯示,登榜的100家A股和港股上市的高碳排放公司,分布在石化、化工、建材(水泥)、鋼鐵、有色、造紙、電力、航空八大高耗能行業(yè)。八大重點(diǎn)高能耗行業(yè)中的六個(gè),都屬于“大制造業(yè)”。傳統(tǒng)制造業(yè)的高端化、智能化、綠色化,提高了制造業(yè)對(duì)新技術(shù)的發(fā)展要求。
 

  水泥行業(yè)有著很高的煤耗和電耗,水泥的“兩磨一燒”工藝(生料磨、回轉(zhuǎn)窯與水泥粉磨),是保障水泥品質(zhì)穩(wěn)定的主要因素。

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  第一步:數(shù)據(jù)采集與清洗。結(jié)合工藝專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn),水泥工業(yè)大腦首先將生產(chǎn)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、設(shè)備管理系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)中的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行提取,包括質(zhì)檢數(shù)據(jù)、DCS數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)等。同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗,剔除噪音數(shù)據(jù)或無(wú)效數(shù)據(jù),補(bǔ)充缺失數(shù)據(jù),為下一步模型訓(xùn)練提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)資產(chǎn)。

  第二步:模型搭建。采用先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法,結(jié)合先進(jìn)過(guò)程控制模型,對(duì)所收集到的多維度數(shù)據(jù)進(jìn)行建模,真實(shí)還原水泥產(chǎn)線上的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程。并通過(guò)對(duì)大數(shù)據(jù)模型的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié),以實(shí)現(xiàn)從輸入?yún)?shù)到輸出參數(shù)的非線性映射關(guān)系。

  第三步:機(jī)器學(xué)習(xí)。通過(guò)采集六個(gè)月的歷史數(shù)據(jù),分析多達(dá)上百個(gè)變量之間的耦合關(guān)系,并對(duì)模型的輸出進(jìn)行預(yù)測(cè),使風(fēng)、煤、料的最佳組合范圍可量化、可視化,達(dá)到同等產(chǎn)量熟料質(zhì)量最好;同等質(zhì)量情況下,產(chǎn)量最高;或是同質(zhì)同產(chǎn)情況下,能耗最低。

  第四步:在線控制。最終生產(chǎn)線工藝參數(shù)的設(shè)定,會(huì)結(jié)合工藝參數(shù)范圍、步長(zhǎng)信息、工藝參數(shù)實(shí)時(shí)值等,由水泥工業(yè)大腦進(jìn)行多變量綜合分析,實(shí)時(shí)針對(duì)各工況的產(chǎn)量、質(zhì)量、能耗多目標(biāo)進(jìn)行尋優(yōu),推薦一組最佳的工藝參數(shù)實(shí)時(shí)反寫(xiě)回分散控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)水泥核心生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)駕駛、無(wú)人值守。

  以上自適應(yīng)控制、工藝優(yōu)化、能耗優(yōu)化的案例能夠清晰地看到,基本解決方案路徑:收集歷史數(shù)據(jù)--鎖定關(guān)鍵參數(shù)--構(gòu)建算法模型--用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驗(yàn)證算法模型,并進(jìn)行調(diào)優(yōu)--輸出動(dòng)態(tài)參數(shù)推薦,或連接自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

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場(chǎng)景五:專(zhuān)家知識(shí)系統(tǒng)

  從以上場(chǎng)景,不難發(fā)現(xiàn):在工業(yè)領(lǐng)域,傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的總結(jié)環(huán)節(jié)非常需要數(shù)據(jù)智能技術(shù)的加持。即便是有些制造業(yè)企業(yè)建立了數(shù)字化的專(zhuān)家系統(tǒng),把專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行文檔累積,但是實(shí)際情況中,把數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)輸入到專(zhuān)家系統(tǒng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力,每條記錄的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間缺乏聯(lián)系,仍然很難形成“數(shù)據(jù)資產(chǎn)”。
 

  在智能制造的時(shí)代,AI知識(shí)圖譜作為人工智能的一個(gè)分支領(lǐng)域,具有“知識(shí)抽取”和“知識(shí)關(guān)聯(lián)”的能力,值得被作為一個(gè)單獨(dú)的解決方案提供給更多的制造業(yè)企業(yè),在業(yè)內(nèi)被稱(chēng)為專(zhuān)家知識(shí)系統(tǒng)。

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場(chǎng)景六:智能質(zhì)檢

  制造業(yè)的質(zhì)量檢測(cè),可以應(yīng)用于產(chǎn)品的最終質(zhì)檢、物料制造的表檢,利用AI視覺(jué)識(shí)別技術(shù)來(lái)模擬人的視覺(jué)功能,從客觀圖像中提取信息,加以理解并進(jìn)行處理,最終用于實(shí)際檢測(cè)、測(cè)量和控制。AI視覺(jué)系統(tǒng)被應(yīng)用于各行業(yè)的生產(chǎn)中,如觸摸屏、激光加工、太陽(yáng)能電池板、半導(dǎo)體、食品飲料、制藥、消費(fèi)電子產(chǎn)品加工、汽車(chē)制造等提升產(chǎn)品成品率和良品率,是一種應(yīng)用較為廣泛和成熟的解決方案。
 

  因?yàn)橐揽咳说囊曈X(jué)進(jìn)行的質(zhì)量檢測(cè),會(huì)受到疲勞程度、精神集中程度的較大影響,所以只能采用抽檢的方法,才能節(jié)省相應(yīng)人力,即便如此,準(zhǔn)確的穩(wěn)定性也會(huì)因?yàn)槿说脑虺霈F(xiàn)波動(dòng)。阿里云機(jī)器視覺(jué)智能技術(shù)采用深度學(xué)習(xí)和圖像處理算法,比傳統(tǒng)機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)更精準(zhǔn)、漏檢率更低。在數(shù)據(jù)中臺(tái)的基礎(chǔ)上,進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、標(biāo)注、訓(xùn)練和算法模型調(diào)優(yōu),自動(dòng)識(shí)別圖像中的瑕疵或故障。

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場(chǎng)景七:預(yù)測(cè)性維護(hù)

  工業(yè)企業(yè)的設(shè)備管理維護(hù)手段的發(fā)展經(jīng)歷了四個(gè)階段:被動(dòng)性維護(hù)(RM)、狀態(tài)性維護(hù)(CM)、預(yù)防性維護(hù)(PM)、預(yù)測(cè)性維護(hù)(PHM)。

  顧名思義,被動(dòng)性維護(hù)(RM)就是在設(shè)備壞了之后再開(kāi)始相關(guān)的維護(hù)維修工作,比如場(chǎng)景四給出的“虛擬配網(wǎng)調(diào)度員”解決方案;狀態(tài)性維護(hù)(CM)是基于設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和現(xiàn)象對(duì)設(shè)備進(jìn)行相關(guān)的維護(hù)維修工作;預(yù)防性維護(hù)(PM)就是在設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題之前,基于可靠性分析和設(shè)備運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)工作;預(yù)測(cè)性維護(hù)(PHM)是在設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題之前,結(jié)合可靠性分析、設(shè)備機(jī)理、設(shè)備運(yùn)行維護(hù)的歷史經(jīng)驗(yàn)以及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)對(duì)設(shè)備的壽命、故障、異常及健康情況作出相對(duì)應(yīng)的分析和預(yù)測(cè),讓設(shè)備維護(hù)團(tuán)隊(duì)能夠在故障發(fā)生之前,提前做好維護(hù)措施,避免設(shè)備故障發(fā)生,提前做好備件儲(chǔ)備、降低設(shè)備的停機(jī)時(shí)間。

  預(yù)測(cè)性維護(hù)能減少設(shè)備周期性的維護(hù)成本和備件成本,實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備全生命周期的精準(zhǔn)把控。做到設(shè)備故障提前預(yù)防,維護(hù)維修策略精準(zhǔn)高效,設(shè)備管理維護(hù)成本精細(xì)可控。

  現(xiàn)階段的工業(yè)企業(yè)還停留在狀態(tài)性維護(hù)和預(yù)防性維護(hù)的階段,大多數(shù)企業(yè)都是通過(guò)周期性的人工定檢以確保當(dāng)前狀態(tài)下設(shè)備無(wú)異常,先進(jìn)的企業(yè)還會(huì)基于可靠性做一些設(shè)備狀態(tài)分析的巡檢計(jì)劃以實(shí)現(xiàn)預(yù)防性的維護(hù)。

  鑒于IoT的成本優(yōu)勢(shì)和部署靈活的優(yōu)勢(shì),很多企業(yè)開(kāi)始積累關(guān)鍵設(shè)備上的傳感器、檢測(cè)儀表等數(shù)據(jù),對(duì)設(shè)備的故障及時(shí)發(fā)現(xiàn),預(yù)先處理,降低停機(jī)損失,已經(jīng)逐步向預(yù)測(cè)性維護(hù)的方向發(fā)展。但受制于工業(yè)企業(yè)薄弱的數(shù)據(jù)和算法基礎(chǔ),即便是擁有了大量的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù),也無(wú)法高效、合理地管理數(shù)據(jù)和利用數(shù)據(jù),隱藏在這些設(shè)備數(shù)據(jù)之中的價(jià)值很難發(fā)揮出來(lái)。這給工業(yè)設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)的先行企業(yè)帶來(lái)了極大的困擾。

08


 

場(chǎng)景八:產(chǎn)銷(xiāo)協(xié)同柔性制造

  在離散制造場(chǎng)景中,如快消品、小家電、家具、消費(fèi)電子產(chǎn)品的制造,隨著消費(fèi)者定制化需求越來(lái)越多,隨著需求側(cè)秒殺、促銷(xiāo)活動(dòng)變得越來(lái)越頻繁,多品種、小批量按需生產(chǎn)的柔性能力要求越來(lái)越高。
 

  但按訂單組織生產(chǎn)是離散制造業(yè)的行業(yè)慣例,傳統(tǒng)APS(排程排產(chǎn)系統(tǒng))在訂單在突然涌入臨時(shí)變更時(shí),很難發(fā)揮效果。

  為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)銷(xiāo)協(xié)同、柔性制造,阿里云給出的“調(diào)度優(yōu)化-產(chǎn)銷(xiāo)協(xié)同”解決方案主要包含六個(gè)方面:

一、通過(guò)MRP(物資需求計(jì)劃)運(yùn)算計(jì)算精確的物料需求;

二、精細(xì)化設(shè)計(jì)工序與設(shè)備的生產(chǎn)計(jì)劃和人員需求,提升主計(jì)劃排產(chǎn)速度和效率;

三、使計(jì)劃結(jié)果可視化,提升計(jì)劃協(xié)同性;

四、與MES、ERP信息化系統(tǒng)聯(lián)動(dòng),滾動(dòng)計(jì)劃;

五、分析物料欠料的需求時(shí)間和數(shù)量,推送欠料信息,輔助物料跟催;

六、進(jìn)行訂單的預(yù)測(cè),計(jì)算預(yù)計(jì)產(chǎn)能需求,預(yù)估產(chǎn)能的瓶頸工序,提前預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)發(fā)訂單。

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      在實(shí)踐中,動(dòng)脈智能作為生產(chǎn)智能制造整體解決方案供應(yīng)商,以MES系統(tǒng)幫助紡織、機(jī)加工、食品行業(yè)企業(yè)兩化融合推進(jìn),賦能工業(yè)制造企業(yè),提供包括制造數(shù)據(jù)管理、計(jì)劃排程管理、生產(chǎn)調(diào)度管理、庫(kù)存管理、質(zhì)量管理、人力資源管理、工作中心/設(shè)備管理、工具工裝管理、采購(gòu)管理、成本管理、項(xiàng)目看板管理、生產(chǎn)過(guò)程控制、底層數(shù)據(jù)集成分析、上層數(shù)據(jù)集成分解等管理模塊,為企業(yè)打造一個(gè)扎實(shí)、可靠、全面、可行的制造協(xié)同管理平臺(tái)。實(shí)現(xiàn)降本增效,邁向智能制造轉(zhuǎn)型。


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