解讀:SAP-沈陽自動化研究所打造的中國第一家基于自治系統的第三代數字化工廠演示線

來源:SAP天天事 | 2019-07-04 10:53

  德國工業4.0發展至今,隨著網絡物理系統CPS技術的深入應用,生產的自動化和靈活性不斷得到提高,推動了生產形態的逐步演進。目前,德國工業4.0從技術上已經進入到大規模定制代工生產的雛形階段。我們認為的工業4.0的終極狀態會是一個什么樣子呢?

  以汽車行業為例,可以設想這樣一個場景:在一個巨大的廠房里,按照矩陣式布置了20x40個加工島。每個加工島由若干臺機器人和一批工裝構成。在加工島之間,來回穿梭著一臺臺無人駕駛的、承載著半成品汽車的AGV小車。當AGV到達某個加工島后,一群機器人立即將半成品汽車卸到加工臺上進行緊固,進行生產和裝配,然后再搬回到AGV小車上。就這樣,在流轉了若干個加工島之后,半成品的汽車終于變成了完工的汽車。如果說這種無人化的、無流水線傳動帶的加工方式打破了很多人對汽車工廠的傳統印象的話,那么更加令人驚奇的是,在這個廠房里,甚至可以同時為不同品牌的汽車進行代工。而從廠房出口駛出的汽車,不僅可以是完全不同的車型,而且沒有兩臺是一模一樣的配置。

  

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  圖:未來汽車代工生產的場景

  從今天的經驗和認知來看,這些描述聽起來簡直是一個天方夜譚。但是,在德國工業4.0技術的推動下,這一幻想正在逐漸變為現實。從推動代工生產的視角,德國庫卡機器人將其稱為矩陣式生產(Matrix Production);從產業應用的視角,將其應用到實戰的德國大眾把它叫做模塊化生產(Modular Production)。眼下,筆者正站在沈陽自動化研究所的實驗室里,面對著這樣一個第三代數字化工廠的示范線,眼前似乎浮現出未來汽車大規模定制代工生產的場景。這一切,都始于五年前德國政府為了向中國政府介紹工業4.0,委托SAP實地接待中國工信部領導參觀的數字化工廠。

  

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  圖:2014年德國專家向中國政府領導介紹工業4.0數字化工廠

 

  第一代工業4.0數字化工廠

  2014年正值工業4.0方興未艾之際。基于多年的實踐,SAP發布了第一代的工業4.0數字化工廠解決方案。這是一個典型的實現了垂直集成架構的數字化工廠。在OPC 協議的支持下,SAP打通了自家的企業資源計劃ERP到自家的制造執行系統MES到第三方的可編程邏輯控制器PLC之間的壁壘。在SAP MES和PLC之間無需任何軟件中間層,便可以實現主數據無冗余的高速集成。

  這一年德國政府提供給中國工信部領導參觀的,是一家實施了SAP的德國工業燃氣具生產企業Elster。實際上,盡管Elster的一條生產線上已經可以實現多品種小批量的生產,在水平集成上也可圈可點,但是使用垂直集成打通工業金字塔的概念,與國內推行的“兩化融合”的思想高度契合,給來訪的中國領導和專家們留下了深刻的印象。那幾年,也是垂直集成概念在國內數字化工廠最為風行的幾年,不少人將能夠與ERP和PLC連接的MES,看成是實現工業4.0的標配,興起了一股開發各行各業MES系統的高潮。無疑,這為大規模建設工業4.0數字化工廠奠定了一個起點。

  

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  圖:2014年漢諾威工博會上SAP展示的第一代工業4.0數字化工廠解決方案

  第二代工業4.0數字化工廠

  2016年,SAP推出了“水平集成+垂直集成+產品全生命周期集成”的第二代工業4.0數字化工廠。在ERP-MES-PLC的基礎上,加入了個性化定制的概念,涵蓋了從電商系統hybris提出產品定制要求,在產品生命周期管理PLM中進行產品設計,然后進入到ERP下單生產,以及通過供應鏈管理系統SCM與供應商協同組織供貨的完整過程。

  現在回想起來,那幾年在國內也是個性化定制工廠最紅火的時光。服裝、家具、家電等輕工業產品的定制,儼然就是工業4.0的代名詞。現在看來,輕工業產品的個性化定制,在整個制造行業里,門檻相對還是比較簡單。工業4.0的難點依舊還是那些復雜產品+復雜加工過程的大規模定制,典型的代表就是汽車。啃不下汽車這塊骨頭,停留在第二階段的數字化工廠,還不能代表德國工業4.0的水平。

  

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  圖:2016年漢諾威工博會上SAP展示的第二代工業4.0數字化工廠解決方案

  第三代工業4.0的數字化工廠

  又過了兩年,2018年,SAP緊接著推出了基于模塊化生產的第三代數字化工廠,不僅實現了汽車行業的大規模定制化生產,還一下子拔高了工業4.0數字化工廠的高度。直到今天,國內也沒能出現與之相仿的整體方案。原因很簡單。第三代的數字化工廠,實現了全面自動化、高度智能化和深度定制化,它對于背后系統的集成要求,提出了極高的要求。由于沒有人工操作來作為緩沖,哪怕是系統之間一點點的不匹配,都會是災難性的事故。真正考驗工業系統整體能力的時刻來臨了。而第三代數字化工廠,也就是前文提到的大規模定制代工生產的雛形。

  SAP的這套方案,起源自奧迪電動汽車的新工廠。讀到這里,一定會有好奇的讀者會問,為什么會是電動汽車?

  

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  圖:2018年漢諾威工博會上SAP展示的第三代工業4.0數字化工廠解決方案

 

  二、走向新能源和自動駕駛的汽車工業正在呼喚下一代的大規模定制

  汽車工業發展到今天,已經走到了一個十字路口。盡管在此之前,很多汽車廠都嘗試搞過大規模定制,并且也在傳統的流水線上,通過混線排序生產,將大規模定制變為了現實,但是,今天汽車工業能達到的定制化水平,距離未來的要求,還有很大的差距。

  今天的汽車都是由人來駕駛的基于內燃機的汽車。駕駛員的眼和手,完全離不開對前方的觀察和方向盤。對于汽車的配置,尤其是各種內飾,沒有太多的精力加以關注。只有到了L3自動駕駛實現之后,可以允許“eye off”和“hands off”,這時駕駛員的注意力,才有可能關注到車廂內部的其他配置。并且,隨著技術的進步,電動汽車和自動駕駛將會徹底改變車內的布置,使得汽車從“交通工具”,轉化為“生活工具”。到這時,人們對于汽車的配置要求,才回真正釋放出來。正如同樣的房型,不會有同樣的裝修一樣。如下圖所示,2021年,寶馬汽車的L3自動駕駛的汽車就將量產,距離現在只有兩年時間。以今天汽車工業的水平,能夠造得出這種高度定制化的汽車嗎?

  

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  圖:自動駕駛汽車將逐步解放人類的“眼”和“手”,

  為汽車的個性化配置提供空間(圖中時間表是寶馬發布的計劃)

 

 

  三、傳統的流水線式的大規模生產已經達到了優化的頂峰

  今天的汽車工業,在100年前福特制的流水線生產下,無論是在銷量,還是柔性上,都已經達到了優化的極限。對于客戶的定制化需求,汽車工業普遍采用混線排序生產的方式,將不同配置要求的車輛,在充分考慮到產線的各種制約因素之后,按照既定的順序進行排產,投放到產線上組織生產。排產過程中最主要的制約因素,就是由流水線的勻速直線移動帶來的。正所謂成也蕭何,敗也蕭何,流水線簡化了生產計劃和現場的物流工作,但也帶來了僵化的產線布置、剛性要求的統一生產節拍等缺陷。對于需要更加靈活地調整生產工藝的定制化生產需求,將所有的生產設備拍成一條直線的流水線,是無法滿足的。人們不得不將目光,轉移到生產設備的機群式布置方式,輔之以基于無人駕駛AGV的物流的新一代生產方式。這其實也正是從2013年開始由德國聯邦教育與研究部領銜資助的Arena2036項目研究的主題之一。

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  圖:在Arena2036研究項目中設想的未來的汽車敏捷工廠

 

  四、自治系統是德國科技最新的發展階段

  實際上,德國工業在科技領域的前瞻性研究的步伐,不僅在趨勢上領先,而且非常堅實和腳踏實地,與產業界的融合也十分有效。如下圖所示,從2011年到2013年,德國科技界的研究重點,放在了IT與OT融合的工業4.0(Industry 4.0),它與國內所提的智能制造大體相當。接下里的5年里,德國科技界又將重點放在了智能服務世界(Smart Service World),它與國內所提的工業互聯網或產業互聯網大體相當。在目前這個階段,研究階段又放在了自治系統(Autonomous System)領域,推動自動駕駛汽車、智能機器人和互聯的基礎設施的開發。無論是上文中提到的矩陣式生產,還是模塊化生產,都是自治系統在生產制造領域里的應用。

  

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  圖:從工業4.0,到智能服務世界和自治系統

  

 

  五、第三代數字化工廠在奧迪的實踐

  第三代數字化工廠的模塊化生產,具有以下四個特點:

  獨立:每一個工作站都是一個單獨的模塊,傳統生產線的物理先后順序上的限制不復存在。在需要的時候,模塊可以隨時加入和退出,不會相互影響。

  可變:每個產品都可以有自己虛擬可變的加工流程順序,在離開每個工作站的時候,對下一個工作站目的地做出最優決策。

  智能:所有的產品和物料通過AGV在車間內自動運輸,只有在需要的時候才會發出,從而將在制數量降到最低,并提高效率。

  靈活:模塊化提高了生產系統的擴展性和適應性,并且對產品的形狀、尺寸具有更高的適應,可以按照需要方便地進行調整。

  

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  圖:模塊化生產的加工工作站布局示意圖

  從奧迪的視角,采用模塊化生產,可以從以下幾個方面獲得收益:

  節省設備投資

  從生產實踐和瓶頸優化方面獲得顯著受益

  提高定制生產下的高產量

  靈活可優化的工廠布局

  六、第三代數字化工廠演示線進入中國

  在中科院沈陽自動化研究所的大力支持下,SAP中國在沈陽的演示線上實現了第三代數字化工廠的理念。

  在SAP S/4 HANA、SAP ME/MII、SAP EWM等系統以及沈自所研發的設備和工控算法的支持下,這套演示線以一個減速器缸體缸蓋和齒輪的裝配過程為例,實現了多臺無人駕駛的AGV小車和配套的機器人在不同加工工位之間的協同制造過程。

  在這套演示線里,個性化產品的銷售訂單在SAPC/4HANA 銷售云創建,隨后無縫傳入SAP S/4HANA系統創建生產訂單,并下達至車間。

  在生產過程中,SAP高級倉儲管理系統(SAP EWM)和SAP制造執行系統(SAP ME)按照業務流程緊密對接,從原材料出庫、生產執行、原料消耗到成品入庫和最終發貨,所有環節均可以根據產品或者工藝的變化,進行快速響應調整,并且整個流程能得到精準、實時的記錄和跟蹤。

  基于模塊化生產概念,矩陣式布局生產方式,通過沈自所的WIA工業無線技術使控制系統從有線變為無線,機械結構可以靈活部署;工業軟件定義網絡(SDN)技術使工業網絡可以隨產線布局的變化而自適應組態;“物源”平臺的管控一體化軟件和邊緣控制器,使工站,機器人等設備的工序工步隨產品設計變化而自適應重組。

  通過沈自所的“物源”平臺,SAP的IT系統與沈自所的OT系統的緊密集成,倉儲系統、制造執行系統、PLC控制系統以及AGV車輛管理和調度系統共同協作,生產過程中可以根據產品,工藝,設備狀態和訂單情況進行動態的工藝路線調配和內物流配送,減少等待時間,生產效率實現最大化。

  與傳統的流水式生產線相比,從技術的角度來看,第三代的數字化工廠系統的復雜性是較高的,反映在增加的接口、系統集成的數量,以及算法設計和各個不同系統之間的交互,并且對于傳統生產方式的業務流程也有較大的改變。從設備和IT系統的角度,它對于可用性、主數據的質量等都提出了較高的要求。這條演示線,對于在中國市場推廣第三代數字化工廠,將會起到非常好的引導作用。

  

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  圖:沈自所第三代數字化工廠演示線實景拍攝

  希望有更多的企業參與到新一代數字化工廠的推廣和實踐中來。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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