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智能制造与工业物联网前沿观察
2017-05-24 16:31:38  作者:佚名  来源:互联网
  •   智能制造的内涵与实践   何谓智能制造?工信部发布的《智能制造发展规划(2016-2020年)》中提出,智能制造是基于新一代信息通信技术与先进制造技术深度融合,贯穿于设计、生产、管理、服务等制造活动的各个 ...

  智能制造的内涵与实践

  何谓智能制造?工信部发布的《智能制造发展规划(2016-2020年)》中提出,智能制造是基于新一代信息通信技术与先进制造技术深度融合,贯穿于设计、生产、管理、服务等制造活动的各个环节,具有自感知、自学习、自决策、自执行、自适应等功能的新型生产方式。加快发展智能制造,是培育我国经济增长新动能的必由之路,是抢占未来经济和科技发展制高点的战略选择,对于推动我国制造业供给侧结构性改革,打造我国制造业竞争新优势,实现制造强国具有重要战略意义。

  e-works认为,智能制造(Smart Manufacturing)的目标实现整个制造业价值链的智能化和创新,是信息化与工业化深度融合的进一步提升。智能制造融合了信息技术、先进制造技术、自动化技术和智能化技术。目前,智能制造的“智能”还处于Smart的层次,智能制造系统具有数据采集、数据处理、数据分析的能力,能够准确执行指令,能够实现闭环反馈。智能制造的趋势是实现“Intelligent”,智能制造系统能够实现自主学习、自主决策、优化提升。

  在智能制造所包含的内容中,使能技术包括物联网、机器人、增材制造、云计算、大数据分析、电子数据交换、 AR/VR、人工智能等;智能产品与智能服务可以帮助企业带来商业模式的创新;智能装备、智能产线、智能车间到智能工厂,可以帮助企业实现生产模式的创新;智能研发、智能管理、智能物流与供应链则可以帮助企业实现运营模式的创新;而智能决策则可以帮助企业实现科学决策。对于这十项技术的详细解读,大家可以阅读我的博客文章《对智能制造内涵的系统思考》,以下我对这些技术应用进行举例说明。

  

智能制造包含的范畴

  智能制造包含的范畴

  智能产品通常包括机械、电气和嵌入式软件,具有记忆、感知、计算和传输功能。典型的智能产品包括智能手机、智能可穿戴设备、无人机、智能汽车、智能家电、智能售货机等。这张图是2016年6月e-works举行“美国工业互联网创新之旅”时在旧金山拍摄到的,它叫“BigBelly”,一个智能垃圾箱,集太阳能、物联网、高效压缩机为一体,垃圾快倒满时,压缩机会在40秒内将垃圾的体积压缩至原来的五分之一,垃圾箱快满时自动联网发送垃圾箱已满及地理位置等信息至垃圾处理中心。处理中心的系统根据各个垃圾箱发回的数据分析,规划最佳回收路线和时间,该产品还提供WIFI热点。此外,这个垃圾箱是全封闭的,所以没有什么味道。

  

BigBelly智能垃圾箱

  BigBelly智能垃圾箱

  目前70%的汽车创新来自汽车电子,而60%的汽车电子创新属于软件创新,软件大量应用于汽车驱动力汽车的智能化发展,主要包括智能驾驶、智能互联、智能交互。

  

汽车产品智能化

  汽车产品智能化

  Keysafety百得利(简称KSS)是美国知名的汽车安全系统公司,在2016年的美国考察中,我们参观了这家企业。KSS的主动安全产品可以实现司机在驾驶过程中,对驾车人员整个脸的轮廓实时监测,如果出现打瞌睡、低下头或者头脑侧着的状况,主动安全系统会通过拉紧安全带,振动方向盘等方式来提醒驾驶员,避免不安全事故发生。当今的产品创新已不单纯是某个学科的创新,而是软件、硬件和制造技术的结合,并且软件在支撑制造业创新方面发挥了越来越重要的作用。

  

 KSS(百利得)主动安全驾驶系统

  KSS(百利得)主动安全驾驶系统

  Flowserve是美国的一家生产水泵企业,借助物联网所支持的预测性维护,成功实现产品远程监控和失效预报警,在可视化界面上可以直观的看到水泵的运行状态,包括水压、流量参数、位置、失效信息等各种信息,还可以将这些信息与服务生命周期管理系统集成,制定更加智能的维修派工决策。在电梯行业,应用混合现实(MR)技术,电梯维修人员可以在办公桌前沉浸式查看电梯内部结构,现场维修过程中则能与后台专家进行视频对话,指导维修工作,这些都是智能服务的体现。

  

VR/MR在电梯维护中的应用

  VR/MR在电梯维护中的应用

  下一张图中展示的是增材制造设备与库卡机器人的集成应用,实现永远在零件表面的垂直方向添加材料,而不是水平逐层添加,这样提高材料致密性,从而达到更高的强度。

  

增材制造与工业机器人的集成应用

  增材制造与工业机器人的集成应用

  在参观博世工厂时,我们看到其推出的人机协作安全机器人。这款机器人可以实现当检测到人靠得太近时,其会自动降低运行速度,相当于隐形的防护网。在人离开该区域后,机器人会自动恢复正常速度,可以很安全的实现人机协作。在不远的将来或者说现在在某个企业的生产线上,就可以看到有些工序是由机器人来完成,有些是由人来完成,这种工作模式将大大提高工作效率。未来的趋势绝不是简单的机器代替工人,而是人机协作。

  

增材制造与工业机器人的集成应用

  博世APAS-人机协作

  对于智能车间,MES的应用非常关键,很多企业的自动化程度已经非常高,但是数据采集做得不好。在智能车间中,生产计划、设备状态、质量管控、物料配送、生产防错、作业指导、生产统计这些都需要顾及。一个典型例子是海尔车间的虚实融合应用,不光看到三维模型,而且可以把采集到的数据映射模型上,来显示实时的状态,工作人员在办公室就可以看到车间内每一条生产线上的实时状态。

  

海尔车间的虚实融合应用

  海尔车间的虚实融合应用

  业界提出了一个创新模式,称之为“Digital Twin”,可以理解为基于虚实融合的创新。比如在一台自行车上安装监测速度、加速度、骑行者生理参数等信息的各种传感器,骑行过程中这些参数可以传回到产品数字化模型中来作为仿真优化所需的边界条件。以前做产品仿真时,很多边界条件和参数是假想的,而现在基于这种虚实融合的模式,可以把产品实际运行参数传回到数据模型。

  

产品的Digital Twin

  产品的Digital Twin

  Digital Twin还可以与工程仿真技术结合,以前仿真工作中的边界条件、载荷等都是仿真人员自己假设的理想状态,基于物联网应用,可以将传感器感应到的产品运行真实数据作为仿真条件。比如在海上风电设备维护中,发现数据异常,传统的方法是根据经验来进行相应调整或维修。而基于设备实时环境和状态参数进行仿真,来分析采取的措施会有什么结果,这样更加安全可靠。

  

仿真技术与产品运营协同

  仿真技术与产品运营协同

  去年11月份我们参观了美国的数字制造和设计创新研究所(DMDII),美国十年内将建立15个制造业创新研究所,DMDII是已建成的九个研究所中的一个,由工业界、政府和高校三方共同参与,其定是填补创新的鸿沟,产品的前端原始创新由高校完成,后端交给企业,中间由三方协作。DMDII的重点研究领域,包括先进制造企业、智能机器、高级分析、数字制造公共平台、工业安全,我们国内的协会可以借鉴这种模式。

  

  DMDII的定位:填补创新的鸿沟

  工业物联网发展观察

  第二个话题谈一下工业物联网,在埃森哲定义的物联网应用成熟模型中,基础级是可以进行联网和简单报告,中级对设备和资产实现可控,高级水平是基于条件的监控,再往上分别是分析和预测、流程结合、开创新的服务和商业模式。

  

埃森哲的物联网成应用熟度模型

  埃森哲的物联网成应用熟度模型

  目前形成的全球物联网应用开发平台市场格局中,IBM、GE、PTC、微软、亚马逊、思科、SAP等公司占据领导地位。在GE发布的Predix工业物联网平台中,前端是数据采集,中间进行数据存储与数据分析,这也是Predix平台的核心,后端进行数据表达。最近GE也与中国电信达成合作,GE将携手中国电信推动Predix在中国的落地。GE应用工业物联网打造的卓越工厂中,第一步是实现连接,第二步是实现洞察,第三步是实现优化。在甲骨文公司的物联网云服务中,第一步也是连接,必须通过各种各样的手段把传感器的数据连接起来,第二步是分析,因为采集到的数据如果不分析就难以产生价值,第三步是跟企业业务流程相集成,必须明确物联网应用的目标。

  

全球物联网应用开发平台的市场格局

  全球物联网应用开发平台的市场格局

  

GE Predix工业物联网平台

  GE Predix工业物联网平台

  关于工业物联网我提出这个问题跟大家共同思考,比如看到我们国际重工的许主任在这儿,关于工业物联网应用,我们需要思考很多方面的问题,比如应用物联网的业务目标和预期价值是怎么样的,采集哪些有价值的数据,如何采集、传输、存储与分析这些数据。中小企业和大型企业进行物联网应用的也存在显著差异。应该自主开发物联网应用还是利用物联网开发平台来开发物联网应用,设备运营企业、设备制造企业、零部件企业、维修企业如何实现物联网数据的共享、分发、分析与协同,物联网平台功能和部署方式的差异化与选型,以及物联网数据的安全与隐私保护问题,这些都是值得思考的方面。

  智能制造推进策略

  第三个话题谈一下智能制造推进策略,某企业提出了智能制造成熟度评估体系,分为已规划级、规范级、集成级、优化级、引领级,每一级都包括对应的指标。

  

智能制造成熟度评估体系

  智能制造成熟度评估体系

  很多企业现在推进智能制造存在的共性问题就是缺乏整体规划,片面追求自动化和“机器换人”,而基础管理水平薄弱,亟需大量的“管理补课”。此外,信息化尚未与业务融合,存在大量信息孤岛。数字化是智能制造的必由之路,但数据质量却很差,自动化设备占比较少,如加工、质检设备等。

  e-works提出了推进智能制造的一些基本原则,包括智能制造不是目的,其目的为提升产品竞争力与质量;智能制造不可能一蹴而就,需要企业长期的努力与变革;智能制造不是自动化改造,其根本是运营模式的变化;多品种、小批量企业不要盲目推进“无人工厂”;信息化是智能制造的基础与核心。

  同时我们也提出了智能制造规划的“四步曲”,从现状评估、到业务改进与需求分析、再到智能制造架构整体规划,最后完成智能制造规划实施落地。、

  

智能制造规划“四步曲”

  智能制造规划“四步曲”

  下图展示了我们帮助某企业进行智能制造现状评估的案例,首先从多个维度评价智能制造的现状,不能盲目开始就要引入最先进的技术或设备,要从实际现状和需求出发。

  

智能制造现状评估范例

  智能制造现状评估范例

  智能制造的标准体系非常多,包括自动化设备信息集成标准、软件系统集成标准、主数据管理标准、智能工厂架构与评估标准。

  同时,我们认为推进智能制造需要理性务实,智能制造涵盖诸多计算机软件、硬件和自动化技术,需要推进工业工程,实现精益生产,对企业业务流程和工艺流程进行梳理与优化。智能制造的本质是实现工业化、信息化、自动化与智能化的融合。企业应当真正实现相关技术的集成应用,避免形成新的“智能孤岛”。智能制造是复杂的系统工程,企业应当实现车间联网,实时采集生产数据、质量数据、设备状态数据,进行智能分析。基础数据准确性至关重要。智能制造需要大量的标准和规范,才能实现互联,这方面还很不完善。智能制造本质上是工具与手段,企业需要做好投入产出分析,避免盲目投资,否则不仅会造成浪费,甚至可能伤了“元气”。



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