柔性製造才是發展工業互聯網的真正目的

柔性生產的概念首次出現於1965年，由英國的Molins公司首次提出。當時市場繁榮、競爭激烈，製造業需要更加先進的生產方式來滿足日益增長的生產要求，於是柔性化生產應運而生。

剛性生產，體現在產品的規模化生產方面，滿足的是社會對大量工業品的需求。而伴隨著消費結構升級，買方市場和消費者個性化、定製化、時效性要求的步步緊逼，滿足「多樣化、小規模、周期可控」的柔性化生產、柔性製造，才是企業未來生存和制勝的關鍵。

【一】

柔性製造枝術發展現狀

柔性製造技術，是對各種不同形狀加工對象實現程序化柔性製造加工的各種技術的總和。柔性製造技術是技術密集型的技術群，我們認為適用於多品種、中小批量(包括單件產品)並側重於柔性的加工技術都屬於柔性製造技術。目前按規模大小劃分為：

1、柔性製造系統(FMS)

通常包括4 台或更多台全自動數控機床(加工中心與車削中心等)，由集中的控制系統及物料搬運系統連接起來，可在不停機的情況下實現多品種、中小批量的加工及管理。

2、柔性製造單元(FMC)

FMC 的問世並在生產中使用約比FMS 晚6~8 年，它是由1~2 台加工中心、工業機器人、數控機床及物料運送存貯設備構成，具有適應加工多品種產品的靈活性。FMC 可視為一個規模最小的FMS，是FMS 向廉價化及小型化方向發展和一種產物，其特點是實現單機柔性化及自動化，迄今已進入普及應用階段。

3、柔性製造線(FML)

它是處於單一或少品種大批量非柔性自動線與中小批量多品種FMS 之間的生產線。其加工設備可以是通用的加工中心、CNC 機床；亦可採用專用機床或NC 專用機床，對物料搬運系統柔性的要求低於FMS，但生產率更高。它是以離散型生產中的柔性製造系統和連續生產過程中的分散型控制系統(DCS)為代表，其特點是實現生產線柔性化及自動化，其技術已日臻成熟，迄今已進入實用化階段。

4、柔性製造工廠(FMF)

FMF是將多條FMS 連接起來，配以自動化立體倉庫，用計算機系統進行聯繫，採用從訂貨、設計、加工、裝配、檢驗、運送至發貨的完整FMS。它包括了CAD/CAM，並使計算機集成製造系統(CIMS)投入實際，實現生產系統柔性化及自動化，進而實現全廠範圍的生產管理、產品加工及物料貯運進程的全盤化。FMF 是自動化生產的最高水平，反映出世界上最先進的自動化應用技術。它是將製造、產品開發及經營管理的自動化連成一個整體，以信息流控制物質流的智能製造系統(IMS)為代表，其特點是實現工廠柔性化及自動化。

【二】

製造業企業發展

「柔性製造」的意義

柔性製造的根本特性決定了它對製造職責和生產策劃環境的變化有很強的合適本領。因而，在我國製造業企業中推行柔性製造有其極為特定的意義：

▼ 「柔性製造」是當代生產方法的主流方向和互助根本。日益劇烈的市場競爭和與日俱增的生產技能推動著當代企業生產方法的連續創新，如定時生產、精益生產、並行工程、伶俐製造、仿生製造、綠色製造、製造資源籌劃、提供鏈治理等等。

而這些進步的生產方法無不因此「柔性」作為其出發點和根本的，如：精益生產的根本條件是根據用戶的必要生產出高質量的產品；伶俐製造和仿生製造都快速適合多種變化的要求；並行工程在產品計劃開闢階段就集成思考了生產製造、出售和服務進程的合適性要求；而製造資源籌劃和供鏈治理則是從整個生產鏈的範疇求得更廣、更高的柔性。

▼ 「柔性製造」是饜足消費者本性化、多樣化需求最堅固的支持。過往在供不該求的賣方市場環境下，製造企業不消思考消費者對其產品的要求，都是企業生產什麼消費者就只能購買什麼。

如今消費者已成為市場的主宰，他們所必要的不但僅是這種逼迫性的準則化商品，而是亘古未有的非準則化產品，這將導致大略的同類規格的大量損耗市場，裂變為一系列饜足差別需求的細分市場，細分市場又進一步深化了產品的多樣化。

這使得市場競爭的形態從資本、代價為主的競爭，轉向市場合適本領、新產品推進速率、產品本性化等方面的競爭，這在客觀上必要柔性製造體系的支持。

▼ 「柔性製造」是低落生產資本、進步經濟效益的有效伎倆。由於柔性製造是一種智能型的生產方法，它將高科技「嵌進」到製造配置與製造產品中，實現硬配置的「軟」提拔，並提升製造產品的性能和質量，因而不但能提升勞動生產率，並且能提拔產品的附加代價。

別的，柔性製造還是一種市場導向型的生產方法，它要求製造廠商與客戶履行互動式的信息交換，定時控制客戶對產品的需求信息，根據客戶的意願和要求構造生產，因而能消除製造商生產的不確定性，同時使各製造商之間禁止因太過競爭而造成兩虎相爭的表象，從而使各製造商裁減虧損，提升經濟效益。

▼ 「柔性製造」是全面提升製造本領，縮小與國際先進位造程度差距的途徑。改革開放以來，我國已成長成為製造大國，但距國際先進位造程度另有很大差距。

而「柔性製造」這種進步製造方法的推行將有助於改進我國製造業的生產配置技能水平和從業職員的品質，促進已有的製造資產布局、人才技能布局的優化，全面提升製造本領，從而縮小與國際先進位造程度的差距。

【三】

柔性製造生產案例

互聯網+供應鏈管理帶來巨大變革，讓個性化定製、柔性化生產源源不斷深入製造業，甚至「零庫存」也成為可能。

訂單式生產，在為客戶實施個性化定製的過程中，能不能像搭積木一樣實現撬裝化快裝，降低人力、物力成本？該企業從用戶角度出發，針對較小型汽輪機推出撬裝化快裝式項目，大大提升產品服務競爭力。

大數據成「柔性製造」關鍵

按照傳統生產模式，一條生產線只能生產一個規格的產品，而在智能生產線上，可根據訂單要求的不同，同時上線生產不同的產品。那麼這些傳統生產模式無法做到的事情，智能生產線又是如何完成的？

作為國家首批智能製造試點示範企業，位於長沙的某亞洲最大的智能化製造車間之一，各環節全部實現自動化、信息化。在這裡已實現了生產中人、設備、物料、工藝等各要素的柔性融合。它擁有8條裝配線，可以實現69種產品的混裝柔性生產，並將此拓展到其他事業部，實現其他事業部的柔性製造。在這間總面積約10萬平方米的車間里，每一條生產線可以同時混裝30多種不同型號的機械設備，開足馬力工作時能支撐300億產值。

廠房的整個柔性製造生產系統包含了大量數據信息，包括用戶需求、產品信息、設備信息及生產計劃。依託工業互聯網路將這些大數據聯結起來並通過MES系統處理，能制定最合適的生產方案，最優的分配各種製造資源。

柔性生產為何如此被看重？

柔性生產，簡單來說就是一條生產線上能製造出滿足不同需求的產品。這是相對剛性生產來說的，剛性生產製造出的都是批量、標準化的產品。

現在我們市場差異化的要求越來越高，比如你買個iPhone，你想買土豪金的，他想買粉色的，每個客戶想要的顏色不一樣，以後甚至對軟體版本的要求都不一樣。個性化的要求越來越高，但會帶來一個矛盾，對生產線的要求越來越高。

那麼，該如何解決流水線批量化和柔性化的矛盾呢？採取「人機結合」的方式。

利用人的靈活性，人的靈活性是什麼？就是四肢。同時利用電腦的特點，邏輯性強，能夠防錯，一致性高。

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「國內首條軌道交通的智能製造生產線」，並非想像中滿是四處揮舞的機械臂。相反，除了一些全自動工序，大部分工位上都有工人操作。

你看這裡有很多螺釘槍，打的時候它其實是電腦在控制。原來的時候，這裡用什麼螺釘、用什麼螺釘槍，完全是靠人控制的。但是如果用人機結合，其中的力矩控制、包括採集都是電腦控制的，到哪裡打、怎麼打都會採集的。但如果全自動化的話，做開發、生產的靈活性又喪失了。

除了「人機結合」，也有分析指出，柔性生產的另一重要途徑是基於工業互聯網的大數據。因為企業可以通過大量的數據採集、分析，更快地找准市場，讓消費者介入生產、服務過程。數據顯示，未來十年，全球在工業互聯網上的投資將達幾千億美元，製造巨頭像德國大眾和日本日立公司都已斥巨資進行專項研究。

在國內，不少製造企業正在搶灘布局工業互聯網。這個系統通過感測器等終端，能實時採集產品的位置、溫度、工作狀態等信息。基於這些數據，可以有針對性地改進裝備製造工藝、為用戶提供個性化服務等。

能夠知道每個市場的市場熱度，對指導做銷售預測、做生產預測就會有很好的幫助，而且它不同型號、不同產品的使用趨勢的變化，會幫助判斷哪些產品在未來做重點開發，哪些是要減少的。

智能製造柔性生產線--灌裝生產線解決方案

一、智能製造柔性生產線系統

智能製造柔性生產線系統由信息管理伺服器、生產總控系統、產線管理系統三部分組成；伺服器主要由雲伺服器、資料庫伺服器組成，主要用來接收用戶網路訂單和對訂單數據、生產數據、用戶信息進行分析。生產管理中心包含管理中心和監控中心，管理中心主要對各個產線任務、設備狀態等進行管控；監控中心主要是對當前生產線狀態、機器運行狀態、產品生產狀態等進行監控；產線管理系統由生產管理系統和客戶端組成，此部分可以根據實際需求進行擴展，用戶可以根據自己的需要擴展不同的生產產線，同一條產線設備通過無線模塊進行數據交互，不同產線之間通過客戶端進行信息交互，再通過客戶端給相關產線管理中心下發生產任務。具體如下：

軟體系統方面：

軟體控制系統包括手機應用程序、智慧工廠系統以及企業雲系統。 數據鏈接到數據伺服器或控制中心，整個系統的所有數據都會通過物聯網、乙太網方式和現場匯流排技術進行數據與系統控制中心數據交換，可對系統的所有站點進行實時監控，並且控制中心可根據客戶需求對產品的規格進行設定，實現多元化生產，能夠根據訂單信息自動化識別，自動加工，成品貨物最後進入智能倉庫；系統配有數據伺服器開放介面企業雲數據存儲，以實現全球數據共享，通過授權的移動終端可實時系統調度、查詢、監控。

智能製造柔性生產線系統架構

硬體系統方面：

智能工廠實訓室設備的系統硬體配置成工藝層和操作層雙層遞階控制的開放式架構，實現產品信息、工藝信息、管理信息和控制指令軟體層自上而下的逐層傳遞，現場狀態、設備情況、採集監控和感測數據等的自下而上的反饋。

在生產線的每條工位均有一個無線信息採集器，與生產線上的生產設備建立通信。採集相應的實時數據，如運行時間、速度、計數、溫度、壓力、流量等，歸檔存儲，並進行數據應用（App）。然後通過將各台採集器聯網，實現各生產線工位和前處理工段數據的互聯互通。

二、智能灌裝生產線系統

智能灌裝生產線系統主要針對當前灌裝行業進行智能改造，實現從原材料開始的包裝袋的製造、固體顆粒與液體自動灌裝入袋、封口、裝箱、倉儲的全自動、無人化工業生產線；生產線上所灌裝的產品可以各不相同，根據實際生產需求或者用戶需求實現小批量、個性化定製服務；同時各產品攜帶電子標籤，內置產品相關信息（例如個性化定製信息、生產信息、加工信息等等），可以自行與機器人、加工設備進行通訊，實現智能加工，用戶也可以通過讀取電子標籤了解產品生產信息（生產日期、車間、產線等等），實現產品信息交互。效果圖如下：

三、系統特點

a)個性化定製服務

客戶可以通過電商網站、手機APP直接在訂單裡面直接進行下單，下單時可以選擇自己想要加工的產品類型、大小、顏色等；

b)柔性化生產

從軟體上，通過上位機自動化生產管理系統，可實現生產信息存儲追蹤功能和柔性排產計劃功能，從而有效記錄、統計、追蹤、變換生產質量和效率。

c)四大集成系統

系統集成了智能加工系統、智能生產系統、智能物流系統、智能倉儲系統四大系統。

d)開放性

系統開放電路、氣路配線、機械裝調、軟體系統開發介面和源代碼。同時提供電路控制原理圖、接線圖、氣路控制圖、機械裝配圖等，在電氣控制櫃設計方面，採用前後櫃門可拆卸設計，方便接線和相關電路學習。

e)可擴展性

電路部分介面均為國際標準介面，各控制單元均可外接控制器來實現控制功能；機械部分可通過添加新的模塊單元來完成系統升級。可以和工業上眾多設備進行對接，完成產線改造和二次升級。

f)雲計算

對所有設備採取一種基於物理數據和低級別現象持續關注和在線診斷，實時採集機器各種性能、指標，計算出目前機器性能狀態和生產效率，當某部分器件出現故障生產效率無法滿足其他機器時，系統實時提醒 ，保證設備合理、高效運行。

g)模塊化

系統中的單元設備具有「聯機/單機」兩種操作模式。所有的單元設備的都可以獨立操作，可以單機設備為平台，進行單項技術的研發。整個系統能夠不斷的擴展、擴充。網路系統可以緊跟現場技術升級擴展，在原有系統設備的基礎上完全兼容擴充部分。系統無論機械結構還是控制，都採用統一標準介面，具有高的兼容和擴展性，隨工業現場技術的快速發展。

h)安全性

所有設備模塊採用國際認可產品，同時設備具有接地保護、過載保護、短路保護、漏電保護、誤操作保護功能，存在安全問題的所有工站，都會設置有停止和急停按鈕，可以隨時停止設備的運行，保障人員安全。所有安全性符合相關的國標標準，所有材質均符合環保標準，所有元器件滿足國家CCC認證。來源：維視智造

滿足「多樣化、小規模、周期可控」的柔性化生產則很符合當前工廠所需的生產模式，這種柔性生產強調的不僅是設備技術上的智能化，也表現在對產品的個性化需求滿足上。由此可見,要想中國製造業在困局中的逆轉，柔性化升級改造是企業必過的門檻，柔性生產將是未來製造業的大勢所趨。

近兩年來,柔性化生產模式開始受到各行各業的青睞，紛紛在自家工廠投入柔性化生產，也取得了不錯的業績。在長沙經開區，單品種、大批量的「剛性生產」產品逐漸退出企業，多品種、小批量的「柔性製造」產品方興未艾。三一重工、一派數控等企業紛紛從「剛性生產」轉向「柔性製造」。

據悉,三一重工作為國家首批智能製造試點示範企業，位於長沙的「18號工廠」號稱亞洲最大的智能化製造車間之一，各環節已實現了人、設備、物料、工藝等各要素的柔性融合。車間里有8條生產線，可以實現69種產品混裝柔性生產，傳統的起重機、挖掘機、消防車、泵車等產品都具備了這種柔性生產方式。C2M(客戶對工廠)生產方式已被其他許多公司採納並應用。

在一派數控，個性化訂製已成為企業的核心競爭力,該公司日前研發的首台手機蓋板瑕疵檢測機，利用仿人類視覺方式進行自動識別，不僅提高了檢測效率，多項缺陷檢測的正確率也超過99%，顛覆了檢測工藝。

同時,比較典型的柔性生產還應用在汽車製造領域。美國、日本等國家在上世紀70年代前後便已開展了柔性生產。世界主要汽車生產廠商，如通用、福特、寶馬、豐田等公司都採用了柔性製造系統。在我國，廣汽豐田、一汽大眾、上海通用等品牌的工廠都採用了類似柔性化的生產方式。

光伏工廠柔性製造系統的組建

MES百科

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發展現狀

中國的能源生產量與消費量都極其巨大，同時中國的主要能源對煤炭的依賴性較大，經濟發展與環境污染的矛盾比較突出。近年來能源安全問題也日益成為國家生活乃至全社會關注的焦點，日益成為中國戰略安全的隱患和制約經濟社會可持續發展的瓶頸。現階段，煤炭、石油和天然氣等能源的供應都存在缺口，所以發展新能源發電勢在必行。而太陽能作為新能源的重要組成部分之一，引起了國家及世界的廣泛關注，自2007 年末開始，我國廣泛上馬了眾多太陽能發電項目，但是由於世界經濟不景氣以及行業整體產能發展過剩的影響，現在太陽能光伏行業面臨著整體重組的重大挑戰。而如何提高生產效率，降低生產成本，就成為了光伏企業生存的重中之重。

太陽能光伏面板生產歷來都是技術密集型的產業，許多新的生產理念以及技術被廣泛使用來達到提高生產效率，降低生產成本的目的，而其中柔性製造系統則是貫穿整個光伏面板生產的重要技術。

所謂柔性，第一方面是指系統適應外部環境變化的能力，即系統能夠在多大程度上滿足生產新產品或使用新工藝及原材料的要求；第二方面是系統適應內部變化的能力，即系統在多大程度上能夠克服來自系統內部的干擾，如設備出現故障或者原材料斷流等情況。

簡單地說,柔性製造系統是由信息層、控制層、設備層通過大規模的工業互聯網組成的，基於感測器、智能控制、資料庫、軟體和演算法組成的並能根據製造任務和生產品種變化而迅速進行調整的自動化製造系統。其包含若干設備、物料運貯裝置和計算機控制系統及網路系統。

柔性製造系統的基本特徵

(1)設備柔性，系統的設備能夠適應生產不同產品的需要；

(2)工藝柔性，系統能夠適應不同的工藝流程以及工藝參數的變化；

(3)產品柔性，產品更新或完全轉向後，系統不僅對老產品的有用特性有繼承能力和兼容能力，而且還具有迅速、經濟地生產出新產品的能力；

(4) 生產能力柔性，系統能夠針對不同的生產量進行生產排程的安排，使生產更加經濟地運行；

(5)維護柔性，系統能夠適應不同周期的維護活動，並能夠對故障進行自診斷並報警，提示相關人員進行處理；

(6)擴展柔性，在需要擴大生產或增加工藝設備或檢測設備時，可以方便地通過相應介面進行擴展以提高生產量或實現其他功能。

柔性製造系統的關鍵技術

柔性製造系統的構成基於以下幾種技術：計算機輔助設計、模糊控制技術、人工智慧、專家系統及智能感測器技術、綜合控制系統技術。

技術優點

採用柔性製造系統主要有以下幾個方面優點：

設備利用率高、設備投資少、直接工時費用低、工序中在制品量低、改進生產要求有快速應變能力強、維持生產的能力強、產品質量高、運行的靈活性高、產量的靈活性高等。

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系統構成

光伏工廠柔性製造系統可以分為以下幾個組成部分，如圖所示：

圖1 系統構成

ERP 系統就是企業資源計劃（Enterprise Resources Planning）的簡稱，它將企業的財務、採購、生產、銷售、庫存和其它業務功能整合到一個信息管理平台上，從而實現信息數據標準化，系統運行集成化、業務流程合理化、績效監控動態化、管理改善持續化。

MES 系統是製造執行系統（Manufacturing Execution System）的簡稱。其是位於上層的計劃管理系統與底層的工業控制系統之間的面向車間層的管理信息系統,它為操作人員/管理人員提供計劃的執行、跟蹤以及所有資源(人、設備、物料、客戶需求等)的當前狀態。

LCS 系統是生產線控制系統（Line Control System）的簡稱。其直接接受MES 下達的生產線調度信息，通過工業網路將命令下達到各個搬送設備，由搬送設備形成的設備站再將生產信息諸如工件ID，工件狀態，所使用的工藝等信息下達給生產設備，達到對整條生產線進行搬送、工藝、質量標記等的控制。

Equipments & Operators 即生產設備和操作人員。其通過接受LCS 的相應指令，依照指令進行自動或手動的生產工作。

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技術方案

3.1方案總述

整體技術方案思路為在生產流程建模、資料庫和網路應用、介面和協議、自動控制等關鍵技術的基礎上，以嵌入式設備和軟體系統的形式對生產工藝進行集成應用。並針對光伏電池生產線的工藝流程，建立一條虛擬的數字化生產/裝配線，實現光伏電池生產/裝配的一體化、數字化集成管理控制。總體技術方案如圖所示：

圖2 總體技術方案

在對生產資源數字化建模、業務流程建模、生產線虛擬模擬、生產線協調控制、生產線狀態建模的基礎上，針對工廠的現有生產、裝配線設備、資源及管理控制流程進行數字化建模，建立虛擬的數字化生產/裝配線。

在多BOM 自動生成技術、生產資源集成整合技術、以裝配缺件為核心的拉動式生產智能計劃調度技術的基礎上，根據生產訂單生成生產計劃安排，並在虛擬的數字化生產/裝配線上模擬模擬計劃執行過程，對模擬結果進行評估，確定關鍵環節或關鍵資源，以在生產過程中重點監控，保證生產的順利推進。

在產品製造執行過程中，結合智能圖像分析、數據融合、實時存儲、人機功效等數據採集技術，形成智能化的生產線狀態監控報警設備，結合已有的DNC系統、自動化系統、數據採集設備等實現生產現場數據的自動採集、快速獲取，儘可能達到實時採集。在生產/裝配線海量實時數據的基礎上，實現在制品、設備、資源、質量、成本等生產要素的全面管控。同時實現虛擬生產/裝配線運行狀態的全面監控，對生產裝配現場的情況進行全線快速瀏覽，對生產線指定部位快速鎖定，對生產異常報警快速定位及處置。

基於生產/裝配線形成的海量實時資料庫，需要工程數據分析與挖掘、生產線製造效能建模、製造知識抽取與積累等技術，實現對產品製造過程追溯、對生產/裝配線製造效能評估以及對製造過程中的相關知識進行管理。

3.2關鍵技術解決途徑

（1）以物料配套缺件為核心的拉動式生產智能調度技術

以物料配套缺件為核心的拉動式生產智能調度技術主要針對目前生產調度中的問題，研究一種綜合性的生產智能調度方法，能滿足批產、補料、急件、科研試製等不同特性作業計劃的智能調度安排。

在光伏電池省產計劃中，產品數量大、批次多，材料、工裝、設備等需求複雜、準備時間長，實際生產中僅能做到關注重點工藝的生產進度，很難全面平衡掌控。針對批產計劃，結合Petri 網技術、面向對象方法和敏捷製造思想研究智能調度方法。首先運用敏捷化生產調度建模(Agile Production Scheduling Modeling，APSM) 方法，將生產過程中的各加工站點進行高度抽象，抽象出庫所，構建庫所產能函數，以瓶頸單元為依據，結合生產實際情況，優先滿足瓶頸單元的資源(包括人、機、料等) 需求；再考慮次瓶頸單元的需求，建立基於產能的敏捷化生產調度模型；再採用Petri 網技術，將實際生產線抽象成基於產能的製造單元模型的串聯或並聯的生產線模型。根據面向對象思想, 建立作業計劃的對象模型。具體的批產計劃經實例化後，以基於Petri 網的敏捷製造生產線產能模型為基礎，以配套缺件為依據，按拉動式的方法實現對批產計劃的智能調度。

當出現生產報廢時，需要及時下達報廢補料計劃。報廢補料計劃需要根據成套生產的原則，在不影響原有生產任務的前提下，在有限的資源、有限的時間內進行合理安排，盡量保證產品整體的生產裝配進度。因此，研究一種基於瓶頸分解的調度啟發式演算法。該演算法首先對生產線情況進行數據分析統計找到瓶頸所在，它強調瓶頸環節對生產系統效率的全局性影響，重視對各工序流程關係的分析，使複雜的調度問題得到簡化，計算規模小，對車間的動態變化能夠做出迅速的反應，根據光伏電池生產中的生產特點，結合實際生產線的特點，快速制定報廢補料生產計劃，拉動式的調度模式，將會更加有效縮短生產周期。

針對光伏電池生產線上的急件加工和新品試製，存在隨時性大、不確定因素多、相關資源可能不完備等情況，這使計劃的調度安排變得十分複雜。針對這類計劃，研究一種基於遺傳演算法和神經網路混合策略求解的智能調度演算法。

遺傳演算法是一類借鑒生物界自然選擇和自然遺傳機制的隨機搜索演算法，其主要特點是群體搜索策略和種群中個體之間的信息交換、搜索不依賴於梯度信息，尤其適應於處理傳統搜索方法難以解決的複雜和非線性問題。神經網路在生產調度問題上可實現克服作業調度問題中NP 困難、從優化軌跡中提取調度知識、以及尋找調度問題的可行或次優調度等。結合遺傳演算法和神經網路演算法的特點，基於混合策略求解的模式，對於複雜的生產調度問題效果十分明顯，將能有效解決光伏電池生產線上的急件加工、新品試製等單件小批量生產調度問題。

（2）基於知識的產品機加/裝配過程模擬與模擬技術

為有效評估和確定生產過程中的瓶頸環節和關鍵設備，研究基於知識的產品機加/裝配過程模擬與模擬技術。在數字化生產線模擬模型的基礎上，採用基於Petri 網的過程建模和性能分析方法，實現機加/裝配過程模擬模擬。主要研究建立生產線Petri 網理論模型、Petri 網模型轉換生產線模擬模型的方法、建立瓶頸環節和關鍵設備評估模型、製造知識與管理知識集成管理方法等。在Petri 網模型建立過程中，為建模方便和提高建模的真實性，需要基於知識設定設備運行情況、物料及時可用情況、加工質量情況、工裝工具準備情況等。根據機加/裝配線的工藝流程圖及運行情況，模擬作業計劃執行過程，生產線的變遷時間是工人完成該工位機加/裝配所需的時間。將建立的Petri 網模型中的庫所、變遷與生產線模擬模型中的實體相對應，並設置這些實體的相關參數，即可建立生產線的三維模擬模型。然後將作業計劃對象實例化，在生產線的三維模擬模型上模擬作業計劃執行過程，對模擬結果進行評估分析，確定作業執行過程中的瓶頸環節和關鍵設備，以便對作業計划進行平衡調整。

（3）虛實融合的生產/裝配過程監控技術

虛實融合的生產/裝配過程監控技術是將MES 系統的數據報表、真實生產現場視頻、生產線運行狀態監控報警等信息疊加到虛擬的數字化生產線模型上，這種技術實現了數字化、信息化技術手段與真實生產線場景的無縫融合，可實現對光伏電池的生產/裝配生產線的運行進行集成化、可視化、智能化監控。虛實融合的生產/裝配過程監控過程為：首先針對生產線上的瓶頸環節和關鍵設備，設置視頻採集點，並建立生產線模擬模型與生產現場視頻的對應關係。研究生產現場智能預警規則，然後根據現場場景視頻，採用智能視頻圖像分析技術（IVS）對人、機、料、法、環等要素的異常情況進行自動分析、報警。同時結合MES系統採集管理的數據信息，在生產線虛擬模擬模型上直觀顯示生產線的運行狀態。通過虛實融合的機加/裝配過程監控技術不僅能掌控生產線整體的運行狀態，還可針對報警環節，快速獲取現場真實情況和通過對實時採集數據的挖掘和分析，快速找出具體的報警原因。

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發展方向

通過本文對柔性製造系統的分析，以及計算機、網路、資料庫等技術的發展，柔性製造系通將向小型化、單元化方向發展，向模塊化、集成化方向發展，單項技術性能與系統性能將不斷提高，應用範圍將逐步擴大。系統的自反饋、自補償、自適應必將有很大程度的提高，使得光伏工廠的運行和生產成本得到進一步的降低。

柔性製造系統FMS(Flexible Manufacture System)彈性製造系統

德信誠管理百科

對任何製造業或非製造業而言，生產力是一個基本的要素，為了具有競爭力，必須增加生產力，因此彈性製造系統不僅提供使用者彈性，同時也要兼顧提升生產力。彈性製造系統涵蓋了廣泛的生產範圍，包括機器、製程、組合和一些其它的工作，這些系統可以達到不同程度的彈性，完全與該系統的組成組件有關。

自1960 年代後半，顧客對於產品的要求趨向於多樣化，如此工廠需要低生產成本及短交期來滿足多樣化的變化。為應付此種要求，需要一種適合中品種、中少量生產的生產系統。彈性製造系統可以被定義為一套生產系統，其利用計算機控制機器，裝配生產單元，機器手臂，檢驗機器等設備並配合計算機整合物料搬運及儲存系統。可以說是一個綜合高層次分散是數據處理、自動化物流流動以及整合式物料處理與物料儲存的系統。

FMS的工藝基礎是成組技術

它按照成組的加工對象確定工藝過程 ，選擇相適應的數控加工設備和工件、工具等物料的儲運系統，並由計算機進行控制，故能自動調整並實現一定範圍內多種工件的成批高效生產(即具有「柔性」)，並能及時地改變產品以滿足市場需求。

FMS兼有加工製造和部分生產管理兩種功能

因此能綜合地提高生產效益。FMS的工藝範圍正在不斷擴大，可以包括毛坯製造、機械加工、裝配和質量檢驗等。80年代中期投入使用的FMS，大都用於切削加工，也有用於衝壓和焊接的。

採用FMS的主要技術經濟效果是

能按裝配作業配套需要，及時安排所需零件的加工，實現及時生產，從而減少毛坯和在制品的庫存量，及相應的流動資金占用量，縮短生產周期；提高設備的利用率，減少設備數量和廠房面積；減少直接勞動力，在少人看管條件下可實現晝夜24小時的連續「無人化生產」；提高產品質量的一致性。

1967年，英國莫林斯公司首次根據威廉森提出的FMS基本概念，研製了「系統24」。其主要設備是六台模塊化結構的多工序數控機床，目標是在無人看管條件下，實現晝夜24小時連續加工，但最終由於經濟和技術上的困難而未全部建成。

同年，美國的懷特·森斯特蘭公司建成 Omniline I系統，它由八台加工中心和兩台多軸鑽床組成，工件被裝在托盤上的夾具中，按固定順序以一定節拍在各機床間傳送和進行加工。這種柔性自動化設備適於少品種、大批量生產中使用，在形式上與傳統的自動生產線相似，所以也叫柔性自動線。日本、前蘇聯、德國等也都在60年代末至70年代初，先後開展了FMS的研製工作。

1976年，日本發那科公司展出了由加工中心和工業機器人組成的柔性製造單元(簡稱FMC)，為發展FMS提供了重要的設備形式。柔性製造單元(FMC)一般由1～2台數控機床與物料傳送裝置組成，有獨立的工件儲存站和單元控制系統，能在機床上自動裝卸工件，甚至自動檢測工件，可實現有限工序的連續生產，適於多品種小批量生產應用。

70年代末期，FMS在技術上和數量上都有較大發展，80年代初期已進入實用階段，其中以由3～5台設備組成的FMS為最多，但也有規模更龐大的系統投入使用。

1982年，日本發那科公司建成自動化電機加工車間，由60個柔性製造單元（包括50個工業機器人）和一個立體倉庫組成，另有兩台自動引導台車傳送毛坯和工件，此外還有一個無人化電機裝配車間，它們都能連續24小時運轉。

這種自動化和無人化車間，是向實現計算機集成的自動化工廠邁出的重要一步。與此同時，還出現了若干僅具有FMS基本特徵，但自動化程度不很完善的經濟型FMS，使FMS的設計思想和技術成就得到普及應用。

典型的柔性製造系統由數字控制加工設備、物料儲運系統和信息控制系統組成。加工設備主要採用加工中心和數控車床，前者用於加工箱體類和板類零件，後者則用於加工軸類和盤類零件。

中、大批量少品種生產中所用的FMS，常採用可更換主軸箱的加工中心，以獲得更高的生產效率。

儲存和搬運系統搬運的的物料有毛坯、工件、刀具、夾具、檢具和切屑等；儲存物料的方法有平面布置的托盤庫，也有儲存量較大的桁道式立體倉庫。毛坯一般先由工人裝入托盤上的夾具中，並儲存在自動倉庫中的特定區域內，然後由自動搬運系統根據物料管理計算機的指令送到指定的工位。固定軌道式台車和傳送滾道適用於按工藝順序排列設備的FMS，自動引導台車搬送物料的順序則與設備排列位置無關，具有較大靈活性。

工業機器人可在有限的範圍內為1～4台機床輸送和裝卸工件，對於較大的工件常利用托盤自動交換裝置(簡稱APC)來傳送，也可採用在軌道上行走的機器人，同時完成工件的傳送和裝卸。磨損了的刀具可以逐個從刀庫中取出更換，也可由備用的子刀庫取代裝滿待換刀具的刀庫。車床卡盤的卡爪、特種夾具和專用加工中心的主軸箱也可以自動更換。切屑運送和處理系統是保證 FMS連續正常工作的必要條件，一般根據切屑的形狀、排除量和處理要求來選擇經濟的結構方案。

FMS信息控制系統的結構組成形式很多，但一般多採用群控方式的遞階系統。

第一級為各個工藝設備的計算機數控裝置(CNC)，實現各的口工過程的控制；第二級為群控計算機，負責把來自第三級計算機的生產計劃和數控指令等信息，分配給第一級中有關設備的數控裝置，同時把它們的運轉狀況信息上報給上級計算機；第三級是FMS的主計算機(控制計算機)，其功能是制訂生產作業計劃，實施FMS運行狀態的管理，及各種數據的管理；第四級是全廠的管理計算機。

性能完善的軟體是實現FMS功能的基礎，除支持計算機工作的系統軟體外，數量更多的是根據使用要求和用戶經驗所發展的專門應用軟體，大體上包括控制軟體(控制機床、物料儲運系統、檢驗裝置和監視系統)、計劃管理軟體(調度管理、質量管理、庫存管理、工裝管理等)和數據管理軟體(模擬、檢索和各種資料庫)等。

為保證FMS的連續自動運轉，須對刀具和切削過程進行監視，可能採用的方法有：測量機床主軸電機輸出的電流功率，或主軸的扭矩；利用感測器拾取刀具破裂的信號；利用接觸測頭直接測量刀具的刀刃尺寸或工件加工面尺寸的變化；累積計算刀具的切削時間以進行刀具壽命管理。此外，還可利用接觸測頭來測量機床熱變形和工件安裝誤差，並據此對其進行補償。

柔性製造系統按機床與搬運系統的相互關係可分為直線型、循環型、網路型和單元型。加工工件品種少、柔性要求小的製造系統多採用直線布局，雖然加工順序不能改變，但管理容易；單元型具有較大柔性，易於擴展，但調度作業的程序設計比較複雜。

柔性製造系統未來將向發展各種工藝內容的柔性製造單元和小型FMS；完善FMS的自動化功能；擴大FMS完成的作業內容，並與計算機輔助設計和輔助製造技術(CAD/CAM)相結合，向全盤自動化工廠方向發展。

大數據成「柔性製造」關鍵

按照傳統生產模式，一條生產線只能生產一個規格的產品，而在智能生產線上，可根據訂單要求的不同，同時上線生產不同的產品。那麼這些傳統生產模式無法做到的事情，智能生產線又是如何完成的？

智能化製造車間，各環節全部實現自動化、信息化。在這裡已實現了生產中人、設備、物料、工藝等各要素的柔性融合。產品的混裝柔性生產，整個柔性製造生產系統包含了大量數據信息，包括用戶需求、產品信息、設備信息及生產計劃。依託工業互聯網路將這些大數據聯結起來並通過MES系統處理，能制定最合適的生產方案，最優的分配各種製造資源。

剛柔並濟的未來

在柔性製造技術中有很多關鍵技術，其中有4大支柱技術是目前的主要研究方向，也是生產力大突破的關鍵點。它們分別是：計算機輔助設計技術；模糊控制技術；人工智慧、專家系統及智能感測器技術；人工神經網路技術。

柔性製造技術是實現未來工廠的新穎概念模式和新的發展趨勢，是決定製造企業未來發展前途的具有戰略意義的舉措。屆時，智能化機械與人之間將相互融合，柔性地全面協調從接受訂貨單至生產、銷售這一企業生產經營的全部活動。近年來，柔性製造作為一種現代化工業生產的科學"哲理"和工廠自動化的先進模式已為國際上所公認，可以這樣認為：柔性製造技術是在自動化技術、信息技術及製造技術的基礎上，將以往企業中相互獨立的工程設計、生產製造及經營管理等過程，在計算機及其軟體的支撐下，構成一個覆蓋整個企業的完整而有機的系統，以實現全局動態最優化，總體高效益、高柔性，並進而贏得競爭全勝的智能製造技術。它作為當今世界製造自動化技術發展的前沿科技，為未來機構製造工廠提供了一幅宏偉的藍圖，將成為21世紀機構製造業的主要生產模式。

再補充一點：

有人認為，至於排產和柔性製造的關係，排產屬於柔性製造的概念，但是我並不這樣認為。因為，所謂柔性製造的目的是服務生產計劃，就是按照生產計劃，在物理層面柔性的變化自己，以適應生產計劃的需求。所謂柔性，必然發生物理層面的製造體系的變化，說白了，就是設備的變化，產線的變化，人員的變化等，比如昨天公司有2條產線生產A系列，4條生產B系列；今天市場需求變化了，於是公司有3條生產A系列，3條生產B系列。兩個不同系列的產線，如果可以一夜之間變化，那麼我們可以看做高度柔性。

至於生產計劃排產，對昨天是基於「有2條產線生產A系列，4條生產B系列」，對今天則是「有3條生產A系列，3條生產B系列」。不可能對於物理上不存在的生產線進行排產。我認為排產本身並不存在柔性這個概念，演算法並不能對現實不存在和未來規劃不存在的產能排產。

柔性製造是什麼鬼？

▌1、柔性生產將成為製造業的核心競爭力

國務院參事湯敏教授認為：未來中國，以大批量生產、低成本取勝的勞動密集型產業外遷到東南亞勢不可擋，中國唯一可以留下的就是小批量、定製化的柔性製造產能。

換個角度理解這句話，如果中國能大規模的改造生產製造系統，使之都具備柔性化生產能力，那麼就可以把更多的製造業留住中國。所謂柔性化生產是指，在品質、交期、成本保持一致的條件下，生產線在大批量生產和小批量生產之間任意切換。

業界談論更多的「大規模個性化定製」只是柔性生產的一種形式，並不是通用模型。同時，所謂「小多快」(小批量、多品類、快速生產)也不是真正的柔性化，因為大批量訂單做不了也不是真正的柔性生產。

目前，方興未艾的「智能製造」，我們認為也是應用IOT技術來實現柔性化生產或定製化生產，總體上也屬於這個範疇。

縱觀國內，從服裝、鞋包到鋼鐵、原材料，各行各業的製造柔性化都在加速。以鍊鋼廠為例，以前訂單生產都是以月為交期，以「爐」為單位批量生產(一個品種一爐至少50T);而現在鋼廠面臨的多品種、小批次訂單越來越多，交期也從月到按周交貨，這樣的市場形勢倒逼鋼廠在生產模式也發生變化。

總體上，所謂國內的產能過剩指的都是落後產能、一般性產能，真正具備柔性生產能力的產能十分稀缺。

▌2、車間里如何實現柔性化生產

60年前大野耐一創立的「豐田式生產方式」(TPS，美國人總結為精益生產)已經極大地突破了柔性化生產問題。精益生產不僅僅是通過消除浪費來提高效率，更重要的是通過快速換模(SMED)、單件流(one piece flow) 等生產方式的創新實現了柔性化生產。

大野先生認為生產市場不需要的產品、過多生產是最大的浪費。這在本質上，已經包含了產銷和諧、產銷匹配的深意。到90年代，佳能的細胞生產(Cell)又將柔性化生產推進了一大步。

以大量運用多能工的細胞式生產，不僅實現了多品種生產組裝的快速切換，而且激發了工人的創新能力。

同時期，以戴爾大規模定製為代表的生產革新代表了另外一種柔性化生產思路，即對產品按照其功能進行劃分而進行模塊化設計，建立產品族和零部件族，內部實現零部件的標準化、通用化。這一模式成就了戴爾的輝煌，並作為一種商業思想廣泛傳播。

國內工業3.0的標杆企業尚品宅配、索菲亞、青島紅領等也都沿襲這一模式而成為行業翹楚。

▌3、中國製造業如何邁向工業4.0

中國製造業要邁向工業4.0，必須先補工業3.0的課——精益生產;甚至是工業2.0的課——IE(工業工程)。IE是一切之本，TPS、6Sigma、TOC(Theory of constraints，瓶頸理論，常與精益生產、六西格瑪並提)、5S(源自日本的現代工廠管理理論)都是建立在IE基礎之上。

甚至豐田也講到：豐田生產方式就是工業工程在豐田公司的具體應用。IE是以科學的方法，有效地利用人、財、物、信息、時間等經營資源，實現產出最大化。

必須承認用精益和IE來改造現有傳統製造業存在巨大困難，最重要的是一把手的觀念、決心，甚至情懷。因此，就單個工廠升級到工業4.0無法超越這道鴻溝。

在互聯網條件下：

有沒有可能通過「技術-經濟範式轉移」的方式實現超越呢?

是否會出現製造業的「雲端制」?

是否能實現超越工廠圍牆的社會化柔性化生產?

理論是可行的，現實也具備條件，但是我們還沒有看到!這個值得持續觀察。

▌4、「機器換人」的核心是軟體如何柔性化

以自動化設備、批量生產、降低製造成本為導向的「機器換人」可能存在陷阱，因為這正與全球製造業發展方向背道而馳。

比如，自動縫紉機一台可以替代6個縫紉工，確實提高了產能節省人工。

但是問題來了：

自動縫紉機要求針對不同服裝款式，不同縫製要求，預先製作工裝夾具，還需要人工編程打板，製作縫跡文件。這些額外成本使得自動縫紉機依然最適合的是單一款式大批量生產，而這與服裝行業柔性化生產的整體發展方向相悖。

因此，「機器換人」的關鍵是如何實現軟體的柔性化、敏捷編程，或自動編程，就像TPS中的「快速換模」一樣以「機器換人」為主要內容的技術改造主要解決的是高人力成本問題，而實際上中國製造業面臨的主要問題是產能過剩、產銷脫離問題。

其次，機器人確實可以提高某個操作環節的效率，並不一定能提升企業整體效益，要讓機器人真正發揮作用還需要將生產管理、人力資源、信息化管理等「軟體」與生產線的硬體進行同步規劃。這就意味著機器並不是最主要的技改內容，系統思考更加重要。

▌5、供應鏈協同基礎

要實現供應鏈協同，需要實現價值鏈各環節的數據共享和策略一致。在生產製造端，首先需要打通ERP與MES的割裂，實現內部協同。

ERP是企業層級的資源計劃管理;MES則是位於上層計劃管理系統與底層工業控制之間，面向車間層的管理信息系統。

ERP 的計劃生成可執行的生產工單，而MES則對工單的執行過程跟蹤記錄，並防止錯誤發生。其管理範圍從投產到出貨。

不幸的是大部分的製造業工廠ERP與MES都是兩套系統，各自為政。產能情況、訂單進度和生產庫存對ERP來說只是黑箱作業。若企業內部能實現ERP、MES，乃至CRM的集成協同，進一步就是需要對接電商大數據，包括實時訂單數據、需求預測數據等，這部分數據可能分屬於不同的合作夥伴。這時候合作夥伴的協同意識、信息化水平、數據介面標準，乃至激勵機制就至關重要了。

當產業鏈所有系統都全面集成之後，一條連接市場最終客戶、製造業內部各部門、上下游各方的實時協同供應鏈就形成了。

IT時代供應鏈的最高境界CPFA(Collaborative Planning Forecasting and Replenishment)--協同規劃、預測與補貨 系統就橫空出現了。

過去，只有大企業才能達到這一點，因為涉及巨大的IT和人才投入，但現在互聯網出現之後，有可能改變這一格局，小企業也可以做到，而且可以玩的更為極致。

因為，企業內部的系統集成通過乙太網(區域網)即可完成，而跨企業之間的協同互聯網則扮演重要角色。特別是電商出現之後，基於電商交易的數據豐富度、實時性和預測準確性，遠非POS信息單一維度的日報所能比擬。

▌總結：

「看了以上這麼多觀點，想必您必有所思。工業4.0如何落地，中國製造業何去何從，這已經不是國家層面的政策扶持問題，而是更多實業家的理解和行動。

少一點浮躁的大談理論和投機取巧，多一點落地和實幹。中國經濟的發展還需你我他大家的努力！」

End

來源：360doc個人圖書館

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