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智能工厂与智能供应链创新

来源:本站      点击:716      时间:2017-10-12

随着工业自动化程度越来越高,人为因素在工业4.0背景下的作用却越来越大。作为人机交互的重要体现,生产和物流都更具灵活性,企业需要思考从生产工艺流程的角度如何满足更柔性化的产品需求。对于物流,则在于如何通过智能物流满足个性化定制。

对于传统的制造型企业,物流流程一般包括立体仓库、装配线、拣料和发货,大量采用静止输送技术,且生产主要面向批量生产,不具备柔性化、定制化和智能化的生产特点。而未来,面向客户定制的产品,属于小批量、多品种生产,应更多采用移动灵活的输送策略。如通过AGV从收货区到装配区,再到整个物料中心,设计面向未来的物流4.0输送技术。

工业4.0时代,我们必须思考智能物流,以及生产工艺如何降低成本、满足新的需求。从立体仓库到装配区,再到包装区、发货区,整个物料搬运全部使用AGV,这是工业4.0时代下智能物流的发展方向。同时,系统在生产、运行过程中实时监控流程,实时改进整个生产工艺。

在“工业4.0”的时代背景下,客户需求个性化,产品创新周期缩短,生产节拍加快,这些不仅是生产型企业面临的重要课题,也是对支撑生产的物流系统提出的严峻挑战。工业4.0不仅要求单体设备智能化,且设备之间还要互通互联,以满足智能生产和智能物流需求,进而打造智能工厂、实现智能制造。

德国汽车工业作为目前全球制造业中智能化程度较高,产业集中度较高的代表,已然成为工业4.0的前沿阵地,宝马、大众等公司纷纷试水工业4.0,实现从3.0向4.0的转型升级。BMW宝马为此成立了 “宝马柔性物流实验室”,与来自Fraunhofer IML德国物流研究院的物流专家共同研究面向未来供应链的自适应技术和网络模型,这对于欧洲经济整体竞争力的提升都将有所贡献。

自2015年9月以来,宝马一直在与德国物流研究院联合打造 “BMW柔性物流实验室”。宝马集团国际供应链副总裁Dirk Dreher博士表示,该联合实验室的主要议题是以全新、敏捷和跨学科的合作研究去开发、测试和应用跨供应链的创新技术,为实现工业4.0建立桥梁。

具有面向全球价值链,且足够灵活的外部供应网络是该实验室的基本目标之一,特别是在国际货运总是受到宏观经济动态影响的今天;由此造成的需求波动,就需要物流必须对生产和供应的变化做出灵活的和适应变化的反应。

“宝马柔性物流实验室”的另一个重要任务是内部物流领域的智能技术创新。在此方面,最大的成果是智能运输机器人(Smart Transport Robot , STR)的开发和实验,宝马在仅仅四个月的时间内就成功制定出自主机器人的概念。实验室根据BMW的物流需求为其量身定制了STR,其也成功集成了宝马成熟的技术成果——STR是一款以宝马i3电动车电池为动力的自动驾驶运输机器人,这对于创新技术的资源效率和回收利用也具有可持续贡献。

这款智能机器人被主要用来运送宝马物流中心内各种规格的料箱和器具。除内部物流领域,该机器人未来还将在宝马智能工厂的包装和装配区域投入使用。由于采用了可回收利用的宝马i3电动车锂离子电池,充电一次至少能保证STR运行8小时,足以支撑一整天的工作强度。

Dirk Dreher博士表示,STR的研发是BMW对内部物流数字化和智能化探索的重要里程碑。在实验室创建一年之际,第一批小批量成品已在宝马位于德国瓦克斯多夫Wackersdorf的创新园内测试通过,2016年底STR即将投产使用。

宝马还为其工厂引入了智能能量管理数据系统(iEMDS),该系统可以不间断测量出生产设备或机器人的能量消耗,并把相关数据上传到公司大数据网络。该系统不仅可使生产线实现低能耗、高产出,还能保证产品的品质。iEMDS也是宝马“工业4.0”理念的组成部分之一。

对于未来的智能工厂,德国物流研究院与合作伙伴共同开发的“SMART FACE”项目业务能带来一些新的思路,尤其适用于那些中小批量、柔性生产领域,无论是电动汽车还是NIKE运动鞋。因为个性化的消费需求对传统生产产生了巨大挑战,其在规划之初是用于大批量生产的。对此,“SMART FACE”(智能工厂精益生产计划)项目的目标是打造一个灵活生产、适于中小批量定制化产品的智能工厂,所有智能规划都通过本地信息物理系统CPS来操控。SMART FACE也是“工业4.0平台地图”试点项目之一。“SMART FACE”项目由德国物流研究院发起,由德国联邦经济技术部(BMWI)提供资金资助,合作伙伴包括多特蒙德工业大学、Continental、PSI、SICK、大众公司等。

基于CPS系统的离散控制,让未来的生产装配线不再是集中控制和线性的,而是高度灵活的离散型自组织体系,一个CPS系统既可支持高度自动化又可支持人工作业。在SMART FACE打造的智能工厂里,AGV小车可准确感知货物的重量和任务优先级。当出现一个紧急任务时,其他AGV小车可自动避让,降低通行速度来保证该任务的顺利完成。

必需的零部件可在汽车装配站旁有一定备料,便于及时补给相应部件到该工作站。智能的仓库管理系统,可以感知在仓库外或是在运输过程中的备货信息。装配线可自动请求所需零件,仓库系统收到指令即时作出反应,由AGV小车运送所需材料和零件至指定位置。仓库管理系统还能准确接收所有订单信息,即使是来自供应商的订单,也能知道其供应的原料何时到达。以做好充分收货准备,备好AGV小车在第一时间送到装配现场。

在CPS系统里的每一个设备都能得到智能传感器和物联网的技术支持。通过传感器和物联网,所有物体能够彼此感知,所有信息可以准确获取,并通过RFID芯片将物体的重量、去向、内容等信息进行传递。在工厂外,SMART FACE还可智能感知特定区域的交通信息,以为运输车辆创建科学合理的运输路线和预测到达时间(有效避让堵车、道路维护、恶劣天气)。

未来工厂将被智能小车所充斥,其既能满足运输任务,也可相互协作、相互通信,且他们在接收任务时,已对运输指令完成了路线优化。无论在工厂还是仓库,每一个周转器具其容器本身也将是智能的,自带库存管理功能,可指挥分拣人员到指令拣货区,也可遥控智能小车自动补货。

未来一切设备都将自主决策、去中心化、离散控制,同时和互联网互通,可以随时上传信息。CPS将成为物流4.0的技术中心,把所有设备平台串联起来。正如德国物流研究院多年前研发的高柔性CTS技术,每辆小车都是一个独立单元,可根据所在位置与状态自主承接合适的订单,与生产设备及其它小车智能交互,自主解决行走中发生的问题,这样的系统是物流4.0的核心技术。

工业4.0时代,人和机器共存已成必然,而人机协同如何达到最优?在未来的智慧工厂,机器不会取代人;相反,因为智能机器的广泛应用,对人的要求更高,需要人能更好地与机器对接,更好地管理机器。越智能的工厂,对于驾驭工厂的人的要求越高,因此,我们的企业需要重视和激活符合工业4.0职业素养的人才培训体系。

无论是智能工厂、还是智能供应链,都少不了科学严谨的规划。以物流选址为例,传统企业通常在一个厂址驻扎多年,但未来我们必须能根据客户需求变化而快速响应,这也包括物流节点需要随时搬迁。过去车间工位都是固定的,未来物流模式将大不同,必须能随时改变,这是物流4.0的一大愿景。

德国人在做规划设计时,一定会把客户的需求落实清楚,然后根据其需求设计出最适应的方案。要建造一个工厂,成本和效率是企业追求的核心指标。如宝马的德国莱比锡工厂,从2005年建筑落成到工厂启用至今,都与最初的规划设计保持了很好的一致性。在这个项目上,德国物流研究院荣誉院长库恩教授带领的专业团队在工厂选址、物流集货、厂区规划等方面给予了宝马大量技术支持。

与国内常见的四四方方厂区规划不同,为灵活应对未来需求,宝马莱比锡工厂采用了最可持续和高效灵活的生产与物流模式,围绕中央大楼建设的三大核心生产区域(车身车间、喷涂车间和总装车间)呈现出“梳状结构”的不规则设计。创新的物流规划方案,确保其产业链运转更加顺畅,让宝马供应链的效率显著提高,物流成本大大降低;更重要的是,成就了宝马高效灵活、智能化、个性化的汽车生产模式。

因此,要想建造一个好工厂必须遵循“顺向规划原则”,即先明确目标、规划业务流程,再选择技术设备,最后设计建筑形态,只有这样才能确保项目规划成功落地,为企业未来稳健发展打下坚实基础。