廣東工業大學機械學院副院長 劉強
一、行業背景與需求分析
1.行業背景
中空玻璃是采用高強度高氣密性復合粘結劑,將兩片、三片玻璃,與內含干燥劑的鋁合金框架粘結,制成的高效能隔音隔熱玻璃。
目前中國規模以上中空玻璃加工企業500余家,正從規模擴張向品質提升、功能擴充轉型;2014年全國中空玻璃總產量1.2億平方米,產值高達150億元,保持了10%的增長。
2.面臨的問題和解決措施
目前中空玻璃行業面臨的問題主要有:
●產品規格多;
●自動化水平低;
●現場管理亂;
●用工成本高。
要解決這些問題,可以采用機器換人的策略,大力推進自動化生產、智能化管控。
3.生產設備和軟件基本情況
中空玻璃自動化生產設備分為專機設備和整線市場,基本情況如下:
●專機設備國內市場成熟,配套設備完備,涵蓋磨邊機(高力威)、切割機(保泰羅)、鋼化(北玻)、中空(韓江)四大工藝;
●整線市場一直由國外壟斷(LiSEC)。
同時,中空玻璃在工業軟件上存在短板:缺少專業的定制設計平臺(CDP)、缺少專用的制造執行系統(MES)。專業軟件技術門檻與專業門檻并行存在,具體表現在:
●定制化設計與智能化管控雙重技術要求依據產能、場地進行定制,追求成本、質量、效率等多優化目標,執行過程依賴四大優化問題耦合;
●工藝細節與設備性能的雙重專業要求,4大工藝,70余臺專業設備,動作方式進行規劃與協調,小的工藝細節調整導致設計方案的大變動;若干可能的異常與故障需要預測與處理。
中空玻璃對工業軟件和專業軟件的研發,要求技術人員在研發過程中需要深度了解加工工藝、熟悉整線執行過程,掌握定制設計方法、具備算法研發能力。
二、中空玻璃智能生產線
全自動中空玻璃加工生產線(GOLIVE Automatic Insulating Glass Production Line, GAIGPL)簡稱:高派系統。
1.GAIGPL-高派系統的特點
GAIGPL-高派系統具有高效率、高品質、高智能、全自動等特點,具體表現在:
●基礎的玻璃加工工藝與流程;
●先進的全生命周期管理思想;
●單元化的定制設計理論;
●智能化的整線管控技術。
2.GAIGPL-高派系統的工藝
GAIGPL-高派系統有四大工藝,包括開料、磨邊、鋼化、熱壓。
3.GAIGPL-高派系統的制造單元
GAIGPL-高派系統有四個制造單元,具體如下:
●開料單元:原片倉+切割系統;
●磨邊單元:磨邊+清洗;
●鋼化單元:鋼化倉+排片臺+鋼化爐;
●熱壓單元:配對倉+熱壓線。
4.GAIGPL-高派管控系統構成
GAIGPL-高派管控系統構成如下圖(圖 1)。
圖1 GAIGPL-高派管控系統構成
5.GAIGPL-制造執行系統
GAIGPL-制造執行系統包括定制設計平臺、基礎功能、配套系統、執行內核四個部分組成,具體如下(圖2):
圖2 GAIGPL-制造執行系統
三、智能車間快速定制設計平臺
1.智能車間定制設計需求
智能車間根據不同的企業特點有著不同的個性化設計需求,主要體現在場地、產能、成本控制和遺留裝備四個方面(圖3):
圖3 智能車間定制設計需求
2.智能工廠設計平臺:
設計平臺的定制主要從以下三個維度進行:第一,整線快速定制設計平臺;第二,軟件與硬件仿真集成;第三,行迭代優化。
(1)整線定制設計平臺架構方式
整線定制設計平臺架構方式如下圖(圖4):
圖4 整線定制設計平臺架構方式
(2)軟件與硬件仿真集成
軟件與硬件仿真集成形成明確的虛擬設計方案后,裝備研發、控制系統研發、MES系統研發并行開展(圖5)。
圖5 裝備、模型、監控三視圖同步技術
裝備、模型、監控三視圖聯動技術的應用模式如下:
●形成定制設計平臺,支持車間快速化定制
●形成集成測試平臺,支持整線分布式集成
●形成遠程監控平臺,支撐工廠透明化監控
●形成模擬運行平臺,支持系統智能化管控
(3)設計與執行迭代優化
設計與執行迭代優化是一個閉環的流程,如下圖所示(圖6):
圖6 設計與執行迭代優化閉環圖
四、線上智能行為分析
智能是指設備依據既定規則、算法與信息輸入進行自主選擇、決策與行為。設備是沒有智能的,管控系統與執行系統賦予其智能。智能的最終體現就是設備的動作,因此,自動化、數字化、信息化是智能化的基礎。
1.智能行為分類
線上智能及其使用五類智能行為,分別為響應式智能、指令式智能、自主型智能、自適應智能、自學習智能。
(1)響應式智能
主要特點是作業主體被觸發(傳感器),進行簡易而重復性操作,需預置運動規則。
(2)指令式智能
按照上層系統指令,機械式地執行操作;嵌套使用第一類智能;對操作對象具有一定適應性(操作柔性)。
(3)自主型智能
若干設備構成一個能自主作業的小環境;能檢測自身負荷、作業對象情況;具有自主決策功能,以作業目標優化為導向,以智能優化算法做支撐,自動規劃動作與運動方式。
(4)自適應智能
依托對制造過程中的優化問題的精準描述與智能求解;依托對產品個性化分布與工業環境變化的充分預測與評估。
●全局優化:從系統級考慮多重優化目標(質量、成本、能耗、工期等)來組織生產;
●閉環制造:能感知工業環境與產品特征的變化,主動調整整線工藝路徑與單機工況;
●性能調控:具備自我評估與調校功能,力求執行過程穩定,計劃與投放合理。
(5)學習型智能
在第四類智能基礎上,進行智能的傳播與學習。
●智能裝備互聯互通,制造系統可獲得強有力的分析、學習、記憶與智能傳播功能。
●自主規劃工藝路徑;動態學習工藝參數與資源調配規則;主動預測與分析市場需求;主動解決設計、制造與生產過程的難題與故障。
●智能規劃、智能診斷方法頻繁使用。
2.什么樣的智能最好
關于什么是最好的智能,主要有以下兩個判定規則:
●越簡單的智能越容易實現,運行越穩定
●恰當的時候,恰當的地方,應用恰當的智能
五、智能制造系統實施建議
北航的劉強教授在智能制造系統實施方面,有個比較經典的觀點,他強調不要在落后的工藝基礎上搞自動化,不要在落后的管理基礎上搞信息化,不要在不具備網絡化數字化基礎上智能化。關于智能制造系統實施的建議,應從以下幾個方面考慮:
1.奉行的標準
制造系統的選型要奉行兩個標準:
●實用主義,即適用就行,不要嫌棄半自動化;
●至簡主義,即簡單裝備,簡單運動、簡單地實現。
2.來源與去處
考慮好智能的來源與去處,包括以下幾個方面:
●重視對工業過程、制造裝備、工藝細節的把握;
●重視對自動執行過程的提煉、抽象與精簡;
●準確把握車間智能的需求;
●重視制造單元的智能化;
●重視智能算法(智能的本源)。
3.潛在效益
全面考慮好智能制造的潛在效益,具體如下:
●成本(人力、原料、能耗);
●質量(加工質量、產品質量);
●效率(生產平衡性,人機稼動率,產能釋放比);
●交期(計劃達成率,交期預測的準確性);
●企業聲譽(實力與能力的象征);
●潛在價值(數據,經驗的可復制性)。
4.可借用的資源
智能制造可借用社會公共資源:
●引進技術(工藝改善、車間改善、設備升級);
●用好平臺(定制設計平臺);
●做好人才儲備(多途徑儲備人才隊伍);
●開展產學合作。
六、關于智能制造的幾點思考
1.智能制造的價值體現
如果把制造企業價值鏈條比作一副微笑曲線,前端的產品設計、研發、專利、技術、原材料采購等和后端的市場營銷、產品銷售、物流運輸、O2O服務等處于較高的價值水平。制造、加工、組裝等處于較低的水平,中國制造企業目前處于附加價值最低的中端(圖7)。
在中國,隨著一系列智能制造工程的深度實施,微笑曲線有可能將被拉平,自動化、智能化的制造、加工、組裝等環節將擁有成本、質量與交期優勢,并向設計與品牌營造兩端延伸;因其不可替代性,將擁有更多的市場發言權。
圖7 制造企業價值鏈條微笑曲線
2.人口紅利消失了怎么辦?
“勞動力優勢”是典型的智力浪費,中華民族擁有天然的高智商,智力優勢才是最大的優勢,中國仍然可發揮人口優勢。“大眾創業、萬眾創新”是智力優勢釋放的途徑之一,亟需引導與有序化。
目前中國正面臨人口老齡化、用工荒、空心化、員流動性大等問題;大量裝備涌現(珠江西岸裝備制造業帶),開始取代人工,裝備紅利取代人口紅利;同時大量的專業化裝備研發隊伍、大量的專業化技術服務隊伍不斷涌現,智力紅利支撐裝備紅利。
制造業依托行業化的智能車間定制設計平臺,改善專機裝備市場的競爭型生態,推動裝備行業供給側向合作型生態改革。
本文根據廣東工業大學機械學院副院長劉強在2017深圳智能工廠高峰論壇上的發言整理而成,未經本人確認。
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本文標題:中空玻璃智能車間快速定制設計的方法與平臺
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