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业界动态

未来制造业的厂内智能物流是这样吗?

时间:2021-11-15 18:07:34  作者:  来源:  查看:0  评论:0
内容摘要:制造业在生产过程中,离不开三大类生产装备:一个是生产设备,一个是生产设施,一个是辅助设备。生产设备是只直接参与产品的生产过程的装备,通过生产设备的执行将原材料物理化学变化或者将各个零配件装置起来,最后形成产品。生产设备的效率和执行情况是制造业的最关键的部分,关系到企业的整体生产效...
制造业在生产过程中,离不开三大类生产装备:

一个是生产设备,一个是生产设施,一个是辅助设备。

生产设备是只直接参与产品的生产过程的装备,通过生产设备的执行将原材料物理化学变化或者将各个零配件装置起来,最后形成产品。

生产设备的效率和执行情况是制造业的最关键的部分,关系到企业的整体生产效率和产品质量。常见的生产设备有机床、注塑机、饮料生产线、热处理机、3D打印机等等。

生产设施是用来服务生产设备工作的装备,不直接参与产品的形成过程。厂内诸如叉车、皮带输送机、立体库这些物流装备和系统就是生产设施,是用来服务于核心生产设备和工艺关节的。

既然物流系统(后续物流系统皆指厂内物流装备)在制造工厂中扮演服务的角色,能首先看看制造工厂需要物流系统提供什么服务,物流系统又能提供什么样的服务。

通常来说,厂内物流系统涉及全厂的生产计划、工艺流程、搬运作业、仓库管理、信息系统等各个方面。它要求合理安排物料搬运的路线、运量、搬运方法和设备、储存场地、作业人员等,以便加快物流速度(中间停顿少、生产周期短),提高物流质量(物料损耗少、搬运效率高、安全作业好),降低物流费用(包括搬运、储存等有关费用)。

从局部角度来看,各个生产环节希望配套的物流系统能做到:足、快、好。

足:本生产环节需要物料时,物流系统提供的物料是足够的;


快:本生产环节需要物料时,物流系统可以快速甚至提前供应,生产时可以做到随用随取。


好:本生产环节需要物料时,物流系统提供的物料是准确无误的;


从宏观的的角度来看制造工厂需要物流系统能无间隙的为厂内的各个生产环节供给物料、转移物料(成品、半成品),同时物流系统要将自身的库存、搬运量、搬运效率等信息数据上报给生产管理系统,以便制造工厂协调厂内物料的调配和产业上下游供应链的衔接。

事实上,制造业一直在很努力的试图利用最少的物流系统资源完成生产过程中的所有物料存储和搬运工作。工厂管理者也一直在绞尽脑汁的在权衡各种物流系统投入、人力成本、用地成本等等因素后选择最适合自身企业的物流设施配置。

有的企业选择了采用了叉车、手推车和平库的方式是最符合自身企业的物流作业的,有的企业选择了采用立体库,输送机,AGV的方式是最符合自己规模化生产的……不管采取什么物流设施,核心都是企业能最大化的调动物流系统去服务关键制造生产环节。

前文我们已经分析过,不远的未来,制造业会朝着某些特征方向发展,而作为服务角色的物流设施自然也要顺应这些制造业的特征。

上文我们已经总结过,未来的制造业的特征有:

01 全面数字化
02 万物互联
03 软件定义
04 柔性生产
05 生产要素像素化

01全面数字化

未来的制造业要全面数字化,从工厂内的各个生产环节的生产设备,到本行业的上下游企业的业务数字化,再到产品从设计、研发、到维护、报废的全生命周期的各个环节的数字化。数字化对于未来的制造业来说就如果当年的电力一样,成为了一种底层的基建。

这就必然要求所有的生产设备、生产设施、辅助设备也要在基建之上才能满足下一代的生产模式。就像一个现代电气化驱动的工厂,无法与用驴车在工厂内完成搬运任务一样。

很多实现了规模化生产的制造企业在自己的工厂内部较早就部署了各种自动化仓储物流系统。完整的自动化物流系统的构架是如下的:


从构架中我们可以看到,自动化物流系统是一种工业装备和信息技术集成的系统。因此,集成系统本身就具有了数字化先天的优势。而对于未来的制造业来讲,数字化是全面的数字化,是要打破数字孤岛的数字化,因此传统的物流自动化系统里的金字塔里的各级单元都要往数字化方向发展。

本金字塔里的各级单元不再只属于本金字塔结构中,而是可以作为数字单元一同挂在工业网路中。

比如输送机上的传感器、PLC本身就带有数字化的属性,未来都要作为数字单元与其他子系统上的其他数字化单元被整合利用。比如输送机的所有传感器的数据被用来计算实际物料的吞吐量,也可以被用来作为同类传感器的预测性维护的大数据源,也可以被当作下一代传感器升级迭代设计的参考数据……

而对于非自动化系统的各类物流设施,也需要对其进行数字化赋能。比如物料单元通过条码、二维码、RFID使其具有数字属性,对于单机物流设备如叉车,单机皮带等,则可以通过加装传感器使其具有数字化的属性……

很多制造业从业者和物流装备的从业者认为,所谓数字化只是大厂和少数头部企业的游戏。而随着制造业全面数字化的到来,未加入数字化阵营的设备、系统、企业、个人都会被淘汰,就像当年一个电气驱动的工厂里,不会采用驴车来搬运物料,也不会雇佣只会蒸汽机生产的技术员和操作员,也不会和下游仍旧是手工生产的供应商合作一样。


全面数字化已经行走在路上,这种趋势势不可挡,数字化已经不只是局部的系统和工厂内的设备、自动化系统层面,而会是整个产业链的基本生产方式和基础建设,未被数字化的要素和单元不是被淘汰就是在被数字化的路上,在未来从微观到宏观层面的数字化大网上才能协同生产的情况下,从制造商到消费者皆为数字化的使用者和生产者。当全面数字化到来的一颗,落后的传统制造方式一定会被湮灭。


02 万物互联

制造业通过万物互联实现信息孤岛之间的数字化通讯,促成整体从微观到宏观的协作。

传统的自动化物流系统是通过各种工业总线实现了传感器、输送机、堆垛机、执行电机、WMS软件等等的内部互联。而一个工厂内通常会有若干的不同供应商提供的物流子系统,由于各自的系统设计框架不同、开发工具不同,由于需要各个子系统协同对接,因此往往需要在两个子系统建立后,双方协商对接协议,开发对接接口,经过调试实现子系统的局部功能对接。

未来的制造业是万物互联的,这就要求各个系统从开始设计之处就需要有开放互联的属性。未来的物流系统都会链接到工业互联网云端,既有分享自我数据的同时,也可以获取相关其他系统的数据。

未来的物流自动化系统会被逐渐扁平化,传统的金字塔会被降维成分布式的结构,物料单元本身、电机、传感器、PLC、机械手等等兼可直接并入网络。

在制造工厂内部,贯穿整个工厂的物流各个环节的收货、入库暂存、仓库、生产各个工位的物料供应、出库、分拣、打包、发货等的所有物流装备设施都并入到工业互联云平台上,实现贯穿式的联网数字化集中和整合。工厂内部的这些由物流装备反馈的数据会被用来服务于关键生产环节,最终实现厂内的物流装备最佳的资源利用率和提供为工厂生产最优的物流服务。

物流设施的互联体现的价值不止在工厂内部,放眼到制造工厂的整个上下游产业链也含有巨大的潜在价值。工厂内部的物流系统反应出工厂的生产节拍,各种物料的消耗速度,各种物料的搬运标准,各种物料的存储操作要求。而各家上下游工厂的物流系统的数字化信息互联,可以帮助实现上下游产业链从物料具体供给方式和商业行为上的对接。

制造工厂内的各种物流装备和系统的万物互联,同时对于物流装备供应商来说也饱含巨大的商业价值。在工厂内正在运行并且实现工业互联的物流装备,可以将特征数据作为装备供应商分析客户的业务需求、设备升级、预测性维护等的宝贵数字化依据。


各种新技术诸如5G、NB IOT等相关的物联网赋能技术都在快速发展中,这些都有助于万物互联的落地与实现。未来碎片化的全面物联网不光出现在生活消费领域,也必然同时会在工业制造业大放异彩。


03软件定义物流


当今投资建设一套自动化物流系统,业主使用方往往要问的是这个AGV多少,一条输送机多少钱,一台堆垛机多少……而往往忽略了那些肉眼不可见的软件的价值。

做物流技术集成商的从业者一定知道,在各种自动化设备运行的过程中,起到关键作用的是运行在各种PLC、服务器、工控机的一行行代码。

既然我们知道软件很重要,那之前为什么不能说软件定义物流呢?最关键的原因还是自动化设备在制造业中的渗透率其实是很低的,多数的工厂还是很原始的手工物流作业状态。也就是说没有数字化属性的硬件设备占绝大多数。而所谓软件也更多的是独立式的与硬件关联不是很紧密的ERP,办公管理系统等等。因此,从宏观上来看,传统的制造业工厂中,各类硬件和软件基本上是分离的,而有自动化系统上线时,人们也往往容易忽视设备背后的软件。

而未来的制造业是全面数字化的,也就是意味着现实工厂中的物流设备在从集成商交付给工厂的时候,不光交付了设备本身,也要完成数字化交付。

正是因为全面数字化的原因,未来的数字虚拟映射会与真实物理世界的硬件一样重要。而数字化的力量正需要由软件来爆发出来。

未来的制造业工厂中,通过软件可以在线调动厂内的所有物流设备和子系统。万物数字化和互联后的云平台时刻掌握着全厂的物料、搬运、存储的动态,也掌握着从收货、入库、工艺生产、出库、包装等等所有业务的数据。

以工厂内物料搬运系统为例。软件分析近期云平台上的本厂业务数据,对上游产业链预测要到达本厂的物料的数量、重量、包装形式进行分析后,计算得出进入本厂后的最佳物料存放单位(托盘、料箱),并调度厂内搬运合理数量的AGV应付入厂搬运任务。厂内的并发的搬运任务,也由软件获取综合业务数据来分配各个环节搬运任务的优先级和需要调配的机器人的数量。


软件获取由于外部市场原因的波动导致的厂内搬运资源在1个月后不足时,由物流软件提醒工厂管理人员采购多少台配置为****的搬运机器人。

各个工位上的进料、出料,周转时间,每次周转多少,都由软件经对全厂当前相关数据分析后再调度对应的搬运机器人去执行搬运任务。

未来制造业的厂内物流管理一定是通过软件来分析云平台上的海量数字,并运用智能化的算法来实现对厂内各种物流设备的调度执行。在这一过程中,软件提取了数据、提炼并分析数据、展示有用的数据、计算并合成新的数据。

蒸汽机和电气时代,工厂内的车间各个工位的工人操作个人面前的机器完成固定不变的几个动作,工厂的物流活动是靠人工根据工厂现场的物料需要,进行简单工位堆料完成的;计算机和信息时代,工厂内的生产可以由计算机控制器根据当前工位的工艺要求结合传感器的感知后,指挥电机等控制单元完成生产动作,工厂的物流作业也可以由局部系统集成并围绕生产工艺指挥物流设备完成搬运、存储等动作。

而在未来的制造工厂内,全面数字化和万物互联搭建的平台使软件指令的背后有了上帝视角。软件作为一种将各种规则、指令、知识、任务等代码化后的载体,在每次调度设备和机构动作执行的任务代码下发的同时,背后都蕴藏着对于厂内资源、供应链全局、生产计划等等的通盘运筹。

基于数字化和万物互联的厂内物流软件比传统的自动化物流集成的各类软件有了更高的格局,而未来打破金字塔结构的分布式结构的部署,会让软件更加有穿透力,是未来物流设备单元智能化的必由之路。


04柔性生产

由于未来制造业有很大一部分生产资源要满足个性化的生产需求,因此在未来的制造业工厂中,一定会充斥着大量的个性化的原材料、零配件、半成品、成品。从工厂物流的角度来看,与传统的厂内物流情况不一样的是,未来工厂里的物料是动态变化的,个性化的生产会导致物料的尺寸、重量、外形、节拍、效率等等的动态变化。

变化的物料给厂内物流系统带来了直接的挑战。传统的自动化物流系统都是基于给定的物料单元、效率要求、搬运路线等等设计的,而未来的物料不再是标准的,固定的,因此这就要求厂内物流搬运系统要能自适应各种变化的物料单元的存储、搬运任务,即物流系统需要充分的柔性化。

 放到一个具体的场景中来看,比如一段物流搬运系统,早上搬运输送的是一袋袋的大米,尺寸大概600mm*400mm,每个袋子重约10Kg;到了下午搬运输送的又变成了一盒一盒的小包装大米,尺寸变成了更小的比如200mm*150mm,每个盒子重约2kg。

由于输送的物料单元的尺寸或者重量或者包装形式的不统一,对于这种情况,现阶段我们的做法通常是将不同的物料单元统一到标准的容器中,比如统一的料箱或者统一的托盘等等,然后再针对料箱或者托盘运用成熟的标准输送方案,比如皮带输送机或者托盘输送机。

但由于未来的发展方向是高度柔性和产品的非标准化、可定制化的特点,这会导致物料单元的不可预知性。如果再继续用统一的容器来进行管理,可能会有库容量不合理、大尺寸物料需要拆盘过于频繁、或者小件物料分拣环节复杂、效率低下等等各种问题。

另外随着搬运工艺和上下游要求的变化,当前的物料单元可能去向也会发生变化,去向发生变化的同时由于包装的需要,也许需要物料本身的方向也要发生变化。

理想中的高柔性化的搬运系统可以将不同的物料单元投入到该输送系统中,输送系统可以根据当前不同的物料单元的属性进行输送,也可以根据当前输送的要求,动态的完成该物料的去向,旋转、等待、合并,排队等等各种动作。

有了对应不同物料的各种输送功能,还需要系统能够自适应的调整自己的程序来完成上述的功能。我们现有的控制系统中的实现方式为,将各种可能存在的搬运控制逻辑都写入到控制器里,如果有新的要求和输送控制方式,要重新修改控制程序。


自适应性的柔性输送机系统可以根据当前物料要去的下游和包装要求、吞吐量要求自动调整到正确输送控制模式下,不再依赖于中央控制器,而属于分布式控制的方式。


05生产要素像素化

全面数字化和万物互联是未来制造业的基建,由此搭建的一张数字化大网成为制造业的经络贯穿于整个制造业。而这张大网的网孔做的越密,那它的潜在力量就越强。

为核心生产过程服务的物流设施也在这张大网之内,未来的物流设施接入这种大网不再是高高在上的自动化金字塔的塔尖一层的软件系统,而是由底层最小的传感器单元就会直接并入这张大网中。

海量的小颗粒度的传感器、单机物流设备会在未来持续直接为数字化大网提供数字源,而经过云平台的智能数字计算后会用上帝视角再合理调用现场物流设备做出任务执行,使每个像素级的底层物流设施单元都能充分的被利用起来。

未来的定制化生产也需要物流设施能摆脱傻大笨的固定模式,而是能灵活动态匹配各种变化的生产订单带来的不可预知的物料单元的搬运和存储任务。

从物理的角度来看,最佳的物流设施需要即能搬运大件托盘的物料,又能搬运小件的料盒的物料,既能搬运小吞吐量的物料任务,又能搬运大吞吐,物料任务,即能按照AB的位置点来回搬运,也能按照ABCD多个位置点搬运……

以上的要求对于传统的自动化物流系统来说很荒唐,不可能实现,而未来的定制化需求就需要满足这样的内部物流场景,而解决这样的需求的唯一之路就是使物流设施像素化,单元化,模块化。

未来的物流设施由一个个灵活的颗粒度较小的搬运单元构成,可以快速拼接、拆卸,可以自由组合,可以自我调度……

细颗粒度的智能物流单元融入制造业的数字化大网,以更精细、更全面的数字反应当前的物料处理的相关信息,以更灵活、更柔性的物理特征来满足定制化生产带来的物料搬运任务。


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