智造 | 智能制造的前半生

制造其實(shí)是一趟漫長的旅程。它的起點(diǎn)和終點(diǎn)，看上去一成不變，但其實(shí)也在不停的移動。而智能制造則將兩頭的邊界拓展得更遠(yuǎn)。并非是從車間，也不是從研發(fā)部門，智能制造的起點(diǎn)可以從更遠(yuǎn)端開始。智能制造本身，其實(shí)也包含了生產(chǎn)支持系統(tǒng)的智能建造等含義，從工廠的天花板，到生產(chǎn)線的布局，一直到機(jī)器開始正式運(yùn)轉(zhuǎn)。這是一段沒有腳印的虛擬旅途。正是無處不在的工業(yè)軟件，讓百米賽跑還沒有開始，制造就已經(jīng)邁出了五十步。

產(chǎn)線布局，其實(shí)就是代碼跳動

一個(gè)工廠的機(jī)器擺放，是一門大學(xué)問。它需要從工廠層次的全局，來思考業(yè)務(wù)邏輯、物流及生產(chǎn)工藝。用戶借助廠房布局或者生產(chǎn)規(guī)劃軟件，可以對各級工序的材料流進(jìn)行建模，從而實(shí)現(xiàn)廠房級的優(yōu)化。而在當(dāng)下時(shí)刻，也會針對全球的網(wǎng)絡(luò)化分布的生產(chǎn)設(shè)施尋找最佳的生產(chǎn)制造策略。

這里需要對工廠進(jìn)行大工藝的設(shè)計(jì)，包括機(jī)器產(chǎn)線的布置、大門的設(shè)置、物流的進(jìn)出通道、線邊庫的布局等。當(dāng)然，也包括對人進(jìn)出的設(shè)計(jì)。而一臺臺機(jī)器、穿梭補(bǔ)料的運(yùn)輸設(shè)備等布局，跟整個(gè)生產(chǎn)線的工藝路線有著密切的關(guān)系。

同樣一臺注塑機(jī)器，放在不同的廠房，甚至進(jìn)入不同的車間，它的布局方式會發(fā)生完全不同的變化。更重要的是，規(guī)劃師需要對各種工藝、裝配規(guī)劃等進(jìn)行模擬仿真驗(yàn)證，模擬整個(gè)生產(chǎn)制造過程，在投入生產(chǎn)前就得到驗(yàn)證結(jié)果，并生成清單報(bào)表和指令等。

這種產(chǎn)線的工藝仿真，顯然需要對機(jī)器本身有著更好的認(rèn)知和數(shù)據(jù)來源。在上個(gè)世紀(jì)末，如以色列的Technomatix、美國Deneb Robotics等許多專業(yè)的仿真公司進(jìn)入視野。而汽車行業(yè)，則對此厚愛有加，紛紛采用，這大大促進(jìn)了這類數(shù)字化產(chǎn)線工藝仿真軟件的發(fā)展。由于機(jī)器的數(shù)據(jù)，需要來自前面的機(jī)器設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，這使得設(shè)計(jì)機(jī)械的CAD廠商很快意識到這是要一塊不可丟失的陣地，于是傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)CAD廠商紛紛進(jìn)入。前面提到的兩個(gè)廠家也分別被收購。CAD廠商，也借此離開了原先的設(shè)計(jì)部門的邊界，開始在生產(chǎn)車間和廠房之間逡巡。

非常有意思的事情是人員流動的仿真，例如Anylogic仿真軟件。這家面向行人仿真的公司值得留存，因?yàn)榻K于在工業(yè)領(lǐng)域可以看到一家來自俄羅斯的軟件。它可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)動力學(xué)、離散事件、智能體的建模仿真。它廣泛用于機(jī)場、博物館、地鐵等人流密集的地方，這些都需要深刻了解人的行為模型。人的行走會受到自激勵機(jī)制的影響，比如總想超越前面的人等。這聽上去簡單，而工廠現(xiàn)場的事情，則要復(fù)雜得多。

復(fù)雜產(chǎn)品的訂單突然增加，往往是苦惱人的蜜糖。例如飛機(jī)的增產(chǎn)，就是一個(gè)復(fù)雜的過程，因?yàn)樗枰匦略u估產(chǎn)線的影響。由于產(chǎn)量低，許多工作單元一般都是定制化，部件生產(chǎn)又都在不同地域，抗干擾的能力其實(shí)是很差的。這些因素，會導(dǎo)致擴(kuò)產(chǎn)的時(shí)候，往往反而使得飛機(jī)生產(chǎn)周期的增加。

為了應(yīng)對這種變化，歐盟發(fā)起了“自適應(yīng)生產(chǎn)管理項(xiàng)目”，著重增加飛機(jī)和造船行業(yè)的新產(chǎn)品持續(xù)增長的能力?？湛鸵布尤肫渲?。A350在漢堡的裝配流水線（行業(yè)內(nèi)俗稱脈動生產(chǎn)線），會完成對機(jī)身兩個(gè)不同部位的裝配。它包含6個(gè)裝配站，每站包括30-35個(gè)員工和約300條的工作指令。這個(gè)產(chǎn)線的生產(chǎn)力會隨時(shí)間推移而增長，整個(gè)增產(chǎn)周期持續(xù)兩年。在這里，每個(gè)工作站，都被看成是一個(gè)智能體。那么這個(gè)過程如何進(jìn)行仿真，如何修正人員的操作和事件指令的下發(fā)，以適應(yīng)增產(chǎn)帶來的變化。

圖1  空客的自適應(yīng)管理

作為自適應(yīng)生產(chǎn)管理的一部分，必須有仿真軟件，使得參與者能夠再現(xiàn)真實(shí)的生產(chǎn)環(huán)境。AnyLogic憑借它基于智能體及離散事件的混合建模優(yōu)勢而成功入選。而實(shí)際上，它也有很多排產(chǎn)、在制品策略管理等軟件?，F(xiàn)場會有很多古怪的場景，和工藝需求，于是就會有想不到的軟件來迎合需要。

除了Anylogic之外，其它人員仿真軟件包括STEP，也有來自英國的MassMotion。值得一提的是，后者參與了北京大興機(jī)場的客流仿真，這個(gè)機(jī)場每年要為4500萬人次提供服務(wù)。人員流動與緊急疏散，是必須要考慮的問題。

與此同時(shí)，物料流動也需要仿真。在精益體系中，物料是最有講究的一個(gè)環(huán)節(jié)。物料的位置、存量，背后都有著深刻的效率密碼?？梢哉f，物料是浪費(fèi)程度最扎眼的刻度尺。一個(gè)工廠內(nèi)的物流，往往會通過倉儲物流軟件WMS，跟立體庫、運(yùn)貨小車、叉車、托盤等物料設(shè)備，進(jìn)行著交互吞吐。原材料、半成品、零部件、在制品等進(jìn)行空間大挪移的時(shí)候，背后是一套嚴(yán)格的生產(chǎn)計(jì)劃信息流所主宰。

那么，這套每天奔騰不息的物品洪流，最早是如何從設(shè)想變成事實(shí)？

一個(gè)企業(yè)的物流設(shè)計(jì)，往往可以通過業(yè)主邀請專業(yè)的物流咨詢公司，也可以由設(shè)計(jì)院負(fù)責(zé)。各種物料的設(shè)計(jì)核心，其實(shí)是對離散事件的仿真，最常用的Automod軟件，也有美國Flexsim軟件和ProModel等。Flexsim在大型倉儲物流方面（如京東的立體庫房）等得到廣泛使用，在一些相對簡單的工廠，有不少應(yīng)用，使用方便。而大的裝備制造業(yè)，也表現(xiàn)了對軟件的偏愛。很難想象，Automod這個(gè)物流仿真軟件，其實(shí)是美國最大的半導(dǎo)體設(shè)備制造商應(yīng)材旗下的軟件。早在2006年應(yīng)材就以1.25億美元的代價(jià)，從一家自動化公司手中購買了此物流仿真公司，以便加速對半導(dǎo)體行業(yè)的柔性生產(chǎn)力的支撐，避免昂貴和高度定制化的產(chǎn)線方案。設(shè)備制造商旗下?lián)碛猩虡I(yè)軟件并不奇怪，三井造船廠也自己開發(fā)了一款類似的物流仿真軟件。這也算是一個(gè)日本軟件發(fā)展特色，在垂直領(lǐng)域，總是會有意外的專業(yè)軟件。

圖2  部分物流仿真軟件

當(dāng)然，專業(yè)的大型工業(yè)軟件公司也會提供物流系統(tǒng)仿真分析工具，例如達(dá)索Delmia Quest和西門子的Plant Simulation、KUKA Visual Components。Quest作為一款物流仿真軟件是在2000年達(dá)索系統(tǒng)收購Deneb公司的時(shí)候，順便獲得的嫁妝之一。西門子的Plant Simulation也是同樣的故事。它旗下的UG在收購Technomatix的時(shí)候，帶來的eM-Plant經(jīng)過進(jìn)化而形成 。

對自動化供應(yīng)商而言，需要將自動化與機(jī)器更加緊密地結(jié)合在一起，因此會有更大的積極性推動這種軟件與自動化系統(tǒng)的融合。這就是為什么早在2000年，羅克韋爾收購了以建模仿真為特長的Arena軟件，55名員工并入到羅克韋爾自動化公司軟件部門，并一直保留至今?，F(xiàn)在想起來，二十一世紀(jì)剛剛開始的第一個(gè)年頭，發(fā)生了三起不太顯著的并購事件（應(yīng)該還有更多），都跟工廠產(chǎn)線仿真有關(guān)系。這表明，物流仿真系統(tǒng)在世紀(jì)之初，就堅(jiān)定地成為了數(shù)字化產(chǎn)線的一部分。從那個(gè)時(shí)候，自動化跟軟件的關(guān)系，開始變得緊密起來。這種萌芽發(fā)節(jié)的微弱之聲，在十五年之后借助于德國工業(yè)4.0的全球化普及，而終于砰然作響，每個(gè)工廠都能聽到它的聲音。

如果有的規(guī)劃師是人因工程的愛好者，需要將工位設(shè)計(jì)得更復(fù)合人性，減少疲勞感。不妨還可以使用一家德國公司的小軟件，Ergonomic軟件進(jìn)行工位評測。

從實(shí)施角度而言，機(jī)器產(chǎn)線布局需要跟另外一門博大精深的廠房內(nèi)管理學(xué)：工業(yè)工程相結(jié)合。多年來，作為自動化與工業(yè)工程相結(jié)合的一粒碩果，產(chǎn)線的優(yōu)化布局，已經(jīng)發(fā)育成熟，基本成為標(biāo)配。然而包括物聯(lián)網(wǎng)在內(nèi)的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，這種機(jī)器、工位、物料、人員的布局與仿真，又有了更加有力的工具。數(shù)字工廠的先行者，想做的事情實(shí)在是太多了。

工業(yè)軟件就像是不慌不忙的光線，從廠房的天花板爬下來，淌過一條條產(chǎn)線，伴隨著立體庫中物料的流動，彌漫了整個(gè)工廠。而當(dāng)廠房與產(chǎn)線完成建模之后，就可以進(jìn)入到機(jī)器仿真調(diào)試的環(huán)節(jié)。

機(jī)器調(diào)試，能否再快一點(diǎn)

機(jī)器被運(yùn)進(jìn)廠房的時(shí)候，就像是一曲在數(shù)字空間早已編排好的旋律，每一臺機(jī)器就像音符一樣，只需要安置在五線譜的對應(yīng)位置就可以了。每個(gè)小段落之前，是弱音P還是強(qiáng)音F早已經(jīng)被作曲家精心打磨過。落地生根之后，演奏家們需要開始拿出自己的樂器進(jìn)行合奏的嘗試。這是一個(gè)現(xiàn)場機(jī)器調(diào)試的時(shí)刻，包括自動化、電氣、機(jī)械裝置需要開始磨合。各種組態(tài)，機(jī)器聯(lián)調(diào)，直到讓整個(gè)產(chǎn)線上的機(jī)器，聯(lián)動咆哮起來開始。然而，工廠的機(jī)器調(diào)試，遠(yuǎn)不是樂章演奏那么令人愉快。恰好相反，這是一個(gè)耗費(fèi)心力的苦差事。多少優(yōu)秀的工程人員，在這里留下成噸的汗水。許多似乎打不開的死結(jié)，成為現(xiàn)場工程師的夢魘之一。

如何讓現(xiàn)場的調(diào)試可以變得更短？最理想的方法是，一條產(chǎn)線、一臺機(jī)器，就像是一個(gè)USB插盤一樣，下載即可使用。這種理想的插拔式工廠，成為產(chǎn)線模擬仿真的最高境界。要做到這一點(diǎn)，就要在前面的產(chǎn)線布局的時(shí)候，同時(shí)加入各種設(shè)備的具體參數(shù)，對實(shí)時(shí)場景進(jìn)行仿真模擬。它將控制系統(tǒng)PLC，或者一個(gè)線纜的銘牌參數(shù)，都做成邊界條件，輸入到仿真系統(tǒng)。一言蔽之，產(chǎn)線，就像產(chǎn)品一樣，被精密地進(jìn)行設(shè)計(jì)。這是傳統(tǒng)自動化廠商，陌生的環(huán)境。而作為機(jī)器的控制系統(tǒng)與連接者，和物料的驅(qū)動者，自動化期望更往前走一步。數(shù)字化時(shí)代，加劇了這種傾向。在數(shù)字化時(shí)代，如果沒有這種產(chǎn)線仿真技術(shù)，那么就會瘸一條腿。

西門子在2006年收購了UG這樣的PLM廠商之后，就先天性地?fù)碛辛水a(chǎn)線布局的仿真優(yōu)勢，然而后進(jìn)一步延伸到機(jī)器虛擬調(diào)式。這使得其它自動化廠商的壓力非常大，尤其是像羅克韋爾這樣體量相對小的自動化公司。在最近3年，羅克韋爾有兩步布局值得關(guān)注。第一步是投資10億美元入股PTC，幾乎相當(dāng)于PTC的年產(chǎn)值，換取一個(gè)戰(zhàn)略綁定。加強(qiáng)對機(jī)器設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)連接能力，也是加強(qiáng)跟其它機(jī)器數(shù)據(jù)的連接；第二步，則在2019年初，收購一家從事數(shù)字模擬的工程軟件開發(fā)商Emulate3D。這種并購的投入并不大，但對機(jī)器進(jìn)入數(shù)字空間意味深長。該軟件可以建立簡單的工廠模型，但其重點(diǎn)是可以跟控制系統(tǒng)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)虛擬控制。也就是說，它雖然不能做工藝仿真，但可以做基于控制的仿真。Emulate3D作為一種PLC仿真程序，這正是羅克韋爾自動化需要補(bǔ)充的短板，可以為PLC和其它控制系統(tǒng)建立起虛擬調(diào)試的仿真空間，查看程序邏輯和結(jié)果。有意思的是，這家公司本來就是羅克韋爾的合作伙伴。張口吃掉小伙伴，在軟件生態(tài)領(lǐng)域太普遍了。這種近親聯(lián)姻也是水到渠成的事情。

也有一些獨(dú)立廠商，如Industrial Physics。一方面可以直接導(dǎo)入CAD模型，同時(shí)也可以虛擬測試PLC，形成PLC的數(shù)字孿生。這樣的公司能夠獨(dú)立多久也是打一個(gè)問號。很快也許就會被自動化公司一口吃掉。

而最后虛擬調(diào)試的結(jié)果將作為真實(shí)的代碼，直接下放到控制器?，F(xiàn)場的調(diào)試時(shí)間，都會大幅度縮短。這意味著，自動化廠商，通過擴(kuò)充控制器仿真軟件，進(jìn)入到了數(shù)字化產(chǎn)線。這也是每一臺機(jī)器數(shù)字孿生得以發(fā)展的重要基礎(chǔ)。缺乏有效的控制手段，數(shù)字孿生就是一個(gè)連吊線都沒有的木偶。

四川一家焊接裝備工程公司，為汽車車身提供自動化焊裝線。它在歐洲汽車廠的一個(gè)產(chǎn)線項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了全面數(shù)字化產(chǎn)線虛擬調(diào)試。在中調(diào)試和遠(yuǎn)程安裝指導(dǎo)，設(shè)備直接運(yùn)輸?shù)綇S區(qū)并實(shí)現(xiàn)一次調(diào)試成功，大大縮短了調(diào)試時(shí)間。產(chǎn)線的數(shù)字孿生，有了越來越堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

而在流程行業(yè)，這種虛擬調(diào)試則是非常普遍。例如施耐德電氣AVEVA基于DYNSIM為內(nèi)核的虛擬調(diào)試與操作員培訓(xùn)系統(tǒng)(OTS)，就是在設(shè)計(jì)階段，對分布式控制系統(tǒng)DCS進(jìn)行參數(shù)調(diào)校。調(diào)好后的參數(shù)可以直接下發(fā)到DCS系統(tǒng)里面。實(shí)際上，這樣一個(gè)軟件，分演多種角色，它最重要的工作就是動態(tài)工藝仿真，對溫度、流量變化等動態(tài)過程進(jìn)行提前仿真。而在此技術(shù)則作為仿真培訓(xùn)的計(jì)算內(nèi)核引擎，發(fā)展出來的操作員培訓(xùn)系統(tǒng)OTS也廣受歡迎。當(dāng)年DCS出現(xiàn)之后，為了適應(yīng)這種控制系統(tǒng)，就需要對人員提前進(jìn)行培訓(xùn)。因此OTS也是大行其道。而OTS的出現(xiàn)，也推動了化工過程動態(tài)模擬軟件的發(fā)展。

在化工的控制優(yōu)化方面，中國走了不少彎路。根據(jù)中國化工信息中心的許老師的回顧，80年代末期，當(dāng)時(shí)的化工部已經(jīng)開始著手進(jìn)行工廠控制操作優(yōu)化的課題研究。南京化工研究院、化工部計(jì)算中心都曾參加了這方面軟件的開發(fā)。但由于受限于計(jì)算機(jī)硬件的約束，數(shù)據(jù)采用離線分析，最后發(fā)現(xiàn)這些軟件和算法，都沒有實(shí)際使用價(jià)值。這種數(shù)據(jù)即使算出了優(yōu)化的工藝操作條件，而實(shí)際工廠的操作條件早已變化。單純靠數(shù)學(xué)模型無法推斷出實(shí)際操作。

這個(gè)教訓(xùn)，到了今天仍然有著很深的意義。僅僅限于大數(shù)據(jù)的分析，限于數(shù)學(xué)模型的回歸計(jì)算等，而缺乏機(jī)理模型的研究，外延性的誤差會很大。攻堅(jiān)的重點(diǎn)，不在于大數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)模型，而在于工業(yè)機(jī)理的本身。

小記：神跡與現(xiàn)實(shí)之間的穿透術(shù)

從工廠建筑、到生產(chǎn)線布局、到機(jī)器調(diào)試，各種工業(yè)軟件就像是我們腦海中的智多星吳用，一個(gè)在數(shù)字空間里面將虛擬的人、機(jī)、料的事宜都安排得妥妥當(dāng)當(dāng)?shù)纳駲C(jī)妙算子。當(dāng)虛擬的驗(yàn)證結(jié)束之后，一個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)活動才正式開始，而此前的推演并不為人所知。就像電影《博物館奇妙夜》一樣，當(dāng)太陽升起人們走進(jìn)現(xiàn)場的時(shí)候，他們不知道頭一天晚上，這里曾經(jīng)上演過驚心動魄的對抗和妥協(xié)。白天不懂夜的黑，物理難悟數(shù)字心。無法現(xiàn)身的工業(yè)軟件，是神跡與現(xiàn)實(shí)之間的一道障眼法。你不懂它，就無法參透工業(yè)智能化。

（文章來源：知識自動化 | 林雪萍）