沈烈初：實體層互聯(lián)互通 讓智能制造不再“卡脖子”

按業(yè)務(wù)流程分，一般智能制造分：管理層、執(zhí)行層、控制層及實體層（設(shè)備層），有的企業(yè)在管理層之前加一個決策層，在實體層之后加一個傳感層，這是一個虛實結(jié)合的系統(tǒng)工程，亦即CPS系統(tǒng)。
　　實體層是生產(chǎn)過程產(chǎn)生增值的過程，亦即是一個企業(yè)活動的出發(fā)點與歸宿，是社會物質(zhì)生產(chǎn)產(chǎn)品的單位，它又是一個龐大的系統(tǒng)，如機械制造包括毛坯（鑄、鍛、焊等專業(yè)）、加工（切削、成形、熱處理等工序）、裝配調(diào)試、涂裝、檢測、包裝等制造過程。傳感層就是把這些生產(chǎn)過程中各種信息實時采集，所謂各種數(shù)據(jù)形式的來源，抽象出來就是人、機、料、法、環(huán)、測及水、電、風(fēng)、汽和信息傳輸（有線或無線）存儲網(wǎng)絡(luò)，它們之間的互聯(lián)互通不解決，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化最后發(fā)展為智能化制造根本不可能。
　　目前中國制造業(yè)，特別是裝備制造業(yè)有發(fā)展不平衡、不充分的特點，其企業(yè)結(jié)構(gòu)與水平具有工業(yè)1.0、2.0、3.0的實體層比比皆是。據(jù)筆者近幾年來考察近百個裝備制造企業(yè)來看，實施所謂智能制造的瓶頸在實體層設(shè)備的互聯(lián)互通及數(shù)據(jù)采集上。當然有一批先進的大中型企業(yè)，精益生產(chǎn)及準時化管理做的較好，具有合理的業(yè)務(wù)與工藝流程，且有著較先進的生產(chǎn)設(shè)備，數(shù)控化率較高，因此這些企業(yè)是數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化及以后的智能化制造的先行者，但還需要大量的探索及積累數(shù)據(jù)與實踐經(jīng)驗的過程，然后才能達到柔性化、定制化、可視化的階段。
　　其中關(guān)鍵環(huán)節(jié)是因各種控制系統(tǒng)中傳遞數(shù)據(jù)信息的通信協(xié)議有不同的版本，如機床數(shù)控系統(tǒng)常用的國外有FANAC、三菱、西門子、Heidenheim等，國內(nèi)有華中數(shù)控、廣州數(shù)控、光洋、高精、凱恩帝、維宏、精雕等系統(tǒng)；驅(qū)動又分伺服電機系統(tǒng)、步進電機系統(tǒng)等；現(xiàn)場總線（Fiel dbus）也有不同版本，PROFIBUS、MODBUS、CAN、EtherCAT等，如何把傳遞數(shù)據(jù)的不同版本的協(xié)議，能互相兼容，上傳下達？很多單位是采用軟件包或獨立模塊，如日本馬扎克稱之為Smart-Box、光洋稱之為MCU、沈機i5及ISESOL系統(tǒng)稱之為i-Box、儀綜所稱之為智能網(wǎng)關(guān)。因此，每個企業(yè)就能形成自己獨特的信息管理系統(tǒng)及統(tǒng)一的接口與協(xié)議，這是智能制造信息架構(gòu)的重要組成部分。
　　數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化及智能化（以下簡稱“三化”）制造，就是在制造過程中對生產(chǎn)全要素的描述與使其優(yōu)化組合，使裝備制造達到“質(zhì)量第一，效率優(yōu)先”的目的，使企業(yè)增加市場競爭力與可持續(xù)發(fā)展能力。筆者在調(diào)查研究中發(fā)現(xiàn)幾個難點：
　　首先，有兩種現(xiàn)象普遍存在。一個是畏縮不前，認為實施“三化”過程，需要一大筆資金改造實體層各生產(chǎn)環(huán)節(jié)。另一個是為“三化”。而“三化”似乎有點像“面子工程”一樣，如不搞“三化”，受不到上級及同行的重視。筆者認為要用“投入產(chǎn)出”經(jīng)濟理論來研究與落實“三化”，如只有投入，沒有產(chǎn)出或產(chǎn)出很少，這是不合理，不經(jīng)濟的。
　　其次，是先搞好科學(xué)化的生產(chǎn)管理。即精益生產(chǎn)（LP）及準時化管理（JIS），與搞不搞“三化”沒有多大關(guān)系，這是提高企業(yè)生產(chǎn)率與競爭力不可或缺的；反過來說，LP及JIS搞好了，“水到渠成”搞“三化”就容易多了。所謂“三化”中的管理層（PLM、ERP）、執(zhí)行層（MES等）、控制層可形成一個所謂虛擬工廠（或車間）優(yōu)化生產(chǎn)要素的組合及業(yè)務(wù)流程，后由優(yōu)化得出的數(shù)據(jù)控制實體層的各種裝備，這就是虛擬與實體生產(chǎn)過程互相“映射”，經(jīng)過多次的PDCA相互映射就可以得出比較優(yōu)化的業(yè)務(wù)流程。在這個過程中數(shù)據(jù)的真實性與全面性就十分重要。
　　第三，關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)的采集、傳輸、篩選及建模。數(shù)據(jù)的種類很多，包括生產(chǎn)、管理、質(zhì)量、資金、設(shè)備等生產(chǎn)全要素的數(shù)據(jù)，并且還要收集與企業(yè)及產(chǎn)品用戶需求等數(shù)據(jù)，形成所謂條數(shù)據(jù)與塊數(shù)據(jù)（二維的），這才能利用實時的數(shù)據(jù)進行優(yōu)化與預(yù)測，沒有數(shù)據(jù)就沒有“三化”。因此建立多種數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫是第一位的。
　　
山東臨工等企業(yè)實施“三化”的啟示
　?。ㄒ唬┥綎|臨工案例及啟示
　　不要把企業(yè)“三化”看作“高大上”技術(shù)，若企業(yè)員工不懂得“三化”的意義、目的、內(nèi)涵等，搞“三化”有什么意義呢？山東臨工工程機械有限公司（簡稱山東臨工）的經(jīng)驗對筆者啟示很大。他們辦企業(yè)的指導(dǎo)思想是“一全（全員參與），二創(chuàng)（管理創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新），三結(jié)合（干部、技術(shù)人員與員工）”。筆者曾說過，這是新時代的“鞍鋼憲法”。過去山東臨工的發(fā)展，提質(zhì)增效是靠這個辦法，現(xiàn)在企業(yè)搞“三化”（或兩化融合）也是靠“一全二創(chuàng)三結(jié)合”的辦法。筆者于2017年2月寫過一篇《工業(yè)2.0補課，工業(yè)3.0全面推進，工業(yè)4.0試水—山東臨工創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新考察記》，在文章后面附有筆者于2015年5月28日寫的一篇《推薦一篇好文章—山東臨工“一全二創(chuàng)三結(jié)合”創(chuàng)新管理模式探索與實踐》。筆者了解到山東臨工在上世紀90年代初就引入CAD等數(shù)字化技術(shù)；2007開始引進VOLVO的精益生產(chǎn)及準時化管理方法，2008~2009年為學(xué)習(xí)導(dǎo)入期；2010年進行可視化管理，開始成立CI小組；2013年推進標準化作業(yè)，共有22個模塊，在此過程中分期分批進行全員培訓(xùn)，提高員工的認識與業(yè)務(wù)水平。因為企業(yè)的業(yè)務(wù)流程涉及到每個員工的職責(zé)，沒有全體員工的自覺參與，再好的技術(shù)與管理模式也起不到理想的作用，這就為實現(xiàn)“三化”或“兩化融合”奠定了堅實基礎(chǔ)。因此，山東臨工在過去信息化基礎(chǔ)上，采用德國SAP管理軟件，加上自己開發(fā)的應(yīng)用軟件，設(shè)計了一個完整的信息化架構(gòu)與接口，包括管理層、執(zhí)行層、控制層。在實體層，因車間性質(zhì)與工藝流程不同，執(zhí)行層、控制層也不完全相同。筆者考察了幾個車間，包括結(jié)構(gòu)焊接車間、液壓件車間、裝配車間、物流等，其實體層中很多裝備都是由三結(jié)合小組自己設(shè)計制造的，因為他們熟悉工藝，將來也是他們來操作使用，因而只要統(tǒng)一接口，統(tǒng)一協(xié)議就可以了。有的采用有線通信，有的如裝配車間一些工序采用無線通信，隨時可用智能手機掃描，知道某一訂單的產(chǎn)品進行到哪一個工序了。真正實現(xiàn)了共商、共建、共享的搞“三化”模式，把“高大上”技術(shù)與全體員工結(jié)合起來，他們的經(jīng)驗值得重視。由于山東臨工很早就注意其生產(chǎn)的工程機械產(chǎn)品，如挖掘機、裝載機、路面機械的“三化”控制，產(chǎn)品都裝有GPS定位系統(tǒng)等，可進行遠程監(jiān)控，收集產(chǎn)品在用戶使用情況及運行時的工況數(shù)據(jù)，不僅可進行在役產(chǎn)品的健康檢查及指導(dǎo)維修服務(wù)，而且通過在用戶中開展“好司機”活動，及時得到了終端用戶反饋的裝備產(chǎn)品質(zhì)量、可靠性、可用性、易用性等大量有用的信息，為不斷改進產(chǎn)品、制造過程，供應(yīng)鏈的優(yōu)化等打下基礎(chǔ)，這就是PDCA多次循環(huán)后，提質(zhì)增效的最佳的路徑。同樣，利用大數(shù)據(jù)進行市場對各種工程機械需求的預(yù)測，山東臨工也進行了這方面的研究。
　　在前幾年工程機械市場處在困難境地，山東臨工堅持“專注實業(yè)，聚焦主業(yè)，不斷進行供給側(cè)改革”，不斷推進“三化”工程。不像有些工程機械企業(yè)，實行所謂“跨行業(yè)發(fā)展”“多元化發(fā)展”“脫實向虛”等發(fā)展戰(zhàn)略，以求得“脫困”或增加“體量”“規(guī)?！?，結(jié)果呢？2017年就有了答案，根據(jù)某媒體的統(tǒng)計，以人均營業(yè)收入即勞動生產(chǎn)率來比較，在行業(yè)前九位工程機械企業(yè)的統(tǒng)計中，山東臨工為157.75萬元（2015年），182.22萬元（2016年），315.58萬元（2017年），位居9個企業(yè)之首，從縱向比，山東臨工2017年勞動生產(chǎn)率比2015年增加了一倍；從橫向比，2017年人均勞動生產(chǎn)率是第九位企業(yè)的1.7倍；當然交給國家的稅收及利潤也相應(yīng)增加了。企業(yè)推進“三化”或“兩化融合”需要很長的時間，不是一蹴而就的，需要統(tǒng)一規(guī)劃，分階段、分步驟的實施。由于新技術(shù)特別是信息技術(shù)仍在高速發(fā)展，因此，企業(yè)還必需在實施一定階段后，要及時修改及優(yōu)化“三化”發(fā)展規(guī)劃，然后再分階段、分步驟繼續(xù)實施。總之先易后難，問題導(dǎo)向，借用外力，培養(yǎng)自己的能力，這樣看得見成果，鼓舞全體員工士氣，堅持走適合自己企業(yè)情況的“三化”及“兩化融合”的道路。
　　一個好的企業(yè)，需要有一個好的領(lǐng)導(dǎo)及集體，要有一個強有力的執(zhí)行機構(gòu)，需要有包含熟悉硬件及軟件的信息化技術(shù)團隊。從優(yōu)化業(yè)務(wù)流程來看，涉及方方面面的人員工作及其職責(zé)的科學(xué)劃分，也就是部門與個人間的利益調(diào)整?？傊?，沒有優(yōu)化業(yè)務(wù)流程及LP和JIS管理模式，“三化”或“兩化融合”是無法進行或沒有顯著效果的。這一點并沒有被一些企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)及有關(guān)部門所重視，容易把智能制造滑入誤區(qū)，這是危險的，事倍功半。
　?。ǘ┏Ｊ扉_關(guān)等企業(yè)案例及啟示
　　制造斷路器的常熟開關(guān)制造有限公司，從上世紀1991年，還是處在一個面臨破產(chǎn)境地的小廠，臨危受命擔任廠長的唐春潮決心借款數(shù)百萬元搞CAD產(chǎn)品設(shè)計。他深知沒有高水平的產(chǎn)品，企業(yè)是活不了的，高水平的產(chǎn)品需要高水平的設(shè)計手段，從而在一片反對聲中就做了，開始走上兩化融合的道路。2011年左右第二代主要領(lǐng)導(dǎo)王春華同志接班，前赴后繼深入搞“兩化融合”及智能制造，至今已超過25年。分階段梳理各方面的業(yè)務(wù)流程，從銷售、計劃、生產(chǎn)、質(zhì)量、維保、物流、采購、倉儲、能源等近30個業(yè)務(wù)板塊，進行信息化優(yōu)化，它是在一個不斷優(yōu)化架構(gòu)下，有步驟、分階段進行的，擁有大量數(shù)據(jù)。前兩年筆者去調(diào)查常熟開關(guān)數(shù)據(jù)庫時，存儲容量接近80T了，現(xiàn)在的員工沒有信息化手段已經(jīng)不習(xí)慣了。
　　其它如南京康尼機電股份有限公司、廈門宏發(fā)電聲股份有限公司、山東文登天潤曲軸股份有限公司、重慶盟訊電子科技有限公司、北京時代集團等企業(yè)搞“兩化融合”都已有二三十年了，形成了自己特色的信息化管理系統(tǒng)，沒有持之以恒的決心，不可能取得如此大的成功。因此搞“三化”永遠在路上，要隨著產(chǎn)品升級換代、企業(yè)管理的進步、國際化經(jīng)營發(fā)展等情況變化而變化。
　　
裝備工業(yè)在“三化”中的擔當
　　裝備工業(yè)是為各行各業(yè)的制造業(yè)提供裝備產(chǎn)品的，其質(zhì)量、性能、效率等決定著這些制造業(yè)的水平與效益，這是大家的共識。因此，裝備工業(yè)的“三化”水平更加重要。裝備工業(yè)的“三化”包括產(chǎn)品的“三化”控制、制造過程的“三化”管理及用戶在役產(chǎn)品運維的“三化”服務(wù)。
　　如果裝備工業(yè)提供的產(chǎn)品、生產(chǎn)線“三化”水平高，用戶的生產(chǎn)過程，即用戶的實體層互聯(lián)互通就很容易實現(xiàn)。裝備產(chǎn)品的“三化”，即采用數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化控制是現(xiàn)代機械裝備實施機（械）電（子）儀（傳感器）一體化的升級版。上世紀50年代初，美國出現(xiàn)數(shù)字控制機床，這就開啟了數(shù)字化控制大門，具有劃時代的意義，以后出現(xiàn)半導(dǎo)體技術(shù)，模擬計算機向數(shù)字計算機過渡。1971年美國Intel制造出4位的小規(guī)模集成電路，這是又一次質(zhì)的飛躍。到現(xiàn)在經(jīng)過LSI、VLSI已發(fā)展到64位產(chǎn)業(yè)化芯片，線寬達10納米超大規(guī)模的集成電路，按摩爾定律性價比還進一步發(fā)展。上世紀70年代出現(xiàn)PLC可以用硬、軟件代替硬件控制，從此大大促進了軟件的發(fā)展。除通用芯片外，還出現(xiàn)種類繁多的專用芯片，促使裝備工業(yè)的發(fā)展如虎添翼。數(shù)字計算機的出現(xiàn)，也大大提高了機械工業(yè)的產(chǎn)品與管理水平。
　　筆者上世紀70年代末去美國辛辛那提機床廠考察時，他們的產(chǎn)品主要為大規(guī)模生產(chǎn)的汽車工業(yè)以及小批量多品種生產(chǎn)航空產(chǎn)品的波音及麥道飛機制造公司提供數(shù)控及其它金切機床，生產(chǎn)管理已經(jīng)用了計算機，該廠以銷定產(chǎn)，根據(jù)訂單安排半年、三個月粗計劃，一個月的細計劃，一旬或一天的執(zhí)行計劃，滾動修正，大概現(xiàn)在所說的APS系統(tǒng)。那時還不是實時（online），而是批處理（可以是半天或一天）。筆者在1978從工廠調(diào)到原機械工業(yè)部部機關(guān)工作，當時一機部總工程師陶亨咸，從德國亞琛工業(yè)大學(xué)（RWTH Achen University）邀請兩位教授，準備在沈陽第一機床廠的1A62車間大批及中型車床成批生產(chǎn)車間進行計算機管理試點。筆者陪同兩位教授到原沈一機考察，當時工廠的各級領(lǐng)導(dǎo)尚不熟悉計算機管理，除上課進行技術(shù)交流外，并到兩個車間詳細考察，兩位教授查閱了工單、工票、計劃書、工藝文件等紙質(zhì)資料及文件，考察兩天后，兩位教授提出數(shù)據(jù)不完全，有些數(shù)據(jù)不真實，流程不合理等。兩個車間的領(lǐng)導(dǎo)連數(shù)據(jù)都說不清楚，后來這個合作就停止了。這說明當時我國最好的機床廠，是前蘇聯(lián)156項援助項目之一，尚且如此，其它機床廠呢，恐怕也差不多。
　　再說寶鋼二期工程，引進德國的2050板材熱聯(lián)軋機，用三級計算機控制，一共有11個機架，4個粗軋機架，7個精軋機架，都采用液壓伺服壓下裝置，全部用計算機控制。通過寶鋼二期工程，我國掌握了熱軋、冷軋、連鑄連軋等用計算機控制的冶金設(shè)備。不僅提高了寶鋼二期的工藝水平，為寶鋼實體信息化底層裝備的互聯(lián)互通提供很方便的條件。
　　去年筆者時隔十余年再次到中信重工進行學(xué)習(xí)，面貌一新，特別是成套礦山重大技術(shù)裝備，根據(jù)用戶提出的不同需求，配置各種破碎及球磨等設(shè)備，在這里用戶使用工藝十分重要，根據(jù)使用工藝試驗室實驗取得的數(shù)據(jù)后，進行設(shè)備的選型，采用數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化控制，這實際上是定制化的成套礦山設(shè)備，為用戶提供謂之“智慧礦山”的裝備與信息化管理系統(tǒng)。
　　其他如通用機械行業(yè)的透平壓縮機等高端產(chǎn)品，筆者在西安陜鼓集團的中控室看到包括在國內(nèi)外用戶處在役產(chǎn)品的運行工況，一覽無余。
　　至于機床工具作為裝備工業(yè)的母機，這幾年在國家04專項支持下，華數(shù)、廣數(shù)、光洋、高精、維宏等企業(yè)已具備了生產(chǎn)高中低檔的數(shù)控系統(tǒng)，從性能上講，基本可以滿足要求，但在質(zhì)量、可靠性、性價比、售后服務(wù)等仍需提高，特別是品牌認知度在用戶中還不高，高端數(shù)控機床在市場占有率僅提高到5%。筆者認為數(shù)控機床中，機床本體的水平、可靠性、使用性能比數(shù)控系統(tǒng)還差，大都停留在樣品、樣機階段，盡管采用了不少國外或境外的功能部件，仍然沒有顯著提高，不知為什么，大概是缺乏一批工匠及技術(shù)工人，加上粗放式管理，缺精細生產(chǎn)觀念等，我們的智能制造是不能建立在國外的數(shù)控機床基礎(chǔ)上吧！數(shù)控機床及機器人控制原理基本一致，可能在算法上有一些不同，如華中數(shù)控、光洋數(shù)控等，一個數(shù)控系統(tǒng)，因為有多通道等功能，既可控制機床，也可同時控制機器人，如西門子的840Dsl一樣。
　　再說說其它裝備吧!鑄、鍛、焊、表面處理裝備很多已采用計算機、PLC、計算板卡或嵌入式芯片、總線傳輸信息技術(shù)，這些裝備的“三化”與管理“三化”逐漸變得容易，如北京時代集團可提供成套的自動化和信息化程度高的焊機及車間的信息管理系統(tǒng)，并可遠程可視化監(jiān)控，在這里特別要重視標準化接口，與其它裝備或信息化管理系統(tǒng)互聯(lián)互通。
　　不久之前筆者在大連參觀學(xué)習(xí)德國的Grob機床廠，它為福特生產(chǎn)的2.00升（大約）鑄鋁缸體加工，鋼套在壓鑄缸體時就鑄入，大大減少了加工工序，精加工鋼套采用CBN刀具，節(jié)拍大概是4~5分鐘，整個控制裝置是采用西門子840Dsl，經(jīng)過Grob二次開發(fā)的，福特提供一套與整個福特工廠兼容的網(wǎng)絡(luò)接口，這樣Grob的網(wǎng)絡(luò)接口必須與福特網(wǎng)絡(luò)兼容，這也可說網(wǎng)絡(luò)及通訊協(xié)議已定制化了！生產(chǎn)線很方便在使用場所與整個福特的信息網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通了！
　　總之，目前我國制造業(yè)處在數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化階段，數(shù)字化是網(wǎng)絡(luò)化、智能化的基礎(chǔ)，因此筆者認為，目前“數(shù)字裝備工業(yè)”與“數(shù)字經(jīng)濟”一樣，是最緊迫的課題，否則很難實現(xiàn)互聯(lián)互通，或進一步發(fā)展人工智能及智能制造。
　　最后筆者還有一個啟示，像常熟開關(guān)、廈門宏發(fā)等公司，根據(jù)自己工藝要求，設(shè)計制造自己所需的具有“三化”控制功能專用自動化設(shè)備及生產(chǎn)線。廈門宏發(fā)設(shè)計制造的12頭微細漆包線的繞線機已達國際水平，除自用外還銷往國內(nèi)外。又如山東文登天潤曲軸股份有限公司、濱州渤?；钊煞萦邢薰镜榷加凶约旱臄?shù)控專用機床生產(chǎn)基地，因為功能部件都可在國內(nèi)外市場上采購到，更多的是附加上了曲軸、活塞的制造工藝技術(shù)，數(shù)控專用機床不僅滿足了本企業(yè)的需求，而且有的還可以供國內(nèi)外市場使用。又如山東臨工在推進信息管理進程中，一個“三結(jié)合”小組研發(fā)了一臺AGV小車，有自己的特點，僅花10萬元，現(xiàn)在廠內(nèi)已使用了超過150臺，大的AGV小車可裝載1~2噸工件重量。為此專門成立了一個公司進行生產(chǎn)，可以對外銷售，并可為用戶制定一套物流方案。
　　裝備工業(yè)的“三化”方興未艾，關(guān)鍵是互聯(lián)互通和遠程標準化接口，包括軟件互相兼容就十分重要，需要有關(guān)部門研究解決。
　　這些啟示，是個人的體會，由于筆者的知識水平很低，錯誤之處肯定很多，望業(yè)內(nèi)專家指正，算是拋磚引玉吧。
　　（本文形成過程中，機械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟研究所歐陽勁松所長、石鎮(zhèn)山副所長、王麟琨副所長等提出了很好的意見建議，在此表示衷心感謝。）