數字化工廠規劃之七劍下天山

相傳世間有七把絕世神劍，每隔百年這七把絕世神劍便會現世，更有傳言得七劍者便可號令天下，武林中人為此爭相奪取。它們分別為莫問劍、游龍劍、青干劍、舍神劍、天瀑劍、日月劍、競星劍，此七把神劍是鑄劍大師晦明在天山上經過七個不同劍境所鑄。

此一刻，數字化工廠規劃作為當前智能製造落地的首要環節，可以幫助企業在數字化轉型升級的過程中明晰企業的核心優勢、發展瓶頸, 並根據現有狀況找到可行落地路徑。七把神劍在手，數字化工廠盡在囊中。

筆者總結了數字化工廠落地規劃領域的七把寶劍，希望通過體系化的規劃方法和手段保障企業在實現製造業數字化、智能化、網路化和協同化，滿足面向製造業個性化、服務化、和生態化的發展需求，促進位造業加速轉型升級和提質增效。

莫問劍 VS 方法論

企業在數字化轉型過程中會遇到各種各樣的問題，生產領域的、信息化領域的、自動化領域的，因此需要建立頂層框架來進行思考。筆者研究參考了眾多工業4.0框架體系後，提出的針對企業的數字化轉型的「金字塔容器」模型，對既有的製造金字塔進行了改良，成為一把衡量頂層視角的莫問之劍。

圖1 數字化工廠轉型框架模型

「金字塔容器」模型的重點，是根據當前企業現狀從管理諮詢維度、運營諮詢維度以及IT信息化維度，分解智能製造時代數字化車間、數字化工廠和數字化企業的層級關係，面向落地和實施。

最底層是數字化車間，主要是車間設備、PLC和HMI。中間層是數字化工廠，一般的話是由控制系統和運營系統組成，有MES和scada。最上層是數字化企業層，包括ERP、PLM還有電子商務、客戶關係管理等等。旁邊是每一個層次需要的不同的運營諮詢的一些方法論，比如說5S、TOC、shopfloor是在車間管理層面，LEAN屬於工廠層面。旁邊還有兩朵雲是有關數據分析的服務，目前業界大家現在聽到最多的是有關設備的數據的分析，其實在往上面話還有一些訂單數據、產能數據分析的服務，這也是很大一塊數據的寶藏沒有被挖掘。

金字塔容器模型，核心解決三大領域的問題，分別是數字化工廠戰略規劃、數字化工廠詳細設計和數字化工廠運營實現。

圖2 三大工作包

☆ 戰略規劃裡面核心要做的重點是現狀分析，企業首先得了解自己的現狀，和企業的數字化遠景，這樣才能知道差距到底在哪裡。

☆ 數字化工廠的詳細設計，需要去做數字化的企業架構分析，架構分析EA是當前企業信息化規劃領域全球範圍的一個最佳實踐，但是在自動化、數字化領域還是有所欠缺，需要再往工廠和車間的數字化層面再深入一些。對於中小型製造業企業來說，通過剪裁和定製，構成了數字化工廠詳細設計的主要包含內容。

☆ 數字化工廠運營實現包括精益生產的導入及運營，軟體以及硬體設備的選型，實施計劃的關鍵行動路線。其實最核心的就是IT和OT的融合，包括各種關鍵運營、設備、管理的數據在縱向的自動流通和橫向的自動流通。

美國的國家標準院NIST也給出的智能工廠的規劃途徑，對於製造業企業往往說不清楚數字化工廠到底該怎麼做？在新建工廠或者改造老工廠的時候都需要做哪些事情？

美國國家標準院其實給出了比較好的體系的方法，在Factory Specification工廠詳細設計裡面共計有39個子項用來規範數字化工廠的詳細設計，幫助企業在數字化轉型的時候不至於盲目。當然，美國給出的這個體系也過於龐大，對於中國的中小型製造業企業需要在此基礎上做一些剪裁和定製，更貼切國內的企業實際狀況，才能使數字化轉型真正做到有的放矢。

簡單歸納，數字化工廠規劃是這麼一個迭代過程，首先是去收集信息，注意這裡的信息不都是指信息化、數字化的領域，往往是需求相關的、產品相關的、工藝相關的、物流相關的，安全相關的，這些都是企業最核心的生產要素。再往下要做分析歸納，這裡面包括產品族分析、xyz abc庫存矩陣分析、工藝流程分析和價值流分析。根據分析歸納的結果，首先做宏觀布局規劃，其中包含功能區域規劃、功能區面積需求計算以及各功能區布局組合優化。然後是微觀布局規劃，包括工作站設計、生產線設計、生產單元設計、站間物流設計。最後是驗證和決策，可以通過模擬模型的設計來輔助最終決策。

競星劍 VS 現狀分析

現狀分析該怎麼做，首先得知道企業的自身做得到底怎麼樣，了解自身的狀態首先需要有一個對標的體系。美國的製造成熟度MRL評級標準，把製造成熟度分為從1到10十個等級，想要知道製造業企業的全面數字化該怎麼去做非常有幫助和指引作用。現在大家都迫切的需要數字化轉型，但是不知道該怎麼做，或者說怎麼往下細分，具體該細分到什麼樣的層次，都有很多的疑問。其實再往下細分的話，可以分到運營管理層、研發與設計層、生產層、物流與服務層等等。舉例來說，其中運營管理層裡面還可以往下細分到成本管理、持續改進、供應商策略與管理以及人員績效與組織發展等等。

圖3 MRL評級標準

以前在接觸智能製造、數字化工廠的時候，腦海里第一浮現的大多是工廠里的感測器、大數據、機器人之類的。好像覺得跟我們的成本管理，人員績效組織發展沒有太多的關係，但其實數字化工廠是一個整體，各個細節各個層面都融合在了一起，包括我們現在很多專家在講智能製造是僅僅是針對生產領域，這屬於是認知上的狹隘，智能製造是產品和生產模式的變革，包含了從研發、產品設計、生產規劃、工藝規劃、生產執行以及服務交付等整條企業價值鏈的優化。

日月劍 VS 願景規劃

柯林斯在1994年出版的《基業長青》一書中，討論居世界前列的18家高瞻遠矚公司基業長青的理由，得出的結論是：那些能夠長期維持競爭優勢的企業，都有一個基本的經營理念，基本的理念是這些公司發展史的最重要的成分。這種核心理念，柯林斯將它定義為「願景」（Vision）。以後，彼得聖吉的《第五項修鍊》中又重點強調「塑造共同願景」。馬克利普頓令人信服地解釋了一個強大的願景規劃如何從CEO的頭腦中的理念轉而變為組織成功成長的引擎。

圖4 數字化企業願景分析

企業在做數字化轉型升級遠景規劃的時候，同樣需要明確分析數字化企業的願景。願景是一個具體的目標，一個嚮往的將來的生動畫面，它既是可以被描述的，又是具有挑戰性的。同時，它還指出了一個組織工作的具體方法以及在這個組織工作的人們的期望獲得。其實，這就是企業的數字化戰略。所謂數字化戰略，就是對企業的內外部環境做出科學分析，並根據企業的遠景目標，提出企業未來在數字化轉型中所採取的行動，然後付諸實施，並對實施過程進行監控、對實施結果進行評估。大多數企業的數字化遠景再往下細分，又可以分為數字化設計與模擬、數字化製造、數字化運營與管理以及數字化工廠數據服務。有了願景，就有了清晰的目標可以對標、找出自身的不足，朝著數字化轉型升級遠景目標持續改進。

青干劍 VS 價值流分析

精益生產，是衍生自豐田生產方式的一種管理哲學。精益生產方式是戰後日本汽車工業遭到的「資源稀缺」和「多品種、少批量」的市場制約的產物。它是從豐田相佐詰開始，經豐田喜一郎及大野耐一等人的共同努力，直到20世紀60年代才逐步完善而形成的。精益生產方式源於豐田生產方式， 由美國麻省理工學院組織世界上17個國家的專家、學者，花費5年時間，耗資500萬美元，以汽車工業這一開創大批量生產方式和精益生產方式JIT的典型工業為例，經理論化後總結出來的。精益生產的工具和方法非常多，非常龐大的一個體系，包括車間管理、防差錯系統、全員生產維護、低成本自動化、工廠可視化、持續改善、價值流分析等等。

圖5 價值流分析

價值流分析是企業在做數字化工廠規劃很關鍵的一個環節，「數字化工廠」拆開了看是由「數字化」和「工廠」組合而成的，首先得有工廠、有業務才能談得上數字化。工廠業務的優化是數字化的核心目標，不能捨本逐末。價值流分析就是要把企業的生產理順，企業需要知道產品的客戶需求節拍和各個工序的生產周期，通過節拍和生產周期的比較分析，可以明確需要改進的環節，從而採取針對性的措施進行調整。當生產節拍大於生產周期時，生產能力相應過剩，如果按照實際生產能力安排生產就會造成生產過剩，導致大量中間產品積壓，引起庫存成本上升、場地使用緊張等問題。如果按照生產節拍安排生產，就會導致設備閑置，勞動力等工等現象，造成生產能力浪費。當生產節拍小於生產周期的情況下，生產能力不能滿足生產需要，這時就會出現加班、提前安排生產、分段儲存加大等問題。

因此，生產周期大於或小於生產節拍都會對生產造成不良影響。

價值流分析改進的目的就是要儘可能地縮小生產周期和生產節拍的差距，然後通過生產線平衡Line Balance對生產線的全部工序進行負荷分析，分析完了就會清楚哪些地方需要降在制品庫存？哪些地方需要建立看板和超市？哪些工序是要合併的？哪些加工周期是需要縮減的？通過調整工序間的負荷分配使各工序達到能力平衡，作業時間儘可能相近，最終消除各種等待浪費現象，提高生產線的整體效率。

工廠布局規劃貌似與智能製造和數字化工廠沒有直接的關係，但是任何一家企業都會面臨兩種情況，一種是老工廠地方不夠用，或者產線、物流路線設計不合理，再怎麼修補也不能滿足產能提升；另外一種情況是建造新工廠，那麼新設計就要做物流布局和路線的規劃，如何提升生產線的精益程度，最大程度避免浪費，這些其實關係是非常密切的。寶馬的萊比錫工廠建廠時就做了很多布局規劃，比如物流方案規劃，從而保證產業鏈運轉順暢，和較高的供應鏈效率。

天瀑劍 VS 信息化規劃

當前企業基本圍繞分散式建設走向數據大集中，數據大集中完成後，企業信息化建設必然存在應用系統多、系統間交互複雜、數據共享迫切、技術架構優化等問題。企業架構是一種從企業戰略出發去梳理業務架構，進一步分析和規劃IT架構,並用於指導、規範計算機信息系統建設的理念和方法，是當前數字化工廠、數字化企業規劃所採用的一種最佳實踐和方法論。通過對企業架構的分析，在對業務戰略和業務流程理解的基礎上，對企業的信息系統進行總體規劃和科學實施，從而可以將企業的業務戰略和業務流程與具體的信息系統緊密地結合起來，為企業描繪出一個未來的數字化企業中業務、數據、應用和技術互動的藍圖。

圖6 EA企業架構導入

通過企業架構的分析，可以幫助企業回答很多以前沒有想清楚的問題

☆ 公司有多少業務流程？

☆ 流程之間是怎麼銜接的？

☆ 這些業務的目標是什麼？

☆ 哪些業務是有規範，沒有流程？哪些業務是有規範，有流程？哪些業務又沒有規範，又沒有流程，急需要建立的？

☆ 有流程的業務又是通過什麼樣的IT平台來支撐運行的？是用erp實現呢，還是用mes實現，亦或是用plm實現？如何去界定？

☆ 業務部門提出某一業務需求，改需求是通過軟體包呢還是在現有系統上進行改進呢？」「如果是在現有系統上實現，在哪個系統上實現好呢？」「如果使用現有產品構件，用哪個構件呢？」

☆ 「我的系統要取員工信息，但員工信息來自哪個系統呢？」

☆ 等等......

製造業企業在數字化轉型升級的過程中，隨著業務規模的擴展，會涉及到越來越多的信息化平台，不同的平台，不同的廠商，不同的平台之間需要做數據的集成和打通。ERP和MES之間需要傳遞什麼數據？ERP和PLM之間需要傳遞什麼數據？PLM和MES之間的數據交互又是如何？MES會給SCADA傳遞什麼指令，得到何種類型的數據反饋？如果這些數據交互沒有梳理清楚，那麼上了信息化就又是建成了一個個的信息孤島，不能最大化發揮信息系統的價值。尤其現在隨著智能製造的大熱，上MES系統成了很多製造業企業在做數字化轉型的核心手段。在ERP時期，ERP實施成功率很低，其實放到現在上MES也是一樣的，涉及到企業生產管理的方方面面，如果沒有規劃好匆忙上線，不僅不會提高效率，還會因為生產流程的打亂影響產品交付和客戶滿意度。MES的導入需要正確的規劃，嚴謹的供應商選型，科學的實施，這三個重要的環節缺一不可。

舍神劍 VS 自動化規劃

自動化是指機器設備、系統或過程（生產、管理過程）在沒有人或較少人的直接參与下，按照人的要求，經過自動檢測、信息處理、分析判斷、操縱控制，實現預期的目標的過程。在數字化工廠規劃領域，核心的三大規劃內容分別是生產自動化規劃、物流自動化規劃和現場匯流排規劃。

圖7 自動化規劃整體方法

生產自動化規劃主要體現在自動化生產線的設計，通過自動化輸送及其他的輔助裝置，按照特點的生產流程，將各種自動化專機連接成一體，並通過氣動、液壓、電機、感測器和電氣控制系統使各部分的動作聯繫起來，使整個系統按照規定的程序自動的工作，連續、穩定的生產出符合質量要求的產品。由於行業的差異性和產品的特殊性，不同企業的自動化產線設計沒有完全一樣的，但大體上都可以分解為加工單元、搬運單元、分揀單元、提取安裝單元、操作手單元、供料單元和檢測單元。

物流自動化規劃指的是不同工序之間物料的轉運模式，上下料實現的方式，物流自動調度實現的策略等等。

只有將不同工序間串聯起來，才能實現智能化工廠設計目標。比較好的操作方式是通過布局規劃以後，清楚認識不同工序間物流的難度，認識到可實現的形式，然後將物流自動化方案揉入布局，觀察分塊與整體的效果，評估風險點，優化方案。

現場匯流排規劃要保證系統運行的可靠性、實時性、多任務和多迴路分布特性。需要考慮網路節點數、節點的位置分布、匯流排速率和傳輸能力。由於各種歷史原因，企業的現場設備往往都是老、中、青並存，為了保證系統設備的互聯、互操作和互換性，還需要考慮匯流排設備之間遵從的協議以及網路的升級和設備的替換。現場匯流排是聯接信息層和設備層的關鍵技術，是智能生產、智能物流、智能服務等業務，得以實現的關鍵所在，也是互聯網技術和製造技術相互融合的關鍵所在。

游龍劍 VS 模擬建模規劃

數字化工廠的規劃包括整個工廠、車間、生產單元（生產線）和設備、工位等層次。與傳統製造技術相比，數字化製造技術的關鍵是建模與模擬技術。建模和模擬技術不僅僅是一種計算機輔助分析的支撐技術，也是企業從傳統製造向可預測製造轉變的一種新方法、新模式。這樣企業可以構建虛擬的數字化工廠環境，以期在實際工廠建設投產之，就能對其性能進行系統和綜合評價優化，數字化工廠模擬建模規劃也存在一個不斷的規劃、調試、優化的過程。

圖8 生產線3D布局規劃

數字化雙胞胎模型指的是以數字化方式在虛擬空間呈現物理對象，以數字化方式為物理對象創建虛擬模型，模擬其在現實環境中的行為特徵，通過模擬建模可以快速的幫助製造業企業回答如下問題：

☆ 工廠的布局、生產及吞吐能力能否滿足生產需求嗎？

☆ 設計的生產線能適應訂單數量的變化和品種的變化嗎？

☆ 要多大面積，要多少設備、多少工人，怎麼去布局？

☆ 生產線是否較好地平衡？期批量是否優化過？

☆ 生產線的各部分是否能正確控制和同步運行?

所能夠帶來的收益，基於模擬建模技術的製造過程規劃、驗證和管理。企業可以通過修改或者模擬摸一個工藝段，完成工藝驗證，然後在整個生產流程中進行試生產，並且反饋真實工廠的運行情況，從而積累工廠運行數據，直觀展示，輔助決策，達到製造規劃與物理製造的完美融合。

小記

七劍遊走完畢，企業可以按照這個思路建立一個整體的認識。需要反覆思考的是，在未來一定時期內，適宜可行的數字化發展目標是什麼？為了實現數字化戰略目標，企業所需要的核心能力和資源是什麼？在減少產品上市時間，減少設計修改，降低生產費用以及庫存，實現精細化管理提升產品質量，企業應該做什麼，如何做？

這些問題，看似很簡單，卻是一個問題一個深坑。回答好這些問題，數字化工廠的規劃方可收放自如，七劍方可齊下天山。

作者：柏雋（蔚藍工業CEO，前西門子研究院高級顧問）

編審：林雪萍（南山工業書院發起人，北京聯訊動力諮詢公司）

您還可通過微信公眾號「知識自動化」查看更多精彩原創文章。

推薦閱讀：