紙尿褲集成化智能工廠建設方案研究

徐　超

(上海工業自動化儀表研究院有限公司,上海 200233)

0　引言

發展智能制造既符合我國制造業發展的內在要求，也是重塑我國制造業新優勢、實現轉型升級的必然選擇[1]。產業信息網發布的《2016—2022年中國智能制造裝備行業分析及投資戰略研究報告》顯示，我國具備發展智能制造業的產業基礎[2]。

2015年，國家二孩政策全面實施，龐大的新生兒群體形成了紙尿褲行業剛性市場消費需求[3]。消費者對紙尿褲的品質要求日益提高，網絡消費的份額不斷增加。這對傳統紙尿褲行業的商業模式產生了重大沖擊[4]。國內的紙尿褲行業屬技術密集型行業，對生產設備的依賴程度很高。但該行業的整體自動化、信息化水平都處于相對較低的狀態[5]。

因此，本文提出了紙尿褲智能化工廠的建設方案。該方案涵蓋了從原材料入庫、發料、生產到產品入庫和出庫的全自動流程設計。根據該方案建設的紙尿褲智能化工廠，可極大地提高生產效率，節約人工成本，降低人為操作造成的損失。

1　技術方案

1.1　智能工廠總體思路

在本方案中，以構建“紙尿褲集成化智能工廠”為目標，在數字化企業運營平臺上，將企業資源計劃系統(enterprise resource planning，ERP)、供應鏈管理系統(supply chain management，SCM)、產品數據管理系統(product data management，PDM)、制造執行系統(manufacturing execution system，MES)、產品生命周期管理系統(product lifecycle management，PLM)和商務智能(business intelligence，BI)等軟件應用于紙尿褲生產，以期企業在成本控制、快速交付、靈活響應、質量控制等四個方面的能力得到有效提升[6]。

針對某紙尿褲公司的現有狀況，提出智能工廠生態系統的“三個維度”概念，即產品、生產和經營業務。智能工廠三維模型如圖1所示。在三個維度下，企業能充分實現自動化生產與信息化管理的有效結合，相互促進彌補，實現有效合力。

從三個維度出發，構建智能工廠，能充分發揮應用信息技術和通信技術的作用。通過智能軟件的運用，在優化人力資源、優化材料利用和優化能源效率的基礎上，可按市場和客戶所要求的時間，生產出通用或定制的高質量產品，以快速響應市場需求的變化和供應鏈的變化[7]。

圖1　智能工廠三維模型

本方案所構建的“紙尿褲集成化智能工廠”以制造執行系統為驅動，在生產制造的維度，構建了基于信息控制一體化的智能生產制造系統。并在此基礎上，將其納入企業業務數字化、網絡化的企業集成應用開發平臺，以實現企業內外以供應鏈為紐帶的管理網絡一體化。紙尿褲集成化智能工廠信息集成功能框架如圖2所示。

圖2　信息集成功能框架

本方案建立和完善了以計算機輔助設計(computer aided design,CAD)和CAM為基礎的PDM和PLM，然后延伸到產品售后的技術支持和服務。通過模型定義制造商、供應商乃至開發商之間的協同產業鏈網絡結構，充分實現了市場和研發、研發和生產、管理和通信之間的協同發展。建設協同的供應網絡后，智能車間使制造程序、管理程序、市場與價值創造鏈和各制造參與者之間的關系高度可視化。由此，規劃和運行制造網絡所需的整體環境得到顯現。產品、生產、經營這三軸貫穿于各個制造參與者之間。模型居于工業互聯網上層的是管理職能，下層的是制造職能。職能背后是能夠將工作任務與企業既定目標、企業合作伙伴之間進行協調的個體元素。

位于制造網絡中心層的是制造企業用來支撐業務的各種應用程序。為優化效率，選擇基于信息互換和工作流的數字化企業運營平臺，實現新舊系統之間的集成和互聯。除制造參與者外，基于因特網的協同應用程序也具有重要意義。根據供應商到客戶的價值創造鏈，市場定位和門戶是通向供應商和客戶的新入口，而且在產品生命周期內，通過互聯網、物聯網來支持協同設計、協同服務的新途徑[8]。

1.2　智能工廠的技術路線

基于智能工廠建設生態系統的“三個維度”，分四步來推動智能工廠的建設方案：①智能裝備;②智能產線;③智能車間;④智能工廠。通過分步走的技術路線，實現了整個紙尿褲制造業價值鏈的智能化和創新，促進了信息化與工業化深度融合。

1.2.1研制智能裝備

加強智能工廠的基礎建設，即更換原生產車間里陳舊的基礎設備，包括重點部位儀表。智能裝備可以監控自身運轉狀態，補償加工誤差，提高紙尿布帶狀原材料的恒張力控制精度，并進行自主反饋，從而大幅度提高自動化生產線運行效率及安全性。系統通過開放數據接口，支持設備聯網，將以往單獨的設備組合成設備集群，使設備集群具備組合和分散的智能特性，保證了個性化訂單模式下彈性批量產品制造的實時控制和靈活性。

1.2.2建設智能產線

首先，在智能裝備的基礎上，打通生產線與裝備之間的物料雙向轉運鏈路，實現生產線物料自動配送與回收功能。其次，采用傳感器自動進行數據采集，通過可視化終端實時顯示生產狀態，并通過機器視覺和多種傳感器進行質量檢測，對采集的數據進行缺陷分析。在設計中，盡量考慮產線的多樣性和靈活性，使一條產線可支持多種相似產品的混線生產，以適應小批量、多品種的生產模式。每一條產線都具備柔性調配的能力，一旦生產線上有設備出現故障，能夠盡快調整到其他設備進行生產。同時，現場操作人員的專業培訓也被列為智能產線建設的重要部分。

1.2.3構建智能車間

構建智能車間是實現整個智能工廠的關鍵步驟。首先，對車間的生產狀況、設備狀態、能源消耗、生產質量、物料消耗等信息進行實時采集和分析，以實現高效排產和合理排班；將MES運用在車間，按照工廠紙尿褲生產的個性化需求，定制MES服務管理，提升設備利用率，提高產品質量，實現生產過程可追溯和上料防錯，提高生產效率。其次，構建有軌制導車輛自動傳輸與調度系統，由搬運機器人、自動傳輸線、自動化立體倉庫等組成智能車間物流成套裝置，實現自動化立體倉庫與智能產線或智能裝備之間物料的自動轉運。

1.2.4建立智能工廠

智能工廠建設的終極目標，在于形成完整的研發、計劃、調度、排產、倉儲、運輸、管理循環的生產管理類信息系統。在實現自動化、透明化、可視化、精益化的基礎上，將上層辦公與現場生產互通，充分利用ERP、SCM、PDM、PLM、MES和BI的信息無縫對接，對整個工廠進行指揮和調度。同時，產品檢測、質量檢驗和分析、生產物流也與生產過程實現閉環集成。工廠的多個車間之間實現了信息共享、及時配送、協同作業，大大提高了工廠的運作效率。

1.3　智能工廠通信網絡架構

根據智能制造系統功能框架，將產品流程、經營管理流程與生產產業鏈流程有機結合，形成了一個生產制造控制機制下的新型管理模式。采用IT和工業以太網通信網絡、互聯網、物聯網技術，搭建生產制造系統的網絡信息物理流控制管理結構。其使得ERP、SCM、MES的制造管理，PDM/PLM產品研發，產品服務生命周期和市場關系管理等功能有機融合在一個完整的紙尿褲企業與市場信息閉環系統；使得企業的價值鏈從單一的制造環節向上游的設計研發環節發展，企業的管理鏈也從上游向下游生產制造控制產業鏈延伸。數字化、網絡化的協同制造管理系統形成了制造網絡。該制造網絡集分析市場、PLM、生產、研發、控制和企業管理于一體，如圖3所示[9]。

統一的開發平臺只需一個公共的變量定義和一個存放所有參數和控制功能的中央數據庫；統一的軟件工具能夠同時開發、調試多個機械設備和系統單元；統一的開放模塊式結構是面向生產應用的；統一的網絡接口和語言(如TCP/IP、OPC、XML和SQL)，使得企業在各銷售平臺在聯網系統中的數據交換成為可能；統一的集成平臺是基于可編程邏輯控制器(pragrammable logic controller,PLC)的硬件平臺[10]。

圖3　通信網絡拓撲圖

1.4　人工智能應用對智能決策的支持

在本建設方案中，將人工智能應用于電子商務銷售數據分析和智能生產調度。

通過公司的軟件平臺，市場銷售部將淘寶旗艦店(自營)、京東網上超市(代理分銷)和各地分銷商、代理商平臺所發生的產品-銷售歷史數據、近期(以月為單位)訂單數據采集、梳理、存儲在產品銷售數據庫系統中。采用專用數據聯機分析工具OLAP和數據挖掘工具，基于SCM供應鏈管理和采購管理，運用三層BP神經網絡智能模型進行機器自學習。在統計、對比和分析的基礎上，自動生成產品銷量-區域-型號-競爭對手-歷史-未來趨勢的多維度智能分析結果，為企業合理制定和調整新品研發計劃、原材料采購布局和生產計劃提供直接、有效的智能決策支持。

在智能生產調度方面，本方案充分發揮新建生產線和技改生產線的新型搬運機器人和堆垛機器人的智能感知、決策和協調信息處理能力，借助相關智能軟件，對銷售部門流轉輸出的ERP訂單-BOM，按照產線設備生產能力和效率進行生產優先級排序；采用遺傳算法(genetic algorithm，GA)，動態生成各生產線作業計劃，形成合理的智能生產調度。

2　方案實施效果

通過智能化工廠的總體設計、工藝流程設計和數字化建模，本方案完成了新廠多線生產車間的2D/3D數字化建模。該智能化車間/工廠方案的建設，將大大降低生產過程的能源消耗，增加生產產品的種類，提高產品質量。通過智能系統集成設備，對信息實時采集，保證了生產過程的實時監控和反饋；實現了產品的庫存和相關數據查詢功能，遵循產品的先進先出原則，減少了庫存壓力。通過智能化改進措施，由智能化設備代替人工，減少了人工的操作環節，使生產效率提高了20%以上。

3　結束語

本方案將有效提高紙尿褲生產工廠的自動化程度，并大幅度提升生產效率。但是，生產過程的“信息孤島”效應，使生產過程數據與生產管理系統無法有效連接。為實現生產過程全自動智能化運行，即產品從原材料出庫、生產制造、包裝堆垛到成品入庫這整個生產過程的一體化、集成化，生產過程數據采集系統與MES等信息系統的高度協同與集成技術將成為軟件系統研發的難點。這也是今后需要深入研究和實施的課題。

參考文獻:

[1] 孫柏林.未來智能裝備制造業發展趨勢述評[J].自動化儀表，2013，34(1)：1-5.

[2] 李丹,張超.新工業革命對我國制造業轉型升級的影響研究[J].沈陽工業大學學報(社會科學版)，2016,9(3):198-201.

[3] 宋全成,文慶英.我國單獨二胎人口政策實施的意義、現狀與問題[J].南通大學學報(社會科學版),2015,31(1):122-129.

[4] 許文宣.全面放開二胎政策的研究[J].才智,2016(15):236.

[5] 侯巖松.煉化“智能工廠”建設思考——煉化企業工業化與信息化融合[J].中國管理信息化,2016,19(7):89-91.

[6] 黃群慧，賀俊.“第三次工業革命”與中國經濟發展戰略調整——技術經濟范式轉變的視角[J].中國工業經濟，2013(1)：5-17.

[7] 紀玉山,蘇美文.物聯網戰略的國際經驗及其對我國產業發展的政策啟示[J].理論探討,2014(3):73-76.

[8] 吳功宜.智慧的物聯網[M].北京：機械工業出版社,2010.

[9] 李宏艷,楊善林.現代企業信息化管理模式的構建[J].合肥工業大學學報(社會科學版)，2004，18(1)：84-88.

[10]曹科,鐘錫昌,張倪.多版本中央數據庫的移動數據庫系統并發控制方案[J].計算機應用研究,2006(2):229-231.