沈烈初：实体层互联互通 让智能制造不再“卡脖子”

按业务流程分，一般智能制造分：管理层、执行层、控制层及实体层（设备层），有的企业在管理层之前加一个决策层，在实体层之后加一个传感层，这是一个虚实结合的系统工程，亦即CPS系统。
　　实体层是生产过程产生增值的过程，亦即是一个企业活动的出发点与归宿，是社会物质生产产品的单位，它又是一个庞大的系统，如机械制造包括毛坯（铸、锻、焊等专业）、加工（切削、成形、热处理等工序）、装配调试、涂装、检测、包装等制造过程。传感层就是把这些生产过程中各种信息实时采集，所谓各种数据形式的来源，抽象出来就是人、机、料、法、环、测及水、电、风、汽和信息传输（有线或无线）存储网络，它们之间的互联互通不解决，数字化、网络化最后发展为智能化制造根本不可能。
　　目前中国制造业，特别是装备制造业有发展不平衡、不充分的特点，其企业结构与水平具有工业1.0、2.0、3.0的实体层比比皆是。据笔者近几年来考察近百个装备制造企业来看，实施所谓智能制造的瓶颈在实体层设备的互联互通及数据采集上。当然有一批先进的大中型企业，精益生产及准时化管理做的较好，具有合理的业务与工艺流程，且有着较先进的生产设备，数控化率较高，因此这些企业是数字化、网络化及以后的智能化制造的先行者，但还需要大量的探索及积累数据与实践经验的过程，然后才能达到柔性化、定制化、可视化的阶段。
　　其中关键环节是因各种控制系统中传递数据信息的通信协议有不同的版本，如机床数控系统常用的国外有FANAC、三菱、西门子、Heidenheim等，国内有华中数控、广州数控、光洋、高精、凯恩帝、维宏、精雕等系统；驱动又分伺服电机系统、步进电机系统等；现场总线（Fiel dbus）也有不同版本，PROFIBUS、MODBUS、CAN、EtherCAT等，如何把传递数据的不同版本的协议，能互相兼容，上传下达？很多单位是采用软件包或独立模块，如日本马扎克称之为Smart-Box、光洋称之为MCU、沈机i5及ISESOL系统称之为i-Box、仪综所称之为智能网关。因此，每个企业就能形成自己独特的信息管理系统及统一的接口与协议，这是智能制造信息架构的重要组成部分。
　　数字化、网络化及智能化（以下简称“三化”）制造，就是在制造过程中对生产全要素的描述与使其优化组合，使装备制造达到“质量第一，效率优先”的目的，使企业增加市场竞争力与可持续发展能力。笔者在调查研究中发现几个难点：
　　首先，有两种现象普遍存在。一个是畏缩不前，认为实施“三化”过程，需要一大笔资金改造实体层各生产环节。另一个是为“三化”。而“三化”似乎有点像“面子工程”一样，如不搞“三化”，受不到上级及同行的重视。笔者认为要用“投入产出”经济理论来研究与落实“三化”，如只有投入，没有产出或产出很少，这是不合理，不经济的。
　　其次，是先搞好科学化的生产管理。即精益生产（LP）及准时化管理（JIS），与搞不搞“三化”没有多大关系，这是提高企业生产率与竞争力不可或缺的；反过来说，LP及JIS搞好了，“水到渠成”搞“三化”就容易多了。所谓“三化”中的管理层（PLM、ERP）、执行层（MES等）、控制层可形成一个所谓虚拟工厂（或车间）优化生产要素的组合及业务流程，后由优化得出的数据控制实体层的各种装备，这就是虚拟与实体生产过程互相“映射”，经过多次的PDCA相互映射就可以得出比较优化的业务流程。在这个过程中数据的真实性与全面性就十分重要。
　　第三，关键在于数据的采集、传输、筛选及建模。数据的种类很多，包括生产、管理、质量、资金、设备等生产全要素的数据，并且还要收集与企业及产品用户需求等数据，形成所谓条数据与块数据（二维的），这才能利用实时的数据进行优化与预测，没有数据就没有“三化”。因此建立多种数据的数据库是第一位的。
　　
山东临工等企业实施“三化”的启示
　　（一）山东临工案例及启示
　　不要把企业“三化”看作“高大上”技术，若企业员工不懂得“三化”的意义、目的、内涵等，搞“三化”有什么意义呢？山东临工工程机械有限公司（简称山东临工）的经验对笔者启示很大。他们办企业的指导思想是“一全（全员参与），二创（管理创新、技术创新），三结合（干部、技术人员与员工）”。笔者曾说过，这是新时代的“鞍钢宪法”。过去山东临工的发展，提质增效是靠这个办法，现在企业搞“三化”（或两化融合）也是靠“一全二创三结合”的办法。笔者于2017年2月写过一篇《工业2.0补课，工业3.0全面推进，工业4.0试水—山东临工创业创新考察记》，在文章后面附有笔者于2015年5月28日写的一篇《推荐一篇好文章—山东临工“一全二创三结合”创新管理模式探索与实践》。笔者了解到山东临工在上世纪90年代初就引入CAD等数字化技术；2007开始引进VOLVO的精益生产及准时化管理方法，2008~2009年为学习导入期；2010年进行可视化管理，开始成立CI小组；2013年推进标准化作业，共有22个模块，在此过程中分期分批进行全员培训，提高员工的认识与业务水平。因为企业的业务流程涉及到每个员工的职责，没有全体员工的自觉参与，再好的技术与管理模式也起不到理想的作用，这就为实现“三化”或“两化融合”奠定了坚实基础。因此，山东临工在过去信息化基础上，采用德国SAP管理软件，加上自己开发的应用软件，设计了一个完整的信息化架构与接口，包括管理层、执行层、控制层。在实体层，因车间性质与工艺流程不同，执行层、控制层也不完全相同。笔者考察了几个车间，包括结构焊接车间、液压件车间、装配车间、物流等，其实体层中很多装备都是由三结合小组自己设计制造的，因为他们熟悉工艺，将来也是他们来操作使用，因而只要统一接口，统一协议就可以了。有的采用有线通信，有的如装配车间一些工序采用无线通信，随时可用智能手机扫描，知道某一订单的产品进行到哪一个工序了。真正实现了共商、共建、共享的搞“三化”模式，把“高大上”技术与全体员工结合起来，他们的经验值得重视。由于山东临工很早就注意其生产的工程机械产品，如挖掘机、装载机、路面机械的“三化”控制，产品都装有GPS定位系统等，可进行远程监控，收集产品在用户使用情况及运行时的工况数据，不仅可进行在役产品的健康检查及指导维修服务，而且通过在用户中开展“好司机”活动，及时得到了终端用户反馈的装备产品质量、可靠性、可用性、易用性等大量有用的信息，为不断改进产品、制造过程，供应链的优化等打下基础，这就是PDCA多次循环后，提质增效的最佳的路径。同样，利用大数据进行市场对各种工程机械需求的预测，山东临工也进行了这方面的研究。
　　在前几年工程机械市场处在困难境地，山东临工坚持“专注实业，聚焦主业，不断进行供给侧改革”，不断推进“三化”工程。不像有些工程机械企业，实行所谓“跨行业发展”“多元化发展”“脱实向虚”等发展战略，以求得“脱困”或增加“体量”“规模”，结果呢？2017年就有了答案，根据某媒体的统计，以人均营业收入即劳动生产率来比较，在行业前九位工程机械企业的统计中，山东临工为157.75万元（2015年），182.22万元（2016年），315.58万元（2017年），位居9个企业之首，从纵向比，山东临工2017年劳动生产率比2015年增加了一倍；从横向比，2017年人均劳动生产率是第九位企业的1.7倍；当然交给国家的税收及利润也相应增加了。企业推进“三化”或“两化融合”需要很长的时间，不是一蹴而就的，需要统一规划，分阶段、分步骤的实施。由于新技术特别是信息技术仍在高速发展，因此，企业还必需在实施一定阶段后，要及时修改及优化“三化”发展规划，然后再分阶段、分步骤继续实施。总之先易后难，问题导向，借用外力，培养自己的能力，这样看得见成果，鼓舞全体员工士气，坚持走适合自己企业情况的“三化”及“两化融合”的道路。
　　一个好的企业，需要有一个好的领导及集体，要有一个强有力的执行机构，需要有包含熟悉硬件及软件的信息化技术团队。从优化业务流程来看，涉及方方面面的人员工作及其职责的科学划分，也就是部门与个人间的利益调整。总之，没有优化业务流程及LP和JIS管理模式，“三化”或“两化融合”是无法进行或没有显著效果的。这一点并没有被一些企业领导及有关部门所重视，容易把智能制造滑入误区，这是危险的，事倍功半。
　　（二）常熟开关等企业案例及启示
　　制造断路器的常熟开关制造有限公司，从上世纪1991年，还是处在一个面临破产境地的小厂，临危受命担任厂长的唐春潮决心借款数百万元搞CAD产品设计。他深知没有高水平的产品，企业是活不了的，高水平的产品需要高水平的设计手段，从而在一片反对声中就做了，开始走上两化融合的道路。2011年左右第二代主要领导王春华同志接班，前赴后继深入搞“两化融合”及智能制造，至今已超过25年。分阶段梳理各方面的业务流程，从销售、计划、生产、质量、维保、物流、采购、仓储、能源等近30个业务板块，进行信息化优化，它是在一个不断优化架构下，有步骤、分阶段进行的，拥有大量数据。前两年笔者去调查常熟开关数据库时，存储容量接近80T了，现在的员工没有信息化手段已经不习惯了。
　　其它如南京康尼机电股份有限公司、厦门宏发电声股份有限公司、山东文登天润曲轴股份有限公司、重庆盟讯电子科技有限公司、北京时代集团等企业搞“两化融合”都已有二三十年了，形成了自己特色的信息化管理系统，没有持之以恒的决心，不可能取得如此大的成功。因此搞“三化”永远在路上，要随着产品升级换代、企业管理的进步、国际化经营发展等情况变化而变化。
　　
装备工业在“三化”中的担当
　　装备工业是为各行各业的制造业提供装备产品的，其质量、性能、效率等决定着这些制造业的水平与效益，这是大家的共识。因此，装备工业的“三化”水平更加重要。装备工业的“三化”包括产品的“三化”控制、制造过程的“三化”管理及用户在役产品运维的“三化”服务。
　　如果装备工业提供的产品、生产线“三化”水平高，用户的生产过程，即用户的实体层互联互通就很容易实现。装备产品的“三化”，即采用数字化、网络化、智能化控制是现代机械装备实施机（械）电（子）仪（传感器）一体化的升级版。上世纪50年代初，美国出现数字控制机床，这就开启了数字化控制大门，具有划时代的意义，以后出现半导体技术，模拟计算机向数字计算机过渡。1971年美国Intel制造出4位的小规模集成电路，这是又一次质的飞跃。到现在经过LSI、VLSI已发展到64位产业化芯片，线宽达10纳米超大规模的集成电路，按摩尔定律性价比还进一步发展。上世纪70年代出现PLC可以用硬、软件代替硬件控制，从此大大促进了软件的发展。除通用芯片外，还出现种类繁多的专用芯片，促使装备工业的发展如虎添翼。数字计算机的出现，也大大提高了机械工业的产品与管理水平。
　　笔者上世纪70年代末去美国辛辛那提机床厂考察时，他们的产品主要为大规模生产的汽车工业以及小批量多品种生产航空产品的波音及麦道飞机制造公司提供数控及其它金切机床，生产管理已经用了计算机，该厂以销定产，根据订单安排半年、三个月粗计划，一个月的细计划，一旬或一天的执行计划，滚动修正，大概现在所说的APS系统。那时还不是实时（online），而是批处理（可以是半天或一天）。笔者在1978从工厂调到原机械工业部部机关工作，当时一机部总工程师陶亨咸，从德国亚琛工业大学（RWTH Achen University）邀请两位教授，准备在沈阳第一机床厂的1A62车间大批及中型车床成批生产车间进行计算机管理试点。笔者陪同两位教授到原沈一机考察，当时工厂的各级领导尚不熟悉计算机管理，除上课进行技术交流外，并到两个车间详细考察，两位教授查阅了工单、工票、计划书、工艺文件等纸质资料及文件，考察两天后，两位教授提出数据不完全，有些数据不真实，流程不合理等。两个车间的领导连数据都说不清楚，后来这个合作就停止了。这说明当时我国最好的机床厂，是前苏联156项援助项目之一，尚且如此，其它机床厂呢，恐怕也差不多。
　　再说宝钢二期工程，引进德国的2050板材热联轧机，用三级计算机控制，一共有11个机架，4个粗轧机架，7个精轧机架，都采用液压伺服压下装置，全部用计算机控制。通过宝钢二期工程，我国掌握了热轧、冷轧、连铸连轧等用计算机控制的冶金设备。不仅提高了宝钢二期的工艺水平，为宝钢实体信息化底层装备的互联互通提供很方便的条件。
　　去年笔者时隔十余年再次到中信重工进行学习，面貌一新，特别是成套矿山重大技术装备，根据用户提出的不同需求，配置各种破碎及球磨等设备，在这里用户使用工艺十分重要，根据使用工艺试验室实验取得的数据后，进行设备的选型，采用数字化、网络化控制，这实际上是定制化的成套矿山设备，为用户提供谓之“智慧矿山”的装备与信息化管理系统。
　　其他如通用机械行业的透平压缩机等高端产品，笔者在西安陕鼓集团的中控室看到包括在国内外用户处在役产品的运行工况，一览无余。
　　至于机床工具作为装备工业的母机，这几年在国家04专项支持下，华数、广数、光洋、高精、维宏等企业已具备了生产高中低档的数控系统，从性能上讲，基本可以满足要求，但在质量、可靠性、性价比、售后服务等仍需提高，特别是品牌认知度在用户中还不高，高端数控机床在市场占有率仅提高到5%。笔者认为数控机床中，机床本体的水平、可靠性、使用性能比数控系统还差，大都停留在样品、样机阶段，尽管采用了不少国外或境外的功能部件，仍然没有显著提高，不知为什么，大概是缺乏一批工匠及技术工人，加上粗放式管理，缺精细生产观念等，我们的智能制造是不能建立在国外的数控机床基础上吧！数控机床及机器人控制原理基本一致，可能在算法上有一些不同，如华中数控、光洋数控等，一个数控系统，因为有多通道等功能，既可控制机床，也可同时控制机器人，如西门子的840Dsl一样。
　　再说说其它装备吧!铸、锻、焊、表面处理装备很多已采用计算机、PLC、计算板卡或嵌入式芯片、总线传输信息技术，这些装备的“三化”与管理“三化”逐渐变得容易，如北京时代集团可提供成套的自动化和信息化程度高的焊机及车间的信息管理系统，并可远程可视化监控，在这里特别要重视标准化接口，与其它装备或信息化管理系统互联互通。
　　不久之前笔者在大连参观学习德国的Grob机床厂，它为福特生产的2.00升（大约）铸铝缸体加工，钢套在压铸缸体时就铸入，大大减少了加工工序，精加工钢套采用CBN刀具，节拍大概是4~5分钟，整个控制装置是采用西门子840Dsl，经过Grob二次开发的，福特提供一套与整个福特工厂兼容的网络接口，这样Grob的网络接口必须与福特网络兼容，这也可说网络及通讯协议已定制化了！生产线很方便在使用场所与整个福特的信息网络互联互通了！
　　总之，目前我国制造业处在数字化、网络化阶段，数字化是网络化、智能化的基础，因此笔者认为，目前“数字装备工业”与“数字经济”一样，是最紧迫的课题，否则很难实现互联互通，或进一步发展人工智能及智能制造。
　　最后笔者还有一个启示，像常熟开关、厦门宏发等公司，根据自己工艺要求，设计制造自己所需的具有“三化”控制功能专用自动化设备及生产线。厦门宏发设计制造的12头微细漆包线的绕线机已达国际水平，除自用外还销往国内外。又如山东文登天润曲轴股份有限公司、滨州渤海活塞股份有限公司等都有自己的数控专用机床生产基地，因为功能部件都可在国内外市场上采购到，更多的是附加上了曲轴、活塞的制造工艺技术，数控专用机床不仅满足了本企业的需求，而且有的还可以供国内外市场使用。又如山东临工在推进信息管理进程中，一个“三结合”小组研发了一台AGV小车，有自己的特点，仅花10万元，现在厂内已使用了超过150台，大的AGV小车可装载1~2吨工件重量。为此专门成立了一个公司进行生产，可以对外销售，并可为用户制定一套物流方案。
　　装备工业的“三化”方兴未艾，关键是互联互通和远程标准化接口，包括软件互相兼容就十分重要，需要有关部门研究解决。
　　这些启示，是个人的体会，由于笔者的知识水平很低，错误之处肯定很多，望业内专家指正，算是抛砖引玉吧。
　　（本文形成过程中，机械工业仪器仪表综合技术经济研究所欧阳劲松所长、石镇山副所长、王麟琨副所长等提出了很好的意见建议，在此表示衷心感谢。）