纸尿裤集成化智能工厂建设方案研究

徐　超

(上海工业自动化仪表研究院有限公司,上海 200233)

0　引言

发展智能制造既符合我国制造业发展的内在要求，也是重塑我国制造业新优势、实现转型升级的必然选择[1]。产业信息网发布的《2016—2022年中国智能制造装备行业分析及投资战略研究报告》显示，我国具备发展智能制造业的产业基础[2]。

2015年，国家二孩政策全面实施，庞大的新生儿群体形成了纸尿裤行业刚性市场消费需求[3]。消费者对纸尿裤的品质要求日益提高，网络消费的份额不断增加。这对传统纸尿裤行业的商业模式产生了重大冲击[4]。国内的纸尿裤行业属技术密集型行业，对生产设备的依赖程度很高。但该行业的整体自动化、信息化水平都处于相对较低的状态[5]。

因此，本文提出了纸尿裤智能化工厂的建设方案。该方案涵盖了从原材料入库、发料、生产到产品入库和出库的全自动流程设计。根据该方案建设的纸尿裤智能化工厂，可极大地提高生产效率，节约人工成本，降低人为操作造成的损失。

1　技术方案

1.1　智能工厂总体思路

在本方案中，以构建“纸尿裤集成化智能工厂”为目标，在数字化企业运营平台上，将企业资源计划系统(enterprise resource planning，ERP)、供应链管理系统(supply chain management，SCM)、产品数据管理系统(product data management，PDM)、制造执行系统(manufacturing execution system，MES)、产品生命周期管理系统(product lifecycle management，PLM)和商务智能(business intelligence，BI)等软件应用于纸尿裤生产，以期企业在成本控制、快速交付、灵活响应、质量控制等四个方面的能力得到有效提升[6]。

针对某纸尿裤公司的现有状况，提出智能工厂生态系统的“三个维度”概念，即产品、生产和经营业务。智能工厂三维模型如图1所示。在三个维度下，企业能充分实现自动化生产与信息化管理的有效结合，相互促进弥补，实现有效合力。

从三个维度出发，构建智能工厂，能充分发挥应用信息技术和通信技术的作用。通过智能软件的运用，在优化人力资源、优化材料利用和优化能源效率的基础上，可按市场和客户所要求的时间，生产出通用或定制的高质量产品，以快速响应市场需求的变化和供应链的变化[7]。

图1　智能工厂三维模型

本方案所构建的“纸尿裤集成化智能工厂”以制造执行系统为驱动，在生产制造的维度，构建了基于信息控制一体化的智能生产制造系统。并在此基础上，将其纳入企业业务数字化、网络化的企业集成应用开发平台，以实现企业内外以供应链为纽带的管理网络一体化。纸尿裤集成化智能工厂信息集成功能框架如图2所示。

图2　信息集成功能框架

本方案建立和完善了以计算机辅助设计(computer aided design,CAD)和CAM为基础的PDM和PLM，然后延伸到产品售后的技术支持和服务。通过模型定义制造商、供应商乃至开发商之间的协同产业链网络结构，充分实现了市场和研发、研发和生产、管理和通信之间的协同发展。建设协同的供应网络后，智能车间使制造程序、管理程序、市场与价值创造链和各制造参与者之间的关系高度可视化。由此，规划和运行制造网络所需的整体环境得到显现。产品、生产、经营这三轴贯穿于各个制造参与者之间。模型居于工业互联网上层的是管理职能，下层的是制造职能。职能背后是能够将工作任务与企业既定目标、企业合作伙伴之间进行协调的个体元素。

位于制造网络中心层的是制造企业用来支撑业务的各种应用程序。为优化效率，选择基于信息互换和工作流的数字化企业运营平台，实现新旧系统之间的集成和互联。除制造参与者外，基于因特网的协同应用程序也具有重要意义。根据供应商到客户的价值创造链，市场定位和门户是通向供应商和客户的新入口，而且在产品生命周期内，通过互联网、物联网来支持协同设计、协同服务的新途径[8]。

1.2　智能工厂的技术路线

基于智能工厂建设生态系统的“三个维度”，分四步来推动智能工厂的建设方案：①智能装备;②智能产线;③智能车间;④智能工厂。通过分步走的技术路线，实现了整个纸尿裤制造业价值链的智能化和创新，促进了信息化与工业化深度融合。

1.2.1研制智能装备

加强智能工厂的基础建设，即更换原生产车间里陈旧的基础设备，包括重点部位仪表。智能装备可以监控自身运转状态，补偿加工误差，提高纸尿布带状原材料的恒张力控制精度，并进行自主反馈，从而大幅度提高自动化生产线运行效率及安全性。系统通过开放数据接口，支持设备联网，将以往单独的设备组合成设备集群，使设备集群具备组合和分散的智能特性，保证了个性化订单模式下弹性批量产品制造的实时控制和灵活性。

1.2.2建设智能产线

首先，在智能装备的基础上，打通生产线与装备之间的物料双向转运链路，实现生产线物料自动配送与回收功能。其次，采用传感器自动进行数据采集，通过可视化终端实时显示生产状态，并通过机器视觉和多种传感器进行质量检测，对采集的数据进行缺陷分析。在设计中，尽量考虑产线的多样性和灵活性，使一条产线可支持多种相似产品的混线生产，以适应小批量、多品种的生产模式。每一条产线都具备柔性调配的能力，一旦生产线上有设备出现故障，能够尽快调整到其他设备进行生产。同时，现场操作人员的专业培训也被列为智能产线建设的重要部分。

1.2.3构建智能车间

构建智能车间是实现整个智能工厂的关键步骤。首先，对车间的生产状况、设备状态、能源消耗、生产质量、物料消耗等信息进行实时采集和分析，以实现高效排产和合理排班；将MES运用在车间，按照工厂纸尿裤生产的个性化需求，定制MES服务管理，提升设备利用率，提高产品质量，实现生产过程可追溯和上料防错，提高生产效率。其次，构建有轨制导车辆自动传输与调度系统，由搬运机器人、自动传输线、自动化立体仓库等组成智能车间物流成套装置，实现自动化立体仓库与智能产线或智能装备之间物料的自动转运。

1.2.4建立智能工厂

智能工厂建设的终极目标，在于形成完整的研发、计划、调度、排产、仓储、运输、管理循环的生产管理类信息系统。在实现自动化、透明化、可视化、精益化的基础上，将上层办公与现场生产互通，充分利用ERP、SCM、PDM、PLM、MES和BI的信息无缝对接，对整个工厂进行指挥和调度。同时，产品检测、质量检验和分析、生产物流也与生产过程实现闭环集成。工厂的多个车间之间实现了信息共享、及时配送、协同作业，大大提高了工厂的运作效率。

1.3　智能工厂通信网络架构

根据智能制造系统功能框架，将产品流程、经营管理流程与生产产业链流程有机结合，形成了一个生产制造控制机制下的新型管理模式。采用IT和工业以太网通信网络、互联网、物联网技术，搭建生产制造系统的网络信息物理流控制管理结构。其使得ERP、SCM、MES的制造管理，PDM/PLM产品研发，产品服务生命周期和市场关系管理等功能有机融合在一个完整的纸尿裤企业与市场信息闭环系统；使得企业的价值链从单一的制造环节向上游的设计研发环节发展，企业的管理链也从上游向下游生产制造控制产业链延伸。数字化、网络化的协同制造管理系统形成了制造网络。该制造网络集分析市场、PLM、生产、研发、控制和企业管理于一体，如图3所示[9]。

统一的开发平台只需一个公共的变量定义和一个存放所有参数和控制功能的中央数据库；统一的软件工具能够同时开发、调试多个机械设备和系统单元；统一的开放模块式结构是面向生产应用的；统一的网络接口和语言(如TCP/IP、OPC、XML和SQL)，使得企业在各销售平台在联网系统中的数据交换成为可能；统一的集成平台是基于可编程逻辑控制器(pragrammable logic controller,PLC)的硬件平台[10]。

图3　通信网络拓扑图

1.4　人工智能应用对智能决策的支持

在本建设方案中，将人工智能应用于电子商务销售数据分析和智能生产调度。

通过公司的软件平台，市场销售部将淘宝旗舰店(自营)、京东网上超市(代理分销)和各地分销商、代理商平台所发生的产品-销售历史数据、近期(以月为单位)订单数据采集、梳理、存储在产品销售数据库系统中。采用专用数据联机分析工具OLAP和数据挖掘工具，基于SCM供应链管理和采购管理，运用三层BP神经网络智能模型进行机器自学习。在统计、对比和分析的基础上，自动生成产品销量-区域-型号-竞争对手-历史-未来趋势的多维度智能分析结果，为企业合理制定和调整新品研发计划、原材料采购布局和生产计划提供直接、有效的智能决策支持。

在智能生产调度方面，本方案充分发挥新建生产线和技改生产线的新型搬运机器人和堆垛机器人的智能感知、决策和协调信息处理能力，借助相关智能软件，对销售部门流转输出的ERP订单-BOM，按照产线设备生产能力和效率进行生产优先级排序；采用遗传算法(genetic algorithm，GA)，动态生成各生产线作业计划，形成合理的智能生产调度。

2　方案实施效果

通过智能化工厂的总体设计、工艺流程设计和数字化建模，本方案完成了新厂多线生产车间的2D/3D数字化建模。该智能化车间/工厂方案的建设，将大大降低生产过程的能源消耗，增加生产产品的种类，提高产品质量。通过智能系统集成设备，对信息实时采集，保证了生产过程的实时监控和反馈；实现了产品的库存和相关数据查询功能，遵循产品的先进先出原则，减少了库存压力。通过智能化改进措施，由智能化设备代替人工，减少了人工的操作环节，使生产效率提高了20%以上。

3　结束语

本方案将有效提高纸尿裤生产工厂的自动化程度，并大幅度提升生产效率。但是，生产过程的“信息孤岛”效应，使生产过程数据与生产管理系统无法有效连接。为实现生产过程全自动智能化运行，即产品从原材料出库、生产制造、包装堆垛到成品入库这整个生产过程的一体化、集成化，生产过程数据采集系统与MES等信息系统的高度协同与集成技术将成为软件系统研发的难点。这也是今后需要深入研究和实施的课题。

参考文献:

[1] 孙柏林.未来智能装备制造业发展趋势述评[J].自动化仪表，2013，34(1)：1-5.

[2] 李丹,张超.新工业革命对我国制造业转型升级的影响研究[J].沈阳工业大学学报(社会科学版)，2016,9(3):198-201.

[3] 宋全成,文庆英.我国单独二胎人口政策实施的意义、现状与问题[J].南通大学学报(社会科学版),2015,31(1):122-129.

[4] 许文宣.全面放开二胎政策的研究[J].才智,2016(15):236.

[5] 侯岩松.炼化“智能工厂”建设思考——炼化企业工业化与信息化融合[J].中国管理信息化,2016,19(7):89-91.

[6] 黄群慧，贺俊.“第三次工业革命”与中国经济发展战略调整——技术经济范式转变的视角[J].中国工业经济，2013(1)：5-17.

[7] 纪玉山,苏美文.物联网战略的国际经验及其对我国产业发展的政策启示[J].理论探讨,2014(3):73-76.

[8] 吴功宜.智慧的物联网[M].北京：机械工业出版社,2010.

[9] 李宏艳,杨善林.现代企业信息化管理模式的构建[J].合肥工业大学学报(社会科学版)，2004，18(1)：84-88.

[10]曹科,钟锡昌,张倪.多版本中央数据库的移动数据库系统并发控制方案[J].计算机应用研究,2006(2):229-231.