企业智能化视域下高职产教融合集成平台建设研究

游文明, 高 艳, 张兆东, 张承阳

(扬州职业大学, 江苏 扬州 225009)

制造业智能化既是一场技术革命也是一场产业革命,其对制造业的生产模式、制造方式、消费模式和商业模式等都会产生巨大影响,最终会带动原有的资源配置结构发生变化,并对技术人才、技能人才的素质和需求结构带来影响,乃至于会重组与其相适应的供给结构。本文就企业智能化视域下,以智能制造企业岗位能力新要求为导向,对智能制造产教融合集成平台建设进行了研究与实践。

1 企业智能化建设内容及影响因素

企业智能化建设是一项复杂的系统工程,涉及企业管理、设计、生产、服务、创新等全过程。由于企业所处的行业不同、企业规模不同、建设阶段不同都会带来不同的建设需求，企业智能化建设过程一般由智能研发、智能装备、智能生产、智能管理、智能决策、智能物流等环节组成。其中,智能设计与开发、智能管理、智能物流则可以突破企业的运营模式;智能装备、智能产线、智能车间、智能工厂,可以改革企业生产模式;智能产品与智能服务可以革新企业的商业模式;而智能决策则可以提高企业科学化决策的水平。

企业智能化建设主要集中在生产线智能化、车间智能化、工厂智能化、企业经营的智能化、产品创新的智能化、供应链智能化等方面。生产过程智能化和生产管理的智能化,包括零部件的分捡、装配、焊接、搬运,以及各种各样工业机器人、各种各样质量检测、设备运维、生产过程、工艺优化等等;同样包括生产的排程、制造的协同、员工的管理、能源的管理、安全管理等等;在生产过程智能化、生产管理的智能化和经营管理的智能化方面,既包括对用工需求的预测和分析,又包括生产成本管理、财务管理、资产管理、情报管理、决策管理等。产品创新智能化,涵盖智能产品的创新、AR/VR+产品、个性化定制等,有很多内容,在工业智能化中都可以进行。供应链的智能化,包括供应链的风险管理、物流管理、零部件仓储管理、供应链财务管理,供应链优化等等。

影响企业实施智能化建设的因素:一是经济成本,即投入与产出是否协调和匹配。二是智力成本,员工的素质、技能、管理手段与水平等是否达到智能制造所对应的要求,为此配套的环境改造、人员培训等所需经费是否小于雇佣劳动力的成本等等。三是技术条件,结合企业自身现有的条件,综合考虑采用智能制造技术的难易程度;企业员工能否运用与操作智能化设备,能否掌握现代信息技术、智能制造技术,独立完成智能化目标和任务。

2 企业智能化建设对人才素质的新要求

智能制造是全自动化集成式的生产,一线员工需要承担的也不只是某一个岗位的工作,而是整个生产流程或一条生产线的运行与监控,这不仅要求员工具备岗位的基本能力和素质,更注重团队合作的综合职业能力。员工对企业文化的认可度,以及他们的职业道德、安全意识、创新意识、团结协作、学习能力是否达到要求等,都将成为岗位能力要求的基本内容。横向上,员工的分工合作越来越趋于融合；纵向上,员工的结构分层界限也越来越模糊。首先,引入智能制造技术以后,制造业的制造流程和管理方式随之会进行调整,价值链低端的加工和组装环节的低技能员工将会被机器人替代,而机器人维护、调试、控制等技术性岗位需求增多。技术性工人要掌握多种基本技能,如某个生产流程上的设备操作和零部件的更换等方面的专门知识,以及最基础的电子表格、页面访问、高级程序编写、数据分析等计算机应用技能。其次,工业数据分析师和工业机器人协调员等从业者不仅需要具备数字化设备和软件的使用能力,还要有使用数据库,进行数据分析的能力。最后,在产业层面,智能制造技术将带动产业转型与升级,特别是制造业升级将会大大增加知识型和高素质技术技能人才需求,与此同时智能制造技术也会带动生产性服务业发展,提高了对从业人员服务能力的需求。

2.1 专业知识结构要求

智能化建设对技术技能人才的知识结构、层次结构和类型要求更高。一是突出知识结构的复合型。在传统生产模式下,技术技能人才的知识结构比较固定、单一,而智能制造时代，人才知识结构具有宽泛性、创造性和复合性,集研发、设计、生产等技术于一身,以完成人机交互以及个性化的概念理解与表达。在专业知识方面,企业对专业基本知识要求比较普遍,如机械基础方面的机械制图与CAD、机械制造技术等知识,电气技术方面的PLC、电气系统的装配与调试、机床电气线路等知识。大部分企业对学生的电气技术方面的要求不断提高,已经超过了对传统机械基础、传动基础、计算机硬件和软件等方面的要求,这也符合目前企业生产实际。机械和电气知识的融合是企业岗位新的基本要求,几乎所有智能制造企业都对“智能制造基础知识、传感器、工业机器人、物联网、智能化设备的操作和维修,智能化产品和服务”等提出了明确的需求。二是强调技术技能结构的高层次。智能制造技术呈现出技术发展的尖端化、集成化,技术装备更新速度快、水平高等特点,要求技术人才成为懂得最新的理念和技术手段,具备计算机思维和数据分析能力的高层次、高素质技术技能人才,以及一线技术技能岗位人员所必须具备的基本专业技能中的CAD、CAM、CAE技术应用等。三是强调服务能力。在智能制造模式下,企业生产制造环节在价值链中的比重下降,产品研发、设计、交付、安装、维护和服务等环节所占比重上升,将需要许多高端服务人才从事智能制造的配套工作。这些人才要既懂得专业技术,又要懂得营销、管理和创新,还应具有高速学习、协作、跨界整合能力和服务理念。

2.2 信息化建设与应用能力要求

制造执行系统(MES)是企业智能化建设的着力点,它上接ERP系统,下联现场的PLC程控器、数据采集器、检测仪器等设备,极大地增强了MRP计划的执行功能。它既能指令工人做什么、怎么做、满足什么标准,什么时候开工,什么时候完工,使用什么工具等;也能记录“人、机、料、测”等生产数据,建立可用于产品追溯的数据链,反馈进展、反馈问题、调动配合等;还能发挥基层班组长的管理效能,实施班组任务管理和派工,确保生产现场的各项需求,如料、工装刀量具的配送,工件的周转等等。MES系统的建设和运行是企业智能制造的核心之一,而学习和掌握MES系统的人员中,绝对多数经过多年的生产实践,积累了丰富的实际生产经验,掌握了一定的专业知识和专业技能,能根据生产岗位技术提升的要求不断开展技术革新和创新。现实中,他们能够完成生产工艺路线的编制、工量夹具的选择、生产程序的优化等;他们还可以和产品设计者进行有效沟通与交流,为产品的设计者提供基础的生产工艺流程信息,保证产品设计者的设计不脱离实际,保证设计理念在产品中实现;换句话说,他们是真正的高素质技术技能人才,是设计者与生产者的桥梁,是设计理念与科技成果转化的重要力量,是保证企业智能化建设有效推进的重要组成。

2.3 创新能力的要求

智能制造意味着“自动化”不单纯是“机器换人”,已逐渐向“智能化、数字化、网络化”的方向发展,员工将不再是机器的简单重复操作者,他们不仅要懂得智能生产设备的操作应用、维修维护，他们还要能够对智能制造系统实际应用的信息提出反馈意见,实际参与智能制造系统的设计与改进,这就要求员工必须具备较高的创新能力。智能制造系统潜力的最大发挥有赖于操作者创造性的应用,并能将碰到的问题进行有效反馈，提出设计与改进地建议。在智能化建设过程中,智能产品与智能装备的设计研发与生产管理本身是一个充满智慧的过程,工作流程的优化、生产方式的精细化同样需要大量能够主动参与设计与研发的创新型员工,需要操作者具有探索未知、解决现实问题的能力。因而,在智能制造背景下,员工的创新能力是综合素养提升的核心要素。

3 智能制造产教融合集成平台功能定位

智能制造产教融合集成平台,是指产教融合双方聚焦区域内智能制造领域的关键技术,充分利用学校、企业相关的技术、设施设备与优势资源,按照公共基础通用能力和专业核心能力两个方面整体设计实践平台教学体系,在生产性实训基地建设的基础上,进行智能化建设,有机集成科研、教学、实习、技能培训、技术开发等功能,具有服务智能制造产业链能力的综合平台。在集成平台上创设不同复杂程度、不同技术技能要求的多种岗位,以满足学生循环学习、阶梯起步、螺旋上升的实习实训要求。强化学生认知能力、合作能力、创新能力和职业能力培养，培养一批能够改进企业产品工艺、解决生产技术难题的骨干教师,合力培育一批社会认可的技术技能大师。联合开展企业关键技术研发,重点服务企业特别是中小微企业的技术研发和产品升级,促进创新成果与核心技术产业化。

集成平台实质是一个适应岗位能力变化需求的平台、高素质技术技能人才培养的平台、为企业智能化建设提供成套解决方案与实施的平台。通过各类学习要素的集成、设备集成、系统集成、数据集成、功能集成,形成技术架构统一，敏捷快速响应教学、科研、培训需求的新架构。

4 智能制造产教融合集成平台产教融合路径

产教融合合作企业的选择,要具体对象具体分析,并不是所有企业都适宜合作。现实中那些技术含量高、生产工艺好、产教融合基础厚的企业,如规模以上企业,500强企业,它们面临的主要问题是技术迭代、产业升级等,加之自身的“人才虹吸”作用,对职业院校培养的技术技能人才依赖度低,合作动力当然不会高;而那些“爬坡”中的企业,主要面临技术如何升级、用工技能迭代的问题,其内在产教融合驱动力非常强,且具有主动性。因此,选择合适的产教融合的对象、方式与路径非常必要。

4.1 资源单向融合

产教单向融合既可以让企业资源融入学校,也可以让学校资源融入企业,共建产教融合实训平台。尽管企业和学校在目标导向、利益诉求、文化价值、操作系统等多方面都存在着差异,甚至有些方面格格不入,直接导致双方合作难以跨越隐形障碍。但从差异中不难发现,产与教之间要实现真正融合,需要双方求同存异,得到政府层面合作战略指导,得到区域层面实施规划,以技术进步为主线,推动产教融合发展。不管资源是单向流入学校,还是单向流入企业,都应该围绕着技术进步而进行,围绕企业和学校如何相互服务好、如何为学生、员工提供优质教育资源、如何推动地方产业技术进步等关键问题来建设,这才是正能量的、正方向的产教融合方向。

4.2 资源双向融合,结成共同体

产教双向的融合,不仅是“合作”“结合”,更应该是“相互支撑,深度融入”;产教双向深度融合,必须要完成的最重要的一个转变,即“协同”。在技术高速发展的今天,能否和更多人共同地去工作,产生最好的效率是最难也是最重要的。在协同过程中,既要求我们在内部打破壁垒,也要求我们在外部打开边界,与更多人合作。成长态势良好的企业很大的一个效率就来源于协同。智能制造技术带来的最根本的变化,就是能否创立互为主体、共创共生的产教共同体以及全新的文化。产教双向融合,需要产与教双方相向而行,做出必要的改变,才能深度融合。双向融合并不代表完全一致,双方使命和特点决定了不可能也不需要完全一致。双向融合的指向应该是“同心、同力、同向”。因此,政府主导、产教协同,实现学校与企业的长期、多样化和稳定发展,增强校、企双方信任感,打造命运共同体,从而搭建产教融合集成平台。

5 智能制造产教融合集成平台建设内容

以扬州智能制造先进技术示范中心为例,该中心是由具有政府职能的扬州市职业教育集团、扬州市职业大学、西门子(中国)有限公司三方投资3000多万元,共同建设的智能制造产教融合集成平台,是一个集先进制造、自动控制、智能传感、网络通讯及工业软件应用于一体的工程性教学、实验实训、科研、生产平台。涵盖系统认知、基础训练、系统训练、综合与创新训练“四大平台”。按照智能车间生产流程,重组结构化教师团队和管理机制;按照智能生产项目,开发专业群模块化课程,结构化教师团队分工协作,团队化教学机制;团队融合进项目,项目成果进课堂,科研反哺教学复合型人才培养;建设基础智能控制系统、先进智能控制系统、高级智能控制系统、模块化机电一体化综合实训系统、先进运动控制系统、三轴定位高级运动系统、基于机器人特征的柔性制造系统、机电一体化认证系统等。

5.1 基础控制系统

该模块以西门子S7-200 SMART为控制核心,配置操控台、工具库与工具、实训台、工业机器人以及配套设施等,可模拟控制多层单梯电梯控制、汽车控制、十字路口红绿灯控制等8个场景,同时可认知人机交互、机械结构、电气元件与结构等等。

5.2 机电综合系统实验室

该实验室设有18条完整的微型化的工业控制系统,每条小型工业控制系统均以西门子公司的S7-1500和S7-1200为控制核心,能实现自动上料、分拣、输送、加工、检测、入库等功能。通过培训和学习,学生能够完成工厂生产线的设计、组装、编程、调试、优化和维护等实践技能训练,初步实现了实践教学环节与企业生产实际的有效对接。

5.3 过程控制系统实验室

实验装置为西门子公司最新一代高级过程控制实验装置,以S7-400PLC为控制核心,实现液体自动罐装等功能,并能在线测量。教师和学生可以基于仿真与现实进行创新,设计、探索各种控制算法与方案,能够适合更广泛的过程行业对控制专业技能培养的要求。

5.4 智能制造先进控制系统实验室

主要配置了水箱水位控制、三维雕刻等工业级控制对象,以西门子公司最先进地S7-1500PLC/S7-300(可相互切换)为控制核心12台控制装置。培养学生掌握位置控制技术及构建独立控制系统的能力;培养学生掌握工业经典控制理论,针对采集的数据进行分析,执行相应控制的能力。

5.5 先进运动控制系统实验室

实验台配置315T控制核心及工业级控制对象,学生可按配方控制物料配比,控制生产过程中几种物料通过搅拌合成最终成品的过程,也可控制双轴运动控制系统精确定位,实现教学中简单驱动到高级驱动控制的转变。

5.6 高级运动系统实验室

以西门子公司SIMOTION D为控制核心,以三自由度伺服定位运动装置为控制对象,其机械手能识别4中不同颜色的工件,完成4种不同颜色工件的颜色识别与分拣,避开事先认为设置的障碍,从A库分类搬运到B库。

5.7 智能制造车间

智能制造车间的核心是智能制造生产线,加工对象为一种材质45钢的“多功能轴”(结构见图1)。该线利用工业以太网与控制软件,将自动化仓库、堆垛机、四轴联动加工中心、全功能数控车、AGV智能小车、3台库卡机器人等工业生产设备集成控制,自动识别工件状态,视觉检测产品的质量,实现人、被加工件与机器的智能通讯与协同工作。可实现全自动化毛坯出库、车削加工、多轴加工、视觉检测、成品入库、生产信息存储追踪等功能。

5.8 虚拟仿真中心

基于数字孪生技术的虚拟仿真实训中心,中心配置MES系统,以及CAPP/CAM专家系统等,采用数字孪生技术、网络技术实现对训练、操作以及技术的延伸与补充,推进产教融合的信息沟通与共享。采用VR技术对生产环节中的产品设计、产线布局、程序调试等不同环节进行模拟、分析、评估、验证和优化,指导智能车间的生产规划和现场改善。利用实训平台的现场真实设备,结合不同的零件产品,对在虚拟仿真平台上的设计进行模块化复制再现,实现智能生产的数字孪生实训。联合本地区国家智能制造示范工厂,面向智能生产、智能设备、智能服务等技术技能领域建设开放共享、产教融合的集成平台,将MES制造过程生产管理系统技术、工业物联网技术、工业云平台技术、智能仓储管理技术、西门子全生命周期及数字化设计技术、VR技术融入现有的制造实训中心。形成能提供自订单下达,数字化设计及虚拟仿真验证,生产过程信息化管理到产品交付的完整功能的智能制造成套方案的技术服务中心。