工控装备制造与自动化集成导论

  当今的世界正在发生日新月异的变化，它在悄悄改变着人们的生活方式和生活质量，制造业也与人们的生活一样正在从随意和粗放走向严谨和精细化，这得益于装备制造业与自动化技术日益紧密的结合。

  制造自动化面临的问题

  1.全球化

  现代科技进步将距离感大为缩短，地球似乎也变小了，但人们的生活领域和商业疆界却变大了。其标志之一是制造业全球化分布式布局形成。例如，产品的研发、零部件制造、生产与采购、市场营销、公司总部都可以在不同的地点，然而公司的运作却具备协同效应。其标志之二是制造业出现了崭新的全局观。面对不同的民族，产品研发与销售要考虑对不同文化的容纳与适应面对不同的地理位置，产品指标要有相应的调整。例如，不同海拔对电器产品的电磁兼容和温度适应范围就有不同的要求。在不同的地区，产品要适应不同的标准和规则，例如北美的UL (保险商试验所)标准、欧洲的CE(欧洲统一)标准以及中国的CCC(强制性产品认证制度)标准等。公司全球沟通的语言要统一到一个标准语言上。其标志之三就是产品使用与服务的全时域覆盖，例如产品售后技术支持24h都会对客户的需求进行回应。

  2. 数字化和信息化

  数字化和信息化已经作为生活元素无孔不入地渗入人们的生活，以至于当今的人们如果缺少了它就寸步难行。微信、短信、电子邮件、网络交互作为沟通的工具，无论它们的形式如何改变，它们都以各种各样的方式陪伴着人们的生活。如果一个公司的运作离开了邮件系统、网络系统以及ERP(Enterprise Resource Planning，企业资源规划)软件系统，会出现难以想象的管理混乱和效率低下。无纸化办公以及电子商务已经成为人们工作和生活的重要手段。这一切都在宣告，人类已经进入并处在了“e时代”

  3. 越来越短的产品生命周期

  科技的飞速发展、商业的竞争加剧、消费者拥有越来越多的选择权，这些都促使各个行业产品的生命周期越来越短。产品的生命周期如图1.1所示。

  从一般的电子消费品到机械设备，制造业产品生命周期的缩短降低了用户购买成本，也提升了他们未来的预期支出，同时伴随的是由于产品兼容性问题而带来的烦恼。一个行业的产业链好像被捆绑到了一条流水线上，而这条流水线的运作速度越来越快，出现了挑战与风险并存。上游的厂商面临着越来越苛刻的客户需求的挑战，下游的用户也面临着更多的不可预知的未来风险。

  4. 复杂的关联技术

  学科之间的相互渗透是技术发展的必然，多学科技术体现在一个产品上已经是产品研发与制

  造的常态，风力发电设备就是一个典型的例子。风力发电系统单机模型如图1.2所示。

  不可否认的是，产品的关联技术越复杂，为新进入者在技术上设置的门槛就会越高。企业的技术竞争力不仅取决于企业的技术文化，同时也取决于企业内部的多学科协同能力。5. 有限的资源

  四大有限资源如图1.3所示。四大

  有限资源指的是人力资源、能源、时间及原材料。

  科技发展与经济发展的最佳出路就

  是尽可能少地利用资源来达到尽可能大的产出。低能耗、低污染、低成本和高

  效率是制造业追求的目标，甚至是发展愿景。企业管理、研发、生产的全过程都要进行全局化考量和精细化规划，这

  是优化资源的必由之路。那么，四大有限资源的优化对于制造业意味着什么

  (1)人力资源

  首先，工程技术人员后备力量的匮乏已经成为一个全球性的问题。其次，越来越复杂的工艺和技术往往需要更多的人力投入，同时解决问题所花费的时间也越来越长。随着技术更新速度的加快，操纵机械设备对操作员的知识结构要求也越来越高，操作人员的实践和培训成为了一个很重要的课题。一个突出的问题是，在我国这样一个新兴经济区域，人力资源的成本，包括培训、薪酬以及人员流失所带来的产品成本在以比欧美更快的速度增长着。这就为制造业提出了一个矛盾性课题是招聘更多的低薪酬、低素质的员工，还是采用相反的策略，加强现有员工培训、提高工作的效能

  (2)能源

  纵观我国的装备制造业在过去20年的发展，基本上可以总结为高速发展的同时伴随着高能耗。设备生产的厂商只关注产品本身的成本，不太关注产品的能耗以及给下游供应链带来的未来成本，然而这种发展模式却是不可持续的。装备制造业的战略转型势在必行。战略转型就是要摆脱传统的粗放式发展模式，摆脱仅仅靠价格取胜的竞争方式，因此，技术创新和节能才是战略转型的唯一出路。

  节能首先要从能源的生产和输配做起。提高能源的生产效率，更多地利用可再生能源。例如，太阳能、风能、生物质能以及潮汐能等。这些都是在能源的生产源头进行的开发和努力。在能源的输配方面，不仅要消除和避免能耗的峰值，同时还要进行有效的能源生产管理，电网负载的均匀分布也是能源输送与分配的重要课题。

  高效低耗地使用能源是在用户端的追求。在生产流程中，设备保持热备状态而不是停机，整个生产线上尽量地减少电动机的制动和起动频度，以保持其迅速运转的能力，这是节省能源的基本规则。而为了实现这个目标，就要从设计和系统的软、硬件配置入手。另外，运动中电能的回馈电网以及智能的电动机运动仿型也都是使能耗最小化的精细化手段。

  此外，节能还意味着尽量降低产品的能耗。在选配元器件中，使用能耗更低的产品，以降低系统的总能耗。电子产品设计中的减少能源足迹(Energy foot print)就是这个意思。不仅如此，一个有效的冷却系统也是至关重要的。在电气控制柜中，人们往往意主动冷却系统，例如，愿意进行风冷系统或水冷系统的投入，但却不首先考虑如何有效针对导热问题进行研发与设计。因为如果一个系统的导热设计合理，则主动冷却系统就可以省却或减少投入。

  (3)原材料

  减少原材料在产品中的用量，尽量避免使用贵重金属是“轻装设计”理念的基本原则。一个典型的例子就是并联机器人的设计和构造方式。轻装设计的并联机器人如图1.4所示。减少了产品的原材料用量，随之就减少了物流中的运输重量，降低了原材料制造中的能耗分摊。

  轻装设计的理念是在保证性能的前提下，尽可能减少材料的用量，尽可能用便宜的材料，即"as god as needed"。然而如何减少材料的成本而不影响性能呢? 这就需要一个理论基础和参照乃至试验手段。但是样机的试验如果过于频繁就会又造成大量的人力，物力甚至时间的浪费。要解决这些问题、同时又达到轻装设计的目的，主要有两个途径①采用基于精确建模的现代仿真手段对产品进行设计并取代样机试验，在这里，机械和软件的紧密结合是至关重要的②依据仿生学从自然界获得一些生物或自然现象的经验借鉴，进行模仿和创新。当然，产品整个生命周期的管理也是延长产品的使用寿命、节省原材料并缩短设备停机时间的有效策略。

  应当指出的是、原材料的节省在制造业中已经在走“精细化”的道路。所谓的精细化是指表现在三个方面的趋势①“批量一”。即一个制造的批次上，只有一件产品下线，而不是成百上千件，这是定制化产品和大批量的极端结合。“批量一”就意味着每一件产品和下一件之间都存在着制造工艺的变换，且这个变换的基本要求是无废料产生。“批量一”典型例子的就是数字化胶印机、每一张的印刷都是不同的印刷板。②准确及时。机械设备可以有100%的投入能力而无意外停机。连续的生产制造流程保证了能源和空间的节省，没有因停机造成的苛刻产品(如药品、化工产品等)的报废，这些都属于准确、及时的范畴。③减少到极致。包装材料的厚度(如矿泉水瓶的壁厚)、纸媒体的厚度在不影响其功能的前提下，尽可能减小到极致，以达到尽可能减少材料用量而降低成本的目的。

  (4)时间

  时间管理的第一要素就是规范和规划。生产流程和产品研发都需要规划每一个时间步骤。同时，避免意外停机、产品转换之间无延迟也是优化生产效率的重要指标。对于产品研发来讲，尽可能缩短开发周期是适应制造业高动态需求的必需之举。然而，开发周期的不断缩短，意味着对研发团队不断增强的压力。在全球化的今天，无论客户处在哪个地区，无论公司的研发和生产以及服务分布在何处，都不影响对客户的服务以及公司的运作，这也是全球化与全时域融合的概念。尤其是在产品的生命周期不断缩短、商业竞争不断加剧的当今世界，谁赢得时间，谁就赢得未来。