智能制造需要工业工程

2022-03-10 09:21:39 江苏省企业技术改造协会 19

智能制造大步向前,很多人会觉得继续搞传统工厂的方法,已经失去意义。实际上,大不尽然。回顾经典的工厂建设和管理方法,对于数字化转型和智能制造都是大有裨益。

智能制造需要应用工业工程

工业工程IE(Industrial Engineering)是研究由人、物料、设备、工艺、方法、能源、环境和信息所组成的综合系统的设计,改善和设置的工程技术,它应用数学,物理学等自然科学和社会科学方面的专门知识和技术,以及工程分析和设计的原理和方法,来规划、确定、预测和评价由该系统可得到的结果。IE实际上是一门方法学,它告诉人们为把人员、物资、设备、设施等组成有效的系统,需要运用哪些知识,采用什么方法去研究问题,以及如何解决问题,明确指出了工业工程研究的对象、方法、内容和应用学科的分类。

20世纪初产生于美国的工业工程(Industrial Engineering, IE)是一门以提高质量和效率降低成本为目标的集多种工程技术和管理于一体的交叉性学科。其理论和方法对西方发达国家的工业化还有韩国、日本、新加坡、中国等亚太国家的经济腾飞起着非常重要的作用。我国大陆从20世纪80年代开始正式应用工业工程。众所周知的日本丰田的TPS,“丰田生产制造系统“作为精益管理的标杆在全球普遍推广,正如日本丰田汽车生产部长中山清孝所言, “所谓丰田生产方式就是美国的工业工程在日本企业的应用”。

在运营管理的实践中,工业工程IE和环境、健康和安全EHS是涉及学科和研究领域最多的两个部门。因为所有的工业工程项目都要从环境、健康和安全的角度,由EHS部门来进行评估和审核,以便实现工程项目的可持续性发展。

工业工程的基本职能,包括对工作研究和绩效评价(如方法研究、作业测定、经济分析、绩效评估),也包括系统设计(工厂选址与系统设计、能力分析与规划),还有生产计划与管理(生产计划、质量管理、物流管理、库存管理等)。

因此,现代制造系统,正是工业工程的主要研究和应用领域。无论是以前的精益生产——并行工程、大规模定制、敏捷制造、虚拟制造、计算机集成制造,还是现在的数字化转型和智能制造,工业工程都是大有可为。数字化转型带来了生产模式的变革,只有采用工业工程的系统科学方法才能实现系统的顶层规划设计和系统实施设计。而采用工业工程方法以系统科学的角度评估和改善现有的工厂是低成本高效率的最佳举措,为后续的系统升级奠定基础。

建立新厂需要工业工程

新工厂建设一般来讲是由三部分的团队组成,第一,EPC(工程总包);第二,工程服务部门或者是工业工程部门;第三,运营管理部门,最终的交付由EPC对用户直接交付。

新厂建设几个大块:

☆ 厂房规划设计,共用设施规划设计(风水电气,消防,安防等)

☆ 工艺制定和生产线

☆ 物流和供应链流规划

☆ 生产计划与控制

☆ 工作研究,现场管理

☆ 人因工程

☆ 质量工程

☆ 现代制造系统

☆ 工程经济

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图1 工业工程服务示例:新厂建设和新产品导入NPI


以80年代钢铁设计院的一个工业工程作为应用示例。要建造一个新的工厂,由甲方运营工厂提出具体建厂要求,由专业的设计院完成可行性研究、初步设计、设备设计和施工图设计。设计完成后,由总包商EPC(Engineering Procurement Construction)负责按照设计图纸进行施工和调试,然后交工甲方接收运营。甲方运营工厂牵头成立项目组,并对整个项目实施管理。

在当时的冶金行业,有钢铁设计院和钢铁研究院。钢铁研究院的主要职能是科学研究和工艺和设备研究开发;钢铁设计院是负责应用设计。两者的主要区别在于:设计院是不能出现设计错误的,出现错误是不正常的,是设计质量事故;而对于研究院来讲,出错误是正常的,研究的过程就是不断的试错,不断的积累,不断的探索,最后,研究成果转化为成熟的技术、成熟工艺或设备;而设计院采用这些成熟的技术、工艺和设备进行应用设计和规划。研究院的研究成果是成熟的技术、工艺和设备,设计院的主要产品是图纸。

在大约2000年前后,很多的设计院,扩展他们的业务范围到工程的施工和调试,可以实现交钥匙工程,设计院的名称也改成了工程公司,产品由图纸拓展到整个的新工厂的设计,施工和调试一直到交钥匙。有些设计院成为了总包商EPC。

一个钢铁设计院为例,主要部门包括总图、概预算、冶炼、土建、建筑、暖风、水处理、通讯、电气、仪表和自动化和IT计算机等专业部门。这些部门科室和内部细分的专业不是孤立的,各个专业之间根据工艺的要求不同,相互之间在大工艺的协调下,设计规划功能和专业配合、协同和合作关系。

以建造一个新的连铸车间项目为例,全部的工程项目由冶炼科的连铸部门主要科室总负责。项目总负责人,作为“大工艺”总设计师,提出总体的工艺要求,工艺设备设计,其他的科室作为辅助科室,根据“大工艺”的要求,完成本专业的设计。譬如,前期勘探、厂房、消防系统、通风系统、空调系统、连铸工艺设备、给排水和污水处理、高低压输配电、照明、传动、现场仪表和传感器、电话信号、对讲系统;自动化专业完成PLC和DCS,SCADA系统图、原理图、流程图、控制说明等的设计和编程、施工图设计等;上位机系统完成MES和ERP系统的设计和编程。

大工艺的总设计师就像一个乐队的总指挥,其他的专业都要在总师的指挥下,完成自己本专业的工作。作为计算机专业和自动化专业,技术再先进,人员再牛,在设计院的组织框架下都隶属于小专业,都要服从“大工艺”的指挥。

作为连铸工厂,冶炼专业的连铸工艺设计师是主体,所有专业都要为主体服务。各个专业按照设计流程和分工完成总体项目的设计工作。作为工艺设计师,定期召开项目进度会,各个专业按照设计流程互相提出设计要求,专业配合,相互审查图纸。最终完成施工图设计。作为总包商,按照图纸完成安装,施工和调试,交给甲方验收。

新产品导入NPI需要工业工程

以电子新产品开发为例,新产品的研发一般主要由三个部门来负责:研发部门,工业工程部门还有产品质量部门。研发部门负责产品的研发,包括产品原理、产品原型机、样机,按照工业工程部门提供的公司或集团设计标准,国际标准和行业标准,物料标准,工艺标准展开研发和设计。产品质量部门对研发的过程和研发的原理进行了解,提出质量措施,提出测试方案,最后新产品的导入由工业化工程师负责。

新产品研发过程,主要分为原理设计、产品样机和实物产品三个阶段。在产品样机阶段就要用到新产品导入的流程。包含几个方面:研发调研、原理研发、初级样机、样机试制、生产线设计、工装和工具设计、 FMEA和DWI、生产和测试计划、质量计划、工艺计划、人员计划、产品成本、产品包装等。工业化工程师还要根据新产品的导入需求,重新评估和规划厂房,办公,生产线和设备的布置、能源需求、消防需求、物流和供应链等等。还要重新评估和规划,环境,健康和安全事项。

在组织架构中,某些集团会设置工程服务部门,工作职位叫工业化工程师或工业工程师。主要工作范围大概分类:工作研究、人因工程学、生产计划与控制、设施规划与物流分析、质量工程和现代制造系统。最近几年出现了大量的工业软件,为上述研究和应用提供了高效的辅助工具,大大的提高了工程效率,降低成本,缩短了工期,譬如:CAD、 CAE、CAM、DFX工具,仿真软件,生产排产软件等。

工业工程部门完成新厂的规划设计、施工和调试或者新产品的导入,新的工厂或新的产品交给运营公司验收和接收,由运营公司完成制造系统的运营和持续改善。工业工程师和工艺工程师的区别在于,工业工程师完成的工作交由工艺工程师接收并持续改善。

小记:迈大步前,先顿顿脚

通过上面的示例可以看出,工业工程具有如下主要特征:1 系统工程的思想:追求系统的整体效益。各子系统必须服从系统的总体目标。2 技术与管理的融合和协控思想:从技术视角研究和解决生产组织和管理中的问题,从系统全局管理的角度进行系统分析、设计、改造和管控系统的运作行为,以求整体最优。因此,它是技术和管理紧密结合的工程学科。3 不断发展和完善的思想:与时俱进,应用各种新技术、新理论不断拓展研究应用领域和范围。从学科方面看,工业工程专业是一个动态的、发展的研究领域,具有鲜明的时代气息,许多现代科学技术知识都成为工业工程的相关学科以适应日益增长的市场需求。

由于各种新技术的快速涌现,工业工程也有需要理论丰富的地方。但是,与其说,工业工程技术在数字化转型中的作用没有与时俱进,不如说智能制造的规划之前还是要先看看工业工程有没有被拉下。看一看经典,再往前迈步,步子走得更踏实。

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