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經濟觀察報 記者 李紫宸2021年9月29日,北京市昌平區南口鎮李流路。走進三一重工南口產業園一號工廠,四萬平米的偌大車間中,現場工作人員不過十來人,而這些工作人員的角色也不是人們熟知的流水線上的工人。一些高達3米多的機器人擺動著手臂,在代替他們夜以繼日地“上班”。過去,這裡的工人曾一度達到1000餘人。

這可能是中國億萬計的製造企業中智慧化水平最高的車間之一。就在半個月前,它剛剛被世界經濟論壇評為全球重工行業的首家“燈塔工廠”。

那些擁有龐大身軀的數百萬噸級的旋挖鑽機就是從這裡生產並運往國內市場和海外。多品種、小批量的生產特點給這個工廠的智慧化帶來了很高的難度,但儘管如此,這家工廠依然在兩年多的時間裡以出人意料的速度改頭換面。

三一集團董事、高階副總裁代晴華主導三一集團多達三十多個工廠的生產智慧化。大約在三年前,這家機械巨頭開啟了一項巨集大同時代價不菲的智慧化改造計劃,昌平的這家工廠只是一個起點,三一計劃後續將這家工廠智慧化經驗移植到更多的工廠。

三人集團的創始人兼董事長樑穩根旗幟鮮明地提出數字化改革。數天之前,他在一次會上判斷說:“我們認為智慧製造是三一事業發展的一個良好的機會和基座,並且它是一種非常新的工業文明。智慧製造將深刻地改變人類社會,改變這個世界。”“工業機器人的技術和成本、工業網際網路、5G等因素,已經讓製造業的深度數字化和智慧化變成了現實。”代晴華認為。

代晴華有一個明確的預言:三、五年之後,中國大量的工廠,包括那些中小規模的工廠,都將經歷一番智慧化帶來的顯著改變,一些平臺性的工業網際網路技術的發展,將會使這一切以一種越來越“輕鬆”的方式實現。

或許有些觀念的確需要更新了:在中國,黑燈工廠已經不再停留於概念,而技術正在讓人和機器的角色在車間內重置。

“海陸空”機器人

從西邊進入一號工廠內部,是部件裝備和主機裝配生產線。不同於從前的流水線,這裡的產線由一個個“工作島”組成,這些工作島既相互獨立,也通過一些移動機器人(AGV)相互聯絡。

在一個工作島中,長著一個巨大“抓手”的桁架機器手(不同於關節臂機器手的另外一種機器手),通過安裝在機器上的眼睛——攝像頭,來尋找和確定數噸重的工件在半空中的精準方位,並進行抓取,再將之與十多噸重的桅杆實現準確對接。

三一重工智慧製造研究院院長董明楷在車間內介紹,桁架機械手就像機床一樣,也是利用數控裝置精準識別位置並進行精準抓取,它的精度在毫米級,這就像控制一臺機床一樣控制裝配過程中的每一個位置、每一個動作。不同於電子廠中固定且位置很低的攝像頭,這裡的攝像頭是移動的,且高度很高,同時,空曠的廠房內不斷變化的光線,這些都對目標物的精準識別帶來了更大的挑戰。

“先拍照,再做修正,這裡的視覺包括2D和3D,2D是平面的,3D還會識別它的輪廓,知道這個位置在另外一個截面還是另外一個平面,所以能夠精準識別。拍完照並算出位置後,系統會指導機械手怎樣抓取,抓取的速度要求慢且平穩,這都需要控制。”董明楷說。

人們熟知的汽車行業、3C、家電等行業,也在一定程度上實現了自動化裝配,但區別在於,和工程機械比起來,它們的工件小,且為批量化生產。對於一臺龐大的鑽挖鑽機來說,車間的攝像機達不到一定高度就拍不全每一個工件,但高度高了,精度又容易達不到,這對視覺識別的精度要提出了很高的要求。

桁架機器手的旁邊是另外兩臺關節臂機械手,它們彼此配合,互不干涉,董明楷將下面的兩臺機器手成為“陸軍”,空中的桁架機器手則稱為“空軍”——至於“海軍”,則是指地面上來回穿梭於不同工作島的AGV,通過AGV將上一個工作島的中桅杆馱到現在的工位,在這個地方自動上下料,跟兩邊的變位機協同完成裝甲,海陸空三軍如此在這個島內協同作戰,完成這個環節的裝配。

這個面積4萬平米的工廠,在2021年生產了價值78億元的樁機裝置,比2019年增長了59%,這一切都是由大大小小的數百臺機器人在這個廠房內“創造”。數百萬噸級的旋挖鑽機從這裡運往中國國內以及海外的高層樓宇以及橋樑等建築工地。

“工廠裡有8個柔性製造工程中心,10多條自動化產線,375臺大型裝置,其中機器人超過150臺,現在還在不斷升級改造。”董明楷介紹說。

9月27日,世界經濟論壇正式釋出新一期的全球製造業領域“燈塔工廠”名單,三一重工北京樁機工廠成功入選,成為全球重工行業首家獲認證的“燈塔工廠”。

三一集團董事、高階副總裁代晴華認為,“燈塔工廠”本質上即智慧製造,是遵從於第四次工業革命提出來的以柔性製造為基礎的生產方式。勞動者在農耕時代是重體力勞動,蒸汽機的發明以及電器化時代讓重體力勞動變成了輕體力勞動,智慧製造在數字時代將進一步解放了勞動者。燈塔工廠讓人和機器之間形成了一種協同關係,而不僅僅是體力的替代關係。

代晴華主導這家企業集團海內外多達三十多個工廠的智慧化升級。大約在三年前,三一集團在內部啟動了一項推動智慧製造的數字化改革,並投入了高達一百幾十億元的資金。

從2019年開始規劃到2020年投產,這個樁機工廠克服了大量的問題。“這樣的工廠必須採用柔性製造,”董明楷說,“由於單臺價格高,整個工廠一年產量大概也就是兩千多臺,是典型的多品種、小批量產品,有幾十個品種,有的型號,比如235型號或者285型號,一次下線至多五、六臺,這麼小的批量,機器人要用不同的工樁去做,如何去做適配,也考驗能力。”

產線之所以不稱產線,而是改成“工作島”,這就是為了更加靈活地適配生產而形成的生產單元。每個工作島相對獨立,根據分配的工序靈活配置,並通過移動機器人實現工作島之間的物流聯絡,以實現任務的實時安排,使生產更具備靈活性。

怎樣做出一家黑燈工廠

代晴華回想起三年前這個工廠的樣子。在2018年改造之前,車間裡的景象一眼看去雜亂無章,堆滿物料和各種各樣的工具,彼時廠房內沒有任何裝置的互聯。

2018年5月1日,根據三一集團的部署,這個工廠給工業網際網路服務平臺“樹根互聯”遞交了一項任務,即需要將車間內大量的“聾、啞、傻”的老舊裝置,進行智慧化改造。“聾、啞、傻”意謂這些裝置既沒有資料輸出,也不能說話,也聽不懂什麼指令,代晴華將之稱為工業1.0版本。到2019年,三一實現了對集團各工廠各類裝置的連線,所有裝置的整體利用率提升了100%。

代晴華提到,中國的機床實際平均利用率有23%。2019年他參觀了中航最先進的機件工廠,利用率能夠達到83%。“83%是過去30多位院士做了大量的工作,三一沒有這樣集中的頂尖資源,但也很快提升到了67%。”代晴華說。

代晴華認為,在三一眾多的工廠中,這個工廠在規模上算是中小型,這能夠給中國的大部分中小規模企業帶來啟發。在2020年舉辦的烏鎮世界網際網路大會上,代晴華做了一個大膽的預測,他認為,在三到五年內,中國的中小企業普遍都能夠使用工業網際網路,5G技術將給智慧製造帶來巨大的改變。這一切都將不再停留於設想。

“未來的大量中小企業,4G、5G的發展將給工業網際網路帶來巨大的好處。它們不需要自建機房,聘用專業的IT人員,小企業甚至使用手機就能實現對裝置的管理自己的裝置,這背後,一些大型公司的工業網際網路的“根平臺”可以為這些中小企業低成本提供智慧製造的成果應用,提供成熟的工業APP。”代晴華說。

在變身黑燈工廠之前,這家工廠有1000多名員工,其中有大約400名焊工。

“像轉杆上面的工位對接焊口,在生產很忙的時候,其中的兩位焊接工人就成為了重點保護物件。這兩位工人必須加班加點工作,否則整個工廠生產不出來了。現在機器人則將他們的技能轉移到了軟體當中,他們則轉而學習機器人的操作,機器人的效能在人機磨合中不斷得以優化,經此改變,這個工廠的核心焊接工序產能獲得了數十倍的增長。”代晴華介紹。

這家工廠位於北京西北郊區,在這個寸土寸金的城市,人工的成本同樣昂貴,更關鍵的是,如同中國所有城市的製造車間一樣,技術工人的招工變得越來越難。代晴華坦言,在北京這樣的地方做製造業,唯一的出路只能是機器替代人、生產管理智慧化。人工成本的支出以及招工本身的難度,這是製造業的普遍問題,不是某一家工廠能夠解決的。

不止北京,十年前三一在上海也建了一個廠,上海市政府部門負責人問彼時的代晴華怎麼應對大城市的成本和人工問題,代晴華的回答是,他們用300臺機器人替代了600名工人。

“北京的這個工廠現在也用了數百臺機器人,但未來可能會更多,以替代大量的勞動力和企業發展的問題。”代晴華說。

不過,機器人同樣需要成本,這也是工廠智慧化改造中不得不面對的問題:讓機器人進場,從養人變成養機器人,企業就能夠負擔得起嗎?

代晴華的回答是肯定的:就像餐廳中已經出現機器人送餐、酒店使用機器人服務一樣,機器人是中國製造業轉型的一個重要工具。並且,對於中小企業來說,這是能夠接受的成本。“機器人價格在逐年下降,現在已經比十年前有了大幅下降。十年前一個機器手要30-50萬,國產化機器人時代的來臨,會將機器人的價格降到10萬元以下。”代晴華說。

眼前的這家黑燈工廠看起來遠不是這家工程機械巨頭為了“展示”而樹立的“示範工程”,三一在打造這樣的一家工廠之前曾對成本進行過考量:代晴華說,儘管數字化改造的總支出達到一百幾十億元,但分解到每個單元依然是能夠承受的。以在北京的成本為例,一位工人工成本加上五險一金和福利,基本上要20萬人民幣,三年靜態成本60萬,動態還不止。機器人便宜的大概10多萬,貴的60-70萬,一個機器人工作站造價便宜的五六十萬,貴的一百多萬,算下來一般三年左右可以收回工廠改造的費用。

儘管機器人替代了流水線上的工人,但新型的工廠意味著需要新型的工廠人才:他們既需要懂工業技術,又要懂軟體,還要熟悉業務流程。董明楷介紹,三一為此花了很大的力氣,既做內部培養,也包括人才引進。

過去三年中,這家公司從阿里巴巴、騰訊、百度、華為、京東等網際網路公司以及西門子這樣的知名國際公司挖掘了大量IT和其他相關高階人才,其智慧研究總院的大部分人才都來自於IT領域或者工業企業。

董明楷本人即是從西門子過來。他認為,三一的幾十個工廠雖都屬於傳統制造業,但這家公司本身具有較好的基礎,並提供了一種讓數字化技術在這裡進行改造的良好環境。

全面的改造

代晴華提到,一年前,燈塔工廠在啟動建設之後,舉辦了一項龐大的培訓計劃,給他留下留下深刻印象的是,不管是工人還是工地人員,都要學習機器人操作作業。為此,三一集團在長沙三一工學院專門成立了機器人培訓基地。為鼓勵員工學習機器人操作的積極性和成效,該公司制訂了可觀的獎勵性政策:工人學會機器人作業,就可以獎勵一萬元,工資也可以上漲一級。

培訓的效果是顯著的,工人的技能得到大幅的提升,凡在生產現場的工人,90%以上都會操作機器人,三一智慧工廠作業的水平也得以大幅的提升。但同時也出現一個伴生的現象:這家公司的諸多智慧製造人才,開始被外界關注並以更高的“誘惑”“挖”走。

三一計劃,未來將其分佈於全球的30多家工廠,最終一個一個全部升級到像樁機燈塔工廠一樣的水平,同時這家樁機工廠也還要繼續不短優化,使其製造的過程更加地流暢,對人的依賴越來越少。

代晴華認為,從訂單到最後的交付全流程,製造業的決策過程可以做到更加智慧化。

為什麼要不惜代價在整個集團進行這一曠日持久的改革?

數天之前,在一次會上,三一集團創始人兼董事長樑穩根判斷說:“我們認為智慧製造是三一事業發展的一個良好的機會和基座,並且它是一種非常新的工業文明。智慧製造將深刻地改變人類社會,改變這個世界。”

代晴華表示,除去招工難、以及人工成本的考量之外,製造企業也不得不考慮外部環境的風險。事實上,做智慧製造也在幫助抵禦經濟、政治壁壘增加的國際貿易環境。2020年之後,疊加新冠疫情這樣的突發事件,國際貨運成本驟增,這些因素都給國際貿易帶來了挑戰,對一家逐漸走向世界的中國製造企業而言,外部環境變化的影響在加大。

代晴華還提到,工程機械是週期性產品,智慧製造也在一定程度上對衝了週期帶來的風險。“上一個週期中,在銷售旺季時,生產高峰需要大量招聘工人,低谷則又要大量解聘工人,這給企業帶來巨大的負擔。那時候三一集團的員工7萬名,其中5萬多人是工人。智慧製造讓我們對產業的把握不再依賴於人力,這個週期,我們的銷售額是上個週期的一倍以上,達到1368億元(2020年),但工人的數量在大幅減少。如果未來3000人能夠完成3000億元的產值,那基本上企業不會再受週期的影響。”

三一對海外工廠的改造計劃目前已經進行了規劃。代晴華透露,包括美國工廠在內的海外工廠都將採用這家燈塔工廠的方式來進行建設。

這樣一個的黑燈工廠,其設計和建設完全由三一集團內部的力量完成,並沒有倚賴外部單位的協助。

代晴華提到,幾天前,他所在的工作組評審三一美國工廠提出的一個方案,該方案涉及的智慧化改造由當年的日本專家做出,但代晴華髮現,和三一目前在北京的這家燈塔工廠相比,前者已經開始落伍。“他們的方案中,光是管理人員,就是我們設計管理人員的3-5倍。”

但對於中國工廠眼下的智慧製造道路而言,並不是沒有BUG。代晴華坦言,目前製造業智慧化真的問題還是工業軟體,目前國內運用的軟體主要還是來自美國、德國等。

代晴華提到了雲原生技術。“要對這些軟體進行替代,我們也找到了方向,新一代雲原生技術給我們帶來了機會,這讓我們在構建新一代工業軟體上具備了後發優勢,不管是製造過程控制,5G雲化控制,我們的雲端計算都是同一起跑線,甚至在某些領域還可以做到領先。核心在於,這些複雜的工業軟體要轉化成雲原生的工業軟體,還需要投入大量的人力物力,還需要中國一大批高階人才來作出共同的努力,這個是我們面臨的最大的挑戰。”他說。



原文連結:https://inewsdb.com/數碼/北京昌平的一座黑燈工廠:中國企業正在用機器生

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