導讀：數(shù)字化工廠由設備、機器人、AGV、網(wǎng)絡、信息數(shù)據(jù)等構(gòu)成，集成了產(chǎn)品制造過程和工廠模型的數(shù)據(jù)庫，以提高產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)過程所涉及的質(zhì)量和動態(tài)性能。
作者：中國重汽集團工藝研究院 曹先鋒 賈廣鵬 | 來源：《時代汽車》2020年第9期
數(shù)字化工廠由設備、機器人、AGV、網(wǎng)絡、信息數(shù)據(jù)等構(gòu)成，集成了產(chǎn)品制造過程和工廠模型的數(shù)據(jù)庫，以提高產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)過程所涉及的質(zhì)量和動態(tài)性能。通過借助計算機，對整個生產(chǎn)過程進行數(shù)據(jù)采集，并可進一步擴展到整個產(chǎn)品制造過程的全生命周期，將打通產(chǎn)品設計和產(chǎn)品制造之間的橋梁，實現(xiàn)信息的集成。而生產(chǎn)車間是組成工廠最重要的組成部分，實現(xiàn)了生產(chǎn)車間的數(shù)字化，基本上完成了數(shù)字化工廠最核心的部分。在數(shù)字化系統(tǒng)建設中以數(shù)據(jù)的可視化管理和應用為核心，而非簡單注重完全的自動化程度。利用PLM系統(tǒng)實現(xiàn)主數(shù)據(jù)流和工業(yè)網(wǎng)絡、智能裝備、智能倉庫、智能系統(tǒng)等方面系統(tǒng)集成，實現(xiàn)數(shù)據(jù)流貫通與共享。
1.1 智能化生產(chǎn)
智能化在引入數(shù)控機床、機器人等生產(chǎn)設備并實現(xiàn)生產(chǎn)自動化的基礎(chǔ)上，再以ERP、MES 等管理軟件作為中樞管理系統(tǒng)，以視覺相機、RFID標簽、掃碼器、條碼、傳感器等為組件，以NC數(shù)控系統(tǒng)或PLC為控制單元，以現(xiàn)場總線 PROFIBUS、工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET、MODUBUS等通信技術(shù)為傳輸網(wǎng)絡。能夠借助完善的系統(tǒng)獲取狀態(tài)信息、傳遞控制指令，以此實現(xiàn)科學決策、智能設計、合理排產(chǎn)，監(jiān)控設備狀態(tài)，提升設備使用率，指導生產(chǎn)運行，讓自動化生產(chǎn)智能設備高效運轉(zhuǎn)。
1.1.1 智能硬件
智能化生產(chǎn)制造單元是將一組能力相近的加工設備和輔助設備進行模塊化、集成化、一體化的聚合，使其具備多品種少批量產(chǎn)品的生產(chǎn)輸出能力。打造智能制造單元是開啟智能化道路行之有效的切入點。為各車間配置智能制造單元，“智造單元”是一種模塊化的小型數(shù)字化工廠實踐，整個單元由自動化模塊、信息化模塊和智能化模塊三部分組成，以“最小的數(shù)字化工廠”實現(xiàn)在多品種小批量的生產(chǎn)智能化。在加工領(lǐng)域，注重從單一功能型設備向多功能型設備過渡；在裝配領(lǐng)域，突破人工操作的枷鎖，逐步由人工操作向人機協(xié)作、自動化作業(yè)轉(zhuǎn)變；不斷發(fā)掘高精尖設備，致力于質(zhì)量檢測、SPC工站建設；將傳統(tǒng)、簡易的人工搬運等，采用機器人配合視覺定位技術(shù)全部實現(xiàn)自動化搬運。
1.1.2 智能設備互聯(lián)
智能化生產(chǎn)車間以信息化作為根基，通過將生成車間的不同設備與通訊網(wǎng)絡連接，收集設備的狀態(tài)數(shù)據(jù)和質(zhì)量數(shù)據(jù)，并作為數(shù)據(jù)采集和分析的基礎(chǔ)。對不同生成設備，采取不同的數(shù)據(jù)采集方式：對存在數(shù)據(jù)接口的設備，如加工中心、磨床、PLC控制器、機器人、儀器儀表等，通過Profibus或Profinet網(wǎng)絡將設備數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)；對于沒有數(shù)據(jù)接口的設備，通過外接傳感器完成設備狀態(tài)采集，提升通訊能力，可采取有線或無線兩種方式進行，數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡后，通過邊緣計算方式完成數(shù)據(jù)就地分析和存儲，對于數(shù)據(jù)分析結(jié)果匯總，并采用有線或無線的方式，存儲到云服務器進行數(shù)據(jù)顯示和后續(xù)數(shù)據(jù)分析工作。設備的聯(lián)網(wǎng)接入需完成三項重要的工作：硬件接口的連接、軟件數(shù)據(jù)接口互通、接口規(guī)范定義。
1.1.3 智能設備數(shù)據(jù)采集
完整的制造設備應具備完善的檔案信息，包括產(chǎn)品編號、產(chǎn)品描述、產(chǎn)品狀態(tài)、產(chǎn)品時間戳等信息。按照已定義的通信接口，與其他設備、裝置以及執(zhí)行層實現(xiàn)設備和數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通。對收集完成的數(shù)據(jù)進行分析，篩選出合格數(shù)據(jù)，對于不合格數(shù)據(jù)采用自動處理和人工處理兩種模式完成，最終保證產(chǎn)量質(zhì)量狀態(tài)的穩(wěn)定，并可滿足產(chǎn)品的質(zhì)量追溯。
1.1.4 智能制造執(zhí)行系統(tǒng)
建立MES制造執(zhí)行系統(tǒng)，運用生產(chǎn)調(diào)度管理、工藝執(zhí)行與管理、過程控制管理、排程管理、質(zhì)量管理、設備管理等模塊，可時刻管理和展示生產(chǎn)制造全流程。通過開發(fā)數(shù)字化生產(chǎn)制造執(zhí)行平臺，打通計劃、生產(chǎn)、物流、設備間的數(shù)據(jù)流，構(gòu)成計劃、控制、反饋、調(diào)整的完整系統(tǒng)，通過規(guī)范的定義接口實現(xiàn)計劃、命令的傳遞和實際生產(chǎn)的無縫銜接，使生產(chǎn)計劃、控制命令、信息數(shù)據(jù)在整個 MES 系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)、自動化體系中透明、及時、順暢地交互傳遞，最終實現(xiàn)生產(chǎn)全過程數(shù)字化，打造數(shù)字化生產(chǎn)車間。
1.2 智能化物流倉儲
物流倉儲是制造業(yè)中極為重要的一環(huán)，通過應用智能物流倉儲系統(tǒng)可快速完成產(chǎn)品原材料、產(chǎn)品配套件、成品件之間快速流轉(zhuǎn)和輸送工作，通過采用堆垛機輸送方式和立體倉庫存儲方式提升倉庫貨位周轉(zhuǎn)效率，降低倉庫轉(zhuǎn)運過程造成的人工成本，提升轉(zhuǎn)運效率，實現(xiàn)倉庫儲流數(shù)字化管控和智能化運輸。
建設智能物流倉儲系統(tǒng)，完善系統(tǒng)組成架構(gòu)：設備層、操作層、企業(yè)層。設備層建設立體倉庫、智能叉車、碼垛機器人、提升機等倉儲設備，建設AGV、智能托盤、物流機器人等物流設備、RFID、機器視覺、智能攝像頭等識別設備；操作層增加 WMS、WCS、TMS 等運維軟件；企業(yè)層則對接ERP、CRM、SCM等管理軟件的采購、計劃、庫存、發(fā)貨等模塊，融入總系統(tǒng)的閉環(huán)中。
工藝是將研發(fā)設計的產(chǎn)品賦予靈魂的重要一環(huán)，推進數(shù)字化技術(shù)應用并覆蓋于產(chǎn)品的設計、工藝、制造全生命周期，是實現(xiàn)智能制造的關(guān)鍵一點。通過工藝數(shù)字化信息平臺建設，將打通設計、工藝、制造之間數(shù)據(jù)流，實現(xiàn)上下游高效協(xié)同，通過數(shù)字化工藝的深化應用，工藝一致性將實現(xiàn)100%，20%的問題將在規(guī)劃早期被驗證發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品的生產(chǎn)準備周期將縮短20-30%。
2.1 數(shù)字化工藝平臺建設初期
完成基礎(chǔ)功能模塊開發(fā)及應用。產(chǎn)品準備管理按照APQP實現(xiàn)管控，系統(tǒng)化管控項目進度及交付物；BOM及工藝管理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)及時、準確，提高工藝一致性及標準化；變更管理實現(xiàn)正向與逆向的閉環(huán)管理，提升變更執(zhí)行質(zhì)量；實現(xiàn)工藝資源管控，實現(xiàn)知識積累、共享和重用。
2.2 工藝數(shù)字化平臺建設中期
實現(xiàn)工藝創(chuàng)新性管理：通過工藝仿真技術(shù)，實現(xiàn)三維數(shù)字化工藝規(guī)劃及驗證，對工藝合理性進行虛擬仿真及評估；實現(xiàn)三維工藝下廠，提高工藝可視性；通過產(chǎn)線仿真技術(shù)，對生產(chǎn)線的裝備、物流、工藝、節(jié)拍、人員、生產(chǎn)過程等進行仿真、優(yōu)化及管理。
2.3 工藝數(shù)字化平臺建設后期
實現(xiàn)工藝數(shù)字化技術(shù)深度應用：通過數(shù)字映射技術(shù)，實現(xiàn)實際生產(chǎn)與虛擬生產(chǎn)聯(lián)動，可以及時修正生產(chǎn)中的偏差及問題，實現(xiàn)更科學更智能的生產(chǎn)。加強數(shù)字化技術(shù)團隊建設，成立專門的項目團隊負責技術(shù)研究及系統(tǒng)建設，推進工藝數(shù)字化提升工作開展。
建立數(shù)字化標準體系及業(yè)務流程，根據(jù)數(shù)據(jù)流、業(yè)務流傳遞特點及上下游關(guān)系制定完善的數(shù)字化流程，實現(xiàn)管理創(chuàng)新促進技術(shù)創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新推進管理創(chuàng)新。加強數(shù)字化基礎(chǔ)建設及設計制造輔助工具開發(fā)。從軟件基礎(chǔ)環(huán)境、數(shù)據(jù)庫支撐平臺、網(wǎng)絡信息環(huán)境、信息安全體系等基礎(chǔ)方面進行投入和建設。
2.4 仿真系統(tǒng)應用
結(jié)合產(chǎn)線數(shù)模、物流仿真等，實現(xiàn)產(chǎn)線仿真，對生產(chǎn)線的裝備、物流、工藝、節(jié)拍、人員、生產(chǎn)過程等進行仿真、驗證、優(yōu)化及管理。通過數(shù)字映射技術(shù)，實現(xiàn)實際生產(chǎn)與虛擬生產(chǎn)聯(lián)動，當生產(chǎn)線出現(xiàn)問題時能夠?qū)崟r反饋至虛擬系統(tǒng)，通過虛擬系統(tǒng)驗證后更改虛擬參數(shù)，可實現(xiàn)生產(chǎn)線同步更改，這樣就可以及時修正生產(chǎn)中的偏差及問題，實現(xiàn)更科學更智能的生產(chǎn)。
通過與MES、ERP、工藝裝備、工藝資源等車間系統(tǒng)深度集成，實現(xiàn)數(shù)字化車間技術(shù)研究與應用，為實現(xiàn)智能化車間、產(chǎn)線大數(shù)據(jù)分析等奠定基礎(chǔ)。
在數(shù)字化車間建設與實施過程中，關(guān)鍵點是引用PLM系統(tǒng)實現(xiàn)主數(shù)據(jù)流貫通和系統(tǒng)集成，數(shù)據(jù)流貫通保證了數(shù)據(jù)的準確、及時、共享，系統(tǒng)集成實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通。并在此基礎(chǔ)上進一步實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化、透明化。頂層規(guī)劃很重要，在項目開始階段，完成頂層設計方案，確保項目實施過程可控性和可預知性。智能工廠建造過程通過數(shù)字化雙胞胎，實現(xiàn)全集成可視化工廠。實現(xiàn)軟件和硬件的智能互聯(lián)，通過設置標準網(wǎng)絡接口實現(xiàn)機床間互聯(lián)互通。
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