企業(yè)如何搭建數(shù)字化生產(chǎn)車間

曹先鋒 賈廣鵬

摘 要：數(shù)字化車間是設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、信息、自動(dòng)化、精益管理與制造技術(shù)相互集成的表現(xiàn)，將生產(chǎn)車間打造成數(shù)字化的制造平臺，通過改善車間的管理和生產(chǎn)制造各環(huán)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)快速的生產(chǎn)制造過程。生產(chǎn)車間在制造型企業(yè)中具有舉足輕重的地位，很大程度上，車間強(qiáng)則企業(yè)強(qiáng)，車間智則企業(yè)智。通過成功實(shí)施數(shù)字化車間制造系統(tǒng)，企業(yè)形象在車間管理方面將會(huì)有質(zhì)的提升，其產(chǎn)品質(zhì)量也可產(chǎn)生質(zhì)的飛躍，為企業(yè)智能化轉(zhuǎn)型升級奠定良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化;信息化;MES;AGV;機(jī)器人

數(shù)字化工廠由設(shè)備、機(jī)器人、AGV、網(wǎng)絡(luò)、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(dòng)態(tài)性能。通過借助計(jì)算機(jī)，對整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并可進(jìn)一步擴(kuò)展到整個(gè)產(chǎn)品制造過程的全生命周期，將打通產(chǎn)品設(shè)計(jì)和產(chǎn)品制造之間的橋梁，實(shí)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(shí)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(shè)中以數(shù)據(jù)的可視化管理和應(yīng)用為核心，而非簡單注重完全的自動(dòng)化程度。利用PLM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主數(shù)據(jù)流和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、智能裝備、智能倉庫、智能系統(tǒng)等方面系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流貫通與共享。

1 數(shù)字化車間硬件平臺搭建

1.1 智能化生產(chǎn)

智能化在引入數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等生產(chǎn)設(shè)備并實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)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(jī)、RFID標(biāo)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(luò)。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(shí)現(xiàn)科學(xué)決策、智能設(shè)計(jì)、合理排產(chǎn)，監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，提升設(shè)備使用率，指導(dǎo)生產(chǎn)運(yùn)行，讓自動(dòng)化生產(chǎn)智能設(shè)備高效運(yùn)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(shè)備和輔助設(shè)備進(jìn)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(diǎn)。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(shí)踐，整個(gè)單元由自動(dòng)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(shí)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(shè)備向多功能型設(shè)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(jī)協(xié)作、自動(dòng)化作業(yè)轉(zhuǎn)變;不斷發(fā)掘高精尖設(shè)備，致力于質(zhì)量檢測、SPC工站建設(shè);將傳統(tǒng)、簡易的人工搬運(yùn)等，采用機(jī)器人配合視覺定位技術(shù)全部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化搬運(yùn)。

1.1.2 智能設(shè)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(shè)備與通訊網(wǎng)絡(luò)連接，收集設(shè)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(shè)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(shè)備，如加工中心、磨床、PLC控制器、機(jī)器人、儀器儀表等，通過Profibus或Profinet網(wǎng)絡(luò)將設(shè)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(shè)備，通過外接傳感器完成設(shè)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(jìn)行，數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)后，通過邊緣計(jì)算方式完成數(shù)據(jù)就地分析和存儲(chǔ)，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(chǔ)到云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示和后續(xù)數(shù)據(jù)分析工作。設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)接入需完成三項(xiàng)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(shè)備數(shù)據(jù)采集

完整的制造設(shè)備應(yīng)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(shí)間戳等信息。按照已定義的通信接口，與其他設(shè)備、裝置以及執(zhí)行層實(shí)現(xiàn)設(shè)備和數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通。對收集完成的數(shù)據(jù)進(jìn)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(dòng)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(yùn)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(shè)備管理等模塊，可時(shí)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(jì)劃、生產(chǎn)、物流、設(shè)備間的數(shù)據(jù)流，構(gòu)成計(jì)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(shí)現(xiàn)計(jì)劃、命令的傳遞和實(shí)際生產(chǎn)的無縫銜接，使生產(chǎn)計(jì)劃、控制命令、信息數(shù)據(jù)在整個(gè)MES系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)、自動(dòng)化體系中透明、及時(shí)、順暢地交互傳遞，最終實(shí)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(chǔ)

物流倉儲(chǔ)是制造業(yè)中極為重要的一環(huán)，通過應(yīng)用智能物流倉儲(chǔ)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(jī)輸送方式和立體倉庫存儲(chǔ)方式提升倉庫貨位周轉(zhuǎn)效率，降低倉庫轉(zhuǎn)運(yùn)過程造成的人工成本，提升轉(zhuǎn)運(yùn)效率，實(shí)現(xiàn)倉庫儲(chǔ)流數(shù)字化管控和智能化運(yùn)輸。

建設(shè)智能物流倉儲(chǔ)系統(tǒng)，完善系統(tǒng)組成架構(gòu)：設(shè)備層、操作層、企業(yè)層。設(shè)備層建設(shè)立體倉庫、智能叉車、碼垛機(jī)器人、提升機(jī)等倉儲(chǔ)設(shè)備，建設(shè)AGV、智能托盤、物流機(jī)器人等物流設(shè)備、RFID、機(jī)器視覺、智能攝像頭等識別設(shè)備;操作層增加WMS、WCS、TMS等運(yùn)維軟件;企業(yè)層則對接ERP、CRM、SCM等管理軟件的采購、計(jì)劃、庫存、發(fā)貨等模塊，融入總系統(tǒng)的閉環(huán)中。

2 數(shù)字化車間平臺搭建

工藝是將研發(fā)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品賦予靈魂的重要一環(huán)，推進(jìn)數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用并覆蓋于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、工藝、制造全生命周期，是實(shí)現(xiàn)智能制造的關(guān)鍵一點(diǎn)。通過工藝數(shù)字化信息平臺建設(shè)，將打通設(shè)計(jì)、工藝、制造之間數(shù)據(jù)流，實(shí)現(xiàn)上下游高效協(xié)同，通過數(shù)字化工藝的深化應(yīng)用，工藝一致性將實(shí)現(xiàn)100%，20%的問題將在規(guī)劃早期被驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品的生產(chǎn)準(zhǔn)備周期將縮短20-30%。

2.1 數(shù)字化工藝平臺建設(shè)初期

完成基礎(chǔ)功能模塊開發(fā)及應(yīng)用。產(chǎn)品準(zhǔn)備管理按照APQP實(shí)現(xiàn)管控，系統(tǒng)化管控項(xiàng)目進(jìn)度及交付物;BOM及工藝管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)及時(shí)、準(zhǔn)確，提高工藝一致性及標(biāo)準(zhǔn)化;變更管理實(shí)現(xiàn)正向與逆向的閉環(huán)管理，提升變更執(zhí)行質(zhì)量;實(shí)現(xiàn)工藝資源管控，實(shí)現(xiàn)知識積累、共享和重用。

2.2 工藝數(shù)字化平臺建設(shè)中期

實(shí)現(xiàn)工藝創(chuàng)新性管理：通過工藝仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字化工藝規(guī)劃及驗(yàn)證，對工藝合理性進(jìn)行虛擬仿真及評估;實(shí)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(jìn)行仿真、優(yōu)化及管理。

2.3 工藝數(shù)字化平臺建設(shè)后期

實(shí)現(xiàn)工藝數(shù)字化技術(shù)深度應(yīng)用：通過數(shù)字映射技術(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)際生產(chǎn)與虛擬生產(chǎn)聯(lián)動(dòng)，可以及時(shí)修正生產(chǎn)中的偏差及問題，實(shí)現(xiàn)更科學(xué)更智能的生產(chǎn)。加強(qiáng)數(shù)字化技術(shù)團(tuán)隊(duì)建設(shè)，成立專門的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)技術(shù)研究及系統(tǒng)建設(shè)，推進(jìn)工藝數(shù)字化提升工作開展。

建立數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)體系及業(yè)務(wù)流程，根據(jù)數(shù)據(jù)流、業(yè)務(wù)流傳遞特點(diǎn)及上下游關(guān)系制定完善的數(shù)字化流程，實(shí)現(xiàn)管理創(chuàng)新促進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新推進(jìn)管理創(chuàng)新。

加強(qiáng)數(shù)字化基礎(chǔ)建設(shè)及設(shè)計(jì)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(luò)信息環(huán)境、信息安全體系等基礎(chǔ)方面進(jìn)行投入和建設(shè)。

2.4 仿真系統(tǒng)應(yīng)用

結(jié)合產(chǎn)線數(shù)模、物流仿真等，實(shí)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(jìn)行仿真、驗(yàn)證、優(yōu)化及管理。通過數(shù)字映射技術(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)際生產(chǎn)與虛擬生產(chǎn)聯(lián)動(dòng)，當(dāng)生產(chǎn)線出現(xiàn)問題時(shí)能夠?qū)崟r(shí)反饋至虛擬系統(tǒng)，通過虛擬系統(tǒng)驗(yàn)證后更改虛擬參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線同步更改，這樣就可以及時(shí)修正生產(chǎn)中的偏差及問題，實(shí)現(xiàn)更科學(xué)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(shí)現(xiàn)數(shù)字化車間技術(shù)研究與應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)智能化車間、產(chǎn)線大數(shù)據(jù)分析等奠定基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

在數(shù)字化車間建設(shè)與實(shí)施過程中，關(guān)鍵點(diǎn)是引用PLM系統(tǒng)實(shí)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(zhǔn)確、及時(shí)、共享，系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通。并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化、透明化。頂層規(guī)劃很重要，在項(xiàng)目開始階段，完成頂層設(shè)計(jì)方案，確保項(xiàng)目實(shí)施過程可控性和可預(yù)知性。智能工廠建造過程通過數(shù)字化雙胞胎，實(shí)現(xiàn)全集成可視化工廠。實(shí)現(xiàn)軟件和硬件的智能互聯(lián)，通過設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)機(jī)床間互聯(lián)互通。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉效禹.淺談數(shù)字化工廠與數(shù)字化交付.技術(shù)與信息，2019（24）：22-23.

[2]岳軍.數(shù)字化工廠的構(gòu)建.電子工藝技術(shù)，2017， 38（4）.

[3]艾瑞：智能制造系統(tǒng)的靈魂—智能“神經(jīng)系統(tǒng)”.

[4]方磊.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù).控制與檢測，2017（12）.

[5]戚寶運(yùn).指揮信息系統(tǒng)與技術(shù).數(shù)字化車間MES系統(tǒng)構(gòu)建.2013（4）.