工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)背景下數(shù)字化車間的應(yīng)用研究

喬大偉

摘要：當(dāng)前，智能制造在機(jī)械加工中已經(jīng)大大推動(dòng)了工業(yè)的變革，未來將是一個(gè)強(qiáng)調(diào)個(gè)性和定制化的全新時(shí)代。數(shù)字化車間也逐步規(guī)范化，標(biāo)準(zhǔn)化。2019年國(guó)家頒布了工業(yè)《數(shù)字化車間術(shù)語和定義》和《數(shù)字化車間通用技術(shù)要求》兩項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)背景下，以數(shù)控技術(shù)為核心融合信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)等多種技術(shù)的數(shù)字化車間更新了行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)理念和生產(chǎn)模式。

關(guān)鍵詞：數(shù)控技術(shù);數(shù)字化車間;工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TP273;TB497? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）22-0184-02

0? 引言

隨著“工業(yè)4.0”及中國(guó)制造2025規(guī)劃的概念的提出，未來的工業(yè)及制造業(yè)都將更高效和更靈活，智能設(shè)備的操作維護(hù)及更新?lián)Q代更為方便。為此，國(guó)家制定了相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，旨在實(shí)現(xiàn)數(shù)字化車間術(shù)語的規(guī)范化和技術(shù)要求的統(tǒng)一化，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化車間規(guī)范建設(shè)和智能制造體系的完善，推進(jìn)智能制造高質(zhì)量發(fā)展。

1? 數(shù)字化車間

數(shù)字化車間是智能制造的核心組成部分，它融合了數(shù)控技術(shù)、信息化技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)及人工智能技術(shù)。以工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)制造系統(tǒng)為硬件基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中的各項(xiàng)基本技術(shù)與應(yīng)用，同時(shí)利用局部網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)把傳感器、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、人員和物品等通過新的方式聯(lián)系在一起，形成人與物、物與物相聯(lián)，實(shí)現(xiàn)信息化、遠(yuǎn)程管理控制和智能化的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)基本的物聯(lián)網(wǎng)功能，有機(jī)的把各個(gè)獨(dú)立單元進(jìn)行組合，優(yōu)化成具有一定創(chuàng)新性、先進(jìn)性的智能集成自動(dòng)化系統(tǒng)。

1.1 數(shù)字化車間標(biāo)準(zhǔn)體系分析

數(shù)字化車間標(biāo)準(zhǔn)體系框架可以分為四個(gè)層面，第一層是基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，主要包含了術(shù)語和定義，通用技術(shù)要求和參考模型;第二層是方法標(biāo)準(zhǔn)，涉及到數(shù)字化車間的建設(shè)規(guī)范，虛擬仿真要求，工藝部局要求，MES（制造執(zhí)行管理系統(tǒng)）/ERP（企業(yè)資源計(jì)劃）技術(shù)要求，安全技術(shù)要求等;第三層是應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，是第一層和第二層在特定行業(yè)或領(lǐng)域的應(yīng)用，例如：汽車行業(yè)的數(shù)字化制造車間，航空行業(yè)、船舶行業(yè)、鐵路和交通行業(yè)等;第四層為支持標(biāo)準(zhǔn)，例如：工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)通用技術(shù)要求，智能制造裝備集成信息模型，離散制造能效數(shù)據(jù)模型，離散制造能效評(píng)估方法，智能化產(chǎn)品通用技術(shù)要求，智能制造安全保障系列標(biāo)準(zhǔn)等，這些對(duì)第二層方法標(biāo)準(zhǔn)起到支撐作用。

1.2 數(shù)字化車間體系結(jié)構(gòu)分析

數(shù)字化車間的體系主要分為基礎(chǔ)層、執(zhí)行層和管理層三個(gè)方面的內(nèi)容，管理層，基礎(chǔ)層包括制造設(shè)備和生產(chǎn)資源，它與制作運(yùn)行管理中的車間計(jì)劃調(diào)度、工藝執(zhí)行與管理、生產(chǎn)物流管理、生產(chǎn)過程質(zhì)量管理、車間設(shè)備管理等內(nèi)容進(jìn)行車間信息交互，最后，集合管理層的企業(yè)資源計(jì)劃和產(chǎn)品生命周期管理等內(nèi)容實(shí)現(xiàn)企業(yè)的信息交互功能。

1.3 數(shù)字化車間通用技術(shù)要求分析

數(shù)字化車間要求分為：基本要求;基礎(chǔ)層數(shù)字化要求;工藝設(shè)計(jì)數(shù)字化要求;車間信息交互;制造運(yùn)行管理數(shù)字化要求五大要求。詳細(xì)要求見表1。

2? 數(shù)字化車間建設(shè)的必要性

首先，是工業(yè)機(jī)器人的大量使用。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，從2015年至2019年，中國(guó)工業(yè)機(jī)器人的產(chǎn)量從3.29萬套增至18.69萬套。今年上半年，受疫情的影響，工業(yè)機(jī)器人的產(chǎn)量在9.37萬套，行業(yè)對(duì)需求產(chǎn)量減少，增速放緩。企業(yè)通過數(shù)字化車間的建立，構(gòu)建智能工廠，借助工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)逐漸打造出智能制造的雛形。

其次，是技術(shù)人才的需求。當(dāng)前企業(yè)對(duì)技術(shù)人才的需求從數(shù)控加工的操作員逐步面向數(shù)控技術(shù)的編程、設(shè)備維護(hù)的人員發(fā)展;對(duì)工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用，出現(xiàn)了淘汰大批流水線的操作人員，同時(shí)大量需求機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)人才。例如：機(jī)器人組裝、售前、售后技術(shù)人才，工作站的開發(fā)、安裝、調(diào)試人才，以及機(jī)器人工作站的調(diào)試維護(hù)和操作編程等綜合技術(shù)人才。

最后，數(shù)字化車間是組成數(shù)字工廠的基礎(chǔ)，也是智能制造的主要陣地。對(duì)于不同行業(yè)，對(duì)技術(shù)要求可能會(huì)有差異，歸納一下，數(shù)字化工廠應(yīng)當(dāng)具備以下六個(gè)方面的特征：第一，是建設(shè)覆蓋全場(chǎng)的自動(dòng)化調(diào)度、控制及執(zhí)行系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)工藝過程的監(jiān)控。第二，是通過工廠的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)完成生產(chǎn)數(shù)據(jù)的同步采集，及時(shí)掌握生產(chǎn)運(yùn)行的情況，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)境和信息系統(tǒng)的無縫對(duì)接，提升管理者對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控能力。第三，是通過模塊化和其他方式實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)的柔性化改造，與多種生產(chǎn)工藝進(jìn)行匹配。第四，提供可視化服務(wù)，把生產(chǎn)工藝、各類設(shè)備信息、計(jì)劃、應(yīng)急、安全等功能進(jìn)行集成，供生產(chǎn)操作人員和管理人員進(jìn)行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分析展示。第五，信息集成平臺(tái)的建設(shè)，以生產(chǎn)信息化管理系統(tǒng)為核心，貫穿企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理和生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)信息數(shù)據(jù)的收集，構(gòu)建一個(gè)完整、可靠地的平臺(tái)。最后，利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)企業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行集中存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)分析，完成對(duì)企業(yè)決策層的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，提供科學(xué)的決策。

3? 數(shù)字化車間的有效應(yīng)用途徑

3.1 統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，合理規(guī)劃

在數(shù)字化車間的建設(shè)前，按照國(guó)家制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合企業(yè)自身特點(diǎn)進(jìn)行科學(xué)合理的方向確定，從而細(xì)化數(shù)字化車間的體系建設(shè)方案。圍繞數(shù)字化車間的體系建設(shè)，以理論模型作為理論為依據(jù)，結(jié)合工業(yè)、信息化管理模式有效提高實(shí)施的系統(tǒng)性;提升數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)化設(shè)備、計(jì)算機(jī)智能終端的接口實(shí)時(shí)通信，從始至終把各類信息流貫通車間的生產(chǎn)、檢測(cè)和監(jiān)控;利用人工智能技術(shù)優(yōu)化各個(gè)制造過程，做好相互之間的銜接;最后是運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化車間的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的連接，達(dá)到工業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合。

3.2 科學(xué)改進(jìn)硬件設(shè)備

通過發(fā)展市場(chǎng)需求量大的功能性機(jī)器人，發(fā)展機(jī)器人本體及核心功能部件的研發(fā)生產(chǎn)，培育配套協(xié)作的生產(chǎn)企業(yè)，努力研發(fā)機(jī)器人關(guān)鍵零部件，加快提升工業(yè)機(jī)器人的研發(fā)與設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與制造、系統(tǒng)與集成、終端與應(yīng)用等一體的數(shù)字化車間硬件設(shè)施。

提高數(shù)控機(jī)床的精度和多軸數(shù)控機(jī)床的功能，系統(tǒng)引導(dǎo)工廠通過整體改造，針對(duì)性更換機(jī)器人、自動(dòng)化代替人工作業(yè)改造。不但要實(shí)現(xiàn)四減（減員、減能、減耗、減污）還要實(shí)現(xiàn)四增（增效、增質(zhì)、增量、增智）。

接入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，建立工廠智能設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，推進(jìn)資源網(wǎng)絡(luò)共享、探索協(xié)同作業(yè)，基于3D模型設(shè)計(jì)、VR、仿真加工等智能化設(shè)計(jì)軟件，構(gòu)建基于產(chǎn)品的參數(shù)和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)及時(shí)、動(dòng)態(tài)調(diào)整、創(chuàng)新流程的設(shè)計(jì)研發(fā)體系。

3.3 對(duì)高職院校人才的培養(yǎng)的新要求

隨著數(shù)字化車間的建設(shè)，對(duì)相關(guān)專業(yè)的技術(shù)技能型人才的需求也逐漸增大，高職學(xué)校面對(duì)企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)所帶來的巨大人才需求的缺口也應(yīng)當(dāng)及時(shí)調(diào)整人才培養(yǎng)方案的內(nèi)容。從高職院校的角度來看，一方面應(yīng)用型本科類學(xué)校不能完全滿足企業(yè)的需求，高職（技術(shù)）學(xué)?？梢酝ㄟ^對(duì)專業(yè)人才培養(yǎng)方案的改革和升級(jí)提高學(xué)生的專業(yè)對(duì)口就業(yè)率，滿足校企融合，校城融合發(fā)展的目的。具體的操作層面如下：

第一，提煉崗位技能職業(yè)素養(yǎng)。

對(duì)涉及到的信息、自動(dòng)化、機(jī)械制造、物流管理等多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域提煉工作崗位和對(duì)應(yīng)的技術(shù)技能，突出數(shù)字化車間中的崗位技能和崗位要求。

智能制造和數(shù)字化車間對(duì)技術(shù)人員需求不只停留在專業(yè)水平和技能高低。對(duì)職業(yè)素養(yǎng)也有要求：人員對(duì)自身有客觀的評(píng)價(jià)，對(duì)個(gè)人的自主學(xué)習(xí)能力、工作的積極性、創(chuàng)新精神、主人翁精神、奉獻(xiàn)精神都有很高的要求。

因此，在提煉人才培養(yǎng)時(shí)，需要把創(chuàng)新能力、協(xié)作能力、溝通能力、學(xué)習(xí)能力以及責(zé)任感納入其中。

第二，整合專業(yè)資源。

由于數(shù)字化車間的應(yīng)用涉及到的專業(yè)多，對(duì)專業(yè)的師資、專業(yè)核心課程、專業(yè)實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)設(shè)備按照智能制造發(fā)展方向和數(shù)字化車間的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行重新調(diào)整，滿足教學(xué)要求。完善校內(nèi)“智能制造車間或數(shù)字化車間”的教學(xué)實(shí)踐場(chǎng)地的建設(shè);整合數(shù)字化車間涉及到的相關(guān)的線上和線下的教學(xué)資源，提煉智能制造專業(yè)所需要專業(yè)課程和相關(guān)知識(shí)，通過進(jìn)一步的專業(yè)核心課程和后續(xù)的實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)目標(biāo);組建校企、校城混合雙師教學(xué)團(tuán)隊(duì)，可以共同協(xié)作，承擔(dān)專業(yè)相關(guān)的核心課程，完成理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)工作;尋求高水平的企業(yè)作為相關(guān)跟崗實(shí)習(xí)和頂崗實(shí)習(xí)的單位，讓學(xué)生得到一個(gè)較好的技能的延伸學(xué)習(xí)。

第三，專業(yè)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的建設(shè)。

針對(duì)智能制造專業(yè)校內(nèi)實(shí)訓(xùn)的建設(shè)，我校機(jī)電工程系智能制造教研室于2018年開始建設(shè)了智能制造手電筒生產(chǎn)系統(tǒng)，應(yīng)用了可編程邏輯其控制（西門子系列PLC），變頻器，伺服系統(tǒng)，步進(jìn)電機(jī)，工業(yè)機(jī)器人（FANUC LR MATE 200ID機(jī)器人、ABB工業(yè)機(jī)器人、那智機(jī)器人、ESTUN工業(yè)機(jī)器人），遠(yuǎn)程I/O模塊，激光打標(biāo)機(jī)，數(shù)控機(jī)床?？偪叵到y(tǒng)運(yùn)用站點(diǎn)通過PLC，人機(jī)界面觸摸屏進(jìn)行下單處理，通過上位機(jī)通訊控制各工作站工作，工件經(jīng)過環(huán)形線體輸送到各工作站，最后通過AGV小車對(duì)成品進(jìn)行入庫(kù)管理，完成整個(gè)生產(chǎn)流程。系統(tǒng)可以模擬手電筒的工業(yè)生產(chǎn)的全過程，從倉(cāng)儲(chǔ)、加工、裝配、包裝到入庫(kù)的過程，展示了智能制造生產(chǎn)中的各項(xiàng)基本技術(shù)的綜合應(yīng)用，涵蓋了數(shù)字化車間各種先進(jìn)控制技術(shù)和特種加工技術(shù)，融合了光、機(jī)、電、氣以及信息技術(shù)一體化、物流管理、工業(yè)造型、物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)、機(jī)器人、視覺圖像識(shí)別、數(shù)控加工、模式識(shí)別、藝術(shù)設(shè)計(jì)等綜合型研究平臺(tái)。可以實(shí)現(xiàn)十一個(gè)完整的實(shí)訓(xùn)課題。

4? 總結(jié)

本文針對(duì)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)背景下，數(shù)字化車間的應(yīng)用進(jìn)行了分析。除了在技術(shù)層面的探索研究外，企業(yè)內(nèi)部，基礎(chǔ)教育、高等職業(yè)教育都引發(fā)一系列的變革。根據(jù)數(shù)字化車間的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)組建數(shù)字化工廠要求，結(jié)合當(dāng)前高職教育現(xiàn)狀，提出了智能制造專業(yè)課程設(shè)置、人培制定的幾點(diǎn)建議，為深入踐行習(xí)近平總書記關(guān)于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)第四次工業(yè)革命的要求，為實(shí)現(xiàn)中國(guó)制造，打造工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展新格局而共同努力。

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