車(chē)間數(shù)字化實(shí)現(xiàn)過(guò)程探討

張鋒 何燕平 張玉琪

[摘 要]車(chē)間數(shù)字化是實(shí)現(xiàn)未來(lái)智能制造、智慧制造的重要環(huán)節(jié)，是現(xiàn)階段提升產(chǎn)品質(zhì)量、提高效率、降低成本的有力手段，也是企業(yè)競(jìng)相追逐的新制造模式。本文結(jié)合筆者實(shí)踐，重點(diǎn)圍繞車(chē)間數(shù)字化的基本框架、建設(shè)階段以及各階段關(guān)注重點(diǎn)進(jìn)行闡述，希望為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化車(chē)間提供參考。

[關(guān)鍵詞]車(chē)間數(shù)字化;智能制造;制造模式

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2020.20.028

[中圖分類號(hào)]F270.7;F273[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A[文章編號(hào)]1673-0194（2020）20-00-02

1? ? ?車(chē)間數(shù)字化定義

車(chē)間數(shù)字化指車(chē)間以業(yè)務(wù)流程的優(yōu)化和重構(gòu)為基礎(chǔ)，在一定的深度和廣度上利用自動(dòng)化技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)與控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等，將設(shè)備、工藝系統(tǒng)、生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)等進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)車(chē)間資源的數(shù)字化控制與內(nèi)外部信息共享和有效利用，以改善車(chē)間的組織和管理，實(shí)現(xiàn)資源的柔性配置，提高車(chē)間的制造效率和過(guò)程可控性、可追溯性。

2? ? ?車(chē)間數(shù)字化過(guò)程

車(chē)間數(shù)字化過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，各個(gè)環(huán)節(jié)、要素之間錯(cuò)綜復(fù)雜，涉及作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、設(shè)備、數(shù)據(jù)采集與控制、經(jīng)營(yíng)管理以及外部輸入等多個(gè)環(huán)節(jié)。各環(huán)節(jié)中還融入了車(chē)間各級(jí)管理者的思想及管理藝術(shù)。雖然過(guò)程很復(fù)雜，但如果從車(chē)間系統(tǒng)層級(jí)和數(shù)字化實(shí)現(xiàn)過(guò)程分解，車(chē)間的數(shù)字化過(guò)程離不開(kāi)標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化、信息化、數(shù)字化四大過(guò)程。其中，標(biāo)準(zhǔn)化主要指構(gòu)建于車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)層、控制層與制造執(zhí)行層的活動(dòng)、流程及管理的要求、協(xié)議與規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)化是數(shù)字化的基礎(chǔ)，是推進(jìn)自動(dòng)化、信息化與數(shù)字化的根基;而自動(dòng)化主要指實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)與作業(yè)信息管理手段自動(dòng)化，主要在現(xiàn)場(chǎng)層和控制層開(kāi)展;而信息化主要在執(zhí)行層開(kāi)展，完成車(chē)間任務(wù)級(jí)信息的管理，包括接收任務(wù)、排程、派工、質(zhì)量管理等，信息化層和自動(dòng)化層需要通過(guò)接口進(jìn)行信息交互，以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)與計(jì)劃管理信息融合，保證信息準(zhǔn)確;數(shù)字化則是車(chē)間最終制造生命周期過(guò)程的集成、制造數(shù)據(jù)的集成、物理空間與信息空間的集成。四大過(guò)程既是數(shù)字化車(chē)間發(fā)展不可缺少的過(guò)程，也是車(chē)間數(shù)字化發(fā)展逐漸明晰

的過(guò)程。

2.1? ?標(biāo)準(zhǔn)化

標(biāo)準(zhǔn)化指對(duì)事物本身或者事物的發(fā)生過(guò)程、執(zhí)行流程進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的衡量和定義。標(biāo)準(zhǔn)化的過(guò)程主要從以下5個(gè)維度開(kāi)展工作。

2.1.1? ?生產(chǎn)過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)化

過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)化，具體包括生產(chǎn)過(guò)程的精細(xì)化分解，包括生產(chǎn)過(guò)程分解和生產(chǎn)過(guò)程關(guān)系定義。生產(chǎn)過(guò)程分解指對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行縱向分解，分解成生產(chǎn)階段、生產(chǎn)工序以及生產(chǎn)工步，并對(duì)分解的結(jié)果進(jìn)行概念定義;生產(chǎn)過(guò)程關(guān)系定義指對(duì)過(guò)程分解結(jié)果之間的邏輯關(guān)系以及內(nèi)部之間的邏輯關(guān)系進(jìn)行定義。如階段、工序、工步之間的從屬關(guān)系，工序內(nèi)部之間的串行、并行、可跳等工序邏輯定義。

2.1.2? ?生產(chǎn)流程標(biāo)準(zhǔn)化

流程標(biāo)準(zhǔn)化，指對(duì)生產(chǎn)涉及的各流程進(jìn)行定義，把各班組、產(chǎn)線的不同管理流程進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，制定標(biāo)準(zhǔn)，讓車(chē)間按照統(tǒng)一流程進(jìn)行運(yùn)作，比如，返工流程，物流運(yùn)輸流程、周轉(zhuǎn)流程、設(shè)備領(lǐng)用流程、人員調(diào)動(dòng)流程等。

2.1.3? ?生產(chǎn)要素標(biāo)準(zhǔn)化

生產(chǎn)要素的核心包括人、機(jī)、料、法、環(huán)，需要結(jié)合車(chē)間對(duì)生產(chǎn)要素的實(shí)際使用需求準(zhǔn)確定義生產(chǎn)要素，以確保準(zhǔn)確的資源適配到準(zhǔn)確的需求。生產(chǎn)要素的定義是對(duì)需求屬性的抽象定義，而不是多多益善。比如，人員屬性包括使用姓名、勝任工種、技術(shù)能力等。

2.1.4? ?通信接口標(biāo)準(zhǔn)化

數(shù)字化車(chē)間的核心是信息的互連互通，包括信息流、物流、控制流、財(cái)務(wù)流等。接口的標(biāo)準(zhǔn)化是數(shù)字化信息貫通的基石，需要對(duì)設(shè)備與設(shè)備之間、設(shè)備與控制層之間、控制層與經(jīng)營(yíng)層之間等建立基礎(chǔ)的信息傳輸總線。這些總線可能是現(xiàn)場(chǎng)總線（PROFIBUS、CAN等）、工業(yè)以太網(wǎng)總線（PROFINET、EPA等）、企業(yè)服務(wù)總線（ESB）等，且在信息總線上需構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)的出入口，任何設(shè)備或者需求都可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的出入口進(jìn)入信息總線并發(fā)生交互。

2.1.5? ?組織管理標(biāo)準(zhǔn)化

管理的標(biāo)準(zhǔn)化，包括建立按專業(yè)分類的組織以及制定管理制度，對(duì)車(chē)間涉及的各項(xiàng)事務(wù)進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)組織管理的標(biāo)準(zhǔn)化，不因班組、產(chǎn)線或業(yè)務(wù)不同而有所區(qū)別，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的工作，把生產(chǎn)涉及的各要素、各活動(dòng)、各流程等從混亂狀態(tài)變成有序狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)車(chē)間制造過(guò)程有理有條，做事有依據(jù)，過(guò)程有記錄，管理有制度。

2.2? ?自動(dòng)化

自動(dòng)化指利用自動(dòng)化的工具、設(shè)備，包括軟件、自動(dòng)控制設(shè)備、機(jī)器人等代替人工完成任務(wù)的相關(guān)制造工作。通過(guò)減少對(duì)人員數(shù)量和能力的需求，提高產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)出效率，同時(shí)降低風(fēng)險(xiǎn)、成本。自動(dòng)化可以代替人工活動(dòng)，但需要從多個(gè)層面考慮哪些活動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。自動(dòng)化包括用軟件自動(dòng)化和硬件自動(dòng)化。比如，運(yùn)用軟件模擬人的操作，實(shí)現(xiàn)日常業(yè)務(wù)辦理，如數(shù)據(jù)整理、填寫(xiě)報(bào)表、上載數(shù)據(jù)及利用軟件代替人做出某些行動(dòng)決策等。而硬件自動(dòng)化則包含各種硬件設(shè)備、傳感器、控制器等構(gòu)成的工作單元。比如，自動(dòng)化物流（AGV）、機(jī)械手臂等。其中，自動(dòng)化的過(guò)程主要從3個(gè)維度開(kāi)展。

2.2.1? ?自動(dòng)化的活動(dòng)或?qū)ο?/p>

自動(dòng)化廣泛用于大批量產(chǎn)品的生產(chǎn)制造過(guò)程，或者用于高度柔性化的制造過(guò)程，或者對(duì)于某些有特定需求的活動(dòng)。而對(duì)于多品種、小批量且制造共性不多的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，不能盲目自動(dòng)化，需要從精益生產(chǎn)的角度考慮，提高項(xiàng)目之間的柔性，減少項(xiàng)目浪費(fèi)。此外，也可以根據(jù)部分共性采用適度的自動(dòng)化手段，但切不可為了自動(dòng)化而自動(dòng)化。

2.2.2? ?自動(dòng)化方式選擇

自動(dòng)化是車(chē)間數(shù)字化過(guò)程中占用成本比較大的部分，所以自動(dòng)化需要考慮性價(jià)比，根據(jù)性價(jià)比確定自動(dòng)化方式。對(duì)于數(shù)量少或者狀態(tài)不穩(wěn)定的活動(dòng)，可以考慮代價(jià)較少的軟件自動(dòng)化、自動(dòng)測(cè)試等方式。而對(duì)于批量大且共性高的工序，可采用機(jī)器人、機(jī)械臂或自動(dòng)化工作站。自動(dòng)化需要在成本和產(chǎn)出之間找到平衡點(diǎn)，且自動(dòng)化設(shè)備的投入也不是一次性的，需要后續(xù)保養(yǎng)、維護(hù)、維修。車(chē)間數(shù)字化以利潤(rùn)為最終目的，需要以市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)為導(dǎo)向，采用適宜的自動(dòng)化方式。

2.2.3? ?接口、協(xié)議與組網(wǎng)能力

為了提高自動(dòng)化設(shè)備的柔性與利用率，企業(yè)需要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的要求，選配適宜的接口并能支持生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)總線的協(xié)議，確保自動(dòng)化設(shè)備具備信息交互能力，包括參數(shù)下發(fā)、狀態(tài)控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控等。同時(shí)，還需要具有支持系統(tǒng)組網(wǎng)的能力，只有組網(wǎng)，才能通過(guò)多臺(tái)設(shè)備構(gòu)建系統(tǒng)化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的快速切換與動(dòng)態(tài)選擇，提升制造過(guò)程的柔性。

2.3? ?信息化

本文所指信息化指通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件、通信技術(shù)完成車(chē)間經(jīng)營(yíng)管理電子化的過(guò)程。該過(guò)程主要包括企業(yè)級(jí)信息系統(tǒng)定位、訂單導(dǎo)入、計(jì)劃排程、計(jì)劃跟蹤執(zhí)行、質(zhì)量管理等。其中，信息化過(guò)程重點(diǎn)關(guān)注3個(gè)維度。

2.3.1? ?車(chē)間信息化的定位

企業(yè)信息化建設(shè)是統(tǒng)一的、長(zhǎng)期的、有規(guī)劃的行為。對(duì)于車(chē)間來(lái)說(shuō)，首先要找到車(chē)間數(shù)字化在這個(gè)企業(yè)中的定位，每個(gè)企業(yè)的具體情況不一致，需要根據(jù)車(chē)間的職責(zé)與業(yè)務(wù)、上級(jí)輸入，如訂單、工藝等，準(zhǔn)確定位經(jīng)營(yíng)管理層的信息化業(yè)務(wù)，然后根據(jù)準(zhǔn)確定位，分析需求與功能，確保與企業(yè)規(guī)劃相匹配，避免形成信息孤島和推進(jìn)后續(xù)應(yīng)用的壁壘。

2.3.2? ?信息化管理需求

信息化不是簡(jiǎn)單的電子化，僅把原本紙質(zhì)的數(shù)據(jù)變成電子數(shù)據(jù)，而是通過(guò)信息化過(guò)程，進(jìn)行流程優(yōu)化與重構(gòu)，減少制造過(guò)程中的浪費(fèi)，包括時(shí)間、資源、人力等浪費(fèi)?？傊鞒痰氖崂砼c優(yōu)化是信息化的前提，同時(shí)該過(guò)程也是管理思想的融入過(guò)程，通過(guò)兩者的結(jié)合，企業(yè)找到管理流程的薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)行優(yōu)化或重構(gòu)，減少重復(fù)、煩瑣環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)車(chē)間經(jīng)營(yíng)管理效率提升。

2.3.3? ?信息化功能需求

車(chē)間信息化是對(duì)制造過(guò)程的經(jīng)營(yíng)管理，是對(duì)生產(chǎn)組織和生產(chǎn)過(guò)程的管理，包括車(chē)間管理模型和影響車(chē)間管理的模型，具體可分為資源管理、生產(chǎn)調(diào)度、生產(chǎn)分派、操作管理、質(zhì)量管理、庫(kù)存管理等功能模塊。

2.4? ?數(shù)字化

數(shù)字化過(guò)程，是在標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化、信息化的基礎(chǔ)上，集成過(guò)程、數(shù)據(jù)、流程、虛實(shí)等，構(gòu)建以信息流為核心的數(shù)字化空間，通過(guò)數(shù)據(jù)流動(dòng)，完成信息閉環(huán)和產(chǎn)品制造過(guò)程從訂單到交付的全過(guò)程。其中，數(shù)字化過(guò)程主要從兩個(gè)集成開(kāi)展。

2.4.1? ?制造生命周期的流程與信息集成

作為產(chǎn)品制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，數(shù)字化要實(shí)現(xiàn)企業(yè)決策、車(chē)間執(zhí)行、控制層與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的通信鏈路，實(shí)現(xiàn)制造流程從上至下、從下至上的順暢聯(lián)通，以確保全流程集成，實(shí)現(xiàn)各環(huán)節(jié)無(wú)縫連接，包括產(chǎn)品的訂單分解、派工、加工制造、返修、報(bào)廢、試驗(yàn)、交付等過(guò)程，做到全過(guò)程環(huán)環(huán)相扣，同時(shí)，對(duì)過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行全過(guò)程記錄，包括制造過(guò)程（如階段、工序、工步等）和制造資源（如儀器、設(shè)備、工裝、人員、工位、環(huán)境等）以及產(chǎn)品狀態(tài)變化（如返工、軟件狀態(tài)等），實(shí)現(xiàn)制造全過(guò)程可追溯、可復(fù)現(xiàn)、數(shù)據(jù)可重用。

2.4.2? ?制造過(guò)程虛實(shí)集成

車(chē)間數(shù)字化是物理空間和信息空間的融合，即虛擬空間的產(chǎn)線模擬仿真、排程運(yùn)算、運(yùn)行仿真等與現(xiàn)實(shí)空間各產(chǎn)線、制造設(shè)備、人員、資源相映射并可發(fā)生的信息交互。現(xiàn)實(shí)空間的活動(dòng)需在信息空間實(shí)時(shí)反應(yīng)，比如，現(xiàn)場(chǎng)的加工進(jìn)度、現(xiàn)場(chǎng)的異常都需要在信息空間及時(shí)準(zhǔn)確呈現(xiàn)，以便決策者做出科學(xué)決策。同時(shí)，所做的每一項(xiàng)決策都需通過(guò)信息空間反饋到物理空間上，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備、資源、人員以及任務(wù)等控制或調(diào)整。虛實(shí)集成是數(shù)字化的重要組成部分，也是構(gòu)建賽博物理系統(tǒng)（CPS）走向智能制造的核心。

3? ? ?結(jié) 語(yǔ)

車(chē)間數(shù)字化是目前車(chē)間制造的發(fā)展方向，也是制造業(yè)搶奪智能制造制高點(diǎn)的主戰(zhàn)場(chǎng)。本文通過(guò)探討車(chē)間數(shù)字化的框架與實(shí)現(xiàn)過(guò)程，解析標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化、信息化與數(shù)字化的含義，并研究過(guò)程關(guān)注點(diǎn)，希望能為數(shù)字化制造車(chē)間建設(shè)提供幫助，助力制造行業(yè)向數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型。

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[收稿日期]2020-09-11