數(shù)字化工廠及其關(guān)鍵技術(shù)研究

莊天天

摘 要：隨著制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)壓力的日益增加，數(shù)字化工廠概念被提出并不斷完善。企業(yè)為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，滿足用戶對(duì)產(chǎn)品日益靈活的需求，提高自身核心競(jìng)爭(zhēng)力從而占領(lǐng)更大的市場(chǎng)份額，越來(lái)越多地開(kāi)始選擇建設(shè)數(shù)字化工廠，進(jìn)行精益化生產(chǎn)與管理。通過(guò)大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等信息技術(shù)的應(yīng)用，企業(yè)可以對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行全過(guò)程和全周期的檢驗(yàn)和分析，利用仿真模擬技術(shù)來(lái)提高生產(chǎn)效率并保證產(chǎn)品質(zhì)量。因此，數(shù)字化工廠對(duì)我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展意義重大。為了能夠更好地提高其應(yīng)用質(zhì)量，本文著重對(duì)數(shù)字化工廠及其相關(guān)技術(shù)進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化工廠;全生命周期;產(chǎn)品加工

中圖分類號(hào)：TK278 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）26-0029-03

Research on Digital Chemical Plant and Its Key Technologies

ZHUANG Tiantian

（CNOOC Gas & Power Group Co.， Ltd.，? Beijing 100028）

Abstract： With the increasing competitive pressure in manufacturing industry， the concept of digital chemical plant has been put forward and continuously improved. In order to better improve product quality， meet users' increasingly flexible needs for products， improve their core competitiveness and occupy a larger market share， more and more enterprises begin to choose to build digital chemical plants for lean production and management through the application of information technologies such as big data， Internet of things and cloud computing， Enterprises can inspect and analyze the whole process and cycle of production process， and use simulation technology to improve production efficiency and ensure product quality. Therefore， digital chemical plant is of great significance to the development of China's manufacturing industry. In order to better improve its application quality， this paper focuses on the analysis of digital chemical plant and its related technologies.

Keywords： digital chemical plant;manufacturing full life cycle;product processing

人類步入現(xiàn)代社會(huì)的重要標(biāo)志之一就是工業(yè)體系的形成及其技術(shù)的發(fā)展。隨著近年來(lái)各國(guó)制造業(yè)的飛速發(fā)展，不斷提升的制造精度使市場(chǎng)中各種各樣高質(zhì)量的產(chǎn)品層出不窮，從而導(dǎo)致競(jìng)爭(zhēng)日益激烈。制造業(yè)現(xiàn)在面臨著非常大的競(jìng)爭(zhēng)壓力，為了能夠更好地應(yīng)對(duì)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)壓力，各企業(yè)都在積極探索如何改變和調(diào)整生產(chǎn)模式、降低工作成本、提升工廠效率，于是數(shù)字化工廠應(yīng)運(yùn)而生。數(shù)字化生產(chǎn)的本質(zhì)是通過(guò)數(shù)字化技術(shù)和相應(yīng)軟件對(duì)整體工藝與生產(chǎn)線進(jìn)行設(shè)計(jì)與規(guī)劃，從而提高生產(chǎn)效率。

1 數(shù)字化工廠概述

1.1 數(shù)字化工廠的概念

要探討數(shù)字化工廠，首先需要明確工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基本概念。2012年工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)被提出，隨后，越來(lái)越多的企業(yè)加入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)中。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是新一代信息通信技術(shù)與工業(yè)經(jīng)濟(jì)深度融合的新型基礎(chǔ)設(shè)施、應(yīng)用模式和工業(yè)生態(tài)，通過(guò)對(duì)人、機(jī)、物、系統(tǒng)等的全面連接，構(gòu)建起覆蓋全產(chǎn)業(yè)鏈、全價(jià)值鏈的全新制造和服務(wù)體系。其本質(zhì)是通過(guò)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)來(lái)連接企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)各環(huán)節(jié)中的客戶、供應(yīng)商、設(shè)備以及生產(chǎn)裝置等多個(gè)部分，使得產(chǎn)業(yè)鏈上下游連接更加緊密，確保不同地域之間的生產(chǎn)關(guān)系能夠擺脫時(shí)空限制，達(dá)到互聯(lián)互通的效果。數(shù)字化工廠在近幾年的發(fā)展中以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為依托，通過(guò)智能化和數(shù)字化技術(shù)的研究與應(yīng)用對(duì)自身的整體制造和服務(wù)體系進(jìn)行改造和提升。數(shù)字化工廠的主要應(yīng)用場(chǎng)景包括生產(chǎn)線數(shù)字化、設(shè)計(jì)仿真和評(píng)價(jià)數(shù)字化、制造設(shè)備數(shù)控化、車間執(zhí)行與分析數(shù)字化4個(gè)方面，涵蓋生產(chǎn)制造的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、流通、工藝及通信等多個(gè)部分，以提高生產(chǎn)效率來(lái)達(dá)到嚴(yán)控產(chǎn)品質(zhì)量的目標(biāo)。近年來(lái)，隨著數(shù)字化技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字化工廠的建設(shè)也衍生出很多分支，但是數(shù)字化發(fā)展的根本路徑還是在于利用數(shù)字化技術(shù)對(duì)工廠進(jìn)行自動(dòng)化與信息化整合，是未來(lái)實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)、智能工廠等建設(shè)目標(biāo)的重要內(nèi)容[1]。

1.2 數(shù)字化工廠的特點(diǎn)

通過(guò)數(shù)字化技術(shù)對(duì)工廠生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)模式的改造，數(shù)字化工廠可以極大地提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，是企業(yè)提高自身核心競(jìng)爭(zhēng)力和獲得更高市場(chǎng)收益的重要方法之一。具體來(lái)說(shuō)，數(shù)字化工廠技術(shù)具有以下4個(gè)特點(diǎn)。

1.2.1 縮短投放周期。通過(guò)數(shù)字化技術(shù)的支持，產(chǎn)品的全生命周期管理都可以借助軟件來(lái)輔助完成。從設(shè)計(jì)、裝配到后期的分析與評(píng)價(jià)，數(shù)字化技術(shù)使各類數(shù)據(jù)交互更加方便，從而縮短了產(chǎn)品在市場(chǎng)的投放周期。

1.2.2 提高經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)濟(jì)效益的提高主要包括兩個(gè)方面：一是降低產(chǎn)品研發(fā)成本，通過(guò)應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)與測(cè)試均采用軟件完成，從而使新產(chǎn)品研發(fā)使用更少的物理樣機(jī)，降低了設(shè)計(jì)成本、材料成本及設(shè)備成本;二是市場(chǎng)效益，產(chǎn)品擁有更高的生產(chǎn)效率和質(zhì)量，所以在市場(chǎng)中更加受歡迎，提高了市場(chǎng)份額。

1.2.3 提高產(chǎn)品質(zhì)量。一方面，數(shù)字化工廠可以有效檢查出產(chǎn)品中存在的缺陷，有利于企業(yè)調(diào)整生產(chǎn)工藝，減少產(chǎn)品缺陷。另一方面，數(shù)字化工廠能夠有效地對(duì)產(chǎn)品的全生命周期進(jìn)行模擬，從而更好地優(yōu)化產(chǎn)品的生產(chǎn)流程，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量[2]。

1.2.4 優(yōu)化勞動(dòng)環(huán)境。通過(guò)數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用，生產(chǎn)人員可以在高效的信息共享環(huán)境和數(shù)控加工環(huán)境下工作，避免長(zhǎng)時(shí)間在環(huán)境較差的生產(chǎn)車間工作，一定程度上減少了勞動(dòng)量，降低了職業(yè)健康病的發(fā)生率，提高了生產(chǎn)質(zhì)量。

1.3 數(shù)字化工廠的發(fā)展意義

數(shù)字化工廠是擴(kuò)展產(chǎn)業(yè)鏈的重要途徑，在制造業(yè)中涉及的領(lǐng)域非常廣泛。隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)有越來(lái)越多的仿真技術(shù)、數(shù)控工具被應(yīng)用到生產(chǎn)中。相對(duì)于一些發(fā)達(dá)國(guó)家來(lái)說(shuō)，我國(guó)的制造業(yè)雖然在實(shí)力上毫不遜色，但是數(shù)字化的程度并不是很高，虛擬樣機(jī)等設(shè)備的投入也并不是很廣泛。但是，在5G技術(shù)和相關(guān)設(shè)備的研發(fā)下，我國(guó)已經(jīng)逐漸從傳統(tǒng)機(jī)械制造轉(zhuǎn)向了數(shù)字化和智能化制造模式。數(shù)字化工廠及相關(guān)技術(shù)為制造業(yè)帶來(lái)了非常重要的發(fā)展機(jī)遇，也是各企業(yè)未來(lái)一段時(shí)間的重要戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo)。只有不斷優(yōu)化和改善數(shù)字化工廠體系中各類建模、仿真等技術(shù)的應(yīng)用，才能更好地滿足當(dāng)前我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展，為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供更加有力的支持，而只有使用數(shù)字化工廠才能夠更好地滿足社會(huì)大眾對(duì)商品加工的深度需求[3]。

2 數(shù)字化工廠關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用

2.1 5G技術(shù)的應(yīng)用

5G通信技術(shù)與工業(yè)經(jīng)濟(jì)的深度融合為工業(yè)乃至產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展提供了新的實(shí)現(xiàn)途徑，其傳輸速率快、延時(shí)低、連接可靠的特點(diǎn)可以有效滿足當(dāng)前制造業(yè)在數(shù)字化工廠建設(shè)中的具體需求，特別是能夠更好地滿足當(dāng)前各企業(yè)在工業(yè)環(huán)境中的遠(yuǎn)程交互與設(shè)備互聯(lián)的需求。下面介紹4個(gè)5G技術(shù)在數(shù)字化工廠中的具體應(yīng)用。

2.1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。數(shù)字化工廠建設(shè)的首要需求就是要保證各個(gè)設(shè)備的可控性和信息共享能力。物聯(lián)網(wǎng)是將設(shè)備串聯(lián)起來(lái)，保證數(shù)據(jù)有效傳遞的重要技術(shù)，而5G技術(shù)加快了數(shù)據(jù)傳遞與共享的速率和穩(wěn)定性，使物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用效果得到了極大提升[4]。

2.1.2 自動(dòng)化。近年來(lái)，隨著數(shù)控技術(shù)體系的完善，我國(guó)很多企業(yè)都在工業(yè)自動(dòng)化上取得了不小的進(jìn)步，在工業(yè)生產(chǎn)上不僅達(dá)到了毫秒級(jí)的程序響應(yīng)能力，還能夠保障數(shù)據(jù)安全，而5G的超低延時(shí)性使得設(shè)備的可靠性進(jìn)一步增強(qiáng)。

2.1.3 物流追蹤。物流追蹤是制造業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈條中的重要一環(huán)，無(wú)論是對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)管理還是物流配送而言，加強(qiáng)上下游的有效連接都能更好地幫助企業(yè)來(lái)優(yōu)化物流環(huán)節(jié)，意味著具有低成本、高連接性、高覆蓋性和傳輸性的通信技術(shù)十分重要，而5G能更好地滿足這些需求，成為數(shù)字化工廠的重要建設(shè)內(nèi)容。

2.1.4 工業(yè)AR和云化機(jī)器人。工業(yè)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）是一種具有多功能性和靈活性的技術(shù)。通過(guò)AR技術(shù)對(duì)生產(chǎn)流程進(jìn)行監(jiān)控和管理，再通過(guò)遠(yuǎn)程專家的幫助對(duì)生產(chǎn)中各個(gè)業(yè)務(wù)流程進(jìn)行分步指引。當(dāng)然，工業(yè)AR并未大規(guī)模普及，現(xiàn)階段AR頭盔或者眼鏡也只是應(yīng)用于一些大型工廠中，在未來(lái)將進(jìn)一步得到普及。此外，通過(guò)云機(jī)器人來(lái)對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行柔性化管理，收集、分析并反饋相關(guān)數(shù)據(jù)[5]。

2.2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)和應(yīng)用仿真

數(shù)字化工廠將生產(chǎn)及其后續(xù)過(guò)程數(shù)字化，進(jìn)而提高產(chǎn)品質(zhì)量和管理效率，對(duì)生產(chǎn)流程、資金、物流進(jìn)行全過(guò)程管理。所以，數(shù)字化工廠本質(zhì)上也是一個(gè)巨大的信息庫(kù)。從產(chǎn)品的應(yīng)用角度來(lái)看，產(chǎn)品設(shè)計(jì)和其功能領(lǐng)域中需要用到的信息化系統(tǒng)較多，包括計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，CAD）、計(jì)算機(jī)輔助工藝過(guò)程設(shè)計(jì)（Computer Aided Process Planning，CAPP）、計(jì)算機(jī)輔助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）以及產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（Product Data Management，PDM）等子系統(tǒng)。而從產(chǎn)品的生產(chǎn)和銷售過(guò)程來(lái)看，它還需要用到客戶關(guān)系管理和決策支持等系統(tǒng)。換個(gè)角度來(lái)看，要想更好地對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，需要以這些數(shù)據(jù)庫(kù)和信息系統(tǒng)為平臺(tái)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真，這是數(shù)字化工廠的重點(diǎn)所在。以車輛的側(cè)圍內(nèi)板焊裝線的設(shè)計(jì)與仿真為例，其主要的設(shè)計(jì)仿真工作是對(duì)汽車焊裝夾具與側(cè)圍內(nèi)板焊裝生產(chǎn)線進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真，可以對(duì)焊槍、機(jī)器人進(jìn)行選型和設(shè)計(jì)，并選擇合適的軟件來(lái)仿真模擬焊裝生產(chǎn)線工作站?？梢哉f(shuō)，在工業(yè)流程上，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)線的仿真流程是有一定模板的，細(xì)節(jié)內(nèi)容還需要根據(jù)具體情況來(lái)分析[6]。

2.3 工作流管理

工作流管理是數(shù)字化工廠建設(shè)中一項(xiàng)十分重要的內(nèi)容，也是建立起數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。數(shù)字化工廠通過(guò)線上定義工作流對(duì)數(shù)字化工廠的任務(wù)、人員、軟件、工具及相關(guān)數(shù)據(jù)等進(jìn)行調(diào)節(jié)和分配，相較于傳統(tǒng)的工廠管理模式，能極大地提高數(shù)據(jù)的流通性和系統(tǒng)的工作效率。鑒于工作流的重要性，在數(shù)字化工廠建設(shè)過(guò)程中，企業(yè)需要對(duì)工作流進(jìn)行抽象建模，用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言與數(shù)據(jù)庫(kù)交互操作將實(shí)際的生產(chǎn)與業(yè)務(wù)流程轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)程序的形式，輔助企業(yè)完成精益化管理工作。具體來(lái)說(shuō)，企業(yè)需要通過(guò)工作流模型完成3方面的工作，分別是對(duì)工作流程的定義、工作過(guò)程的控制和運(yùn)行流程的交互。而工作流本身也分為多個(gè)類型，如基于任務(wù)推動(dòng)和目標(biāo)拉動(dòng)的、面向文檔和面向過(guò)程的、基于郵件和基于數(shù)據(jù)庫(kù)的，但是工作流管理因應(yīng)用的廣泛性可以在各類軟硬件組件的支持下滿足各項(xiàng)功能需求，具體如圖1和圖2所示。

此外，數(shù)字化工廠的工作流管理系統(tǒng)還需要注重靈活性和可擴(kuò)展性，要具備流程嵌套和可修改約束規(guī)則的能力，支持業(yè)務(wù)工作流程的快速上線。

3 結(jié)語(yǔ)

本文探討了數(shù)字化工廠的相關(guān)內(nèi)容，針對(duì)數(shù)字化工廠的概念、特點(diǎn)和應(yīng)用意義進(jìn)行闡述，對(duì)其中的5G技術(shù)、設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)和工作流管理系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究?；谥圃鞓I(yè)的升級(jí)以及智能化的發(fā)展需求，我國(guó)各企業(yè)都應(yīng)該提高對(duì)數(shù)字化工廠技術(shù)的認(rèn)識(shí)，加強(qiáng)對(duì)數(shù)字化工廠的建設(shè)，提高產(chǎn)品全生命周期的管控效率與質(zhì)量，進(jìn)而更好地保障我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

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