互聯(lián)網(wǎng)時代的數(shù)字車間發(fā)展

黃俊俊

（新?？萍技瘓F(tuán)有限公司，浙江 慈溪 315300）

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，智能制造得到了各國的高度重視，各國紛紛出臺先進(jìn)制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，以此奪得智能制造的制高點(diǎn)。中國出臺了包括《中國制造2025》在內(nèi)的相關(guān)政策，試圖在相應(yīng)領(lǐng)域取得成績。智能制造在全球范圍內(nèi)快速發(fā)展，已成為新時代制造業(yè)發(fā)展的趨勢，數(shù)字化車間是現(xiàn)代制造業(yè)智能化發(fā)展的綜合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了自動化管理、自動化制造，相比于國外，我國的數(shù)字化車間的發(fā)展起步晚，數(shù)字化車間的研發(fā)、應(yīng)用，與國外還存在較大差距，甚至存在生產(chǎn)、管理分離、斷層的現(xiàn)象。基于此，本文在論述國內(nèi)外數(shù)字化車間發(fā)展的基礎(chǔ)上，對現(xiàn)階段數(shù)字化車間發(fā)展的框架進(jìn)行概述，并對國內(nèi)成熟的數(shù)字化車間項目進(jìn)行論述，以期為我國數(shù)字化車間的進(jìn)一步發(fā)展提供理論依據(jù)[1]。

1 數(shù)字化車間發(fā)展現(xiàn)狀

數(shù)字化車間是依賴數(shù)字、信息技術(shù)的，是以制造資源、生產(chǎn)造成和產(chǎn)品為核心，通過數(shù)字化的設(shè)計，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造產(chǎn)品進(jìn)行的數(shù)字化虛擬仿真，涵蓋對真實(shí)及其活動的建模和仿真，完成在計算機(jī)上的產(chǎn)品制作、預(yù)測功能檢測及其可加工性分析等。

1.1 國外數(shù)字化車間現(xiàn)狀

數(shù)字化車間在世界制造領(lǐng)域發(fā)展日新月異的今天，國外數(shù)字化車間發(fā)展起步早，朝著高效率、高信息化方向逐步發(fā)展，其智能化水平尤其突出。全球最大的數(shù)字化市場——北美市場，主要涵蓋醫(yī)療設(shè)備、國防科技、航天業(yè)等生產(chǎn)制造。早在十年前，美國為提升工業(yè)效率，節(jié)省制造成本，就提出了“先進(jìn)制造聯(lián)盟”，大力推進(jìn)智能化制造，極大的擴(kuò)大了MES市場需求。而歐洲制造企業(yè)更注重能耗及其生產(chǎn)效率等指標(biāo)，二十世紀(jì)初，歐盟就提出了“制造明天的競爭力”，旨在提高制造業(yè)生產(chǎn)效率，大力倡導(dǎo)數(shù)字化、智能化和自動化的集成。早期的發(fā)展為國外數(shù)字化車間奠定了良好的基礎(chǔ)。近幾年來，國外分別實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人制造車間全天候生產(chǎn)，真正實(shí)現(xiàn)了高度智能化，從計劃的制定、產(chǎn)品的生產(chǎn)最后到物資的輸送，基本實(shí)現(xiàn)全自動化。

1.2 國內(nèi)數(shù)字化車間現(xiàn)狀

國內(nèi)數(shù)字化車間起步晚，早期國內(nèi)的數(shù)字化車間，定位于計劃層和現(xiàn)場自動化系統(tǒng)之間的執(zhí)行層，主要負(fù)責(zé)生產(chǎn)管理和調(diào)度執(zhí)行，下層的生產(chǎn)控制和上層計劃是獨(dú)立的，一般采用人工設(shè)計計劃，自動化設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)[2]。

近些年來，我國政府大力推進(jìn)制造信息化水平，包括設(shè)計數(shù)字化、生產(chǎn)制造數(shù)字化、管理數(shù)字化等，可以說數(shù)字化制造在國內(nèi)已取得了一定的成效。包括CAD/CAPP/CAE/CAM、MRP/ERP及CIMS的推廣應(yīng)用，不僅改變了傳統(tǒng)的生產(chǎn)設(shè)計，而且已經(jīng)成為了我國現(xiàn)代制造產(chǎn)業(yè)的標(biāo)志。

我國數(shù)字化制造業(yè)與發(fā)達(dá)國家相比，創(chuàng)新能力有待提高，高新技術(shù)方面仍處于劣勢，關(guān)鍵核心技術(shù)還未完全掌控，綜合競爭力薄弱，總體上還處于產(chǎn)業(yè)鏈的中低端。根據(jù)調(diào)查顯示，我國的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)占制造業(yè)的比重僅占美國的三分之一，我國的制造業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)還有待進(jìn)一步的優(yōu)化，數(shù)字化車間的比重還有待進(jìn)一步的提高[3]。

2 數(shù)字化車間發(fā)展趨勢

隨著數(shù)字化車間深入發(fā)展的，目前，數(shù)字化車間呈以下趨勢，一是數(shù)字化車間朝著3D方向轉(zhuǎn)變，形成了基于3D模型的設(shè)計指導(dǎo)設(shè)計，二是通過并和協(xié)同形成生產(chǎn)資源的仿真建模，能夠?qū)υO(shè)計結(jié)果進(jìn)行早期的驗(yàn)證，三是實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的數(shù)字化裝配，四是數(shù)字化制造技術(shù)提供了全新、高效的生產(chǎn)模式，為高效物流、精益生產(chǎn)、多元制造提供輔助，最后，由互聯(lián)網(wǎng)組成的信息科技，實(shí)現(xiàn)了深層次的連接及其數(shù)據(jù)分析。

數(shù)字化車間具有敏捷化、柔韌化特征、特點(diǎn)，對市場變化具有較好的適應(yīng)能力。隨著制作業(yè)由以生產(chǎn)為中心向以市場為需求為中心的轉(zhuǎn)變，我國數(shù)字化車間發(fā)展初見成效，在政府的大力支持下，我國數(shù)字化車間投入力度不斷加大，另外隨著我國制造業(yè)的快速發(fā)展，設(shè)施設(shè)備的自主創(chuàng)新初見成效，3D打印技術(shù)等新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，更為重要的是，制造業(yè)數(shù)字化管理也初見成效，信息化技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。

3 數(shù)字化車間總體設(shè)計

3.1 數(shù)字化車間總體設(shè)計框架

數(shù)字化車間的宗旨在于通過構(gòu)建數(shù)字化環(huán)境，實(shí)現(xiàn)設(shè)施生產(chǎn)、制造的自動化、智能化，不僅能夠輔助人員快捷的、高效的完成產(chǎn)品的設(shè)計、制造，而且使得整個生產(chǎn)流程可視化，更為重要是通過數(shù)字化車間模型，實(shí)現(xiàn)了調(diào)度仿真、優(yōu)劣勢辯證等，使得整個產(chǎn)品在生產(chǎn)前得到充分的論證。

數(shù)字化車間總體設(shè)計，首先設(shè)計人員應(yīng)按照規(guī)劃車間設(shè)施設(shè)備布局，依照產(chǎn)品信息，制定總體的生產(chǎn)工藝方案，確定生產(chǎn)程序。數(shù)字化車間系統(tǒng)需提供各類設(shè)施設(shè)備模型，設(shè)計人員依照3D可視化模式選擇設(shè)備，進(jìn)行合理的規(guī)劃布局。其次，數(shù)字化系統(tǒng)提供數(shù)字化模型，以輔助人員導(dǎo)入模型。待數(shù)字化車間完成建設(shè)后，需要進(jìn)行仿真演習(xí)，以此驗(yàn)證整個生產(chǎn)過程的安全與可靠，根據(jù)仿真演習(xí)的結(jié)果修改設(shè)計規(guī)劃、優(yōu)化方案，最后選擇最佳的方案用于數(shù)字化車間的建設(shè)施工[4]。

數(shù)字化車間正式施工前，需要預(yù)演設(shè)備的運(yùn)行、安裝、產(chǎn)品的組合安裝及其各類輔助設(shè)備的運(yùn)行等，以確保生產(chǎn)過程的順序?qū)嵤?，降低施工失誤，為車間的安全運(yùn)行提供保障。

數(shù)字化車間正式投入后，數(shù)字化車間系統(tǒng)、ERP系統(tǒng)及其真正車間三者之間的互通互連，管理人員按照ERP系統(tǒng)和車間數(shù)據(jù)信息進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)控。在真實(shí)決策下達(dá)之前，還需進(jìn)行數(shù)字化預(yù)演，保證真實(shí)生產(chǎn)的安全、可靠。實(shí)際生產(chǎn)過程中，數(shù)字化車間可以與真實(shí)車間同步進(jìn)行，管理人員進(jìn)行可視化監(jiān)督，及時的處理突發(fā)事件，或直接按照真實(shí)的生產(chǎn)情況，下達(dá)控制指令。

3.2 數(shù)字化車間軟件構(gòu)架

數(shù)字化車間軟件構(gòu)架主要包括以下三個層次，首先，界面層屬于用戶和系統(tǒng)之間的交互接口，用戶可以根據(jù)所設(shè)計的數(shù)字化產(chǎn)品，通過界面層查驗(yàn)各類產(chǎn)品的數(shù)據(jù)模型，以便用戶構(gòu)架產(chǎn)品的仿真模型、數(shù)字模型、數(shù)字加工過程及其仿真結(jié)果的查詢。其次，功能層作為一個應(yīng)用工具集，分別用于獲取數(shù)字化制造產(chǎn)品的設(shè)計信息，產(chǎn)品模型所需零部件、環(huán)境信息等，還可用于對產(chǎn)品制造過程的可加工性及其合理性分析等。最后，數(shù)據(jù)層做為實(shí)現(xiàn)功能層的支撐，主要用于記錄產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息，對產(chǎn)品的仿真數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)等進(jìn)行實(shí)時記錄。

4 國內(nèi)建設(shè)中的數(shù)字化車間

2007年上市的新?？萍技瘓F(tuán)有限公司（前身為寧波新海電氣股份有限 公司）是慈溪一家專業(yè)研發(fā)、生產(chǎn)和銷售各類高品質(zhì)家用噴霧器、打火機(jī)、醫(yī)療器械等產(chǎn)品的企業(yè)，2020年12月，新海高新區(qū)噴霧器工廠被認(rèn)定為2020年浙江省數(shù)字化車間/智能工廠。建立車間內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、逐步完善工廠級工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，完成關(guān)鍵技術(shù)裝備之間、關(guān)鍵信息化管理系統(tǒng)之間、市場需求與企業(yè)制造之間的互聯(lián)互通，整合數(shù)據(jù)資源，完成ERP、PLM、 MES、WMS等系統(tǒng)的互聯(lián)互通，打造噴霧器行業(yè)標(biāo)桿性的數(shù)字化車間。以MES為核心，對生產(chǎn)過程進(jìn)行數(shù)字化、透明化管控，通過與ERP、WMS等協(xié)同集成后，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造過程數(shù)字化。

通過建立車間總體設(shè)計、工藝流程及布局的數(shù)字化模型，采用計算機(jī)輔助設(shè)計、通過CAD、PLM系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)設(shè)計數(shù)字化。以MES為核心，對生產(chǎn)過程進(jìn)行數(shù)字化、透明化管控，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造過程數(shù)字化。建設(shè)物流、生產(chǎn)、檢測自動化和實(shí)時采集的生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)裝備數(shù)字化。建設(shè)立體倉庫，通過WMS、AGV、RFID系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)倉儲配送與生產(chǎn)計劃、制造執(zhí)行以及企業(yè)資源管理等業(yè)務(wù)的集成，實(shí)現(xiàn)物流倉儲數(shù)字化。以ERP為載體，推進(jìn)研、產(chǎn)、供、銷的企業(yè)價值鏈智能化，實(shí)現(xiàn)企業(yè)經(jīng)營管理數(shù)字化[5]。

通過PLM將產(chǎn)品BOM、工藝無縫對接ERP相應(yīng)模塊實(shí)現(xiàn)了設(shè)計數(shù)字化；以MES為核心，通過設(shè)備與設(shè)備，設(shè)備與系統(tǒng)，系統(tǒng)與系統(tǒng)的互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的數(shù)字化管控。通過數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)時獲取設(shè)備狀態(tài)及生產(chǎn)數(shù)據(jù)，管理整個生產(chǎn)過程，掌握關(guān)鍵生產(chǎn)工藝預(yù)警信息，通過大數(shù)據(jù)生成相應(yīng)數(shù)據(jù)報表，實(shí)現(xiàn)裝備數(shù)字化。引入AGV、RFID、全自動機(jī)械手碼垛系統(tǒng)、立體倉庫等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)物流的智能調(diào)度與無人運(yùn)輸，建立全過程物料流管控和全過程產(chǎn)品質(zhì)量追溯體系，實(shí)現(xiàn)物流倉儲數(shù)字化。通過ERP系統(tǒng)，建立人、財、物、產(chǎn)、供、銷科學(xué)完整的數(shù)字化經(jīng)營管理體系，實(shí)現(xiàn)經(jīng)營管理數(shù)字化。

5 結(jié)語

近年來，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、電子信息技術(shù)的不斷發(fā)展給傳統(tǒng)的制造業(yè)、制作技術(shù)帶了革命性的變化，新的思潮、新的生產(chǎn)制造模式不斷更新?，F(xiàn)階段所涌現(xiàn)出來的數(shù)字化車間生產(chǎn)模式，改變了傳統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計理念，已然成為了互聯(lián)網(wǎng)時代制造業(yè)實(shí)現(xiàn)智能制造的主戰(zhàn)場，不僅開啟了制造企業(yè)智能化發(fā)展的起點(diǎn)，也是制造企業(yè)智能化發(fā)展的趨勢所在。提升質(zhì)量的同時，提升生產(chǎn)效率。國外數(shù)字化車間起步早，發(fā)展迅速，而國內(nèi)數(shù)字化車間起步晚。基于此，本文在論述國內(nèi)外數(shù)字化車間發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對現(xiàn)階段數(shù)字化車間發(fā)展的框架進(jìn)行概述，并對國內(nèi)成熟的數(shù)字化車間項目進(jìn)行論述，以期為我國數(shù)字化車間的進(jìn)一步發(fā)展提供理論依據(jù)。