基于模型和數據驅動的復雜重型裝備管理系統(tǒng)設計

景群平

(中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710018)

0 前言

當前，市場對復雜重型裝備產品的大型化、智能化、可靠性和生產能力極限化要求越來越高，面對客戶多品種小批量、交貨周期縮短等需求的變化，為了降低成本，縮短交付時間，始終如一地重新配置生產過程變得更加重要，制造工廠和價值鏈網絡需要足夠靈活，以更快地向市場提供響應消費者定制需求的產品，此外生產過程也需要足夠透明，能夠對整個價值鏈中發(fā)生的變化或意外事件做出反應[1]。

互聯網的發(fā)展為制造業(yè)提供了機會，使資源配置、研發(fā)方式、研發(fā)周期、產品性能優(yōu)化、全生命周期管理和商業(yè)模式等方面產生了巨大的變革[2]。在全球范圍內進行產品設計、制造和服務的異地協作，開展數據傳輸、計算、共享等業(yè)務，以實現資源的有效配置，更好地滿足客戶對產品的個性化需求。復雜重型裝備具有結構復雜、制造流程多、開發(fā)周期長的特點，在此基礎上，通過網絡、通信、傳感、云計算、大數據分析等技術將復雜重型裝備的設計、制造、運行維護等各個環(huán)節(jié)有機地聯系起來，開展以模型為基礎的研發(fā)、設計、制造、運維服務一體化運作是未來裝備制造發(fā)展的趨勢。

中國制造業(yè)目前還處在以模型為導向的設計/制造/服務整合的初級階段，主要體現在沒有構建完整的基于網絡的協作平臺[3]；目前，還沒有一個能夠實現高層次的設計和生產一體化的網絡生產環(huán)境，生產流程的數字化水平不高；在服務和健康管理等涉及高附加值技術的領域進步不大；行業(yè)內目前還沒有制定相關的規(guī)范制度、法規(guī)框架等。支撐重型裝備制造業(yè)協同的手段從單一的工具(如CAx、EAM、LES)應用，到MES、ERP、SCM、CRM、PLM等大型信息化系統(tǒng)的集成部署；從2D設計圖樣到3D設計模型，再到基于模型定義(MBD)的產品數據集。上述信息技術手段的利用能夠提高新產品的開發(fā)速度和設計效率，對生產過程進行實時感知、數據采集、狀態(tài)監(jiān)控，推進各個環(huán)節(jié)的數據共享，從而實現了生產過程的無縫銜接和企業(yè)之間的協同制造。

復雜重型裝備通常表現為體量大、質量大、結構復雜，其技術指標往往接近裝備的物理極限，其設計、制造、交付、運維等環(huán)節(jié)具有跨組織、跨學科、跨行業(yè)、知識/技術密集的特點，體現交叉領域高、精、尖技術的集成。在商業(yè)上，復雜重型裝備具有高附加值，處在價值鏈的高端，其發(fā)展水平決定產業(yè)鏈的整體競爭力。在生產運營中，復雜重型裝備的生產往往由有資質的項目總包方牽頭，匯集大量制造參與方，通過個性化定制和單件小批的生產模式進行生產。在生產過程中，復雜重型裝備的種種特性使得制造各相關方需要運用有效的交互方式進行相互溝通，并利用數據驅動的方法來對其整個生命周期進行管理，這一切給復雜重型裝備的運營帶來了巨大的挑戰(zhàn)。基于此，本文在對復雜重型裝備協同管理系統(tǒng)分析的基礎上，基于模型和數據雙重驅動建模，構建復雜裝備的管理框架，并對模型框架進行詳細分析。

1 復雜重型裝備的全生命周期一體化運營流程

模型驅動的設計/制造/服務一體化集成，是實現工業(yè)化和信息化高度融合的具體表現。當前在世界各地開展產品設計、制造、服務的異地協作已成為可能，基于統(tǒng)一標準格式的數據傳輸、云計算、知識共享等服務，有利于資源的高效配置，滿足了客戶對大規(guī)模個性化定制的需求。模型驅動的復雜產品設計、制造、運維一體化集成是未來高端裝備制造業(yè)發(fā)展的趨勢。

傳統(tǒng)的產品設計方式中，設計人員將設計模型、設計圖紙和相關文件提交給制造部門后，整個設計流程就已經完成，面向制造的設計、面向裝配的設計、面向維護的設計、面向維護的設計等都是在設計階段進行的。基于模型的復雜產品設計與傳統(tǒng)的設計方法相比，具有很大的差異。如圖1重型裝備的全生命周期一體化運營流程所示為基于模型的復雜產品設計/制造/服務一體化開發(fā)過程，該流程從對用戶需求進行分析到以功能/性能為導向的產品設計[4]；同時，設計模型、文檔等也要傳遞至制造環(huán)節(jié)，通過裝配加工，最終生成產品的實際尺寸、裝配參數和缺陷信息，并將其反饋給設計過程，使產品設計、制造、運維環(huán)節(jié)不斷循環(huán)迭代，最終形成面向最終用戶的產品實例，從而向用戶交付具有唯一產品設計參數和模型的個性化定制產品。通過對模型的分析，可實現設計過程自動化，例如仿真、代碼的自動分析，以及設計文件的自動生成，從而使設計者從單調的重復工作中解脫出來，專注于設計圖紙。

圖1 復雜重型裝備的全生命周期一體化運營流程

從制造業(yè)的發(fā)展趨勢上看，模型驅動的設計/制造/服務技術是未來的發(fā)展趨勢，是實現數字化制造、智能制造的前提，在產品設計、工藝設計、工藝仿真、加工裝配、性能檢驗等方面，都能極大地提升產品開發(fā)的數字化程度。

2 基于數據驅動的復雜重型裝備管理系統(tǒng)構建

復雜裝備是國民經濟建設的重要基礎裝備，如工程機械、機床等，一般具有功能結構復雜、使用環(huán)境和作業(yè)工況復雜多變，以及操作和使用維護復雜等特點，其個性化、適應性和智能化一直是學術界和企業(yè)界關注的重點和難題。隨著物聯網、CPS以及大數據、人工智能等技術的快速發(fā)展，使得收集、分析和挖掘越來越多的產品生命周期相關數據并提供給設計人員成為可能。其中，產品在役期間所產生的大量數據中蘊含著更為準確和客觀的信息，如何有效利用產品使用和運行數據為復雜裝備設計領域和應用帶來新的機遇和挑戰(zhàn)。

近年來，企業(yè)界和學術界已開始注意到產品使用階段的反饋數據采集和分析，已有成果多以電子消費類產品為主要分析對象，通過收集和挖掘社交網絡和評論網站等客戶觀點數據和產品使用信息，為產品研發(fā)提供支持[5]。相對于電子消費類產品，復雜裝備不但結構復雜，承受載荷及運行狀態(tài)和運行環(huán)境往往也復雜多變，這類產品運行數據具有多源、實時、大量和異構等特點，現有消費類產品使用大數據的分析成果難以直接適用于復雜裝備的研發(fā)。

復雜重型裝備管理系統(tǒng)主要有生產管理、質量管理、能源管理和環(huán)保管理四個子模塊構成。

2.1 生產管理

生產管理主要實現訂單管理、生產計劃制定、作業(yè)計劃制定、物流調度、庫存管理等功能，實現一體化計劃調度。根據市場需求預測、訂單情況和當前生產能力制訂每月生產計劃，并結合生產實際將生產計劃轉換為每日作業(yè)計劃；根據外部變化(插單/撤單、環(huán)保等)、內部變化(質量偏差、時間偏差、設備故障等)及時調整，支撐連續(xù)緊湊、動態(tài)有序生產。

具體地，如圖2重裝企業(yè)生產管理流程圖所示，系統(tǒng)接收訂單，根據訂單的交貨期確定生產計劃的優(yōu)先級，利用訂單中的鋼種、規(guī)格、產品種類等信息確定工藝路徑[25]。然后，根據訂單中需求數量和產品成材率，推算出各工序需要產出的半成品數量以及所需原料數量，然后參考庫存管理系統(tǒng)中的庫存信息，實現智能搜索余材撿配(充當)，這樣便可推算出各個工序實際產出的半成品數量以及實際所需原料數量，根據生產設備信息，進行生產組合由此生成生產計劃。在實際生產過程中，系統(tǒng)將生產計劃轉換為日作業(yè)計劃?？紤]到生產過程中的異常擾動，如果發(fā)生設備故障，系統(tǒng)能夠實現動態(tài)預測交貨期影響，若對交貨期產生影響，則提高優(yōu)先級重排生產計劃；根據檢化驗數據判定產品質量，對不合格產品重新安排作業(yè)計劃；考慮插單、退貨、撤單等外部變化帶來的余材的變化，重新安排生產計劃；考慮各工序間生產設備負荷均衡、環(huán)保指標的變化等，實現作業(yè)計劃動態(tài)調整。

圖2 重裝企業(yè)生產管理流程圖

為實現生產管理功能，需要打通與ERP系統(tǒng)之間的接口，采集訂單信息、工藝規(guī)程信息等數據，同時需要集成物流系統(tǒng)的數據，與EMS系統(tǒng)通訊，獲取能源數據，與現場各一級控制系統(tǒng)、二級系統(tǒng)通訊，采集各一級控制系統(tǒng)、二級系統(tǒng)關鍵工藝參數、關鍵設備狀態(tài)等實時信息、工藝參數批次匹配信息等，實現作業(yè)實時監(jiān)控、設備狀態(tài)監(jiān)控等，如圖3生產管理數據集成所示。

圖3 生產管理數據集成

2.2 質量管理

質量管理主要實現產品質量和工藝規(guī)程數字化，規(guī)范質量管控基準，并將質量標準下發(fā)二級生產系統(tǒng)，對二級生產系統(tǒng)實行質量實時監(jiān)控，對不符合質量標準的產品進行質量追溯，最終形成質量一貫制監(jiān)控。

具體地，如圖4質量一貫制監(jiān)控流程所示。接收訂單后，根據訂單規(guī)格，判斷能否滿足客戶質量需求，若能滿足，則接受訂單，將訂單數據存入訂單管理系統(tǒng)。然后根據質量要求設計工藝路徑，設定工藝參數，最終生成生產計劃。將工藝參數下發(fā)二級生產控制系統(tǒng)，對二級控制系統(tǒng)的工藝參數進行實時監(jiān)控，根據檢化驗數據對產品質量進行判定，若不符合質量標準，則進行質量改判，可以根據質量改判結果對生產計劃進行重排，如果客戶對產品質量提出異議，可通過物流跟蹤系統(tǒng)進行質量追溯，查找質量不合格的原因[6-7]。

圖4 質量一貫制監(jiān)控流程

為實現質量管理功能，需要以工廠數據庫為基礎數據平臺，與現場各一級控制系統(tǒng)、二級系統(tǒng)通訊，采集各一級控制系統(tǒng)、二級系統(tǒng)關鍵工藝參數、關鍵設備狀態(tài)等實時信息、工藝參數批次匹配信息等，同時通過與系統(tǒng)接口組件(與第三方系統(tǒng)通訊的接口)可與MES系統(tǒng)、LIMS系統(tǒng)、表檢系統(tǒng)通訊，采集各MES系統(tǒng)作業(yè)計劃數據、原料化驗數據、過程化驗分析數據、產品質量數據等。

質量管理系統(tǒng)需實現全流程質量多源異構數據的集成，主要與MES等生產系統(tǒng)對接，提供外部寫入接口，采集生產系統(tǒng)相關的生產實績，訂單計劃等數據；與LIMS系統(tǒng)對接獲得檢化驗相關數據，與ERP系統(tǒng)對接獲得訂單相關數據，與物流系統(tǒng)對接獲得生產爐次的啟停實際相關數據；與工廠數據庫對接獲得實時數據庫中的相關參數數據，以及工廠數據庫系統(tǒng)完成的批次匹配相關數據，如爐次的開始結束時間，及工藝參數在某一個批次中的開始結束時間，通過這些時間獲得一個批次中的某個工藝參數的所有實時數據，如圖5質量管理系統(tǒng)數據集成所示。

圖5 質量管理系統(tǒng)數據集成

2.3 能源管理

能源管理主要實現水、電等能源數據的自動采集、分時歸檔、匯總統(tǒng)計和共享訪問，替代人工抄表，并實現能源數據的實時監(jiān)測，及時發(fā)現高耗能單位和設備運行安全信息，實現安全報警；通過加強峰谷電管理、設備運行管理、單耗管理能夠降低能源成本。提供分廠與機臺分時電費核算、能耗指標管理、動態(tài)潮流及曲線、用能設備狀態(tài)統(tǒng)計、需量電費測算、報表管理等功能；能源管理更加精細化，降低公司能源消耗費用。根據各分廠過往用能情況，建立數學模型和仿真模型，對能源需求進行預測，實現不同工廠能源精準供應；基于能量流網絡實現多能源介質優(yōu)化配置。

能源管理系統(tǒng)從功能層次上設計為三層結構：底層為信息采集層，中層為數據處理層，上層為應用管理層[8]。其中，信號采集層由RTU、PLC、數據采集站等采集設備組成，主要實現數據采集和實時控制；中層設備是數據采集(I/O)服務器和數據庫服務器，主要完成實時數據處理和短時歸檔；上層主要設備有應用服務器、調度操作站等。上述設備在各種軟件支持下組成功能齊全的系統(tǒng)，實現過程控制、平衡調度和能源信息管理。

實現能源管理功能，如圖6能源管理系統(tǒng)數據集成所示，按照ERP財務核算需要，EMS系統(tǒng)向ERP上傳車間、爐座的能源(回收)消耗數據，其中組織代碼、物料編碼由ERP提供，成本中心定義由ERP提供；根據EMS能源成本統(tǒng)計模塊需要，ERP向EMS提供能介價格數據；接口方式為DBLink。

圖6 能源管理系統(tǒng)數據集成

2.4 環(huán)保管理

環(huán)保管理通過對氮氧化物、二氧化碳、二氧化硫、粉塵顆粒等污染物排放的檢測，實現污染物排放數據自動采集，建立物質流網絡分析各生產工序污染物排放情況；并且實現合理分配各分廠污染物排放指標，對污染物超標排放進行預警；優(yōu)化生產過程，減少鋼鐵工業(yè)能源需求和污染物排放。

環(huán)保管理作為企業(yè)管理的主要組成部分，直接影響企業(yè)的生產經營活動，甚至影響到企業(yè)在政府和公眾心目中的形象。目前，重裝企業(yè)應用系統(tǒng)只采集了外排點排放數據，進行了報表和曲線展示，在能源SCADA中做了少量除塵設備運行監(jiān)控畫面，沒有實現環(huán)保數據整合、分析，環(huán)保經濟分析，對于環(huán)保突發(fā)事件沒有系統(tǒng)應急措施。環(huán)保管控數據點數較多，無法通過擴展實現環(huán)保精細化管控，為了適應將來發(fā)展需求的環(huán)保精細管控系統(tǒng)信息平臺，提升環(huán)保管理水平，使企業(yè)適應國家綠色發(fā)展方針政策，實現依法合規(guī)生產。

實現環(huán)保管理功能，需采集煙氣煙塵大氣的指標數據。環(huán)保數據由環(huán)保數采儀進行采集，向環(huán)保精細管控系統(tǒng)提供二氧化硫、氮氧化物、煙塵、PM2.5、PM10等污染因子的含量、流速、壓力、流量等屬性的實時值、小時值、日均值等，通訊協議采用HJ212-2017協議。

環(huán)保系統(tǒng)從綜合數據采集平臺獲取實時的環(huán)保機組的運行狀態(tài)，獲取環(huán)保設備的電流、電壓、壓差、流量、溫度等信息，綜合數據采集平臺應滿足數據的實時性、穩(wěn)定性、完整性要求；通訊協議采用OPC協議，接口方式為Suitlink。

設備管理系統(tǒng)向環(huán)保系統(tǒng)提供環(huán)保設備基本信息、檢修情況，接口方式為DBLink；鐵前MES系統(tǒng)需要提供固/危廢的產生量、庫存量、投料量等信息；接口方式為DBLink；計量系統(tǒng)提供固/危廢的來源、去向、重量、車號等信息，接口方式為DBLink；同時需要將公司的視頻網接入環(huán)保管理系統(tǒng)，實現對排放的實時監(jiān)控，通訊方式為RTSP。環(huán)保管理系統(tǒng)數據集成如圖7環(huán)保管理系統(tǒng)數據集成所示。

圖7 環(huán)保管理系統(tǒng)數據集成

3 總結

本文在分析復雜重型裝備行業(yè)制造現狀與發(fā)展趨勢的基礎上，針對復雜重型裝備的訂單式定制生產，完成了基于數據驅動的復雜重型裝備管理系統(tǒng)構建。該系統(tǒng)為分析雙重驅動下的復雜重型裝備制造企業(yè)的戰(zhàn)略管控綜合分析奠定了良好的基礎，為解決制造企業(yè)網絡協同制造戰(zhàn)略管控提供了理論框架。