基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字化生產(chǎn)車間設(shè)計

馬麗麗 劉源

傳統(tǒng)制造業(yè)生產(chǎn)車間普遍存在生產(chǎn)過程不透明、效率低下的問題，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展為傳統(tǒng)生產(chǎn)車間數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供了強有力的支撐。本文重點介紹了基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字化生產(chǎn)車間設(shè)計方案，為制造業(yè)車間的數(shù)字化智能化轉(zhuǎn)型提供參考。

一、引言

在傳統(tǒng)制造業(yè)的生產(chǎn)車間中，實時掌握生產(chǎn)狀態(tài)、有效協(xié)調(diào)各方資源以及持續(xù)提升生產(chǎn)效率和產(chǎn)品良率，一直是生產(chǎn)管理者面臨的重大挑戰(zhàn)。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，為這些問題的解決提供了新的思路和工具。通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，可以實時監(jiān)控生產(chǎn)車間的各項數(shù)據(jù)，包括工單執(zhí)行、人員和設(shè)備的狀態(tài)、物料流轉(zhuǎn)、產(chǎn)品質(zhì)量及環(huán)境參數(shù)等，從而精準掌握生產(chǎn)狀態(tài)。同時，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還可以實現(xiàn)設(shè)備間的互聯(lián)互通，實現(xiàn)部門間業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的共享，使得車間協(xié)同更加順暢高效。此外，通過數(shù)字建模和數(shù)據(jù)分析，能夠不斷優(yōu)化生產(chǎn)流程和工藝參數(shù)，持續(xù)提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品良率，為企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。

二、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在數(shù)字化車間的應(yīng)用

傳統(tǒng)制造業(yè)生產(chǎn)車間的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，離不開工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的幾大關(guān)鍵技術(shù)，具體表現(xiàn)為：

感知技術(shù)：數(shù)字化車間首要解決的就是“采不到”問題。應(yīng)用傳感器、RFID、條碼、圖像識別等感知技術(shù)，采集車間人員、機器、原料、工藝流程、環(huán)境和質(zhì)量檢測等信息，實現(xiàn)對復(fù)雜工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的動態(tài)監(jiān)測。

網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)：在完成數(shù)據(jù)的原始采集后，網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)為數(shù)字化車間工業(yè)資源間、工業(yè)資源與上層系統(tǒng)間的互聯(lián)互通提供了可能。主要涉及近程通信技術(shù)和遠程通信技術(shù)。近程通信技術(shù)包括窄帶物聯(lián)網(wǎng)、藍牙、ZigBee等，遠程通信技術(shù)涉及互聯(lián)網(wǎng)的組網(wǎng)、網(wǎng)關(guān)等。

信息處理技術(shù)：主要包括數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)建模分析和數(shù)據(jù)存儲等。在數(shù)字化生產(chǎn)車間中，將采集的工業(yè)生產(chǎn)過程全要素映射到數(shù)字空間，應(yīng)用信息處理技術(shù)對收集到的數(shù)據(jù)進行處理、分析和挖掘，提供生產(chǎn)過程優(yōu)化的決策性支持和預(yù)測性維護等功能。

精準控制技術(shù)：將數(shù)字空間處理后的結(jié)果，作用于生產(chǎn)車間實體的人機料法環(huán)協(xié)作運行中，主要應(yīng)用如SCADA、DCS等系統(tǒng)，或直接通過智能傳感器將工業(yè)控制命令透傳至PLC等底層控制器中，實現(xiàn)設(shè)備的自動化控制和監(jiān)測，促進生產(chǎn)實體間的協(xié)同，提高生產(chǎn)效率和運作效能。

安全管理技術(shù)：制造業(yè)車間數(shù)字化轉(zhuǎn)型，涉及新一代信息技術(shù)與工廠自動化運營技術(shù)OT的深度融合，保證融合過程的安全可靠，不泄露企業(yè)生產(chǎn)核心技術(shù)，是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)部署的關(guān)鍵。主要技術(shù)包括加密認證、防火墻、入侵檢測等，以保障數(shù)據(jù)和設(shè)備的安全。

三、基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字化生產(chǎn)車間設(shè)計

基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字化生產(chǎn)車間，自下而上依次分為設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層和應(yīng)用層。總體架構(gòu)如圖1所示。

（一）設(shè)備層

設(shè)備層是數(shù)字化車間的底層，主要負責(zé)數(shù)據(jù)的采集和設(shè)備的控制。生產(chǎn)車間需重點管控的設(shè)備包括關(guān)鍵性的生產(chǎn)設(shè)備（如CNC機床）、檢驗檢測設(shè)備（如AQI檢測設(shè)備）、物流設(shè)備（如AGV小車）和環(huán)保設(shè)備（如脫硫脫硝裝置）等，通過應(yīng)用智能傳感器等感知技術(shù)，采集設(shè)備數(shù)據(jù)，實時監(jiān)控產(chǎn)品產(chǎn)出、物料配送、員工生產(chǎn)績效、產(chǎn)品質(zhì)量、設(shè)備狀態(tài)、環(huán)境參數(shù)等關(guān)鍵指標(biāo)，為工藝優(yōu)化、提升產(chǎn)能、減少污染、避免非計劃性停機、防范安全生產(chǎn)奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（二）網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層主要負責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸和處理。通過建立穩(wěn)定、可靠的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，保證數(shù)據(jù)的雙向?qū)崟r傳輸和通信質(zhì)量。本層次建設(shè)過程中，應(yīng)主要參照國際主流的通信協(xié)議，如傳統(tǒng)工業(yè)協(xié)議，Modbus、OPC UA等，與有線、無線網(wǎng)絡(luò)，寬帶、窄帶蜂窩網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，進行混合組網(wǎng)。實現(xiàn)設(shè)備間、設(shè)備與系統(tǒng)間、系統(tǒng)與平臺間的數(shù)據(jù)通信和互操作性。

根據(jù)實際需求和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，選擇合適的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，如路由器、交換機、網(wǎng)關(guān)等，并進行合理的配置。需要保證設(shè)備的性能和可靠性，以滿足數(shù)字化車間的網(wǎng)絡(luò)需求。

（三）平臺層

平臺層為企業(yè)業(yè)務(wù)上云、云上數(shù)據(jù)處理和智能化服務(wù)提供支撐。包括云平臺、數(shù)據(jù)服務(wù)平臺和智能服務(wù)組件。

云平臺：是數(shù)字化車間工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的核心基礎(chǔ)設(shè)施，提供計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)資源服務(wù)。在云平臺上，可以部署各類應(yīng)用和數(shù)據(jù)服務(wù)，并實現(xiàn)資源的動態(tài)管理和調(diào)度。

數(shù)據(jù)服務(wù)平臺：是數(shù)字化車間工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)管理和服務(wù)組件，提供數(shù)據(jù)接入、存儲、處理、分析和可視化等功能。數(shù)據(jù)服務(wù)平臺應(yīng)具備分布式存儲和計算能力，以應(yīng)對海量數(shù)據(jù)的處理需求；同時，應(yīng)提供多種數(shù)據(jù)服務(wù)和API接口，方便應(yīng)用層進行數(shù)據(jù)調(diào)用和集成。

智能服務(wù)組件：是數(shù)字化車間工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的智能分析和決策組件，提供車間生產(chǎn)業(yè)務(wù)微服務(wù)組件、低代碼開發(fā)平臺，并內(nèi)置智能監(jiān)測、預(yù)警、診斷等工業(yè)機理模型。

（四）應(yīng)用層

應(yīng)用層主要負責(zé)實現(xiàn)面向車間生產(chǎn)要素的各種生產(chǎn)和管理應(yīng)用。按照車間生產(chǎn)作業(yè)的流程，這一層的建設(shè)重點包括：

生產(chǎn)計劃管理：工單導(dǎo)入車間后，通過實時采集設(shè)備狀態(tài)、物料供應(yīng)等數(shù)據(jù)，及時掌握車間實際生產(chǎn)情況，對車間生產(chǎn)能力進行綜合評估，對產(chǎn)線、工作中心進行智能化排產(chǎn)。

開完工管理：對于自動化程度高的車間，通過工業(yè)智能傳感器感知設(shè)備狀態(tài)，采集生產(chǎn)開完工數(shù)據(jù)，統(tǒng)計生產(chǎn)績效；對自動化程度低且需要人工報工的車間，可依據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動生成報工單，人工以條碼掃描打卡等方式，簡化報工作業(yè)。

上下料管理：通過在物料上采用RFID標(biāo)簽，實現(xiàn)對物料位置和數(shù)量的實時跟蹤和管理，避免物料丟失或因時效性過期帶來的浪費。同時，通過與生產(chǎn)計劃的智能匹配，應(yīng)用智能物流系統(tǒng)，實現(xiàn)物料的自動配送和調(diào)度，進一步提高生產(chǎn)效率。

設(shè)備管理：在設(shè)備上安裝傳感器和執(zhí)行器，可以實時監(jiān)測設(shè)備的運行狀態(tài)，調(diào)用工業(yè)機理模型，自動發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障并進行預(yù)警?？梢勒战７治龅慕Y(jié)果，反控設(shè)備，開展遠程運維，提高設(shè)備的運行效率和可靠性。

質(zhì)量管理：實時采集半成品、產(chǎn)成品質(zhì)量檢測信息，在及時篩查不良品予以報警提示的同時，對質(zhì)量一致性曲線進行分析，對產(chǎn)品質(zhì)量一致性較差的環(huán)節(jié)，調(diào)整工藝參數(shù)、優(yōu)化設(shè)備配置或改進生產(chǎn)流程。

安全和環(huán)境管理：通過布置監(jiān)控系統(tǒng)，對設(shè)備運行狀態(tài)、人員操作情況、環(huán)境條件的變化、能源消耗和污染物排放情況進行實時監(jiān)測，通過設(shè)置閾值和報警機制，在異常情況發(fā)生時及時發(fā)出警報并啟動相應(yīng)的處置程序，同時結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，改進作業(yè)流程、調(diào)整工藝參數(shù)，消除生產(chǎn)隱患和降低污染排放。

包裝管理：包裝管理環(huán)節(jié)中，通過RFID、條碼等，將產(chǎn)品包裝信息與生產(chǎn)過程信息、原料信息、質(zhì)檢信息自動進行關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)智能跟蹤和質(zhì)量追溯，有效避免包裝的丟失和不良品出貨混淆。

人員績效管理：實時采集員工在生產(chǎn)過程中的操作數(shù)據(jù)、工作時長、產(chǎn)出產(chǎn)品質(zhì)量等信息，分析工作效率和操作規(guī)范性，實現(xiàn)客觀、公正的績效評估。

四、結(jié)語

應(yīng)用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)對生產(chǎn)車間進行數(shù)字化改造，是傳統(tǒng)制造企業(yè)邁向智能制造的重要手段，它通過智慧感知、實時監(jiān)控、在線動態(tài)建模分析、精準控制等技術(shù)，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程的透明化、可視化和協(xié)同化，有效提升了生產(chǎn)效率，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。未來，企業(yè)還需要不斷引入數(shù)字孿生、大模型等新技術(shù)，并將業(yè)務(wù)形態(tài)向以數(shù)據(jù)驅(qū)動的決策積極靠攏，構(gòu)建數(shù)據(jù)文化、培養(yǎng)業(yè)務(wù)人員數(shù)據(jù)分析思維和能力，實現(xiàn)生產(chǎn)車間的智能化、柔性化和可持續(xù)化發(fā)展，提升競爭力并滿足市場的多樣化需求。

作者單位：馬麗麗 電科云（北京）科技有限公司

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