3 基于制造過程管控與優(yōu)化的數(shù)字化車間

在制造企業(yè)，車間是將設(shè)計意圖轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。車間制造過程的數(shù)字化涵蓋了生產(chǎn)領(lǐng)域中車間、生產(chǎn)線、單元等不同層次上設(shè)備、過程的自動化、數(shù)字化和智能化。其發(fā)展趨勢也分別體現(xiàn)在底層制造裝備智能化、中間層的制造過程優(yōu)化和頂層的制造績效可視化3個層次。

在底層制造裝備方面，數(shù)字化工廠主要解決制造能力自治的問題。設(shè)備制造商不僅持續(xù)在提升設(shè)備本身高速、高精、高可靠等性能方面不斷取得進展，同時也越來越重視設(shè)備的感知、分析、決策、控制功能，比如各種自適應(yīng)加工控制、智能化加工編程、自動化加工檢測和實時化狀態(tài)監(jiān)控及自診斷/自恢復(fù)系統(tǒng)等技術(shù)在生產(chǎn)線工作中心及車間加工單元中得到普遍運用。如日本Moriseiki的最新機床產(chǎn)品上安裝的操作系統(tǒng)MAPPS，該系統(tǒng)內(nèi)置了森精機的操作編程維修軟件，具有很高的開放性，具有對話式編程，三維切削模擬和維修指導(dǎo)畫面，提供遠程監(jiān)控功能方便維修服務(wù)，并且可以直接進行切削仿真。

制造裝備的另一個趨勢是把機床設(shè)備和相關(guān)輔助裝置(如機械手)進行集成，共同構(gòu)成柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元。也有不少廠商支持將多臺數(shù)控機床連成生產(chǎn)線，既可一人多機操縱，又可進行網(wǎng)絡(luò)化管理。上文提到的MAPPS系統(tǒng)就可以通過使用CAPS-NET網(wǎng)絡(luò)軟件建立基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)，從而可以對作業(yè)狀況和生產(chǎn)計劃進行一元化管理。MAZAK公司在單機的智能化、網(wǎng)絡(luò)化基礎(chǔ)上，開發(fā)了智能生產(chǎn)中心(CPC)管理軟件，一套軟件便可管理多達250臺的數(shù)控機床，使得生產(chǎn)的過程控制由車間級細化到每臺數(shù)控機床，為客戶的工廠實施數(shù)字化制造提供了前提。

在制造過程管理層次，隨著精細化生產(chǎn)的需求越來越突出，近年來MES/MOM逐漸被制造企業(yè)所接受。MES/MOM可分為車間生產(chǎn)計劃與管理和現(xiàn)場制造采集與控制兩部分。車間生產(chǎn)計劃與管理主要完成車間作業(yè)計劃的編排、平衡、分派，同時涉及到相關(guān)制造資源的分配和準備。國內(nèi)外已有較多提供MES/MOM解決方案的產(chǎn)品提供商，如艾普工華在離散制造業(yè)特別是汽車及零部件、工程機械、航空等行業(yè)，Camstar在太陽能、電子行業(yè)，寶信在鋼鐵行業(yè)，石化盈科在石油化工行業(yè)，西門子在制藥、煙草行業(yè)等，這些產(chǎn)品依托自身對制造業(yè)務(wù)的深刻理解，已確立了在這些行業(yè)的領(lǐng)先地位。Rockwell、Wonderware和GE依托在自動化領(lǐng)域的優(yōu)勢，也已逐步向MES延伸。目前各廠商在研發(fā)高性能高可靠的系統(tǒng)平臺和模塊化產(chǎn)品方面投人巨大，上述平臺和產(chǎn)品提升了快速搭建MES/MOM解決方案的能力。

現(xiàn)場制造數(shù)據(jù)采集的一個明顯趨勢是以RFID、無線傳感網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)為核心的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被認為是信息技術(shù)領(lǐng)域革命性的新技術(shù)，借其可實現(xiàn)對于制造過程全流程的“泛在感知”，特別能夠是利用RFID無縫、不間斷地獲取和準確、可靠地發(fā)送實時信息流。汽車行業(yè)，比如自主品牌的江淮汽車，在2006年前后就開始應(yīng)用RFID技術(shù)對生產(chǎn)環(huán)節(jié)的在制品進行跟蹤。航空航天企業(yè)由于通常不允許在零部件上附加標識，因此通常采用以激光標刻為代表的二維碼技術(shù)來實現(xiàn)WIP和關(guān)鍵零部件跟蹤。

在更細分的領(lǐng)域，RFID技術(shù)在刀具、設(shè)備管理方面也有成功應(yīng)用，主流技術(shù)是利用刀柄上的預(yù)留空槽置入RFID標簽，同時通過與機床刀庫和對刀儀的集成對刀具使用、維護等進行全面管理。如Balluff的Fanuc miLink Tool ID系統(tǒng)就可以方便地連接Fanuc控制器控制的CNC機床，自動進入CNC取得刀具跟蹤信息。值得一提的是，隨著基于泛在信息的智能制造系統(tǒng)進一步發(fā)展，裝備本身的智能化水平也得到了提升，這使得MES/MOM執(zhí)行管理系統(tǒng)不再被動地獲取制造數(shù)據(jù)，而是能夠主動感知用戶場景的變化并進行提供實時反饋。

隨著MES/MOM等軟件的應(yīng)用推廣，制造企業(yè)已逐步獲得了大量制造數(shù)據(jù)。如何充分利用這些實時和歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)，通過制造績效可視化提高對異常狀況的預(yù)知、響應(yīng)和判斷能力，也是近期發(fā)展趨勢之一。對于實時數(shù)據(jù)，主要解決的問題是對制造異常事件的敏捷響應(yīng)以及對制造績效偏離的快速修復(fù)。自動控制系統(tǒng)中常用的組態(tài)是一個典型的例子，但由于組態(tài)通常是桌面應(yīng)用并基于連續(xù)量的，對于多客戶端的分布式展示和多并發(fā)的并行數(shù)據(jù)流支持存在一定困難。目前的趨勢是利用基于B/S的可定制可縮放矢量圖形技術(shù)來動態(tài)刷新來自服務(wù)端的數(shù)據(jù)推送。圖3是一個展現(xiàn)5條沖壓線生產(chǎn)實績的例子，所展示的生產(chǎn)績效可視化功能同時支持了實時數(shù)據(jù)以及統(tǒng)計數(shù)據(jù)，能夠輔助分析出瓶頸環(huán)節(jié)。通過向管理者推送并共享全方位的實時制造狀態(tài)數(shù)據(jù)，能夠有效消除信息的不對稱問題，有助于對突發(fā)問題快速達成解決方案并作出快速響應(yīng)。

圖3 生產(chǎn)實績與警示的動態(tài)展現(xiàn)

對于歷史數(shù)據(jù)，主要解決的問題是如何從中找出改善未來制造業(yè)務(wù)的依據(jù)，特別是從質(zhì)量趨勢、物流瓶頸、計劃執(zhí)行情況、設(shè)備運行歷史等數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)可能影響未來生產(chǎn)過程的規(guī)律。這方面的技術(shù)基礎(chǔ)是商業(yè)智能分析，在ERP系統(tǒng)中已經(jīng)比較成熟，典型的代表是SAP的BO。

由于MES/MOM實時性更強并且事務(wù)更頻繁，需要更針對性的進行設(shè)計，目前這方面的成熟解決方案尚不多，多數(shù)仍以基于通用分析軟件進行定制為主。典型的通用分析軟件有Microstrategy、Information Builder、Tableau等。Gartner近年來每年都會針對支持通用業(yè)務(wù)的分析軟件產(chǎn)品發(fā)布被稱作“魔力四象限(MagicQuadrants)”的調(diào)研報告”?，對這些軟件在集成、展現(xiàn)和分析方面的能力做綜合評估。另一方面，目前的計算技術(shù)和存儲技術(shù)對基于大數(shù)據(jù)的分析提供了強大的支撐，未來還會出現(xiàn)更豐富更專業(yè)的制造智能分析產(chǎn)品。

4 結(jié)論與展望

數(shù)字化工廠技術(shù)技術(shù)已在航空航天、汽車、造船以及電子等行業(yè)得到了較為廣泛的應(yīng)用，特別是在復(fù)雜產(chǎn)品制造企業(yè)取得了良好的效益，據(jù)統(tǒng)計，采用數(shù)字化工廠技術(shù)后，企業(yè)能夠減少30%產(chǎn)品上市時間；減少65%的設(shè)計修改；減少40%的生產(chǎn)工藝規(guī)劃時間；提高15%生產(chǎn)產(chǎn)能；降低13%生產(chǎn)費用。另一方面，本文所述的3個層次數(shù)字化是緊密相關(guān)的。

毫無疑問，設(shè)計層發(fā)布的三維模型是后續(xù)仿真規(guī)劃分析的基礎(chǔ)，而車間生產(chǎn)狀態(tài)又可以反過來驅(qū)動生產(chǎn)模型，作為分析工廠運作的數(shù)據(jù)源；數(shù)字化車間需要智能裝備的支撐，而要想最大限度地發(fā)揮智能裝備的效益，則需要數(shù)字化車間提供全局的信息和基于全局信息的決策。

在我國，面對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、工業(yè)與信息化融合的戰(zhàn)略發(fā)展要求，大力開展對于數(shù)字化車間技術(shù)系統(tǒng)的研究、開發(fā)與應(yīng)用，有利于推動實現(xiàn)制造過程的自動化和智能化，并可望有效帶動整體智能裝備水平的提升。