離散制造型數(shù)字化車間技術架構與關鍵技術研究

1、 離散制造型數(shù)字化車間技術架構與關鍵技術研究 導讀本文分析了離散制造的特點，研究數(shù)字化車間的技術架構，定義了數(shù)字化車間信息流與數(shù)據交互，為我國離散制造企業(yè)規(guī)劃和建設數(shù)字化車間提供了可參考的方向和依據。經濟全球化的步伐加速并進入深度調整，中國制造業(yè)全面融入全球化產業(yè)鏈，全球化市場競爭激烈。制造業(yè)作為工業(yè)的基礎是社會經濟發(fā)展的核心驅動力，在國家經濟中占有重要地位。隨著信息技術的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)制造行業(yè)面臨巨大挑戰(zhàn)，以智能制造為代表的新一輪工業(yè)革命的浪潮席卷而來1-2。德國提出“工業(yè)4.0”概念，其內涵是由集中式控制向分散式增強型控制的生產模式轉變，旨在建立一個高度靈活的個性化和數(shù)字化的產品與服務的生

2、產模式3。美國發(fā)布了先進制造業(yè)國家戰(zhàn)略計劃，是對美國“再工業(yè)化”的貫徹實施，旨在應對先進制造業(yè)發(fā)展的挑戰(zhàn),并將智能制造確定為美國制造業(yè)發(fā)展的三大重點領域之一，意圖建立并完善智能制造技術理論，并突破智能制造關鍵技術4。英國的英國工業(yè)2050計劃強調了制造業(yè)對于創(chuàng)新、技能、就業(yè)和經濟再平衡等方面的重要性探索重振制造業(yè)。注重制造業(yè)的整體價值鏈發(fā)展，重點推進服務加再制造5。法國政府推出新工業(yè)法國戰(zhàn)略，包含云計算、物聯(lián)網、大數(shù)據、工業(yè)機器人以及超級計算機等30余項專項計劃，旨在通過創(chuàng)新重塑工業(yè)實力，使法國處于全球制造業(yè)第一梯隊6。中國推出了中國制造20257，部署全面推進實施制造強國戰(zhàn)略，圍繞這一戰(zhàn)略目

3、標中國制造2025規(guī)劃中把智能制造作為兩化深度融合的主攻方向。智能制造工程是中國制造2025的核心，其發(fā)展目標是實現(xiàn)數(shù)字化、網絡化、協(xié)同化的新型制造生態(tài)，并改變現(xiàn)有生產方式和制造業(yè)競爭的模式，在培育發(fā)展智能制造的道路上，數(shù)字化車間是重要的根基8。以數(shù)字化車間為基礎進行智能化提升，綜合運用云計算、大數(shù)據以及物聯(lián)網等新一代信息化手段，用數(shù)據連接生產制造過程的不同流程，對生產進行規(guī)劃、管理、診斷和優(yōu)化，實現(xiàn)產品制造的高效率、低成本和高質量，從而達到智能制造的基本要求。因此在重點領域推進數(shù)字化車間建設是智能制造提升先進制造能力的重要路徑。本文針對車間運行管理、基于數(shù)據字典的資產數(shù)字化描述和信息集成，給

4、出數(shù)字化車間的多維度模型，從不同層面抽象提取數(shù)字化車間的核心要素，為智能制造的具體實施工作提供參考。1 數(shù)字化車間特點與內涵(1) 數(shù)字化車間技術架構具有行業(yè)特征9。制造業(yè)覆蓋了離散制造、流程制造等不同行業(yè)以及相同行業(yè)的不同產品，如電子產品、機械加工、裝備制造、石油化工及醫(yī)藥等行業(yè)。它們在研發(fā)設計、制造工藝、制造裝備、生產管理模式以及供應鏈等方面差異很大。如電子產品行業(yè)能夠實現(xiàn)較高的生產自動化、管理信息化；而傳統(tǒng)機械加工與裝備制造行業(yè)生產鏈條長，一部分關鍵工位扔依賴人工技能10，需要較好的生產管理機制；以石油化工醫(yī)藥等代表的流程制造業(yè)生產連續(xù)性強、流程規(guī)范，但是工藝柔性小，產品種類單一。為充分

5、指導本行業(yè)數(shù)字化車間的建設與改造升級，數(shù)字化車間技術架構的規(guī)劃應具有鮮明的行業(yè)特征。(2) 數(shù)字化車間技術架構研究包含多重維度。數(shù)字化車間建設及管理涉及到多方面11，如信息化系統(tǒng)建設、網絡與機房建設、車間運行管理、設備管理、物流與供應鏈管理多個層面。單一的智能制造參考模型及數(shù)字化車間模型偏向于宏觀、覆蓋面廣，針對數(shù)字化車間建設、管理及運營的不同階段，需要結合多維度數(shù)字化車間架構模型來指導工作。(3) 數(shù)字化車間物流自動化程度高。離散制造型產品往往由多個零部件經過一系列不連續(xù)的工序裝配而成，企業(yè)需要合理安排工藝流程及工位、產線的位置，增加了離散型制造生產物流組織的配套復雜性。因此離散制造模式下物

6、料運輸與緩存的空間與時間成本高。由此離散制造過程中的物流運輸、調度需要由AGV無人小車、機器人及傳輸帶等自動化設備將分散的倉庫、工位、產線用自動化物流設備有效連接起來。本文的研究背景是軌道交通裝備制造，是典型的離散型制造。軌道交通裝備產品具有多品種、小批量、結構復雜、質量要求嚴格、產業(yè)鏈長及生產交付周期嚴格等特點。以高速動車組、地鐵為代表的軌道交通裝備產品，客戶定制化需求高，并且在生產中隨時會有變動，因此制造車間可能突然接收來自設計、工藝端的變更需求，數(shù)字化車間處理異常變更的響應處理能力十分重要。產品質量是軌道交通裝備生產關注的核心12，生產過程中的材料、零部件及產品需要設置質檢點并及時反饋質

7、量狀態(tài)，并利用質量管理平臺、RFID和二維碼等技術使產品具備可追溯性。2 數(shù)字化車間技術架構研究數(shù)字化車間以生產對象所要求的工藝和設備為基礎，以信息技術、自動化和測控技術為手段，用數(shù)據連接車間不同單元，對生產運行過程進行規(guī)劃、管理、協(xié)同、診斷和優(yōu)化，實現(xiàn)產品制造的高質量、高效率和低成本。圖1數(shù)字化車間技術架構數(shù)字化車間涵蓋了產品生產制造的主要過程，所設計技術架構如圖1所示，分為基礎層和執(zhí)行層。其中數(shù)字化車間基礎層包括生產制造中需要的各種制造裝備以及制造資源。制造裝備主要承擔制造、檢驗和車間內物流等工作,采用數(shù)字化、網絡化設備，具備信息自動采集與指令執(zhí)行的功能;制造資源是在制造中需應用到的人員、

8、物料、工裝輔具、托盤和制造檢驗規(guī)程等，本身不完全具備通信能力，可具備條碼、RFID和文檔無紙化等技術進行標識與通信，參與數(shù)字化車間生產制造的半自動或全自動數(shù)據交互。數(shù)字化車間執(zhí)行層主要包括車間計劃與調度、制造執(zhí)行、車間質量管理、異常管理、設備管理及物流管理6個模塊，對制造過程中的業(yè)務、活動及資源進行管理，實現(xiàn)車間制造的數(shù)字化、精益化。業(yè)務層主要包括設計、企業(yè)資源管理等模塊，并不涵蓋在數(shù)字化車間體系架構內，處于數(shù)字化車間的上層，它們之間進行生產訂單、庫存量、產品數(shù)據、工藝數(shù)據以及質檢數(shù)據等信息的交互。3 數(shù)字化車間數(shù)據交互研究相較于傳統(tǒng)生產模式，數(shù)字化車間具有數(shù)字化、網絡化以及系統(tǒng)化的特點，在生

9、產計劃與調度、質量管理、異常處理等方面會與車間人員、制造檢測裝備進行交互與反饋，從而實現(xiàn)車間生產制造的自決策閉環(huán)控制。數(shù)字化車間信息流向如圖2所示。圖2數(shù)字化車間信息流企業(yè)資源計劃系統(tǒng)將生產訂單下發(fā)到車間，車間計劃與調度模塊依據產品工藝路線將其分解為作業(yè)計劃并排產下發(fā)至車間現(xiàn)場。工藝執(zhí)行與管理模塊根據下派的作業(yè)計劃參照工藝規(guī)程指導現(xiàn)場作業(yè)人員與裝備進行生產，并反饋執(zhí)行效果。生產過程質量管理模塊按照質檢點規(guī)劃，采集檢驗結果發(fā)送給質檢員或業(yè)務層質量管理系統(tǒng)，進行質量監(jiān)控與追溯。車間物流管理模塊接受到上層根據詳細計劃排產計算而得出的物料需求，控制倉庫物流裝備將生產物料配送到指定工位；生產結束將成品入

10、庫，實現(xiàn)生產物料的配送與管理。車間設備管理模塊統(tǒng)一管理車間的制造檢驗設備，實時監(jiān)控設備的運行狀態(tài)，指導設備保養(yǎng)，記錄保養(yǎng)維休結果。異常管理模塊監(jiān)測車間制造裝備的運行參數(shù)、報警信息以及由操作人員提交的異常數(shù)據，監(jiān)測并處置、評價車間生產異常狀況。最后生產過程及節(jié)點的質檢結果、物流信息、設備加工參數(shù)及設備狀態(tài)等參數(shù)將匯總至車間計劃與調度模塊，并形成完工報告反饋至上層企業(yè)資源管理。4數(shù)字化車間信息集成研究4.1 車間信息集成架構系統(tǒng)集成與數(shù)據交互是構建數(shù)字化車間的基礎，在建設過程中需要實現(xiàn)企業(yè)級軟件、車間級軟件的集成與互聯(lián)互通以及現(xiàn)場制造裝備的控制和數(shù)據采集。圖3所示為數(shù)字化車間信息系統(tǒng)架構，分為三個

11、部分IT系統(tǒng)層、邊緣計算層、現(xiàn)場層以及連接它們的數(shù)據總線和工業(yè)以太環(huán)網。圖3 數(shù)字化車間信息集成架構(1) IT系統(tǒng)層部署了企業(yè)業(yè)務層包括的ERP、PLM以及QMS系統(tǒng)，以及數(shù)字化車間執(zhí)行層涵蓋的MES、SCADA系統(tǒng)，并通過數(shù)據總線，OPC UA等技術進行內、外部系統(tǒng)集成。(2) 邊緣計算層通過工業(yè)以太環(huán)網對車間現(xiàn)場設備數(shù)據進行采集，并與IT系統(tǒng)層的軟件系統(tǒng)進行數(shù)據交互，起到了承上啟下的優(yōu)化作用。協(xié)議處理是OPC UA、中間件等技術兼容Modbus、CAN、Profinet等各類工業(yè)通信協(xié)議，實現(xiàn)數(shù)據格式轉換和統(tǒng)一；另一方面利用HTTP、MQTT等方式將采集到的數(shù)據傳輸?shù)缴蠈酉到y(tǒng)。數(shù)據處理是

12、在靠近設備或數(shù)據源頭的網絡邊緣側進行數(shù)據預處理、存儲以及分析應用；提升數(shù)據交互響應靈敏度、優(yōu)化數(shù)據交互量。(3)現(xiàn)場層主要通過現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網等工業(yè)通信網絡實現(xiàn)對車間內設備的接入和數(shù)據采集，包括對傳感器、變送器等采集設備的接入；對PLC、嵌入式系統(tǒng)、IPC等通用控制設備的數(shù)據接入；對機器人、數(shù)控中心、檢驗設備及AGV小車等專用智能裝備的接入。4.2 車間信息集成關鍵技術(1) 網絡接口與通信協(xié)議為執(zhí)行數(shù)字化車間基礎層控制設備與現(xiàn)場總線的控制與通信，制造裝備需具備網絡接口并適配通信協(xié)議。網絡接口主要分為串行接口、以太網口和無接口。串行接口主要包括RS-232、RS-422、RS-485和US

13、B；常見的工業(yè)以太網接口類型有：RJ-45接口、SC光纖接口、FDDI接口、AUI接口、BNC接口和Console接口等；對于無接口的設備可利用智能數(shù)據采集終端，外接傳感器或I/O信號采集裝置獲取目標數(shù)據。通信協(xié)議主要分為通用串口協(xié)議、現(xiàn)場總線協(xié)議、工業(yè)以太網口協(xié)議以及工業(yè)無線通訊協(xié)議。車間制造裝備常用通訊協(xié)議可參考表1。(2) 數(shù)據采集與存儲數(shù)字化車間在企業(yè)級數(shù)據字典的架構下，結合數(shù)據實時性需求，利用網絡接口及通訊協(xié)議，進行數(shù)據的采集與存儲，并與企業(yè)業(yè)務層系統(tǒng)進行對接。車間數(shù)據采集類型可以分為：設備信息、設備狀態(tài)信息、生產運行信息、質量信息、報警信息和其他信息等。車間制造裝備數(shù)據采集分類可參

14、照表2。數(shù)據存儲應結合實施數(shù)據庫技術與歷史數(shù)據庫技術相結合的方式，實時數(shù)據庫采集和儲存生產現(xiàn)場實時性較高的數(shù)據，支持執(zhí)行層的計算應用；歷史數(shù)據庫采用關系數(shù)據庫，采集和存儲工藝設計、制造及質量檢驗過程相關的主數(shù)據和過程數(shù)據。(3) 數(shù)據字典為支持數(shù)字化車間的互聯(lián)互通、提高數(shù)據的一致性和互操作性，應建立車間級的數(shù)據字典。數(shù)據字典應完整覆蓋生產過程信息、設備狀態(tài)信息、物流信息、質檢信息以及生產調度計劃信息等，涵蓋各類數(shù)據的基本信息，如名稱、語義、結構以及數(shù)據類型等。5 結語數(shù)字化車間是智能制造發(fā)展的重要研究方向，本文針對離散型制造的特點，提出了包括業(yè)務層、執(zhí)行層、基礎層3個層次的離散制造型數(shù)字化車間

15、的技術架構，明確定義了數(shù)字化車間的邊界范圍，并規(guī)劃了數(shù)字化車間內部各模塊間的信息流，進一步研究了數(shù)字化車間信息集成架構。為離散制造型企業(yè)在開展數(shù)字化車間整體規(guī)劃、建設改造過程中提供了可參考的方向和依據。參考文獻1 周濟.智能制造一中國制造2025”的主攻方向J.中國機械工程,2015,26(17):2273-2284.2 周濟.走向新一代智能制造J.中國科技產業(yè),2018(6):20-23.3 丁純,李君揚.德國“工業(yè)4.0”：內容、動因與前景及其啟示J.德國研究,2014,29(4):49-66.4 左世全.美國“先進制造業(yè)國家戰(zhàn)略計劃”對我國的啟示J.經濟,2012(6):142-143.5 侯瑞.智能制造的“英倫模式” J.信息化建設,2018(3)：21 -22.6 王雪,宋瑤瑤,劉慧暉,等.法國科技計劃及其對我國的啟示J.世界科技研究與發(fā)展,2018,40(3) :261-269.7 國務院關于印發(fā)中國制造2025的通知EB/0L.2015-05-19. /zhengwuxinxi,zhengcefabu,201505/1201505191233751.htm.8 王麟琨,趙艷領,閆曉風.數(shù)字化車間制造裝備信息集成通用解決方案研究J .中國儀器儀表,2017 (3)