數(shù)字化車間的構(gòu)建策略

中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司加工制造分公司 王驍陽

數(shù)字化車間是現(xiàn)代工業(yè)的核心組成部分,也是信息技術(shù)與智能化生產(chǎn)制造技術(shù)的有機融合。本文探討了數(shù)字化車間的重要性,分析了數(shù)字化車間構(gòu)建,研究了數(shù)字化車間系統(tǒng)集成技術(shù)的應用,以及數(shù)字化車間規(guī)劃設計注意事項,以供參考。

0 引言

隨著時代的發(fā)展以及科技水平的提升,信息技術(shù)在不斷成熟和普及,就生產(chǎn)制造行業(yè)而言,信息技術(shù)的應用推動了制造新技術(shù)、新理念以及新模式的發(fā)展,比如,單元制造系統(tǒng)、柔性制造系統(tǒng)、企業(yè)資源計劃、現(xiàn)代集成制造以及數(shù)字制造技術(shù)等,而數(shù)字化車間正是諸多先進制造技術(shù)和理念的集合運用,同時,數(shù)字化車間的構(gòu)建也具有涉及領域更廣以及內(nèi)容更加復雜等特點。

1 數(shù)字化車間的重要性

1.1 可以實現(xiàn)車間內(nèi)部與外部的互聯(lián)

MES系統(tǒng)也就是生產(chǎn)信息化管理系統(tǒng)作為數(shù)字化車間的重要組成部分,可以對車間生產(chǎn)制造活動相關(guān)數(shù)據(jù)進行收集和可視化展示,而MES系統(tǒng)與ERP系統(tǒng)的有效結(jié)合,則是實現(xiàn)車間內(nèi)部與外部互聯(lián)的重要舉措,一方面可以真正實現(xiàn)車間生產(chǎn)活動的數(shù)字化開展,對企業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量和效率的提升有著積極的促進作用,另一方面還可以為企業(yè)決策提供更加詳實的數(shù)據(jù)支持[1]。

1.2 可以實現(xiàn)對車間生產(chǎn)全過程的實施監(jiān)控

企業(yè)車間生產(chǎn)活動對生產(chǎn)制造工藝以及生產(chǎn)流程有著非常嚴格的標準,而數(shù)字化車間的智能化生產(chǎn)管理系統(tǒng)不僅可以對車間生產(chǎn)全過程進行實時監(jiān)控,還可以通過傳感器等裝置對車間各個數(shù)控設備的運行參數(shù)以及運行狀況進行采集,一方面有助于提升產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量管控工作成效,另一方面還可以及時發(fā)現(xiàn)車間設備運行故障以及生產(chǎn)過程中存在的問題,從而第一時間采取妥善、可行的處理措施,避免對車間生產(chǎn)制造工作的正常、有序進行帶來影響。

1.3 有助于產(chǎn)品質(zhì)量問題追溯工作的開展

數(shù)字化車間的生產(chǎn)信息化管理系統(tǒng)以及ERP管理系統(tǒng),貫穿了產(chǎn)品設計、生產(chǎn)流程規(guī)劃、產(chǎn)品生產(chǎn)、產(chǎn)品銷售以及客戶服務等全部環(huán)節(jié),如果產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問題,相關(guān)工作人員可以通過數(shù)字化車間管理系統(tǒng)查詢完整的生產(chǎn)過程、產(chǎn)品供應鏈以及產(chǎn)品訂單等信息,從而更加便捷、高效的了解導致產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問題的環(huán)節(jié)以及原由,并對相關(guān)負責人以及有關(guān)工作人員進行追責。

2 數(shù)字化車間構(gòu)建分析

2.1 數(shù)字化車間模擬軟件層次劃分

首先,數(shù)字化車間層主要是根據(jù)現(xiàn)場空間等實際情況以及車間功能要求,對車間智能化生產(chǎn)、管理網(wǎng)絡以及相關(guān)設備的分布進行分析和研究。其次,數(shù)字化生產(chǎn)線層的主要任務,一方面是根據(jù)數(shù)字化車間生產(chǎn)制造實際需求,對生產(chǎn)線進行設計并對設計方案的合理性以及可行性進行核查和驗證,另一方面則需要根據(jù)生產(chǎn)線設計方案,對其生產(chǎn)效率以及運行維護成本等情況進行模擬分析,并以此為參考依據(jù)對數(shù)字化生產(chǎn)線設計方案進行進一步改進和優(yōu)化。再次,數(shù)字化加工單元層的任務,主要是對數(shù)字化車間各個智能化設備之間以及設備內(nèi)部的運行狀態(tài)進行模擬分析,并對其中存在的相互干涉情況進行研究和掌握,從而為生產(chǎn)制造工藝的規(guī)劃以及加工指令的制定提供必要的參考資料。最后,數(shù)字化操作層則是從生產(chǎn)制造細節(jié)處進行分析,對數(shù)字化車間生產(chǎn)系統(tǒng)以及制造工藝實際性能進行校驗,從而對數(shù)字化車間生產(chǎn)系統(tǒng)以及管理系統(tǒng)設計方案進行深度優(yōu)化。

2.2 數(shù)字化車間軟件架構(gòu)

首先,界面層是工作人員與生產(chǎn)系統(tǒng)、管理系統(tǒng)交互的主要窗口,工作人員一方面需要通過界面層進行仿真模型構(gòu)建等操作,另一方面也需要通過界面層去了解模擬分析結(jié)果等相關(guān)數(shù)據(jù)信息,是數(shù)字化車間生產(chǎn)制造系統(tǒng)實際作用得以充分發(fā)揮的重要組成部分。其次,功能層則是一系列功能模塊的集合,對數(shù)字化車間產(chǎn)品制造質(zhì)量以及生產(chǎn)效率有著重要影響,其功能模塊主要包括幾項:(1)接收并整合產(chǎn)品模型以及生產(chǎn)工藝等相關(guān)數(shù)據(jù)信息,為后續(xù)工作的開展提供必要的數(shù)據(jù)支持;(2)根據(jù)產(chǎn)品以及工藝相關(guān)信息構(gòu)建相關(guān)設備以及加工環(huán)境仿真模型;(3)通過仿真模擬對產(chǎn)品加工方案的可行性以及加工工藝相關(guān)參數(shù)進行分析和評價。再次,數(shù)據(jù)層主要是對產(chǎn)品相關(guān)數(shù)據(jù)、各類模型數(shù)據(jù)以及模擬分析相關(guān)數(shù)據(jù)進行收集、匯總、整理和存儲,也是為功能層提供必要參考數(shù)據(jù)的重要結(jié)構(gòu)[2]。

2.3 數(shù)字化車間系統(tǒng)構(gòu)建策略

首先,數(shù)字化車間軟件系統(tǒng)基本框架的搭建,需要以車間內(nèi)相關(guān)設備等各類對象為主要依據(jù),也就是對車間內(nèi)所有與生產(chǎn)制造以及管理有關(guān)的設備、儀器進行抽象分類,然后在軟件系統(tǒng)中一一建立相對應的類,同時,為了用戶能夠更加便捷、高效的利用軟件系統(tǒng)對車間一應設備儀器進行操控,相關(guān)技術(shù)人員還應根據(jù)軟件系統(tǒng)各項功能以及使用需要建立人機界面,最后再進行數(shù)字化車間內(nèi)的布局規(guī)劃,如生產(chǎn)線走向以及設備儀器選用和安置等。其次,向數(shù)字化車間軟件系統(tǒng)中添加仿真和調(diào)度控制模塊,其作用主要包括幾個方面:(1)是對產(chǎn)品設計方案、生產(chǎn)制造工藝方案等進行模擬分析和管控,可以根據(jù)模擬過程以及分析結(jié)果對各個設計方案的合理性以及存在的不足進行挖掘和掌握,并對各設計方案進行及時、合理的改進,確保產(chǎn)品質(zhì)量以及生產(chǎn)效率能夠達到預期目標;(2)還可以借助仿真模擬系統(tǒng)對生產(chǎn)計劃以及生產(chǎn)調(diào)度管理方案進行試驗和檢測,并根據(jù)模擬分析結(jié)果對生產(chǎn)計劃以及調(diào)度管理方案進行優(yōu)化,可以保證數(shù)字化車間生產(chǎn)和管理活動的正常、有序開展。再次,建立軟件系統(tǒng)與數(shù)字化車間內(nèi)相關(guān)設備儀器的連接接口:(1)為了實現(xiàn)通過軟件系統(tǒng)將生產(chǎn)制造指令發(fā)送給相應智能化生產(chǎn)設備,從而讓車間相關(guān)設備同步執(zhí)行相應的生產(chǎn)動作,這是數(shù)字化車間軟件系統(tǒng)以及生產(chǎn)設備得以正常運行的重要環(huán)節(jié)之一;(2)為了實現(xiàn)對車間內(nèi)各個設備運行情況以及車間內(nèi)其他事件進行實時監(jiān)控和管理,以便相關(guān)工作人員能夠根據(jù)生產(chǎn)計劃對車間內(nèi)儀器設備以及生產(chǎn)活動予以及時的干預和控制。

2.4 數(shù)字化車間生產(chǎn)狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

首先,三維虛擬車間環(huán)境構(gòu)建主要是借助虛擬現(xiàn)實等技術(shù)手段予以實現(xiàn),需要由相關(guān)工作人員對車間生產(chǎn)現(xiàn)場相關(guān)信息進行采集,然后通過三維建模等技術(shù)手段構(gòu)建相應的數(shù)據(jù)模型,最后利用這些數(shù)據(jù)模型構(gòu)建三維虛擬車間環(huán)境。其次,可視化信息集成技術(shù),主要是借助人機交互界面,使相關(guān)工作人員能夠通過點擊三維虛擬車間中的相關(guān)設備,對此設備的位置、運行狀況等信息進行了解,還可以通過人機交互界面對車間相關(guān)設備進行一定程度的操控。再次,設備狀態(tài)分析技術(shù),主要是傳感器等設備數(shù)據(jù)采集裝置以及管理系統(tǒng)中設備狀態(tài)監(jiān)測模塊的結(jié)合運用,通過傳感器等裝置收集的設備運行狀況數(shù)據(jù),只能簡單的呈現(xiàn)設備運行狀態(tài),想要深入、詳細的了解設備的運行情況,還需要采取一系列措施以及對設備運行數(shù)據(jù)進行深度分析,比如,在設備狀態(tài)分析系統(tǒng)中設置溫度、均溫等相應的設備閾值以及設置預警功能。借助設備運行狀態(tài)分析系統(tǒng)對設備運行數(shù)據(jù)進行分析,從而對設備的運行效能進行掌握,當某項設備運行數(shù)據(jù)超過預先設置的閾值,則發(fā)送系統(tǒng)預警信息并在人機交互界面對存在運行故障或運行隱患的設備進行顯示,以便相關(guān)技術(shù)人員能夠及時進行處理[3]。

3 數(shù)字化車間系統(tǒng)集成技術(shù)的應用

3.1 相關(guān)數(shù)據(jù)的輸入

數(shù)據(jù)輸入是數(shù)字化車間集成系統(tǒng)運行的初始和重要環(huán)節(jié),對數(shù)字化車間的穩(wěn)定運行有著至關(guān)重要的影響,而集成系統(tǒng)需要輸入的數(shù)據(jù)信息主要包括幾項內(nèi)容:(1)工廠計劃,主要是根據(jù)年度、季度以及月份等時間跨度進行劃分,包括車間生產(chǎn)計劃以及追加計劃等內(nèi)容,是企業(yè)結(jié)合市場情況、產(chǎn)品需求以及市場發(fā)展趨勢等各方面因素制定的計劃;(2)人員信息,主要包括各部門管理人員以及車間生產(chǎn)工作人員相關(guān)信息;(3)設備信息,主要包括車間與產(chǎn)品生產(chǎn)以及車間管理有關(guān)的數(shù)控設備和其他設備裝置;(4)工藝信息,主要包括產(chǎn)品生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)流程以及生產(chǎn)標準等相關(guān)信息。

3.2 ERP管理系統(tǒng)與車間的集成

ERP管理系統(tǒng)與車間的集成,一方面是為了加強產(chǎn)品生產(chǎn)方案的規(guī)劃與車間生產(chǎn)活動之間的聯(lián)系,另一方面則是為了促進車間生產(chǎn)制造活動的規(guī)范化、制度化開展,其工作流程主要包括幾個環(huán)節(jié):(1)由工廠計劃計調(diào)部門工作人員將工廠計劃相關(guān)信息錄入到ERP管理系統(tǒng)中,并將相關(guān)信息進行匯總和整理之后,上傳給上級管理審核部門;(2)工廠計劃管理審核部門對計劃內(nèi)容以及計劃可行性等情況進行核對、審查,若工廠計劃通過審查則將計劃方案發(fā)送給生產(chǎn)部長或副總經(jīng)理等企業(yè)領導進行審批,如果工廠計劃未能通過審查則將計劃方案退回到工廠計劃計調(diào)部門進行修改處理;(3)生產(chǎn)部長或副總經(jīng)理對通過方案審核部門審查的工廠計劃進行審批,其流程與方案審核部門的審查流程一致,然后再將通過審批的工廠計劃由管理系統(tǒng)發(fā)送到各個分廠或相應的生產(chǎn)車間[4]。

3.3 質(zhì)量管理系統(tǒng)與車間的集成

產(chǎn)品質(zhì)量管理是車間生產(chǎn)制造活動的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一,不僅是確保產(chǎn)品質(zhì)量能夠達到預期標準的重要保障,對企業(yè)良好對外形象的樹立以及行業(yè)競爭力的提升也有著至關(guān)重要的影響。產(chǎn)品質(zhì)量管理工作主要是由質(zhì)檢人員根據(jù)相關(guān)標準對已完成的部件或產(chǎn)品進行檢驗,并將部件或產(chǎn)品相關(guān)信息以及檢驗結(jié)果錄入質(zhì)量管理系統(tǒng)當中,然后將各個車間的部件或產(chǎn)品檢驗相關(guān)信息進行匯總、分類以及整理,借助產(chǎn)品質(zhì)量管理系統(tǒng)中的統(tǒng)計功能生成相應的產(chǎn)品質(zhì)量檢驗以及合格率報告,并以柱狀圖、餅狀圖等形式對產(chǎn)品質(zhì)量合格率等數(shù)據(jù)信息進行顯示,不僅可以更加直觀的展示產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量等情況,還可以及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)流程以及生產(chǎn)工藝存在的異常情況,從而第一時間采取針對性的應對和處理措施,避免對后續(xù)生產(chǎn)活動產(chǎn)生影響。

4 數(shù)字化車間規(guī)劃設計注意事項

4.1 生產(chǎn)管理的優(yōu)化應與數(shù)字化車間的建設同步開展

數(shù)字化車間并不是單純的提升傳統(tǒng)生產(chǎn)模式的智能化和自動化程度,而是車間信息化程度、車間生產(chǎn)模式以及管理模式的全方位升級,從而達到提升車間生產(chǎn)質(zhì)量和管理效率等目的。與傳統(tǒng)的車間管理模式相比較,數(shù)字化車間管理工作大多是依托信息化管理系統(tǒng)來實現(xiàn),使得數(shù)字化車間管理工作在管理流程、管理方式等方面與傳統(tǒng)管理模式具有較大的差異,如果管理方法與數(shù)字化車間管理系統(tǒng)以及生產(chǎn)模式的適應性較差,不僅容易導致數(shù)字化車間管理工作水平的下降,還會對車間生產(chǎn)效率造成影響,所以,數(shù)字化車間管理模式應圍繞車間建設以及生產(chǎn)管理實際進行改進和優(yōu)化,從而不斷提升數(shù)字化車間管理工作質(zhì)量和效率,更好的發(fā)揮數(shù)字化車間應有的作用和價值。

4.2 以先進設備工藝構(gòu)建車間底層支撐

數(shù)字化車間是由軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)集合而成的現(xiàn)代化生產(chǎn)體系,生產(chǎn)設備作為數(shù)字化車間生產(chǎn)制造活動的執(zhí)行主體,在數(shù)字化車間構(gòu)建過程中不僅應確保生產(chǎn)設備能夠滿足產(chǎn)品制造需求,還應保證生產(chǎn)設備能夠很好的與信息化管理系統(tǒng)進行連接,從而及時、準確的接收和執(zhí)行相關(guān)生產(chǎn)指令,并第一時間將產(chǎn)品生產(chǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)信息反饋給管理系統(tǒng),這就需要以工業(yè)機器人以及數(shù)控機床等先進設備和工藝構(gòu)建數(shù)字化車間底層支撐,然后通過先進設備與信息化管理系統(tǒng)的連接,實現(xiàn)車間的數(shù)字化、自動化、智能化生產(chǎn)[5]。

5 結(jié)語

總之,數(shù)字化車間實現(xiàn)了對產(chǎn)品生產(chǎn)全過程的信息化管控,在提高車間生產(chǎn)質(zhì)量、生產(chǎn)效率以及降低生產(chǎn)成本等方面有著非常顯著的成效。加深了產(chǎn)品設計與產(chǎn)品生產(chǎn)之間的聯(lián)系,借助信息化軟件系統(tǒng)的仿真模擬功能,對產(chǎn)品設計方案以及制造工藝進行模擬分析,并對產(chǎn)品設計方案及制造工藝的合理性進行檢驗和優(yōu)化,不僅極大提升產(chǎn)品設計效率和設計方案可靠性,還有效縮短產(chǎn)品設計方案轉(zhuǎn)化為合格產(chǎn)品的時間。

引用

[1] 劉書倫,申玉霞.機械加工行業(yè)數(shù)字化車間的開發(fā)與研究[J].科技創(chuàng)新與應用,2019(31):99-100+104.

[2] 韓豐羽.數(shù)字化車間PLC互聯(lián)互通關(guān)鍵技術(shù)的研究與實現(xiàn)[D].北京:中國科學院大學(中國科學院沈陽計算技術(shù)研究所),2020.

[3] 何璽,何波.數(shù)字化車間建設研究與實踐[J].智能制造,2019(5):54-57.

[4] 戚寶運,許自力,毛勤儉.數(shù)字化車間MES系統(tǒng)構(gòu)建[J].指揮信息系統(tǒng)與技術(shù),2013,4(1):25-29.

[5] 蘇新瑞,谷克宏,衛(wèi)詩嘉,等.面向RDX制造過程的流程工業(yè)數(shù)字化車間構(gòu)建技術(shù)研究[J].兵工自動化,2020,39(4):35-39+44.