智能化生產(chǎn)車間與工廠
2023-6-2新聞
基本概念
智能工廠與車間具備自主能力，可采集、分析、判斷、規(guī)劃，通過整體可視技術(shù)進(jìn)行預(yù)測，利用仿真及多媒體技術(shù)，將實(shí)境擴(kuò)增展示設(shè)計(jì)制造過程。系統(tǒng)中各組成部分可自行組成最佳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具備協(xié)調(diào)、重組及擴(kuò)充特性，自我學(xué)習(xí)、自行維護(hù)，實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器的相互協(xié)調(diào)合作。其本質(zhì)是人機(jī)交互，如圖1所示。
圖1 智能工廠的人機(jī)交互模式
全球性的產(chǎn)能過剩，導(dǎo)致企業(yè)間的競爭越來越激烈，如何提升生產(chǎn)效率、縮短產(chǎn)品周期，成為世界各國關(guān)注的問題。車間是制造業(yè)的基礎(chǔ)組成部分，如何提升車間的智能化水平，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)流程數(shù)字化是目前關(guān)注的焦點(diǎn)。
但目前用傳統(tǒng)的虛擬車間、數(shù)字化車間設(shè)計(jì)的智能車間存在非實(shí)時(shí)交互、數(shù)據(jù)利用率低等問題?；跀?shù)字孿生技術(shù)，能夠有效提升車間生產(chǎn)過程的透明度并優(yōu)化生產(chǎn)過程。數(shù)字孿生車間模型，包括物理車間、虛擬車間、車間服務(wù)系統(tǒng)和車間孿生數(shù)據(jù)4部分，通過物理車間與虛擬車間的雙向映射與實(shí)時(shí)交互，實(shí)現(xiàn)物理車間、虛擬車間、車間服務(wù)系統(tǒng)的全要素、全流程、全業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的集成和融合，在車間孿生數(shù)據(jù)的驅(qū)動下，實(shí)現(xiàn)車間生產(chǎn)要素管理、生產(chǎn)活動計(jì)劃、生產(chǎn)過程控制等在物理車間、虛擬車間、車間服務(wù)系統(tǒng)間的迭代運(yùn)行，從而達(dá)到車間生產(chǎn)和管控的優(yōu)化運(yùn)行。
構(gòu)建數(shù)字孿生車間，實(shí)現(xiàn)車間信息與物理空間的互聯(lián)互通與進(jìn)一步融合將是車間的發(fā)展趨勢，也是實(shí)現(xiàn)車間智能化生產(chǎn)與管控。智能工廠的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)從生產(chǎn)排產(chǎn)、數(shù)量統(tǒng)計(jì)、過程數(shù)據(jù)監(jiān)控、報(bào)警故障管理到設(shè)備智能化管理等工廠工藝一體化的管理模式，如圖2所示。
圖2 智能工廠目標(biāo)
智能工廠與車間系統(tǒng)的組成
智能工廠以工業(yè)自動化中的ERP-MES-PCS三層構(gòu)架、PLM為中心的工廠產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)和售后服務(wù)、SCR、CRM為中心的原材料供應(yīng)物流和制成品銷售物流為基礎(chǔ)。
1）智能工廠的組成
（1）PLM（product life-cycle management，產(chǎn)品生命周期管理）：PLM是指對產(chǎn)品的整個生命周期（包括投入期、成長期、成熟期、衰退期、結(jié)束期）進(jìn)行全面管理，通過投入期的研發(fā)成本最小化和成長期至結(jié)束期的企業(yè)利潤最大化來達(dá)到降低成本和增加利潤的目標(biāo)。
（2）ERP（enterprise resource planning，企業(yè)資源計(jì)劃）：ERP是一種主要面向制造行業(yè)進(jìn)行物質(zhì)資源、資金資源和信息資源集成一體化管理的企業(yè)信息管理系統(tǒng)。ERP 是一個以管理會計(jì)為核心可以提供跨地區(qū)、跨部門、甚至跨公司整合實(shí)時(shí)信息的企業(yè)管理軟件。針對物資資源管理（物流）、人力資源管理（人流）、財(cái)務(wù)資源管理（財(cái)流）、信息資源管理（信息流）集成一體化的企業(yè)管理軟件。ERP具有整合性、系統(tǒng)性、靈活性、實(shí)時(shí)控制性等顯著特點(diǎn)。ERP 將系統(tǒng)的物資、人才、財(cái)務(wù)、信息等資源整合調(diào)配，實(shí)現(xiàn)企業(yè)資源的合理分配和利用，作為一種管理工具存在的同時(shí)也體現(xiàn)著一種管理思想。市場上比價(jià)流行的ERP 系統(tǒng)是SAP系統(tǒng)，適合于中小型企業(yè)。
（3）SCM（supply chain management，供應(yīng)鏈管理）：SCM主要通過信息手段，對供應(yīng)的各個環(huán)節(jié)中的各種物料、資金、信息等資源，進(jìn)行計(jì)劃、調(diào)度、調(diào)配、控制與利用，形成用戶、零售商、分銷商、制造商、采購供應(yīng)商的全部供應(yīng)過程的功能整體。
（4）CRM（customer relationship management，客戶關(guān)系管理）：作為一種新型管理機(jī)制，CRM極大地改善了企業(yè)與客戶之間的關(guān)系，實(shí)施于企業(yè)的市場營銷、銷售、服務(wù)與技術(shù)支持等與客戶相關(guān)的領(lǐng)域。
（5）MES（manufacturing execution system，制造企業(yè)生產(chǎn)過程執(zhí)行管理系統(tǒng)）：MES系統(tǒng)是一套面向制造企業(yè)車間執(zhí)行層的生產(chǎn)信息化管理系統(tǒng)。MES可以為企業(yè)提供包括制造數(shù)據(jù)管理、計(jì)劃排程管理、生產(chǎn)調(diào)度管理、庫存管理、質(zhì)量管理、人力資源管理、工作中心/設(shè)備管理、工具工裝管理、采購管理、成本管理、項(xiàng)目看板管理、生產(chǎn)過程控制、底層數(shù)據(jù)集成分析、上層數(shù)據(jù)集成分解等管理模塊，為企業(yè)打造一個扎實(shí)、可靠、全面可行的制造協(xié)同管理平臺。智慧工廠車間的作業(yè)根據(jù)MES系統(tǒng)發(fā)送的指令來進(jìn)行的，MES系統(tǒng)根據(jù)訂單需求，結(jié)合智能制造設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，給智能制造設(shè)備安排作業(yè)。MES控制系統(tǒng)在接收到新的訂單后，會同各個倉庫對訂單所需原材料、包材、耗材等是否充足進(jìn)行分析匯總，如有短缺則通知采購部在規(guī)定期限內(nèi)采購，而在原材料采購質(zhì)檢期間，通知生產(chǎn)部做好生產(chǎn)前的準(zhǔn)備工作，檢查制造設(shè)備、生產(chǎn)設(shè)施等的實(shí)際情況，并根據(jù)智慧工廠內(nèi)設(shè)備的排產(chǎn)情況及剩余訂單合理的給相應(yīng)設(shè)備安排作業(yè)任務(wù)書。排產(chǎn)作業(yè)下達(dá)到智慧工廠后，智能制造設(shè)備在開機(jī)生產(chǎn)第一步，需要人為參與根據(jù)作業(yè)指導(dǎo)書的排產(chǎn)安排導(dǎo)入相應(yīng)的工藝參數(shù)，進(jìn)行調(diào)試并首件確認(rèn)后，將微調(diào)的工藝參數(shù)上傳入MES控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。
2）智能工廠層級劃分
客戶需求、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、物料采購、生產(chǎn)制造、進(jìn)出廠物流、生產(chǎn)物流、售后服務(wù)構(gòu)成智能工廠的橫向集成維度；企業(yè)內(nèi)部的設(shè)備與控制層、制造執(zhí)行層、經(jīng)營管理層、經(jīng)營決策層構(gòu)成縱向集成維度；由感知執(zhí)行、適配控制、網(wǎng)絡(luò)傳輸、認(rèn)知決策和服務(wù)平臺組成的信息物理系統(tǒng)（CPS）。這3個維度構(gòu)建了機(jī)械制造行業(yè)智能工廠參考模型。
（1）縱向集成維度
? 基礎(chǔ)設(shè)施層：企業(yè)首先應(yīng)當(dāng)建立有線或者無線的工廠網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)指令的自動下達(dá)和設(shè)備與產(chǎn)線信息的自動采集；形成集成化的車間聯(lián)網(wǎng)環(huán)境，解決不同通訊協(xié)議的設(shè)備之間，以及PLC、CNC、機(jī)器人、儀表/傳感器和工控/IT系統(tǒng)之間的聯(lián)網(wǎng)問題；利用視頻監(jiān)控系統(tǒng)對車間的環(huán)境，人員行為進(jìn)行監(jiān)控、識別與報(bào)警；此外，工廠應(yīng)當(dāng)在溫度、濕度、潔凈度的控制和工業(yè)安全（包括工業(yè)自動化系統(tǒng)的安全、生產(chǎn)環(huán)境的安全和人員安全）等方面達(dá)到智能化水平。
? 智能制造裝備層：智能制造裝備是智能工廠運(yùn)作的重要手段和工具。智能制造裝備主要包含智能生產(chǎn)設(shè)備、智能檢測設(shè)備和智能物流設(shè)備。制造裝備在經(jīng)歷了機(jī)械裝備到數(shù)控裝備后，目前正在逐步向智能制造裝備發(fā)展。智能化的加工中心具有誤差補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償?shù)裙δ埽軌驅(qū)崿F(xiàn)邊檢測、邊加工。工業(yè)機(jī)器人通過集成視覺、力覺等傳感器，能夠準(zhǔn)確識別工件，自主進(jìn)行裝配，自動避讓人，實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)作。金屬增材制造設(shè)備可以直接制造零件，DMG?MORI已開發(fā)出能夠?qū)崿F(xiàn)同時(shí)實(shí)現(xiàn)增材制造和切削加工的混合制造加工中心。
? 智能物流設(shè)備：則包括自動化立體倉庫、智能夾具、AGV、桁架式機(jī)械手、懸掛式輸送鏈等。例如，F(xiàn)anuc工廠就應(yīng)用了自動化立體倉庫作為智能加工單元之間的物料傳遞工具。????
? 智能產(chǎn)線層：在生產(chǎn)和裝配的過程中，能夠通過傳感器、數(shù)控系統(tǒng)或RFID自動進(jìn)行生產(chǎn)、質(zhì)量、能耗、設(shè)備績效（OEE）等數(shù)據(jù)采集，并通過電子看板顯示實(shí)時(shí)的生產(chǎn)狀態(tài)；通過系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工序之間的協(xié)作；生產(chǎn)線能夠?qū)崿F(xiàn)快速換模，實(shí)現(xiàn)柔性自動化；能夠支持多種相似產(chǎn)品的混線生產(chǎn)和裝配，靈活調(diào)整工藝，適應(yīng)小批量、多品種的生產(chǎn)模式；具有一定冗余，如果生產(chǎn)線上有設(shè)備出現(xiàn)故障，能夠調(diào)整到其他設(shè)備生產(chǎn)；針對人工操作的工位，能夠給予智能的提示。
? 智能車間層：要實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程進(jìn)行有效管控，需要在設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、先進(jìn)生產(chǎn)排產(chǎn)（APS）、勞動力管理等軟件進(jìn)行高效的生產(chǎn)排產(chǎn)和合理的人員排班，提高設(shè)備利用率（OEE），實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的追溯，減少在制品庫存，應(yīng)用人機(jī)界面（HMI），以及工業(yè)平板等移動終端，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的無紙化。另外，還可以利用Digital?Twin(數(shù)字映射)技術(shù)將MES系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)在虛擬的三維車間模型中實(shí)時(shí)地展現(xiàn)出來，不僅提供車間的VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）環(huán)境，而且還可以顯示設(shè)備的實(shí)際狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)融合。智能物流設(shè)備則包括自動化立體倉庫、智能夾具、AGV、桁架式機(jī)械手、懸掛式輸送鏈等。例如，F(xiàn)anuc工廠就應(yīng)用了自動化立體倉庫作為智能加工單元之間的物料傳遞工具?？梢杂肈PS系統(tǒng)(Digital?Picking?System)實(shí)現(xiàn)物料揀選的自動化。
? 智能產(chǎn)線層：智能產(chǎn)線的特點(diǎn)是，在生產(chǎn)和裝配的過程中，能夠通過傳感器、數(shù)控系統(tǒng)或RFID自動進(jìn)行生產(chǎn)、質(zhì)量、能耗、設(shè)備績效（OEE）等數(shù)據(jù)采集，并通過電子看板顯示實(shí)時(shí)的生產(chǎn)狀態(tài)；通過安燈系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工序之間的協(xié)作；生產(chǎn)線能夠?qū)崿F(xiàn)快速換模，實(shí)現(xiàn)柔性自動化；能夠支持多種相似產(chǎn)品的混線生產(chǎn)和裝配，靈活調(diào)整工藝，適應(yīng)小批量、多品種的生產(chǎn)模式；具有一定冗余，如果生產(chǎn)線上有設(shè)備出現(xiàn)故障，能夠調(diào)整到其他設(shè)備生產(chǎn)；針對人工操作的工位，能夠給予智能的提示。?????
? 工廠管控層：工廠管控層主要是實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的監(jiān)控，通過生產(chǎn)指揮系統(tǒng)實(shí)時(shí)洞察工廠的運(yùn)營，實(shí)現(xiàn)多個車間之間的協(xié)作和資源的調(diào)度。流程制造企業(yè)已廣泛應(yīng)用DCS或PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)管控，近年來，離散制造企業(yè)也開始建立中央控制室，實(shí)時(shí)顯示工廠的運(yùn)營數(shù)據(jù)和圖表，展示設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并可以通過圖像識別技術(shù)對視頻監(jiān)控中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行自動報(bào)警。?
（2） 橫向集成維度
按照“互聯(lián)網(wǎng)+協(xié)同制造”的精神，重點(diǎn)構(gòu)建產(chǎn)業(yè)鏈的企業(yè)間的協(xié)同與集成，如跨企業(yè)、跨地域的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，企業(yè)間的協(xié)同供應(yīng)鏈管理，協(xié)同生產(chǎn)、協(xié)同服務(wù)和企業(yè)間的價(jià)值鏈重構(gòu)。實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈上各企業(yè)間的無縫集成、信息共享和業(yè)務(wù)協(xié)同。
（3）信息物理系統(tǒng)（CPS）
智能工廠各層級相互配合，支撐企業(yè)縱向集成、企業(yè)間橫向集成與端到端集成，實(shí)現(xiàn)工業(yè)體系與信息體系的深度融合以及全面智能化。信息物理系統(tǒng)通過集成先進(jìn)的信息通信和自動控制等技術(shù)，構(gòu)建了物理空間與信息空間中人、機(jī)、物、環(huán)境、信息等要素相互映射、適時(shí)交互、高效協(xié)同的復(fù)雜系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)資源配置和運(yùn)行的按需響應(yīng)、快速迭代、動態(tài)優(yōu)化。它是智能工廠的技術(shù)支持體系如圖3所示。
圖3 智能工廠層級架構(gòu)
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