面向智能制造的PLM視角下數字化工廠實現技術研究

撰文/中航工業信息技術中心（金航數碼） 饒有福

面向智能制造的PLM視角下數字化工廠實現技術研究

撰文/中航工業信息技術中心（金航數碼） 饒有福

當前，航空、航天、船舶及汽車等行業正重點研究智能制造和工業4.0，踐行中國制造2025，以實現先進制造企業的轉型升級。在此趨勢下，全球各大院校、科研機構和先進制造企業的研究重點之一——數字化工廠，并已初步形成一致的結論：數字化工廠是智能制造和工業4.0實現的必經之路。

一、智造趨勢下的數字化工廠

隨著國際競爭的不斷加劇和制造業勞動力成本的不斷上升，對設備效率、制造成本和產品質量等環節的要求不斷提高。離散制造業中以汽車、工程機械、航空、航天和船舶為代表的大型企業已越來越重視數字化工廠的建設。數字化工廠借助信息化和數字化技術，通過集成、仿真、分析和控制等手段，可為制造型企業的制造和生產全過程提供全面管控的整體解決方案。自20世紀90年代開始，全球相關的企業和科研機構紛紛開展數字化工廠技術的研究，但到目前為止尚未形成統一的描述，其范圍、內涵和實現框架也未統一。

眾所周知，智能制造和工業4.0已成為全球的研究熱點。智能制造以數字化、網絡化和智能化為其三大要素，其中數字化是基礎，要求產品模型化、資源模型化和過程可視化，不難發現其本質是在產品生命周期內實現模型驅動需求、設計、制造、生產、驗證及服務全過程。工業4.0提出了物理賽博系統（CPS）、三大集成和八項行動等實現技術與規劃，其核心是產品生命周期和生產生命周期（即兩PLM）的融合，同時融合的基礎還是模型。可見，智能制造和工業4.0的核心、本質及其實現的基礎均離不開產品生命周期及在全過程中運行的模型。因此在智能制造和工業4.0的驅使下，從PLM視角入手，數字化工廠應充分繼承前人的研究成果，結合新特征和技術以進一步向深度和廣度延伸，滿足智能制造和工業4.0的發展要求。

參考知名學者及國際電工委員會詞匯庫對數字化工廠的定義，本文認為數字化工廠(Digital Factory)：是指以產品全生命周期的相關數據為基礎，以模型為核心，在計算機虛擬環境中，對整個制造和生產過程進行仿真、評估和優化，并進一步擴展到整個產品生命周期的新型生產組織方式，是現代數字制造技術與計算機仿真技術相結合的產物。在PLM范疇下，“數字化工廠”的定位如圖1所示，它是在數字化環境中貫穿整個工藝設計、規劃、驗證、直至車間生產工藝的整個制造過程。

圖1 數字化工廠在PLM范疇下的定位

在PLM視角下，數字化工廠有三大內涵，分別為：以MBD模型為核心的數字化協同研制；以虛擬仿真為手段的數字化制造和生產過程的驗證分析；以制造過程管控數據與模型為基礎的數字化制造和生產過程的優化決策。

圖2 數字化工廠技術體系框架

二、數字化工廠實現架構

1.技術體系框架

根據工業化和信息化兩化融合要求，數字化工廠技術體系框架如圖2所示。頂層T1框內描述的為數字化工廠管控技術體系，T2框代表數字化工廠實現的通用技術體系，T3框代表數字化工廠應用技術體系，T4框代表數字化工廠的一般業務過程體系，T5框表示數字化工廠的基礎能力體系。

（1）管控技術體系。主要包含:①以工藝業務活動在線閉環跟蹤為主的任務/計劃管理；②以智能裝備及企業資源管理（Enterprise Resource Planning，ERP）或制造運營管理（Manufacturing Operations Management，MOM）產生的大量的實時和歷史的制造數據為基礎的實時分析和優化管理；③以綜合管理為基礎的智能決策。

（2）通用技術體系。主要包含：①應用流程梳理工具開展數字化工廠全業務域的流程和方法及流程優化再造的流程技術。②基于流程中涵蓋的人-機-料-法-環-工具為基礎，以產品、資源、設備設施、材料、能源、工裝、人員、廠房、物流、工藝過程等為內容構建模型的建模技術。③在數字化建模的基礎上，對制造系統進行運動學、動力學、加工能力等各方面進行動態仿真優化的仿真技術。④在流程、模型基礎上，應用IT技術和虛擬現實技術，提供立體的多維度的數據/信息展示和交互的環境的可視化技術。⑤以數字化工廠所涉及的流程、工具、方法、數據、知識及環境為要素的集成技術。

（3）應用技術體系。主要有：①以構型為指導、以模型和數字樣機為核心、以并行和協同為基礎的數字化制造過程管理技術。②在可視化環境中，基于樣機和模型，應用仿真手段完成協調和工藝總方案規劃的數字化工藝規劃技術。③以MBD為基礎，以仿真為手段，完成裝配、檢測、數控、鈑金、焊接、檢測及工裝等設計和作業指導書的數字化工藝/工裝設計與仿真技術。④以制造系統中的制造要素和過程模型為基礎，應用仿真手段完成制造系統的過程模擬并基于物理生產系統實采信息進一步仿真優化的生產系統設計與仿真技術。⑤數字化工廠中所涉略的資源、設備設施、材料、工裝、人員、廠房、工藝過程及標準規范和知識等資源應用技術。

（4）業務過程體系。數字化工廠的業務過程一般有：數字化工藝規劃、仿真驗證及管理，如圖2中T4框內的V1所示；在數字化環境完成生產生命周期的規劃、仿真驗證及管理，如圖2中T4框內的V2所示；物理環境中生產系統的構建和運行及管理，如圖2中T4框內的V3所示。

（5）基礎能力體系。主要包含數字化工廠的流程、工具、方法、數據、資源、知識管理和分析，并通過集成形成的數字化工廠環境。

2.信息系統實現

按照數字化工廠確立的技術體系框架，根據其業務過程，總體上數字化工廠的應用架構如圖3所示，總體上可以分為六大部分，分別為數字化制造過程管理、數字化工藝規劃、數字化工藝/裝設計與仿真、生產系統設計與仿真驗證、資源體系管理及基于ERP/MOM的智能分析和決策。因此，數字化工廠平臺的組成架構如圖4所示。系統分為基礎層、數據層、功能層、應用層、展現層及用戶層，共六個層次。其中應用層的搭建按照應用架構進行展開。

圖3 數字化工廠應用架構

圖4 數字化工廠系統組成架構

三、結論

本文立足智能制造，從PLM視角下，提出了數字化工廠的概念，確立了其內涵與定位。針對數字化工廠的通用技術、應用技術、業務活動及管理等內容開展研究和分析，形成了數字化工廠的技術體系框架，并給出了支撐數字化工廠的信息系統的應用架構和系統架構。

數字化工廠的建設是一個復雜系統工程，企業在構建過程建議以系統工程方法論為指導。同時結合企業自身的狀態，設計好數字化工廠的藍圖和評估評價體系，進行總體規劃和分步實施。另外計算機、網絡、數據挖掘及智能化裝備等技術不斷地飛速發展，因此在未來數字化工廠建設過程也將根據企業需要有步驟地融合相匹配的先進技術。