航空制造現場監測與控制技術發展趨勢展望

王立書

制造現場監測與控制技術發展概述

制造現場監測與控制系統承擔著實現制造資源和制造過程狀態實時感知、檢測和反饋控制的重要功能，是智能制造動態感知、實時分析、自主決策、精準執行智能制造新模式的關鍵技術，是提升生產效率，提高產品質量，完善生產管理的基礎和必要手段。制造現場監測與控制技術在流程性生產企業和汽車流水線生產線中以SCADA（數據采集與監視控制系統）形式得到深入應用，但在航空制造業，目前制造現場監測與控制的應用主要在單元級，如數控機床、試驗設備和庫房等，數控設備DNC（分布式數字控制）/MDC（制造數據采集和狀態監控）管理功能往往作為MES（制造執行系統）的子模塊出現，目的是為其提供數控程序管理與數控機床狀態采集管理。近幾年，隨著美國工業互聯網、德國工業4.0以及中國制造2025等戰略的逐步落地，制造現場監測與控制技術應用模式有了翻天覆地的變化。其應用范圍已經從單純的數控機床等設備的管理向人、物、信息系統等萬物互聯管理轉變，隨著傳感網的發展從基于PLC（可編程邏輯控制器）為主的連接向多類型傳感器連接轉變，隨著工業控制網建設從基于DCS（集散型控制系統）模式向FCS（現場總線控制系統）及工業以太網等復雜網絡架構轉變，在技術發展上實現從多類型異類傳輸協議向統一的協議轉變。制造現場監測與控制技術在智能制造發展中體現了其日益重要的地位。

關鍵技術及其應用情況

當前的制造現場監測與控制技術繼承了互聯網、通信、傳感器、數據分析等多種技術，并充分融合了下一代互聯網、工業物聯網、云計算、工業大數據等新一代信息技術的發展成果，與傳統DNC/MDC/SCADA技術已經有較大不同。其區別如表所示。

智能制造新模式已經為制造現場監測與控制技術賦予新的應用范式，航空工業智能制造參考架構對此進行了詳細闡述，包括其在橫向聯接及縱向集成應用等全方位的升級。總體而言，新一代制造現場監測與控制融合了物聯網等新技術，在制造資源的深度互連、制造狀態數據的實時采集和分析、制造過程的優化控制方面遠非傳統工業自動化網絡建設模式可比擬，并已從傳統的車間級應用向企業價值鏈網絡集成的方向發展。

智能制造創新中心設備互聯技術驗證平臺

基于智能制造的前期技術研究，航空工業對基于工業物聯網的制造現場監測與控制技術一直十分重視。航空工業智能制造創新中心圍繞航空工業復合材料制造領域，針對特種工藝設備在健康狀態分析、故障預測預警、維修決策支持等方面的需求，基于賽博物理系統技術、物聯網技術、大數據及云平臺技術，建立了設備互聯與數據采集、應用開發與運行平臺，對設備進行現場數據實時采集，并通過大數據分析技術建立健康分析模型，實現對設備異常情況進行預判處理，構建了異構設備互聯集成、數據采集、數據分析和實時監控的智能制造管控技術驗證平臺。

該技術驗證平臺依據設備接口、協議及工藝特點，以異構設備互聯為基礎，進行設備快速建模并采集設備運行數據，通過實時數據庫對數據進行存儲、分析、架構處理，分析過程數據對問題進行預判，并以監控的方式對設備、工廠進行監控。其總體技術架構如圖所示。

總體技術架構分為三層：應用層、平臺層、資源層。

“應用層”面向業務需求，實現設備互聯、洞察、優化。“互聯”能夠全面感知生產過程要素，如各車間整體運行情況，企業設備運營總體監測，車間設備運行監控，設備參數監測預警。“洞察”提供企業生產運營監控應用，工藝加工可視化分析，設備健康分析，智能工卡等。“優化”提供生產排產優化，設備故障自動診斷，工藝及車間綜合優化，基于AR的生產及維修。

“平臺層”由各系統平臺及程序工具構成，建立“異構設備互聯框架”，面向航空裝備制造設備的特殊性與復雜性，整合分布各制造現場不同類型規格、不同地域分布的設備，按照規范的模式進行組網互聯。“分布式數據采集”能夠根據航空裝備制造設備多樣性及航空零部件高復雜性特點，建立數據分類收集與分布存儲規范。“數據處理分析”在大量的過程數據與零件加工數據中，篩選出可用的數據，挖掘出更有價值的內容、問題及趨勢。“智能監控服務”整合各類資源數據與數據分析結果，以整體運營管控的形勢對數據進行呈現。

“資源層”作為平臺數據源由硬件、軟件及人員構成，軟件包括企業現有應用系統如PLM、ERP/MES和CAPP，硬件包含工廠、設備、產品及物料等，人員包括執行層、管理層和決策層等多種角色。

該平臺符合行業規范的設備互聯參考架構，結合傳感器、大數據、增強現實等先進技術，實現多層次和多專業設備的運行狀態實時監測，并能夠基于工業設備產生的運行數據，實現設備健康狀態分析、故障預測預警、維修決策支持、基于增強現實的設備現場運營可視化及維修支持等能力，提高整體智能設備系統的最大化運營效率。

應用與推進建議

航空工業制造現場監測與控制技術作為智能制造的基礎支撐技術，國外航空工業企業十分重視。GE等美國工業互聯網核心企業正在迅猛地從設備、車間網絡和價值鏈多層次推進物聯網、工業大數據和云計算的全面應用，必將帶來生產力的巨大進步。我國航空工業需要按照智能制造發展戰略，依據智能制造的主攻方向，提高人才儲備和技術儲備，大力提升解決方案能力，進行拓展應用，最終促進實現航空工業自主可控、保證安全的協同基礎設施建設要求。endprint