車間數(shù)字化實現(xiàn)過程探討

張鋒 何燕平 張玉琪

[摘 要]車間數(shù)字化是實現(xiàn)未來智能制造、智慧制造的重要環(huán)節(jié)，是現(xiàn)階段提升產(chǎn)品質(zhì)量、提高效率、降低成本的有力手段，也是企業(yè)競相追逐的新制造模式。本文結(jié)合筆者實踐，重點圍繞車間數(shù)字化的基本框架、建設(shè)階段以及各階段關(guān)注重點進行闡述，希望為實現(xiàn)數(shù)字化車間提供參考。

[關(guān)鍵詞]車間數(shù)字化;智能制造;制造模式

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2020.20.028

[中圖分類號]F270.7;F273[文獻標識碼]A[文章編號]1673-0194（2020）20-00-02

1? ? ?車間數(shù)字化定義

車間數(shù)字化指車間以業(yè)務(wù)流程的優(yōu)化和重構(gòu)為基礎(chǔ)，在一定的深度和廣度上利用自動化技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)與控制技術(shù)、計算機技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)等，將設(shè)備、工藝系統(tǒng)、生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)等進行集成，實現(xiàn)車間資源的數(shù)字化控制與內(nèi)外部信息共享和有效利用，以改善車間的組織和管理，實現(xiàn)資源的柔性配置，提高車間的制造效率和過程可控性、可追溯性。

2? ? ?車間數(shù)字化過程

車間數(shù)字化過程是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，各個環(huán)節(jié)、要素之間錯綜復(fù)雜，涉及作業(yè)現(xiàn)場、設(shè)備、數(shù)據(jù)采集與控制、經(jīng)營管理以及外部輸入等多個環(huán)節(jié)。各環(huán)節(jié)中還融入了車間各級管理者的思想及管理藝術(shù)。雖然過程很復(fù)雜，但如果從車間系統(tǒng)層級和數(shù)字化實現(xiàn)過程分解，車間的數(shù)字化過程離不開標準化、自動化、信息化、數(shù)字化四大過程。其中，標準化主要指構(gòu)建于車間現(xiàn)場層、控制層與制造執(zhí)行層的活動、流程及管理的要求、協(xié)議與規(guī)定，標準化是數(shù)字化的基礎(chǔ)，是推進自動化、信息化與數(shù)字化的根基;而自動化主要指實現(xiàn)現(xiàn)場作業(yè)與作業(yè)信息管理手段自動化，主要在現(xiàn)場層和控制層開展;而信息化主要在執(zhí)行層開展，完成車間任務(wù)級信息的管理，包括接收任務(wù)、排程、派工、質(zhì)量管理等，信息化層和自動化層需要通過接口進行信息交互，以實現(xiàn)現(xiàn)場作業(yè)與計劃管理信息融合，保證信息準確;數(shù)字化則是車間最終制造生命周期過程的集成、制造數(shù)據(jù)的集成、物理空間與信息空間的集成。四大過程既是數(shù)字化車間發(fā)展不可缺少的過程，也是車間數(shù)字化發(fā)展逐漸明晰

的過程。

2.1? ?標準化

標準化指對事物本身或者事物的發(fā)生過程、執(zhí)行流程進行標準的衡量和定義。標準化的過程主要從以下5個維度開展工作。

2.1.1? ?生產(chǎn)過程標準化

過程標準化，具體包括生產(chǎn)過程的精細化分解，包括生產(chǎn)過程分解和生產(chǎn)過程關(guān)系定義。生產(chǎn)過程分解指對生產(chǎn)過程進行縱向分解，分解成生產(chǎn)階段、生產(chǎn)工序以及生產(chǎn)工步，并對分解的結(jié)果進行概念定義;生產(chǎn)過程關(guān)系定義指對過程分解結(jié)果之間的邏輯關(guān)系以及內(nèi)部之間的邏輯關(guān)系進行定義。如階段、工序、工步之間的從屬關(guān)系，工序內(nèi)部之間的串行、并行、可跳等工序邏輯定義。

2.1.2? ?生產(chǎn)流程標準化

流程標準化，指對生產(chǎn)涉及的各流程進行定義，把各班組、產(chǎn)線的不同管理流程進行統(tǒng)一規(guī)劃，制定標準，讓車間按照統(tǒng)一流程進行運作，比如，返工流程，物流運輸流程、周轉(zhuǎn)流程、設(shè)備領(lǐng)用流程、人員調(diào)動流程等。

2.1.3? ?生產(chǎn)要素標準化

生產(chǎn)要素的核心包括人、機、料、法、環(huán)，需要結(jié)合車間對生產(chǎn)要素的實際使用需求準確定義生產(chǎn)要素，以確保準確的資源適配到準確的需求。生產(chǎn)要素的定義是對需求屬性的抽象定義，而不是多多益善。比如，人員屬性包括使用姓名、勝任工種、技術(shù)能力等。

2.1.4? ?通信接口標準化

數(shù)字化車間的核心是信息的互連互通，包括信息流、物流、控制流、財務(wù)流等。接口的標準化是數(shù)字化信息貫通的基石，需要對設(shè)備與設(shè)備之間、設(shè)備與控制層之間、控制層與經(jīng)營層之間等建立基礎(chǔ)的信息傳輸總線。這些總線可能是現(xiàn)場總線（PROFIBUS、CAN等）、工業(yè)以太網(wǎng)總線（PROFINET、EPA等）、企業(yè)服務(wù)總線（ESB）等，且在信息總線上需構(gòu)建標準的出入口，任何設(shè)備或者需求都可以通過標準化的出入口進入信息總線并發(fā)生交互。

2.1.5? ?組織管理標準化

管理的標準化，包括建立按專業(yè)分類的組織以及制定管理制度，對車間涉及的各項事務(wù)進行管理，實現(xiàn)組織管理的標準化，不因班組、產(chǎn)線或業(yè)務(wù)不同而有所區(qū)別，通過標準化的工作，把生產(chǎn)涉及的各要素、各活動、各流程等從混亂狀態(tài)變成有序狀態(tài)，實現(xiàn)車間制造過程有理有條，做事有依據(jù)，過程有記錄，管理有制度。

2.2? ?自動化

自動化指利用自動化的工具、設(shè)備，包括軟件、自動控制設(shè)備、機器人等代替人工完成任務(wù)的相關(guān)制造工作。通過減少對人員數(shù)量和能力的需求，提高產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)出效率，同時降低風(fēng)險、成本。自動化可以代替人工活動，但需要從多個層面考慮哪些活動可以實現(xiàn)自動化。自動化包括用軟件自動化和硬件自動化。比如，運用軟件模擬人的操作，實現(xiàn)日常業(yè)務(wù)辦理，如數(shù)據(jù)整理、填寫報表、上載數(shù)據(jù)及利用軟件代替人做出某些行動決策等。而硬件自動化則包含各種硬件設(shè)備、傳感器、控制器等構(gòu)成的工作單元。比如，自動化物流（AGV）、機械手臂等。其中，自動化的過程主要從3個維度開展。

2.2.1? ?自動化的活動或?qū)ο?/p>

自動化廣泛用于大批量產(chǎn)品的生產(chǎn)制造過程，或者用于高度柔性化的制造過程，或者對于某些有特定需求的活動。而對于多品種、小批量且制造共性不多的產(chǎn)品來說，不能盲目自動化，需要從精益生產(chǎn)的角度考慮，提高項目之間的柔性，減少項目浪費。此外，也可以根據(jù)部分共性采用適度的自動化手段，但切不可為了自動化而自動化。

2.2.2? ?自動化方式選擇

自動化是車間數(shù)字化過程中占用成本比較大的部分，所以自動化需要考慮性價比，根據(jù)性價比確定自動化方式。對于數(shù)量少或者狀態(tài)不穩(wěn)定的活動，可以考慮代價較少的軟件自動化、自動測試等方式。而對于批量大且共性高的工序，可采用機器人、機械臂或自動化工作站。自動化需要在成本和產(chǎn)出之間找到平衡點，且自動化設(shè)備的投入也不是一次性的，需要后續(xù)保養(yǎng)、維護、維修。車間數(shù)字化以利潤為最終目的，需要以市場競爭為導(dǎo)向，采用適宜的自動化方式。

2.2.3? ?接口、協(xié)議與組網(wǎng)能力

為了提高自動化設(shè)備的柔性與利用率，企業(yè)需要根據(jù)標準化的要求，選配適宜的接口并能支持生產(chǎn)線現(xiàn)場總線的協(xié)議，確保自動化設(shè)備具備信息交互能力，包括參數(shù)下發(fā)、狀態(tài)控制、遠程監(jiān)控等。同時，還需要具有支持系統(tǒng)組網(wǎng)的能力，只有組網(wǎng)，才能通過多臺設(shè)備構(gòu)建系統(tǒng)化平臺，實現(xiàn)設(shè)備之間的快速切換與動態(tài)選擇，提升制造過程的柔性。

2.3? ?信息化

本文所指信息化指通過計算機軟件、通信技術(shù)完成車間經(jīng)營管理電子化的過程。該過程主要包括企業(yè)級信息系統(tǒng)定位、訂單導(dǎo)入、計劃排程、計劃跟蹤執(zhí)行、質(zhì)量管理等。其中，信息化過程重點關(guān)注3個維度。

2.3.1? ?車間信息化的定位

企業(yè)信息化建設(shè)是統(tǒng)一的、長期的、有規(guī)劃的行為。對于車間來說，首先要找到車間數(shù)字化在這個企業(yè)中的定位，每個企業(yè)的具體情況不一致，需要根據(jù)車間的職責(zé)與業(yè)務(wù)、上級輸入，如訂單、工藝等，準確定位經(jīng)營管理層的信息化業(yè)務(wù)，然后根據(jù)準確定位，分析需求與功能，確保與企業(yè)規(guī)劃相匹配，避免形成信息孤島和推進后續(xù)應(yīng)用的壁壘。

2.3.2? ?信息化管理需求

信息化不是簡單的電子化，僅把原本紙質(zhì)的數(shù)據(jù)變成電子數(shù)據(jù)，而是通過信息化過程，進行流程優(yōu)化與重構(gòu)，減少制造過程中的浪費，包括時間、資源、人力等浪費?？傊?，流程的梳理與優(yōu)化是信息化的前提，同時該過程也是管理思想的融入過程，通過兩者的結(jié)合，企業(yè)找到管理流程的薄弱環(huán)節(jié)，進行優(yōu)化或重構(gòu)，減少重復(fù)、煩瑣環(huán)節(jié)，實現(xiàn)車間經(jīng)營管理效率提升。

2.3.3? ?信息化功能需求

車間信息化是對制造過程的經(jīng)營管理，是對生產(chǎn)組織和生產(chǎn)過程的管理，包括車間管理模型和影響車間管理的模型，具體可分為資源管理、生產(chǎn)調(diào)度、生產(chǎn)分派、操作管理、質(zhì)量管理、庫存管理等功能模塊。

2.4? ?數(shù)字化

數(shù)字化過程，是在標準化、自動化、信息化的基礎(chǔ)上，集成過程、數(shù)據(jù)、流程、虛實等，構(gòu)建以信息流為核心的數(shù)字化空間，通過數(shù)據(jù)流動，完成信息閉環(huán)和產(chǎn)品制造過程從訂單到交付的全過程。其中，數(shù)字化過程主要從兩個集成開展。

2.4.1? ?制造生命周期的流程與信息集成

作為產(chǎn)品制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，數(shù)字化要實現(xiàn)企業(yè)決策、車間執(zhí)行、控制層與現(xiàn)場設(shè)備之間的通信鏈路，實現(xiàn)制造流程從上至下、從下至上的順暢聯(lián)通，以確保全流程集成，實現(xiàn)各環(huán)節(jié)無縫連接，包括產(chǎn)品的訂單分解、派工、加工制造、返修、報廢、試驗、交付等過程，做到全過程環(huán)環(huán)相扣，同時，對過程數(shù)據(jù)進行全過程記錄，包括制造過程（如階段、工序、工步等）和制造資源（如儀器、設(shè)備、工裝、人員、工位、環(huán)境等）以及產(chǎn)品狀態(tài)變化（如返工、軟件狀態(tài)等），實現(xiàn)制造全過程可追溯、可復(fù)現(xiàn)、數(shù)據(jù)可重用。

2.4.2? ?制造過程虛實集成

車間數(shù)字化是物理空間和信息空間的融合，即虛擬空間的產(chǎn)線模擬仿真、排程運算、運行仿真等與現(xiàn)實空間各產(chǎn)線、制造設(shè)備、人員、資源相映射并可發(fā)生的信息交互。現(xiàn)實空間的活動需在信息空間實時反應(yīng)，比如，現(xiàn)場的加工進度、現(xiàn)場的異常都需要在信息空間及時準確呈現(xiàn)，以便決策者做出科學(xué)決策。同時，所做的每一項決策都需通過信息空間反饋到物理空間上，實現(xiàn)對設(shè)備、資源、人員以及任務(wù)等控制或調(diào)整。虛實集成是數(shù)字化的重要組成部分，也是構(gòu)建賽博物理系統(tǒng)（CPS）走向智能制造的核心。

3? ? ?結(jié) 語

車間數(shù)字化是目前車間制造的發(fā)展方向，也是制造業(yè)搶奪智能制造制高點的主戰(zhàn)場。本文通過探討車間數(shù)字化的框架與實現(xiàn)過程，解析標準化、自動化、信息化與數(shù)字化的含義，并研究過程關(guān)注點，希望能為數(shù)字化制造車間建設(shè)提供幫助，助力制造行業(yè)向數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型。

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[收稿日期]2020-09-11