一種面向離散制造業集成車間的數字化系統設計

張宇 孫廣明

摘要：對于離散制造業集成車間面臨的生產信息不透明，缺乏集中監控和管理平臺，管理者不能實時、全面、準確地了解生產實際情況，無法及時檢查和處理現場等問題，通過構建集成車間生產數字化系統，解決離散集成車間多元數據難以協同帶來的生產效率不高、產品不合格率高等問題。通過對車間生產物料、設備、過程的實時監控，達到精準生產與控制，提升生產效率與降低不合格產品率。將設備監控系統與生產設備控制系統結合起來，實現可視化的車間管理，促進提升效益。通過對車間生產過程的原料、生產計劃、加工過程的信息采集，進行實時，精準生產。通過對生產設備的實時監控，確保產線生產安全和效率，達到降低不合格產品率，提質增效及提升資源的有效使用率。

關鍵詞：數字車間;離散制造業;監控系統

中圖分類號：TP391

文獻標志碼：A

文章編號：1009-9492 f 2022）02-0082-03

0 引言

“中國制造2025”戰略指出，制造企業智能化是目前首要面臨的挑戰和問題[1]。車間作為生產制造企業的生產核心，其工作效率與組織生產的形式，將直接影響產品的質量與成本[2]。因此，為了提升離散制造企北的生產水平，促進其提升生產效率與產品質量，增強企業的競爭力，其數字化改造十分必要[3]。

離散制造業多種制造系統并行，以適應批次多、品種多、單件小批量等生產特點。離散制造車間存在數據繁多，實時監控困難，管理不透明等問題[4]，制約其生產效率的提升。新一代信息技術與制造技術結合，是必然發展趨勢[5-6]。

離散制造業集成車間在組織生產時具備以下問題。

（1）訂單和預測式驅動生產。集成車間的生產計劃的驅動是訂單式或基于對市場的預測。由于訂單和對市場的預測變化頻繁，因此生產排單變化頻繁，難以精確。

（2）依據生產產品的特點，工序簡單或復雜并存。產品的構成零部件種類眾多，且不同產品的生產工序存在較大差別。普遍存在小批量試制等產品未定型情況，且生產周期、工序存在較大不確定性，對于關鍵生產資源爭奪現象嚴重。

（3）生產的產品的質量、生產效率等因素很大程度上依賴于人工的技術熟練水平。生產過程中存在許多不確定因素和意外情況（如緊急訂貨、物料短缺、設備異常、人員變動、元件質量波動等），對生產作業的正常實施產生重大影響。

離散車間由不同的零件加工/裝備子過程組成生產活動，本身具有生產多變和不確定性[8]。為了克服上述問題，部分離散制造企業在車間組織生產環節，采用信息化的方式來改善生產效率，即部署多種信息化軟件，如PLM、MES、SCADA等。由于在不同系統中，應用軟件和設備的聯合應用，使得工廠管理的重要性日益突出。

（1）各個車間生產網絡基礎設施建設形態各異，尚未形成統一建設定式和標準，存在大量的“信息孤島”和“信息煙囪”。

（2）生產信息化和生產白動化過程脫節，互不連接，缺乏有效統一的分析和管理平臺。

生產車間信息不透明，缺乏集中的監控和可視化管理平臺，管理者不能實時、全面、準確地了解生產實際情況，無法及時檢查和處理，這也造成了車間管理的困境。車間管理面臨的主要問題是“解決計劃、材料、生產過程”。由于生產過程的不斷更新，計劃和執行層存在缺口。生產材料需求的計劃是建立在理想穩定的基礎上的，但在單位生產計劃時間內，資源、環境可能發生改變，如設備的突然故障與維修、需求的變化等導致產品不合格率的上升、生產周期的延長，以至于影響參與生產的各班組的協同。為了避免這些問題，需要將計劃、資源、生產串聯起來，做到實時化、智能化、集成化地更新[9-14]。

為了更好地管控車間現場，需要對生產車間內生產設備進行監控管理。構建面向離散制造業集成車間的數字化系統，提高工廠對生產現場的管控能力，優化生產。

1 離散制造業集成車間的數字化系統

離散制造業集成車間的數字化系統核心功能如圖1所示。離散制造業集成車間的數字化系統在整個生產組織、產品加工、資源處理和其他行業的技能培訓、生產計劃和調度方面統一協同，提供生產資源的合理的部署與配置、提高生產能力。實現業務流程的可視化，促進業務流程的持續優化。面向離散制造業集成車間的數字化系統設計以柔性、敏捷制造為目標，傳感器網絡、結合物聯網技術和信息技術相結合，實現對離散制造車間的生產資源的負荷跟蹤，提升流轉效率和利用率，提升生產應變能力。通過采樣生產過程數據，結合統計分析方法，為決策者提供充足依據，打造先進的生產管理體系。

1.1 計劃管理

根據訂單和生產計劃建立生產計劃管理系統，制定詳細的生產計劃（資源分配的生產活動）。訂單優先順序、供應、庫存、庫存、操作產品、功能、操作加工、資源等條件、資源限制、用戶變更計劃、按順序分配日間操作計劃、按次序調整至最優。

在系統設計過程中主要有以下需求。

（1）手動排產：該功能模塊將總的計劃進行分解，車間生產人員根據現場設備負荷、生產周期等情況在系統中進行手動計劃排定、派工等操作，可具體到人員、設備等。

（2）跟蹤生產速度：實時對車間生產現場訂單執行情況的跟蹤。

1.2 工藝管理

工藝過程管理與控制是系統中的重要組成部分與工具，是提產品生產效率，保證生產質量、確保生產安全和按期生產的重要方法。

工藝文件管理和圖紙管理：系統可以統一管理生產技術文本和相關文件。

工藝流程管理：可以確定系統中的技術路線等。

工藝版本管理：可以管理技術路線版本等。

工藝審批管理：當系統中的技術過程或技術發生變更時，需要批準，方可執行。

1.3 設備管理

設備管理是對車間生產設備、生產規范、操作規程、管理制度、監測、故障診斷、技術維護、統計等模塊。綜合了生產設施、操作規程和控制系統、運行控制、故障診斷、維護、電流統計等模塊的總管理，建立設備管理檔案，對設備調整、更新、使用、維護、狀態等信息全方位記錄，有利于提升設備使用效率與正常運行。

1.4 生產看板

生產看板是部署在集成車間的顯示工具，直接影響到產線的產能。動態匯集顯示生產狀態信息，如產量匯總、報警提示、生產效率等，幫助生產人員和管理人員進行生產狀態監控與預警。

1.5 異常管理

在生產過程中可能出現異常，如設備故障、材料短缺、生產異常等情形，系統在出現異常時會進行異常監測、異常監測、異常報告調整，以及定期報告和報告。快速傳遞信息、調用應用程序、實時顯示、統計分析、報表等，實時傳遞信息和過程控制、設備狀態、質量問題、物料供應等，支持整個生產過程。

當質量、技術、設備、設備、設備參數是不正常的警報信號時，根據事先確定的人員、處理時間和提醒，如果未及時處理，則按步驟發出警報。當出現生產異常時，異常信息實時快速上報、顯示、統計分析、報告生成等，提供和管理實時過程跟蹤，覆蓋工作順序、設備狀況、質量問題、材料供應等范疇，實現異?？焖俣ㄎ?。對生產過程中可能出現的異常情況提前進行維護，根據不同的異常采用不同的方式進行處理。

1.6 質量管理

控制車間產品質量管理、降低生產不合格率，提高產出質量和滿足客戶需求。針對關鍵業務設置指，包含檢查質量控制和質量控制參數控制，大大降低生產工序的質量問題。通過現場人員填報和產線跟蹤提交當前生產過程中產品質量問題，如自檢、報廢、返修等數據。在關鍵工序生產完成后，根據需要進行工序質檢，并根據任務進行質檢數據提交，并提交產品不合格時的處理方式，如返修、報廢等。質量管理主要是為了控制產品生產過程質量，降低生產風險，提高合格率和客戶滿意度，針對關鍵工序設置檢驗指導內容、質檢項及參數供質檢人員對比確認，大大降低了因上道工序存在的質量問題繼續加工生產而帶來的損失。

2 結束語

通過加工原材料、生產計劃信息、加工過程的透明度、實時性、配送的準確性，控制生產設施的運行，保證生產配送的及時進行，提高效率，提高客戶滿意度。產品生命周期可視化、過程瓶頸分析、有效促進生產協調、減少生產故障、提高部門合作效率。為避免通過人為干預造成數據傳輸延遲，降低存儲成本，通過對異常信息的可視化和信息的實時存儲，建立了一個透明、實時、現代化的智能車間。通過對離散制造業集成車間生產數字化系統的構建，更好地管理車間內的生產設備、優化生產，需要適合車間本身的數字化系統，將設備監控系統與生產設備控制系統結合起來，實現可視化的車間管理，促進提升效益。通過對車間生產過程的原料、生產計劃、加工過程的信息采集，進行實時、精準生產。通過對生產設備的實時監控，確保產線生產安全和效率，達到降低不合格產品率，提升客戶滿意度。

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