聊一聊數(shù)字化工廠技術的應用現(xiàn)狀與趨勢！
今天來聊一聊數(shù)字化工廠技術的應用現(xiàn)狀與趨勢！
◎文丨e-works董事長張國軍 黃剛
現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)歷了機械化、電氣化革命，未來的第三次工業(yè)革命必然是以機、電、信息相結(jié)合的智能化制造革命。《經(jīng)濟學人》曾發(fā)表的《第三次工業(yè)革命：制造業(yè)與創(chuàng)新》專題報道中闡述了目前由技術創(chuàng)新引發(fā)的制造業(yè)深刻變化，其中，數(shù)字化與智能化的制造技術是“第三次工業(yè)革命”的核心技術。
作為數(shù)字化與智能化制造的關鍵技術之一，數(shù)字化工廠是現(xiàn)代工業(yè)化與信息化融合的應用體現(xiàn)，也是實現(xiàn)智能化制造的必經(jīng)之路。數(shù)字化工廠借助于信息化和數(shù)字化技術，通過集成、仿真、分析、控制等手段，可為制造工廠的生產(chǎn)全過程提供全面管控的一種整體解決方案。
早在2000年前后，上汽、海爾、華為和成飛等制造企業(yè)均已開始著手建立自己的數(shù)字化工廠。今年來，隨著國際競爭的不斷加劇和我國制造業(yè)勞動力成本的不斷上升，對設備效率、制造成本、產(chǎn)品質(zhì)量等環(huán)節(jié)的要求不斷提高，離散制造業(yè)中以汽車、工程機械、航空航天、造船為代表的大型企業(yè)已越來越重視數(shù)字化工廠的建設。
根據(jù)在范圍、階段、視角上的關注點存在差異，對于數(shù)字化工廠也有不同提法，比如可視化工廠(Visual Factory)、智慧工廠(Smart Factory)、智能工廠(Intelligence Factory)、數(shù)字化制造(Digital Manufacturing)、虛擬工廠(Virtual Factory)等。各個概念在關注點上也存在不同程度的交集，如智能工廠和數(shù)字化制造的交集就是以智能裝備為核心的制造工藝過程智能化，特別是對制造裝備本身的智能化。而上述各種提法之間除明顯的交集之外也各有側(cè)重，比如可視化工廠側(cè)重于數(shù)字化工廠實現(xiàn)前期的數(shù)據(jù)采集和透明化，而智能工廠更側(cè)重于后階段的數(shù)據(jù)分析與決策。
上述提法中比較典型的有3類：基于三維模型的數(shù)字化協(xié)同研制，基于虛擬仿真技術的數(shù)字化模擬工廠和基于制造過程管控與優(yōu)化的數(shù)字化車間。從制造管理的層次和從設計到制造的過程2個維度來看，它們涉及的業(yè)務范圍大致如圖1所示。
基于三維模型的數(shù)字化協(xié)同研制
在設計部分，三維CAD系統(tǒng)的應用已相當普及。1997年，美國機械工程師協(xié)會ASME就開始了全三維設計相關標準的研究制定工作，并于2003年頒布了“Y14.41(Digital Product Definition Data Practices)”標準，把三維模型和尺寸公差及制造要求統(tǒng)一在一個模型中表達。在生產(chǎn)部分，各類數(shù)控設備在加工精度和智能控制水平上近年來都得到飛速發(fā)展?；谌S模型的單一數(shù)據(jù)源和數(shù)控設備的廣泛應用使得從設計端到制造端的一體化成為可能。
基于三維模型的數(shù)字化協(xié)同研制應用的嘗試始于航空航天制造領域。由于在產(chǎn)品設計、材料成本、成型技術和制造精度方面具有相對更苛刻的要求，航空航天領域在加工和裝配制造工藝上整體領先于其他行業(yè)，這為基于三維模型的數(shù)字化協(xié)同研制奠定了基礎。
當前，世界先進的飛機制造商已逐步利用數(shù)字化技術實現(xiàn)了飛機的“無紙化”設計和生產(chǎn)，美國波音公司在波音777和洛克希德?馬丁公司在F35的研制過程中，基于三維模型的數(shù)字化協(xié)同研制和虛擬制造技術，縮短了2/3的研制周期，降低研制成本50%。波音公司在研制X-32飛機時也是如此，借助于統(tǒng)一模型，輔助裝配系統(tǒng)能把裝配順序和裝配好的部件狀態(tài)投射到正在裝配部件的上方，讓工人方便直觀地進行裝配工作，無需再細讀圖紙和翻閱工藝文件，使裝配周期縮短50%，成本降低30%～40%。
在飛機總裝線上，在機身與機身還是機翼與機身都實現(xiàn)了高度自動化的校準和對接，波音和空客兩大航空制造公司生產(chǎn)的波音737/787、A320/A380系列飛機無一例外地采用全數(shù)字化樣機進行協(xié)調(diào)和輔助裝配，如空客A380采用4臺Leica激光跟蹤儀可完成數(shù)字化裝配。數(shù)字化產(chǎn)品的數(shù)據(jù)從研制工作的上游暢通地向下游傳遞，還有助于大幅減少飛機裝配所需的標準工裝和生產(chǎn)工裝。借助于飛機的數(shù)字化模型，法國達索公司在裝配小型公務機Falcon時，其傳統(tǒng)的工裝已減到零，對降低新機研制成本，縮短研制周期起到了難以估量的作用。該技術還能夠大幅度提高產(chǎn)品的裝配質(zhì)量，如波音747機翼裝配精度由原來10.16mm提高到0.25mm。
在國內(nèi)，中航工業(yè)第一飛機設計研究院2000年在“飛豹”飛機研制中已全面采用了數(shù)字化設計、制造和管理技術。航天科技211廠通過普及基于單一數(shù)據(jù)源的三維模型，制定了“三維到工藝”、“三維到現(xiàn)場”、“三維到設備”的步驟發(fā)展策略，重點解決了基于三維模型的設計工藝協(xié)同工作模式和三維設計文件的信息傳遞、生產(chǎn)現(xiàn)場無紙化和航天產(chǎn)品的加工、裝配、檢測等裝備的數(shù)控化問題。新支線飛機ARJ21的研制100%采用三維數(shù)字化定義、數(shù)字化預裝配和數(shù)字化樣機。上海商飛公司利用數(shù)字化設計、分析、仿真等技術手段，實現(xiàn)了設計、零件制造以及裝配一次成功。上述應用目前已開始推廣至工程機械、造船等其他領域。
數(shù)字化模擬工廠是數(shù)字化工廠技術在制造規(guī)劃層的一個獨特視角。基于虛擬仿真技術的數(shù)字化模擬工廠是以產(chǎn)品全生命周期的相關數(shù)據(jù)為基礎，采用虛擬仿真技術對制造環(huán)節(jié)從工廠規(guī)劃、建設到運行等不同環(huán)節(jié)進行模擬、分析、評估、驗證和優(yōu)化，指導工廠的規(guī)劃和現(xiàn)場改善。
由于仿真技術可以處理利用數(shù)學模型無法處理的復雜系統(tǒng)，能夠準確地描述現(xiàn)實情況，確定影響系統(tǒng)行為的關鍵因素，因此該技術在生產(chǎn)系統(tǒng)規(guī)劃、設計和驗證階段有著重要的作用。正因為如此，數(shù)字化模擬工廠在現(xiàn)代制造企業(yè)中得到了廣泛的應用，典型應用包括：
(1)加工仿真，如加工路徑規(guī)劃和驗證、工藝規(guī)劃分析、切削余量驗證等。
(2)裝配仿真，如人因工程校核、裝配節(jié)拍設計、空間干涉驗證、裝配過程運動學分析等。
(3)物流仿真，如物流效率分析、物流設施容量、生產(chǎn)區(qū)物流路徑規(guī)劃等。
(4)工廠布局仿真，如新建廠房規(guī)劃、生產(chǎn)線規(guī)劃、倉儲物流設施規(guī)劃和分析等。
通過基于仿真模型的“預演”，可以及早發(fā)現(xiàn)設計中的問題，減少建造過程中設計方案的更改。韓國三星重工利用DELMIA軟件建立了完整的數(shù)字化造船系統(tǒng)，建立了虛擬船廠，可在虛擬環(huán)境下模擬整個造船過程。這套系統(tǒng)預計每年為企業(yè)減少730萬美元的開支。通過模擬仿真技術能夠迅速發(fā)現(xiàn)在持續(xù)運行的過程中出現(xiàn)的問題，而如果想要在現(xiàn)實的系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)這些問題，需要長期測試，花費高昂的成本。
南車青島四方機車采用虛擬仿真技術對高速列車生產(chǎn)環(huán)境進行了建模，并實現(xiàn)了建模裝配仿真及物流仿真，減少了因零件返工配送不足造成的停工現(xiàn)象，減少了因工藝欠佳導致的裝配干涉產(chǎn)品返工的問題。三一重工開發(fā)了OSG技術的三維工廠布局規(guī)劃平臺(VR Layout)，在集團內(nèi)部首次應用于其寧鄉(xiāng)產(chǎn)業(yè)園的工廠布局規(guī)劃，縮短了工廠建設周期，并節(jié)省了因設計缺陷產(chǎn)生的成本，如圖2所示。2011年，國內(nèi)各工程設計院已逐步開始采用數(shù)字化工程設計及規(guī)劃技術來輔助規(guī)劃和建設新工廠，降低工程設計與規(guī)劃風險。
圖2 三一重工生產(chǎn)線規(guī)劃中的物流仿真
在仿真工具方面，工廠仿真領域的相關技術基本被國外產(chǎn)品壟斷，如達索公司的Delmia/Simulia、Siemens公司的Technomatix和PTC公司的Ployplan等。這些產(chǎn)品的特點在于與其同公司CAD/PLM系列產(chǎn)品的緊密集成。用于制造領域的仿真軟件還有很多，如用于裝配仿真的EM Assembly、DMU，用于公差分析的3DCS、eM—TolMate等，用于車間物流仿真的Plant Simulation、Quest、Flexsim、Witness、Automod等。目前相關產(chǎn)品都在向三維模型方向發(fā)展，使得這些仿真工具展現(xiàn)方式更加靈活，分析功能更加強大。
在制造企業(yè)，車間是將設計意圖轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的關鍵環(huán)節(jié)。車間制造過程的數(shù)字化涵蓋了生產(chǎn)領域中車間、生產(chǎn)線、單元等不同層次上設備、過程的自動化、數(shù)字化和智能化。其發(fā)展趨勢也分別體現(xiàn)在底層制造裝備智能化、中間層的制造過程優(yōu)化和頂層的制造績效可視化3個層次。
在底層制造裝備方面，數(shù)字化工廠主要解決制造能力自治的問題。設備制造商不僅持續(xù)在提升設備本身高速、高精、高可靠等性能方面不斷取得進展，同時也越來越重視設備的感知、分析、決策、控制功能，比如各種自適應加工控制、智能化加工編程、自動化加工檢測和實時化狀態(tài)監(jiān)控及自診斷/自恢復系統(tǒng)等技術在生產(chǎn)線工作中心及車間加工單元中得到普遍運用。如日本Moriseiki的最新機床產(chǎn)品上安裝的操作系統(tǒng)MAPPS，該系統(tǒng)內(nèi)置了森精機的操作編程維修軟件，具有很高的開放性，具有對話式編程，三維切削模擬和維修指導畫面，提供遠程監(jiān)控功能方便維修服務，并且可以直接進行切削仿真。
制造裝備的另一個趨勢是把機床設備和相關輔助裝置(如機械手)進行集成，共同構成柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元。也有不少廠商支持將多臺數(shù)控機床連成生產(chǎn)線，既可一人多機操縱，又可進行網(wǎng)絡化管理。上文提到的MAPPS系統(tǒng)就可以通過使用CAPS-NET網(wǎng)絡軟件建立基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡，從而可以對作業(yè)狀況和生產(chǎn)計劃進行一元化管理。MAZAK公司在單機的智能化、網(wǎng)絡化基礎上，開發(fā)了智能生產(chǎn)中心(CPC)管理軟件，一套軟件便可管理多達250臺的數(shù)控機床，使得生產(chǎn)的過程控制由車間級細化到每臺數(shù)控機床，為客戶的工廠實施數(shù)字化制造提供了前提。
在制造過程管理層次，隨著精細化生產(chǎn)的需求越來越突出，近年來MES/MOM逐漸被制造企業(yè)所接受。MES/MOM可分為車間生產(chǎn)計劃與管理和現(xiàn)場制造采集與控制兩部分。車間生產(chǎn)計劃與管理主要完成車間作業(yè)計劃的編排、平衡、分派，同時涉及到相關制造資源的分配和準備。國內(nèi)外已有較多提供MES/MOM解決方案的產(chǎn)品提供商，如艾普工華在離散制造業(yè)特別是汽車及零部件、工程機械、航空等行業(yè)，Camstar在太陽能、電子行業(yè)，寶信在鋼鐵行業(yè)，石化盈科在石油化工行業(yè)，西門子在制藥、煙草行業(yè)等，這些產(chǎn)品依托自身對制造業(yè)務的深刻理解，已確立了在這些行業(yè)的領先地位。Rockwell、Wonderware和GE依托在自動化領域的優(yōu)勢，也已逐步向MES延伸。目前各廠商在研發(fā)高性能高可靠的系統(tǒng)平臺和模塊化產(chǎn)品方面投人巨大，上述平臺和產(chǎn)品提升了快速搭建MES/MOM解決方案的能力。
現(xiàn)場制造數(shù)據(jù)采集的一個明顯趨勢是以RFID、無線傳感網(wǎng)絡等技術為核心的物聯(lián)網(wǎng)技術的應用。物聯(lián)網(wǎng)技術被認為是信息技術領域革命性的新技術，借其可實現(xiàn)對于制造過程全流程的“泛在感知”，特別能夠是利用RFID無縫、不間斷地獲取和準確、可靠地發(fā)送實時信息流。汽車行業(yè)，比如自主品牌的江淮汽車，在2006年前后就開始應用RFID技術對生產(chǎn)環(huán)節(jié)的在制品進行跟蹤。航空航天企業(yè)由于通常不允許在零部件上附加標識，因此通常采用以激光標刻為代表的二維碼技術來實現(xiàn)WIP和關鍵零部件跟蹤。
在更細分的領域，RFID技術在刀具、設備管理方面也有成功應用，主流技術是利用刀柄上的預留空槽置入RFID標簽，同時通過與機床刀庫和對刀儀的集成對刀具使用、維護等進行全面管理。如Balluff的Fanuc miLink Tool ID系統(tǒng)就可以方便地連接Fanuc控制器控制的CNC機床，自動進入CNC取得刀具跟蹤信息。值得一提的是，隨著基于泛在信息的智能制造系統(tǒng)進一步發(fā)展，裝備本身的智能化水平也得到了提升，這使得MES/MOM執(zhí)行管理系統(tǒng)不再被動地獲取制造數(shù)據(jù)，而是能夠主動感知用戶場景的變化并進行提供實時反饋。
隨著MES/MOM等軟件的應用推廣，制造企業(yè)已逐步獲得了大量制造數(shù)據(jù)。如何充分利用這些實時和歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)，通過制造績效可視化提高對異常狀況的預知、響應和判斷能力，也是近期發(fā)展趨勢之一。對于實時數(shù)據(jù)，主要解決的問題是對制造異常事件的敏捷響應以及對制造績效偏離的快速修復。自動控制系統(tǒng)中常用的組態(tài)是一個典型的例子，但由于組態(tài)通常是桌面應用并基于連續(xù)量的，對于多客戶端的分布式展示和多并發(fā)的并行數(shù)據(jù)流支持存在一定困難。目前的趨勢是利用基于B/S的可定制可縮放矢量圖形技術來動態(tài)刷新來自服務端的數(shù)據(jù)推送。圖3是一個展現(xiàn)5條沖壓線生產(chǎn)實績的例子，所展示的生產(chǎn)績效可視化功能同時支持了實時數(shù)據(jù)以及統(tǒng)計數(shù)據(jù)，能夠輔助分析出瓶頸環(huán)節(jié)。通過向管理者推送并共享全方位的實時制造狀態(tài)數(shù)據(jù)，能夠有效消除信息的不對稱問題，有助于對突發(fā)問題快速達成解決方案并作出快速響應。
圖3生產(chǎn)實績與警示的動態(tài)展現(xiàn)
對于歷史數(shù)據(jù)，主要解決的問題是如何從中找出改善未來制造業(yè)務的依據(jù)，特別是從質(zhì)量趨勢、物流瓶頸、計劃執(zhí)行情況、設備運行歷史等數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)可能影響未來生產(chǎn)過程的規(guī)律。這方面的技術基礎是商業(yè)智能分析，在ERP系統(tǒng)中已經(jīng)比較成熟，典型的代表是SAP的BO。
由于MES/MOM實時性更強并且事務更頻繁，需要更針對性的進行設計，目前這方面的成熟解決方案尚不多，多數(shù)仍以基于通用分析軟件進行定制為主。典型的通用分析軟件有Microstrategy、Information Builder、Tableau等。Gartner近年來每年都會針對支持通用業(yè)務的分析軟件產(chǎn)品發(fā)布被稱作“魔力四象限(MagicQuadrants)”的調(diào)研報告”?，對這些軟件在集成、展現(xiàn)和分析方面的能力做綜合評估。另一方面，目前的計算技術和存儲技術對基于大數(shù)據(jù)的分析提供了強大的支撐，未來還會出現(xiàn)更豐富更專業(yè)的制造智能分析產(chǎn)品。
數(shù)字化工廠技術技術已在航空航天、汽車、造船以及電子等行業(yè)得到了較為廣泛的應用，特別是在復雜產(chǎn)品制造企業(yè)取得了良好的效益，據(jù)統(tǒng)計，采用數(shù)字化工廠技術后，企業(yè)能夠減少30%產(chǎn)品上市時間；減少65%的設計修改；減少40%的生產(chǎn)工藝規(guī)劃時間；提高15%生產(chǎn)產(chǎn)能；降低13%生產(chǎn)費用。另一方面，本文所述的3個層次數(shù)字化是緊密相關的。
毫無疑問，設計層發(fā)布的三維模型是后續(xù)仿真規(guī)劃分析的基礎，而車間生產(chǎn)狀態(tài)又可以反過來驅(qū)動生產(chǎn)模型，作為分析工廠運作的數(shù)據(jù)源；數(shù)字化車間需要智能裝備的支撐，而要想最大限度地發(fā)揮智能裝備的效益，則需要數(shù)字化車間提供全局的信息和基于全局信息的決策。
在我國，面對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、工業(yè)與信息化融合的戰(zhàn)略發(fā)展要求，大力開展對于數(shù)字化車間技術系統(tǒng)的研究、開發(fā)與應用，有利于推動實現(xiàn)制造過程的自動化和智能化，并可望有效帶動整體智能裝備水平的提升。
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