實(shí)施路徑的五步法

自從德國工業(yè)4.0和中國制造2025的概念被提出后，圍繞著制造業(yè)的升級和改造，各種實(shí)踐也層出不窮。如何通過信息物理系統(tǒng)（CPS）形成一個智能網(wǎng)絡(luò)，使得機(jī)器、工作部件、系統(tǒng)以及人類通過網(wǎng)絡(luò)持續(xù)地保持?jǐn)?shù)字信息的交流；如何構(gòu)建一條數(shù)字化生產(chǎn)線、一個數(shù)字化車間、一座數(shù)字化工廠；如何在數(shù)字化工廠運(yùn)行過程中，采集數(shù)據(jù)、對海量的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、分類、提取、分析和優(yōu)化，為決策者作出決策提供有力的數(shù)據(jù)支持。

智能制造融合了大數(shù)據(jù)分析、機(jī)器人技術(shù)、虛擬仿真、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)安全、增材制造等核心技術(shù)。本文力圖提煉出一條智能制造的通用實(shí)施路徑，從產(chǎn)品全生命周期的角度出發(fā)，整個智能制造的實(shí)施路徑分為產(chǎn)品設(shè)計、數(shù)字化工廠規(guī)劃、生產(chǎn)工程、生產(chǎn)執(zhí)行和增值服務(wù)5大環(huán)節(jié)。

圖1：智能制造實(shí)施路徑的5大環(huán)節(jié)

　　第一步 —— 產(chǎn)品設(shè)計

智能制造在產(chǎn)品設(shè)計中的重要作用之一是重新定義了產(chǎn)品模型和數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，使智能化產(chǎn)品設(shè)計在價值鏈上的不同部門不同用戶之間能夠進(jìn)行完整、精確、及時的數(shù)據(jù)交換，通過一致性的產(chǎn)品模型，數(shù)據(jù)集成和提取更加安全，舉例說明：A工程師使用Siemens的NX PLM軟件、B工程師使用達(dá)索的Catia、C工程師使用Autodesk的Inventor, 各自相互很難呼喚使用。但隨著ISO 10303的誕生，使得A、B、C三個工程師之間都能看懂相互之間的設(shè)計。值得一提的是，ISO 10303-242的基于模型的3D系統(tǒng)工程非常有價值，該標(biāo)準(zhǔn)廣泛應(yīng)用于航空航天，汽車等廣泛行業(yè)中的制造商和其供應(yīng)商。該標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容包括產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理PDM，設(shè)計準(zhǔn)則，關(guān)聯(lián)定義，2D制圖，3D產(chǎn)品和制造信息等。參考國際通用的產(chǎn)品設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，能提高智能化產(chǎn)品設(shè)計過程中數(shù)據(jù)交換和使用的效率，形成一致性的產(chǎn)品模型，保障信息與數(shù)據(jù)的安全性。

圖2：基于模型的3D系統(tǒng)工程的廣泛應(yīng)用

　第二步 —— 數(shù)字化工廠規(guī)劃

當(dāng)產(chǎn)品設(shè)計的雛形完成之后，智能制造要考慮的下一個步驟便是數(shù)字化工廠規(guī)劃。所謂的數(shù)字化工廠規(guī)劃就是生產(chǎn)者考慮如何搭建一個數(shù)字化工廠來生產(chǎn)第一階段所定義的產(chǎn)品。參考國際標(biāo)準(zhǔn)IEC62832，可以按部就班地搭建數(shù)字化工廠。IEC 62832 標(biāo)準(zhǔn)中描述的生產(chǎn)系統(tǒng)生命周期中，數(shù)字化工廠的數(shù)據(jù)被不同的活動增加、刪除、更新，所以建立數(shù)字化工廠的第一個步驟就是要將工廠中所用到的每一個設(shè)備的屬性根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)屬性庫進(jìn)行數(shù)字化；第二步要建立各個設(shè)備間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，關(guān)聯(lián)關(guān)系分為組成關(guān)系和功能關(guān)系。

例如PLC由支架、I/O模塊、CPU等組成；伺服驅(qū)動器和伺服電機(jī)匹配時，要檢查額定電流和電壓，伺服驅(qū)動器的額定電流要大于等于伺服電機(jī)的額定電流，伺服驅(qū)動器的輸出電壓要和伺服電機(jī)的額定電壓一致才可以，這是功能關(guān)系。第三步將設(shè)備的地理位置信息添加到數(shù)字工廠數(shù)據(jù)庫，明確IP級別和是否為爆炸保護(hù)區(qū)；最后一步建立產(chǎn)品全生命周期中工具與數(shù)據(jù)庫之間的信息交換，如下圖所示，數(shù)字化工廠數(shù)據(jù)庫中的信息將在產(chǎn)品全生命周期中被各種工具所使用和交換。

圖3：參考IEC62832標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建數(shù)字化工廠

在數(shù)字化工廠規(guī)劃的過程中，我們將參考德國工業(yè)4.0的標(biāo)準(zhǔn)，努力實(shí)現(xiàn)如下的轉(zhuǎn)變和升級：

（1）靜態(tài)生產(chǎn)線 ——> 動態(tài)生產(chǎn)線；

（2）MES功能局限 ——> MOM涵蓋價值鏈全流程；

（3）員工工種單一 ——> 更好的人機(jī)協(xié)作；

（4）無法滿足個性化定制要求 ——> 滿足定制化需求 。

 

圖4：智能生產(chǎn)線將由線性靜態(tài)發(fā)展為模塊化的動態(tài)生產(chǎn)線來源：德國工業(yè)4.0白皮書提出的概念

　第三步 —— 生產(chǎn)工程

當(dāng)數(shù)字化工廠的規(guī)劃完成之后，智能制造將進(jìn)入下一個實(shí)質(zhì)性的階段：生產(chǎn)工程。生產(chǎn)過程利用自動化系統(tǒng)和工程定義控制架構(gòu)、信息從下至上的傳遞方式，機(jī)器與機(jī)器，機(jī)器與上位機(jī)之間的通信方式，是將數(shù)字化工廠從規(guī)劃到落地的一個關(guān)鍵階段。傳統(tǒng)的工業(yè)自動化技術(shù)與IT技術(shù)的融合形成了目前較為通用的5層企業(yè)垂直架構(gòu)。在5層架構(gòu)中：數(shù)據(jù)的請求或是事件驅(qū)動、或是循環(huán)發(fā)送，這都是響應(yīng)上一級設(shè)備或軟件系統(tǒng)的請求，下一級則總是充當(dāng)服務(wù)者或響應(yīng)者。譬如HMI可向PLC請求發(fā)送其狀態(tài)，或者向PLC下達(dá)一個新的生產(chǎn)配方。完成的過程是將傳感器的電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，然后由PLC賦以時間戳，再把信息傳送至MES IT層，以進(jìn)一步提供相關(guān)服務(wù)。

隨著智能制造和大數(shù)據(jù)時代的到來，新的以信息物理融合系統(tǒng)（CPS）為基準(zhǔn)的自動化架構(gòu)已逐顯雛形。在新型架構(gòu)中，多層級的嚴(yán)格分隔和信息流的自上而下的方法將會軟化和混合。在一個智能的網(wǎng)絡(luò)中，每個設(shè)備或者每個服務(wù)都能自動的啟動與其它服務(wù)的通信。各種服務(wù)（例如生產(chǎn)調(diào)度）自動訂閱所需的實(shí)時數(shù)據(jù)，傳感器數(shù)據(jù)通過OPC-UA等安全可靠的通信協(xié)議直接發(fā)送到云中。這一新型自動化架構(gòu)帶來的重大改變是：除了對時間有嚴(yán)酷要求的實(shí)時控制和對安全有嚴(yán)酷要求的功能安全仍然保留在工廠層以外，所有的制造功能都將按產(chǎn)品、生產(chǎn)制造和經(jīng)營管理這三個維度虛擬化，構(gòu)成全鏈接和全集成的智能制造生態(tài)系統(tǒng)。

圖5：新型的以信息物理融合系統(tǒng)為基準(zhǔn)的自動化架構(gòu)逐步取代傳統(tǒng)的5層架構(gòu)

　　第四步 —— 生產(chǎn)執(zhí)行

當(dāng)數(shù)字化工廠落地之后，智能化生產(chǎn)將有條不紊地生產(chǎn)第一階段設(shè)計的產(chǎn)品。數(shù)字化工廠的落地并不意味著智能制造的結(jié)束，而是意味著智能制造從規(guī)劃到落地，進(jìn)入到信息收集、處理、分析、決策的新階段，我們稱其為生產(chǎn)執(zhí)行階段。在信息化等級較高的企業(yè)或工廠中，往往制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）得到廣泛的應(yīng)用，企業(yè)利用MES系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)訂單管理、通過生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集和分析進(jìn)行質(zhì)量管理、設(shè)備管理、生產(chǎn)追溯與物料管理，并最終生成生產(chǎn)統(tǒng)計分析及報表管理。然而隨著企業(yè)制造的復(fù)雜化程度提升，從傳統(tǒng)的單一的品種大批量到現(xiàn)在的多品種小批量，以及生命周期變得越來越短，設(shè)計變得越來越復(fù)雜，于是就催生了更多的功能的軟件的需求，此時MES已經(jīng)不能滿足客戶的多種需求。

在智能制造的技術(shù)支撐下，MES系統(tǒng)慢慢向制造運(yùn)營管理系統(tǒng)（Manufacturing Operation Management，簡稱MOM)過渡。MOM不僅包括MES，也包括EAM企業(yè)資產(chǎn)管理，LEAN精益，QMS質(zhì)量管理系統(tǒng)，APS高級排產(chǎn)系統(tǒng)，EH&S環(huán)境衛(wèi)生與安全等，是一個集成的軟件平臺，向上連接PLM軟件， 向下連接工控及自動化系統(tǒng)，起到了鏈接PLM與自動化的橋梁作用。此外，MES是車間級的或者是工廠級的，服務(wù)于企業(yè)管理的一個“孤島”, MOM是延伸到上下游產(chǎn)業(yè)鏈，聯(lián)用戶、聯(lián)外部資源商的集成的制造運(yùn)營管理系統(tǒng)，是企業(yè)間的連接。

圖6：制造運(yùn)營管理系統(tǒng)（MOM）的組成和作用
智能制造的全生命周期實(shí)施路徑

第五步 —— 增值服務(wù)

當(dāng)數(shù)字化工廠中的各條智能流水線已經(jīng)可以正常運(yùn)行，我們是否可以高枕無憂地宣告智能制造的工作結(jié)束了呢？答案當(dāng)然是否定的，數(shù)字化工廠中的每一臺設(shè)備都有著一定的生命周期，一旦某個核心設(shè)備出現(xiàn)故障，將面臨著停線停產(chǎn)的風(fēng)險，智能制造的另一大作用體現(xiàn)在其最后一個路徑也是智能制造的最高境界：增值服務(wù)。增值服務(wù)利用大數(shù)據(jù)和云計算技術(shù)提供基于數(shù)據(jù)的增值服務(wù)，例如預(yù)防性維護(hù)。工業(yè)環(huán)境中廣泛會用到工業(yè)機(jī)器人，工業(yè)機(jī)器人的常見故障有：伺服焊槍斷裂、電纜斷裂、接線松動、減速機(jī)故障等。為了避免這些故障發(fā)生，提前監(jiān)控與預(yù)判, 可添加智能傳感器對振動，電流等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控。將監(jiān)測的機(jī)器人設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過現(xiàn)場總線和無線通信等技術(shù)將數(shù)據(jù)收集保存在IOT網(wǎng)關(guān)，然后上傳到云端，通過大數(shù)據(jù)服務(wù)器和大數(shù)據(jù)分析軟件，對監(jiān)控機(jī)器人的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)，如有超過設(shè)定警戒值或閾值的異?，F(xiàn)象，可通過郵件、短信和可視化界面的形式告知，從而大大降低維修資源和停機(jī)時間，提高設(shè)備OEE。

圖7：對生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)的系統(tǒng)架構(gòu)

　消除孤島
隨著產(chǎn)品設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、數(shù)字化工廠建設(shè)的步驟規(guī)范和設(shè)備/數(shù)據(jù)庫的全面關(guān)聯(lián)、新型自動化架構(gòu)對于工廠各個層級的全面打通、MES向運(yùn)營管理系統(tǒng)的全面升級以及數(shù)字化技術(shù)對于新型增值服務(wù)的助推，以往制造業(yè)相對孤立的各個環(huán)節(jié)被連接起來，信息“孤島”被消除。理解環(huán)環(huán)相扣的智能制造實(shí)施路徑和5大階段，將更好地滿足企業(yè)定制化生產(chǎn)的需求和提高運(yùn)營效率，明確各個部門的主要職責(zé)和跨部門間的合作，為廣大企業(yè)提升智能制造的核心競爭力提供了一條具體的實(shí)施路徑。