劉業(yè)峰，楊春旭，付桐瑞，李陽(yáng)

（沈陽(yáng)工學(xué)院，遼寧撫順113122）

高等院校建設(shè)智能化數(shù)字車間的構(gòu)想

劉業(yè)峰，楊春旭，付桐瑞，李陽(yáng)

（沈陽(yáng)工學(xué)院，遼寧撫順113122）

以高等院校建設(shè)數(shù)字化車間為例，結(jié)合數(shù)字化車間的核心MES系統(tǒng)，提出了車間MES的功能結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)線物流調(diào)度控制系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)。針對(duì)數(shù)字化車間智能化所涉及的數(shù)字化車間建模技術(shù)、數(shù)字化車間虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、數(shù)字化車間優(yōu)化仿真技術(shù)和應(yīng)用生產(chǎn)技術(shù)等4個(gè)關(guān)鍵技術(shù)分別進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

高等院校；數(shù)字車間；MES系統(tǒng)；優(yōu)化仿真；建模

什么是數(shù)字化車間？德國(guó)工程師給出的定義是：以企業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品全生命周期的所有相關(guān)數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，通過(guò)計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，并通過(guò)仿真進(jìn)行生產(chǎn)過(guò)程的優(yōu)化決策，并引導(dǎo)產(chǎn)品的具體生產(chǎn)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)字化和智能化。[1-2]

數(shù)字化車間就是結(jié)合計(jì)算機(jī)中作者編寫的程序而進(jìn)行的免人力的智能工廠車間。[2]有關(guān)數(shù)字化車間給筆者印象最深的就是阿里巴巴的天貓超市的配送車間，在車間里幾乎看不到有需求人力的地方，全靠一個(gè)個(gè)智能機(jī)器人通過(guò)編寫的程序進(jìn)行某個(gè)區(qū)域某個(gè)貨架取出商品送到某區(qū)域，免除了人力，效率提高，人力只需對(duì)車間內(nèi)設(shè)備進(jìn)行定期的維護(hù)。[3-4]

數(shù)字化車間這個(gè)概念我們認(rèn)為是未來(lái)的一個(gè)趨勢(shì)，將智能化的概念引入到制造領(lǐng)域和現(xiàn)在流行的VR有非常相似之處。VR即所謂的虛擬現(xiàn)實(shí)，虛擬的計(jì)算機(jī)程序加上現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)制造，無(wú)疑將大大的提高現(xiàn)在的生產(chǎn)力。[5-6]

一、高等院校建設(shè)智能化數(shù)字車間架構(gòu)

1．?dāng)?shù)字化車間MES功能結(jié)構(gòu)

數(shù)字化車間MES主要包括工藝管理模塊、計(jì)劃調(diào)度管理模塊、物料管理模塊、刀具管理模塊、過(guò)程監(jiān)控管理模塊、設(shè)備管理模塊、質(zhì)量管理模塊和程序管理模塊、功能模塊，如圖1所示。

圖1 數(shù)字化車間MES功能結(jié)構(gòu)圖

圖2 生產(chǎn)線物流調(diào)度控制系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

其中：工藝管理模塊包括工藝流程管理、設(shè)備程序管理、計(jì)劃BOM管理、圖檔管理等4個(gè)功能；圖檔管理又包括了圖檔維護(hù)、圖檔作廢和報(bào)廢與統(tǒng)計(jì)等3個(gè)功能；計(jì)劃調(diào)度模塊包括作業(yè)計(jì)劃、生產(chǎn)調(diào)度兩個(gè)功能；物料管理模塊包括組織物料管理、物料出入庫(kù)管理、倉(cāng)庫(kù)盤點(diǎn)、庫(kù)存設(shè)置和物料存量查詢等5個(gè)功能；刀具管理模塊包括刀具參數(shù)管理、成刀管理、刀具庫(kù)存管理、刀具成本統(tǒng)計(jì)管理等4個(gè)功能；過(guò)程監(jiān)控管理模塊包括生產(chǎn)概況、數(shù)字化車間動(dòng)畫模擬、半成品管理與物流地圖等3個(gè)功能；設(shè)備管理模塊包括設(shè)備概況、設(shè)備維護(hù)計(jì)劃與登記、設(shè)備診斷等3個(gè)功能；質(zhì)量管理模塊包括質(zhì)檢方案管理、質(zhì)檢結(jié)果與統(tǒng)計(jì)和報(bào)廢與統(tǒng)計(jì)等3個(gè)功能；程序管理模塊包括程序流程管理、程序下載和程序上傳等3個(gè)功能。

2．生產(chǎn)線物流調(diào)度控制系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

生產(chǎn)線物流調(diào)度系統(tǒng)與控制系統(tǒng)主要包含了系統(tǒng)管理功能模塊、物流調(diào)度控制功能模塊、系統(tǒng)監(jiān)控功能模塊和接口功能模塊等4個(gè)功能，如圖2所示。其中，系統(tǒng)管理功能模塊包括用戶管理和系統(tǒng)參數(shù)配置2個(gè)功能：在用戶管理中又包括了用戶登陸、用戶概況和用戶信息3個(gè)功能；在參數(shù)配置中包括了數(shù)據(jù)庫(kù)配置和控制參數(shù)設(shè)置2個(gè)功能。物流調(diào)度控制功能模塊包括了物流調(diào)度控制、物料跟蹤、完工報(bào)告和例外處理4個(gè)功能，其中物流調(diào)度控制包括自動(dòng)調(diào)度控制和半自動(dòng)調(diào)度監(jiān)控2個(gè)功能。系統(tǒng)監(jiān)控功能模塊包括物料調(diào)度監(jiān)控、生產(chǎn)線監(jiān)控、設(shè)備監(jiān)控和故障報(bào)警4個(gè)功能。接口功能模塊包括現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備PLC接口、線MES接口和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接口3個(gè)功能。

二、智能化數(shù)字車間實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)字化車間智能化所涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要有4個(gè)，分別是數(shù)字化車間建模技術(shù)、數(shù)字化車間虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、數(shù)字化車間優(yōu)化仿真技術(shù)和應(yīng)用生產(chǎn)技術(shù)。下文對(duì)各個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了具體闡述。

1．?dāng)?shù)字化建模技術(shù)

以建設(shè)校內(nèi)數(shù)字化車間為例：校內(nèi)數(shù)字化車間的核心為MES系統(tǒng)，在生產(chǎn)線生產(chǎn)綜合過(guò)程集成控制平臺(tái)的基礎(chǔ)上，面向加工生產(chǎn)過(guò)程，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)，通過(guò)對(duì)數(shù)字化車間的人、機(jī)、料、法等要素的在線監(jiān)控、智能分析處理和展示，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化車間的協(xié)調(diào)運(yùn)作和精細(xì)化的管理。[7]內(nèi)容包括對(duì)數(shù)字化車間的人、機(jī)、料、法等要素的數(shù)字化建模，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的均衡化和精細(xì)化，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)和物流過(guò)程的透明化和可視化，制造資源的組織和調(diào)度優(yōu)化，全面質(zhì)量管理和追溯，數(shù)字化車間活動(dòng)的智能分析。

2．虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

借助于組態(tài)王軟件或MCGS軟件進(jìn)行智能化數(shù)字車間的計(jì)算機(jī)建模與虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)現(xiàn)。將現(xiàn)實(shí)中數(shù)字化車間全部的人、機(jī)、物、料實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上的模擬運(yùn)行，做到投入生產(chǎn)之前的優(yōu)化分析與決策，確定生產(chǎn)過(guò)程中的最優(yōu)生產(chǎn)投入量，堅(jiān)決抵制生產(chǎn)過(guò)程中的各種資源浪費(fèi)和各環(huán)節(jié)之間的物料等待。

借助于該虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)再結(jié)合傳感器、無(wú)線射頻識(shí)別（RFID）等裝置，實(shí)時(shí)采集數(shù)字化車間中需要監(jiān)控、連接的設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)產(chǎn)品的智能化識(shí)別、產(chǎn)品具體加工工位的定位、加工過(guò)程的跟蹤與監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能車間中的操作工、機(jī)器、物料、水、電、氣、生產(chǎn)進(jìn)度、生產(chǎn)加工工藝參數(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量、車間環(huán)境等各種生產(chǎn)要素實(shí)施監(jiān)控，真正實(shí)現(xiàn)車間管理過(guò)程的智能化和自動(dòng)化。[8]

3．優(yōu)化仿真技術(shù)

結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，再借助于數(shù)字化車間管理駕駛艙，針對(duì)建立的多工序生產(chǎn)計(jì)劃編制數(shù)學(xué)模型、多工序生產(chǎn)調(diào)度數(shù)學(xué)模型、多工序作業(yè)計(jì)劃數(shù)學(xué)模型、工藝管理規(guī)程、質(zhì)量管理體系、設(shè)備管理、物料管理與跟蹤、在制品庫(kù)存優(yōu)化等具體的數(shù)學(xué)模型和體系架構(gòu)，通過(guò)采集業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，采用BI技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能分析得到各種決策信息，提供給廠級(jí)、數(shù)字化車間領(lǐng)導(dǎo)和相關(guān)業(yè)務(wù)人員用以指導(dǎo)生產(chǎn)制造的全過(guò)程，提高統(tǒng)計(jì)分析與決策支持的準(zhǔn)確性和有效性，促進(jìn)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理整體效益的提高。

4．應(yīng)用生產(chǎn)技術(shù)

對(duì)作業(yè)人員工作狀態(tài)信息實(shí)時(shí)記錄和作業(yè)人員勞動(dòng)力優(yōu)化評(píng)估，提高工時(shí)定額管理量化與細(xì)化程度及其科學(xué)性。包括對(duì)作業(yè)人員狀態(tài)管理、作業(yè)人員的出/缺勤記錄查詢、實(shí)時(shí)工作狀態(tài)記錄以及工作進(jìn)度等，以及作業(yè)人員任務(wù)分配（功能包括工作任務(wù)最優(yōu)化分配、勞動(dòng)力最優(yōu)化分配以及任務(wù)的負(fù)載平衡）。

該系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理數(shù)字化車間范圍內(nèi)全部物料物流過(guò)程，包括缺料報(bào)警、用料防錯(cuò)和采集、補(bǔ)料、配送轉(zhuǎn)移、統(tǒng)計(jì)分析。同時(shí)，結(jié)合自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)物料在時(shí)間、空間和狀態(tài)上的數(shù)字化跟蹤。按數(shù)字化車間作業(yè)計(jì)劃，生成每日物料配送需求計(jì)劃，并傳遞給供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)，以便配套廠、外協(xié)/外購(gòu)廠實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的配送。以及物料配套性檢查。對(duì)數(shù)字化車間作業(yè)計(jì)劃進(jìn)行自動(dòng)的物料檢查，對(duì)已下達(dá)的計(jì)劃給出其物料需求數(shù)量、已發(fā)數(shù)量和待發(fā)數(shù)量，對(duì)未下達(dá)的計(jì)劃?rùn)z查其物料可供信息，對(duì)缺料情況生成相應(yīng)的缺料表。根據(jù)現(xiàn)有量、預(yù)計(jì)接收以及訂單的緊迫程度，平衡各生產(chǎn)線的物料分配。

總之，數(shù)字化車間實(shí)現(xiàn)了車間管控的數(shù)字化，但最后不能完全脫離人進(jìn)行建立。需要通過(guò)計(jì)劃員和操作員進(jìn)行生產(chǎn)計(jì)劃的編制和物料運(yùn)輸?shù)墓芾?。通過(guò)利用車間的所有有用的數(shù)字化資源實(shí)現(xiàn)為車間生產(chǎn)管理服務(wù)的目的。當(dāng)前的科技技術(shù)發(fā)展水平致使制造業(yè)制造周期大大縮短，制造企業(yè)之間的成本競(jìng)爭(zhēng)越發(fā)激烈。企業(yè)在生產(chǎn)加工過(guò)程中，不允許出現(xiàn)任何錯(cuò)誤，甚至是財(cái)力、物力和時(shí)間成本的浪費(fèi)，因此，傳統(tǒng)的制造模式已經(jīng)很難適應(yīng)當(dāng)今的數(shù)字化、智能化生產(chǎn)模式。以數(shù)字化技術(shù)為主導(dǎo)的生產(chǎn)過(guò)程的網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化和智能化正成為數(shù)字化車間發(fā)展的必然趨勢(shì)。

本文基于智能優(yōu)化技術(shù)對(duì)高等院校建設(shè)智能化數(shù)字車間進(jìn)行了構(gòu)想。通過(guò)智能化車間的三維可視化實(shí)時(shí)仿真，能夠預(yù)先在虛擬的計(jì)算機(jī)仿真平臺(tái)上進(jìn)行數(shù)字化車間整體面貌的實(shí)時(shí)展示，能夠看到各生產(chǎn)加工單元及單元內(nèi)部所有工裝的具體布局、產(chǎn)品在各個(gè)重要生產(chǎn)線的實(shí)時(shí)裝配過(guò)程以及產(chǎn)品的物流走向，借助于全車間的歷時(shí)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，分析存在的問(wèn)題并能夠優(yōu)化調(diào)整工藝規(guī)劃，避免實(shí)際加工工廠的二次建設(shè)。

[1]劉小龍.動(dòng)化鑄造裝備和數(shù)字化鑄造廠[J].鑄造設(shè)備與工藝, 2013(6):1-3.

[2]王華,王喆,王巖,劉旭.數(shù)字化工廠發(fā)展現(xiàn)狀及其在煉油企業(yè)的實(shí)現(xiàn)[J].石油規(guī)劃設(shè)計(jì),2013(3):1-6.

[3]曾國(guó)平,黎小華.流程主導(dǎo)的數(shù)字化車間綜合集成與協(xié)同[J].航空制造技術(shù),2014(14):46-50.

[4]冉蘭,鄧高潮.2800mm冷軋機(jī)主傳動(dòng)可控硅控制系統(tǒng)數(shù)字化設(shè)計(jì)[J].計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化,2001(3):18-22.

[5]吳道虎,李峣,姚明明.基于WinAC的橡膠加工廠管控一體化解決方案[J].現(xiàn)代制造,2003(29):74-76.

[6]鄒濤.高壓輸電設(shè)備溫度數(shù)字化在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京:中國(guó)科學(xué)院大學(xué),2014.

[7]楊國(guó)松.PLC與組態(tài)軟件在飼料加工廠中的應(yīng)用與研究[D].武漢:武漢工業(yè)學(xué)院,2009.

[8]陳慶.深度分析中職實(shí)訓(xùn)教學(xué)與現(xiàn)場(chǎng)管理[J].中國(guó)科教創(chuàng)新導(dǎo)刊,2013(17):174.

[責(zé)任編輯，撫順職院：陳輝]

The Conception of Intelligent Digital Workshop Construction in Colleges and Universities

LIU Ye-feng,YANG Chun-xu,FU Tong-rui,LI Yang
(Shenyang Institute of Techno logy,Fushun 113122,China)

Taking the construction of the digital workshop in colleges and universities as an example,combined with the core MES system,the functional structure of MES and the functional structure of production line logistics scheduling control system are put forw ard.It expounds in detail the 4 key technologies involved in the intelligent digital workshop:modeling technology,virtual reality technology,optimization and simulation technology and application of production technology in digital workshop.

colleges and universities;digital workshop;MES system;optim ization simulation;modeling

G64；TP278

A

1009—7600（2017）03—0068—03

2016-12-29

2016年國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61603262；61403071）；2015年沈陽(yáng)工學(xué)院博士啟動(dòng)基金項(xiàng)目（BS201503）

劉業(yè)峰（1981—），男，山東淄博人，副教授，博士；楊春旭（1996—），男，遼寧營(yíng)口人，助教；付桐瑞（1996—），男，遼寧鐵嶺人，助教；李陽(yáng)（1994—），男，遼寧葫蘆島人，助教。