黃大泛

[摘? ? 要]隨著社會(huì)的發(fā)展以及科技的進(jìn)步，數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用而生并得到了廣泛的應(yīng)用，無(wú)論是對(duì)于生產(chǎn)方式還是生產(chǎn)效率方面都得到了明顯的提升，基于此，數(shù)字化工廠也逐漸通過(guò)數(shù)字化技術(shù)來(lái)不斷完善生產(chǎn)質(zhì)量，提升企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。文章通過(guò)對(duì)數(shù)字化工廠的相關(guān)概念入手，分析了目前數(shù)字化工廠技術(shù)的應(yīng)用情況，并提出了未來(lái)展望。

[關(guān)鍵詞]數(shù)字化工廠;應(yīng)用;趨勢(shì)

[中圖分類號(hào)]V268 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）10–00–02

Application Status and Trend of Digital Plant Technology

Huang Da-fan

[Abstract]With the development of society and the progress of science and technology， digital technology has been applied and widely used. It has been significantly improved in terms of production mode and production efficiency. Based on this， digital chemical plants have gradually improved production quality and economic benefits of enterprises through digital technology. Therefore， starting with the related concepts of digital chemical plant， this paper analyzes the current application of digital chemical plant technology， and puts forward the future development prospect.

[Keywords]digital chemical plant; application; trend

隨著時(shí)代的發(fā)展，產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度不斷加快及設(shè)計(jì)效率不斷提高，各個(gè)企業(yè)為了更好地適應(yīng)市場(chǎng)發(fā)展需求，均在不斷提升自身的生產(chǎn)能力以及生產(chǎn)質(zhì)量。尤其是隨著信息技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)等新型技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，各個(gè)制造技術(shù)也逐漸朝著自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展，企業(yè)也想通過(guò)最快的速度和最低的成本生產(chǎn)高質(zhì)量的產(chǎn)品以求在經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)中站穩(wěn)腳跟。雖然各個(gè)企業(yè)加強(qiáng)了對(duì)新技術(shù)的引進(jìn)，但由于缺乏集成管理，沒(méi)有完全地對(duì)生產(chǎn)設(shè)備自動(dòng)化以及管理系統(tǒng)的整合，導(dǎo)致并沒(méi)有完全發(fā)揮智能技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。而通過(guò)構(gòu)建數(shù)字化工廠不僅可以實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的利用共享，而且可以通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的交換、加工、處理來(lái)直接促進(jìn)生產(chǎn)效率的提升和管控能力，進(jìn)而提升企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

1 數(shù)字化工廠技術(shù)

1.1 數(shù)字化工廠概念

數(shù)字化就是將各類信息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化模型，對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)而言就是將這些信息轉(zhuǎn)變?yōu)槎M(jìn)制代碼然后存儲(chǔ)至計(jì)算機(jī)內(nèi)部進(jìn)行統(tǒng)一管理。為此，數(shù)字化的發(fā)展基礎(chǔ)就是計(jì)算機(jī)技術(shù)，而隨著計(jì)算機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，逐漸提出了數(shù)字化工廠的概念。所謂的數(shù)字化工廠就是以產(chǎn)品以及服務(wù)全生命周期相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，然后借助計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)的仿真、評(píng)估以及優(yōu)化。因此，數(shù)字化工廠又被稱為虛擬工廠。通過(guò)數(shù)字化工廠的建設(shè)不僅可以提升整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的優(yōu)化，而且還可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的交流，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)虛擬制造并對(duì)實(shí)際生產(chǎn)流程等進(jìn)行調(diào)整，降低失誤發(fā)生概率，實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)的數(shù)字化、智能化。

1.2 數(shù)字化工廠結(jié)構(gòu)

數(shù)字化工廠又分為廣義和狹義，其中狹義僅包含工廠生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)字化，而廣義的數(shù)字化則更為全面，不僅包括前期的市場(chǎng)需求、產(chǎn)品設(shè)計(jì)以及生產(chǎn)加工的數(shù)字化，而且企業(yè)管理的數(shù)字化。通過(guò)數(shù)字化工廠的應(yīng)用可以對(duì)實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)行映射，進(jìn)而在最短時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)出滿足客戶需求的高質(zhì)量產(chǎn)品，提升產(chǎn)品質(zhì)量。因此，廣義的數(shù)字化工廠包含了所有生產(chǎn)活動(dòng)可能涉及的范圍，主要有原料供應(yīng)、制造企業(yè)以及銷售部門(mén)等。其具體表現(xiàn)為：①原料供應(yīng)。通過(guò)虛擬技術(shù)的應(yīng)用則可以將產(chǎn)生的所有費(fèi)用進(jìn)行分析，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)選擇更為低廉、質(zhì)量較好的材料并實(shí)現(xiàn)虛擬供應(yīng)，從而進(jìn)行原料供應(yīng)環(huán)節(jié)的智能分析;②制造企業(yè)。通過(guò)虛擬管理，可以有效地為企業(yè)調(diào)整和發(fā)揮人才技術(shù)優(yōu)勢(shì)，發(fā)揮設(shè)備各項(xiàng)價(jià)值，繼而保證生產(chǎn)效益的提升;③銷售部分。通過(guò)對(duì)潛在市場(chǎng)的分析，可以對(duì)銷售方式、服務(wù)模式等進(jìn)行模擬，然后為客戶提供數(shù)字化訂單服務(wù)，進(jìn)而可以精準(zhǔn)的掌握庫(kù)存情況，并讓客戶參與到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造以及銷售等各項(xiàng)服務(wù)中，進(jìn)而為客戶提供良好的購(gòu)物體驗(yàn)，提升企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

1.3 數(shù)字化工廠關(guān)鍵技術(shù)

（1）數(shù)字化建模技術(shù)。該技術(shù)主要是數(shù)字化工廠通過(guò)采用合理的建模方式來(lái)對(duì)建模結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和優(yōu)化，然后建立其科學(xué)的企業(yè)模型為企業(yè)的信息系統(tǒng)的構(gòu)建提供條件。數(shù)字化建模主要是通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化描述、存儲(chǔ)以及產(chǎn)品外觀、性能等信息的表達(dá)，然后在通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字仿真分析，精準(zhǔn)地反應(yīng)真實(shí)情況，為后期工作的開(kāi)展創(chuàng)造良好的條件。

（2）數(shù)字化仿真技術(shù)。作為虛擬制造的基礎(chǔ)，數(shù)字化仿真技術(shù)主要是通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)營(yíng)造一個(gè)虛擬的制造環(huán)境。雖然此環(huán)境是一個(gè)虛構(gòu)的環(huán)境，但是可以起到以假亂真的效果，最重要的是人們可以在這個(gè)虛擬的環(huán)境中進(jìn)行一些交互行為，并且該環(huán)境還可以及時(shí)地做出反應(yīng)。對(duì)于數(shù)字化工廠而言，虛擬其實(shí)是整個(gè)工廠真實(shí)環(huán)境的映射。并且數(shù)字化仿真技術(shù)可以真實(shí)地展現(xiàn)出各設(shè)備、流水線等的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并通過(guò)內(nèi)部漫游、自動(dòng)畫(huà)播放等進(jìn)行逐一展示，進(jìn)而提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)的質(zhì)量以及效率。

（3）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。隨著科技的進(jìn)步，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)逐漸被應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域中，而數(shù)字化工廠通過(guò)應(yīng)用該技術(shù)，尤其是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，也可以讓相關(guān)人員有一種身臨其境的感受，進(jìn)而全面了解產(chǎn)品設(shè)計(jì)情況，節(jié)省大量的設(shè)計(jì)時(shí)間和成本。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用，極大地方便了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，進(jìn)而促進(jìn)了生產(chǎn)流程的優(yōu)化。

（4）應(yīng)用生產(chǎn)技術(shù)。通過(guò)建模技術(shù)數(shù)字化工廠制定出了一個(gè)較為完善的生產(chǎn)方案，包括產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造以及生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)。而在自動(dòng)化生產(chǎn)模式下，數(shù)字化工廠在應(yīng)用生產(chǎn)技術(shù)時(shí)必須要結(jié)合自身的發(fā)展情況，有針對(duì)性地進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)，進(jìn)而提升生產(chǎn)水平。

2 數(shù)字化工廠技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 基于制造過(guò)程管控與優(yōu)化的數(shù)字化車間

對(duì)于制造企業(yè)而言，車間制造作為設(shè)計(jì)圖紙轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)際產(chǎn)品的重要環(huán)節(jié)，其過(guò)程管控以及數(shù)字化發(fā)展廣泛地的覆蓋了生產(chǎn)車間、生產(chǎn)線、過(guò)程自動(dòng)化和智能化發(fā)展，其發(fā)展趨勢(shì)也逐漸體現(xiàn)在3個(gè)方面，即底層制造裝備的智能化、中間層制造過(guò)程的優(yōu)化以及頂層的制造績(jī)效的可視化。通過(guò)制造過(guò)程管控與優(yōu)化的數(shù)字化車間，不僅可以切實(shí)地提升設(shè)備自身的速度、精度以及可靠性，而且還可以提升了設(shè)備的決策、感知以及控制能力，如自動(dòng)化加工檢測(cè)、設(shè)備自動(dòng)故障診斷以及智能化加工編程等。對(duì)制造裝配的另一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)則是機(jī)床設(shè)備以及機(jī)械手等相關(guān)輔助裝置的集成化發(fā)展，進(jìn)而推動(dòng)了柔性加工系統(tǒng)或者柔性制造單元的發(fā)展。也存在很大一部分廠商將多臺(tái)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行統(tǒng)一連接為一條生產(chǎn)線，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了一人多機(jī)的操控的同時(shí)還可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化管理。對(duì)制造過(guò)程管理層面而言，隨著精細(xì)化化管理的優(yōu)勢(shì)作用逐漸凸顯出來(lái)，近年來(lái)各個(gè)制造企業(yè)逐漸加強(qiáng)了對(duì)MES或者M(jìn)OM系統(tǒng)的應(yīng)用。其中，MES或者M(jìn)OM系統(tǒng)又將其分為車間生產(chǎn)規(guī)劃和管理以及現(xiàn)場(chǎng)制造采集管控兩個(gè)方面。其中，車間生產(chǎn)規(guī)劃和管理主要是指的車間相關(guān)作業(yè)的編排、分派并實(shí)現(xiàn)對(duì)制造資源的合理配置。目前，國(guó)內(nèi)的離散制造企業(yè)艾普工華則是通過(guò)應(yīng)用MES或者M(jìn)OM系統(tǒng)來(lái)有效的解決供應(yīng)問(wèn)題。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)制造數(shù)據(jù)采集而言，其最為明顯的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)就是以無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)以及RFID等技術(shù)為核心的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用。作為信息技術(shù)領(lǐng)域中的一種新型技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用不僅可以切實(shí)的實(shí)現(xiàn)整個(gè)制造過(guò)程的“泛在感知”，尤其是RFID技術(shù)的無(wú)縫、不間斷的獲取精準(zhǔn)可靠的信息流。與此同時(shí)，隨著信息智能制造系統(tǒng)的發(fā)展應(yīng)用，也在很大程度上促進(jìn)了裝配自身智能水平，促使MES或者M(jìn)OM系統(tǒng)不再被動(dòng)的獲取相關(guān)制造數(shù)據(jù)，而是可以主動(dòng)的感知用戶場(chǎng)景變化來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋。

2.2 基于虛擬仿真技術(shù)的數(shù)字化模擬工廠

作為數(shù)字化工廠發(fā)展的一個(gè)獨(dú)特視角，數(shù)字化模擬工廠的構(gòu)建主要是通過(guò)虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用并將產(chǎn)品全生命周期的相關(guān)數(shù)據(jù)作為前提，通過(guò)虛擬仿真技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)工廠規(guī)劃、建設(shè)以及運(yùn)行各個(gè)環(huán)節(jié)的模擬、分析、評(píng)估以及優(yōu)化，進(jìn)而促使工廠的規(guī)劃不斷完善。因?yàn)榉抡婕夹g(shù)可以處理一些數(shù)學(xué)模型無(wú)法處理的復(fù)雜問(wèn)題，所以可以及時(shí)且準(zhǔn)確地描述工廠現(xiàn)實(shí)情況，進(jìn)而確定影響工廠的重要因素。因此，此技術(shù)在工廠的系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)以及驗(yàn)證等方面均發(fā)揮了不可替代的作用。其中最為典型的應(yīng)用包括如下幾種：①加工仿真，譬如對(duì)加工路徑的規(guī)劃以及驗(yàn)證，工藝規(guī)劃的評(píng)估分析儀加工過(guò)程中切削余量的檢驗(yàn)等;②裝配仿真，裝配節(jié)拍的設(shè)計(jì)、對(duì)裝配過(guò)程運(yùn)動(dòng)學(xué)的分析以及空間干涉驗(yàn)證等;③物流仿真，主要包含對(duì)物料效率的分析、物料設(shè)施容量的評(píng)估以及生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)物流路徑的規(guī)劃等;④工廠布局仿真，主要包括新建廠房的規(guī)劃、生產(chǎn)線路的規(guī)劃以及倉(cāng)儲(chǔ)物流設(shè)施的規(guī)劃分析等。

2.3 基于三維模型的數(shù)字化協(xié)同研制

僅有產(chǎn)品的設(shè)計(jì)而言，三維CAD系統(tǒng)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，各類數(shù)控設(shè)備的加工精度以及智能控制水平也得到了很大提升。而通過(guò)三維模型的數(shù)字化系統(tǒng)研制更是推動(dòng)了從設(shè)計(jì)到制造的一體化發(fā)展。從該技術(shù)的應(yīng)用來(lái)看，起初其僅應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域之中，因?yàn)楹教飚a(chǎn)品設(shè)計(jì)、材料成本以及成型技術(shù)等方面的要求較為嚴(yán)格，所以為三維模型的數(shù)字化系統(tǒng)研制技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了條件。對(duì)于我國(guó)而言，2000年，中航工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院在進(jìn)行飛機(jī)“飛豹”的研制過(guò)程中，則是通過(guò)數(shù)字化設(shè)計(jì)、數(shù)字化制造、數(shù)字化管理技術(shù)和三維工藝各項(xiàng)發(fā)展步驟策略，有效地解決了三維模型設(shè)計(jì)工藝協(xié)同工作模式，三維設(shè)計(jì)文件的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)紙化、信息傳遞，以及航天產(chǎn)品的加工、裝配、檢測(cè)等裝備的數(shù)控化問(wèn)題。而ARJ21新支線飛機(jī)的研制更是完全地采用了三維數(shù)字化定義、預(yù)裝配以及樣機(jī)等技術(shù)，并通過(guò)數(shù)字化設(shè)計(jì)、分析以及仿真等技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了從設(shè)計(jì)到裝配一次性成功的效果，如今，該技術(shù)已經(jīng)廣泛地推廣至工程機(jī)械、造船等領(lǐng)域中。

3 結(jié)論與展望

隨著科技的進(jìn)步，數(shù)字化工廠如今已廣泛地應(yīng)用在航空航天、汽車、電子以及制造等行業(yè)中，尤其是對(duì)于復(fù)雜產(chǎn)品的制造企業(yè)而言，通過(guò)數(shù)字化工廠的建設(shè)不僅可以有效地提升生產(chǎn)的效率和質(zhì)量，而且可以切實(shí)提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)利益。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，通過(guò)數(shù)字化工廠的應(yīng)用后，企業(yè)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)修改率降低了30 %左右，而生產(chǎn)工藝規(guī)劃時(shí)間也節(jié)省了40 %，生產(chǎn)產(chǎn)能提升了近15 %等。而隨著社會(huì)的發(fā)展以及科技的進(jìn)步，尤其是5G技術(shù)的普及，數(shù)字化工廠有關(guān)產(chǎn)品研發(fā)必須要朝著數(shù)字化、虛擬化集成控制方向發(fā)展，在5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，采用DNN/QoS優(yōu)先調(diào)度或核心網(wǎng)切片滿足高帶寬需求，實(shí)現(xiàn)各部門(mén)信息共享。

對(duì)于數(shù)字化工廠的車間布局仿真與物流優(yōu)化，要加強(qiáng)實(shí)現(xiàn)靜態(tài)虛擬車間朝著更為真實(shí)的動(dòng)態(tài)虛擬車間的改造升級(jí)，并且要盡可能地反映出車間的各類元素空間布局，進(jìn)而有效地發(fā)揮數(shù)字化工廠的優(yōu)勢(shì)作用，為車間布局規(guī)劃以及優(yōu)化提供可靠的參考依據(jù)等。從而切實(shí)實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的智能化以及自動(dòng)化發(fā)展，并提升整個(gè)智能裝備的應(yīng)用水平。

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