莊天天

摘 要：隨著制造業(yè)競爭壓力的日益增加，數(shù)字化工廠概念被提出并不斷完善。企業(yè)為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，滿足用戶對產(chǎn)品日益靈活的需求，提高自身核心競爭力從而占領更大的市場份額，越來越多地開始選擇建設數(shù)字化工廠，進行精益化生產(chǎn)與管理。通過大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等信息技術的應用，企業(yè)可以對生產(chǎn)過程進行全過程和全周期的檢驗和分析，利用仿真模擬技術來提高生產(chǎn)效率并保證產(chǎn)品質(zhì)量。因此，數(shù)字化工廠對我國制造業(yè)的發(fā)展意義重大。為了能夠更好地提高其應用質(zhì)量，本文著重對數(shù)字化工廠及其相關技術進行分析。

關鍵詞：數(shù)字化工廠;全生命周期;產(chǎn)品加工

中圖分類號：TK278 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）26-0029-03

Research on Digital Chemical Plant and Its Key Technologies

ZHUANG Tiantian

（CNOOC Gas & Power Group Co.， Ltd.，? Beijing 100028）

Abstract： With the increasing competitive pressure in manufacturing industry， the concept of digital chemical plant has been put forward and continuously improved. In order to better improve product quality， meet users' increasingly flexible needs for products， improve their core competitiveness and occupy a larger market share， more and more enterprises begin to choose to build digital chemical plants for lean production and management through the application of information technologies such as big data， Internet of things and cloud computing， Enterprises can inspect and analyze the whole process and cycle of production process， and use simulation technology to improve production efficiency and ensure product quality. Therefore， digital chemical plant is of great significance to the development of China's manufacturing industry. In order to better improve its application quality， this paper focuses on the analysis of digital chemical plant and its related technologies.

Keywords： digital chemical plant;manufacturing full life cycle;product processing

人類步入現(xiàn)代社會的重要標志之一就是工業(yè)體系的形成及其技術的發(fā)展。隨著近年來各國制造業(yè)的飛速發(fā)展，不斷提升的制造精度使市場中各種各樣高質(zhì)量的產(chǎn)品層出不窮，從而導致競爭日益激烈。制造業(yè)現(xiàn)在面臨著非常大的競爭壓力，為了能夠更好地應對市場競爭壓力，各企業(yè)都在積極探索如何改變和調(diào)整生產(chǎn)模式、降低工作成本、提升工廠效率，于是數(shù)字化工廠應運而生。數(shù)字化生產(chǎn)的本質(zhì)是通過數(shù)字化技術和相應軟件對整體工藝與生產(chǎn)線進行設計與規(guī)劃，從而提高生產(chǎn)效率。

1 數(shù)字化工廠概述

1.1 數(shù)字化工廠的概念

要探討數(shù)字化工廠，首先需要明確工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基本概念。2012年工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)被提出，隨后，越來越多的企業(yè)加入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的建設中。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是新一代信息通信技術與工業(yè)經(jīng)濟深度融合的新型基礎設施、應用模式和工業(yè)生態(tài)，通過對人、機、物、系統(tǒng)等的全面連接，構建起覆蓋全產(chǎn)業(yè)鏈、全價值鏈的全新制造和服務體系。其本質(zhì)是通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)來連接企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營各環(huán)節(jié)中的客戶、供應商、設備以及生產(chǎn)裝置等多個部分，使得產(chǎn)業(yè)鏈上下游連接更加緊密，確保不同地域之間的生產(chǎn)關系能夠擺脫時空限制，達到互聯(lián)互通的效果。數(shù)字化工廠在近幾年的發(fā)展中以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為依托，通過智能化和數(shù)字化技術的研究與應用對自身的整體制造和服務體系進行改造和提升。數(shù)字化工廠的主要應用場景包括生產(chǎn)線數(shù)字化、設計仿真和評價數(shù)字化、制造設備數(shù)控化、車間執(zhí)行與分析數(shù)字化4個方面，涵蓋生產(chǎn)制造的設計、生產(chǎn)、流通、工藝及通信等多個部分，以提高生產(chǎn)效率來達到嚴控產(chǎn)品質(zhì)量的目標。近年來，隨著數(shù)字化技術的快速發(fā)展，數(shù)字化工廠的建設也衍生出很多分支，但是數(shù)字化發(fā)展的根本路徑還是在于利用數(shù)字化技術對工廠進行自動化與信息化整合，是未來實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)、智能工廠等建設目標的重要內(nèi)容[1]。

1.2 數(shù)字化工廠的特點

通過數(shù)字化技術對工廠生產(chǎn)經(jīng)營模式的改造，數(shù)字化工廠可以極大地提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，是企業(yè)提高自身核心競爭力和獲得更高市場收益的重要方法之一。具體來說，數(shù)字化工廠技術具有以下4個特點。

1.2.1 縮短投放周期。通過數(shù)字化技術的支持，產(chǎn)品的全生命周期管理都可以借助軟件來輔助完成。從設計、裝配到后期的分析與評價，數(shù)字化技術使各類數(shù)據(jù)交互更加方便，從而縮短了產(chǎn)品在市場的投放周期。

1.2.2 提高經(jīng)濟效益。經(jīng)濟效益的提高主要包括兩個方面：一是降低產(chǎn)品研發(fā)成本，通過應用數(shù)字化技術，產(chǎn)品設計與測試均采用軟件完成，從而使新產(chǎn)品研發(fā)使用更少的物理樣機，降低了設計成本、材料成本及設備成本;二是市場效益，產(chǎn)品擁有更高的生產(chǎn)效率和質(zhì)量，所以在市場中更加受歡迎，提高了市場份額。

1.2.3 提高產(chǎn)品質(zhì)量。一方面，數(shù)字化工廠可以有效檢查出產(chǎn)品中存在的缺陷，有利于企業(yè)調(diào)整生產(chǎn)工藝，減少產(chǎn)品缺陷。另一方面，數(shù)字化工廠能夠有效地對產(chǎn)品的全生命周期進行模擬，從而更好地優(yōu)化產(chǎn)品的生產(chǎn)流程，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量[2]。

1.2.4 優(yōu)化勞動環(huán)境。通過數(shù)字化技術的應用，生產(chǎn)人員可以在高效的信息共享環(huán)境和數(shù)控加工環(huán)境下工作，避免長時間在環(huán)境較差的生產(chǎn)車間工作，一定程度上減少了勞動量，降低了職業(yè)健康病的發(fā)生率，提高了生產(chǎn)質(zhì)量。

1.3 數(shù)字化工廠的發(fā)展意義

數(shù)字化工廠是擴展產(chǎn)業(yè)鏈的重要途徑，在制造業(yè)中涉及的領域非常廣泛。隨著數(shù)字化技術的發(fā)展，已經(jīng)有越來越多的仿真技術、數(shù)控工具被應用到生產(chǎn)中。相對于一些發(fā)達國家來說，我國的制造業(yè)雖然在實力上毫不遜色，但是數(shù)字化的程度并不是很高，虛擬樣機等設備的投入也并不是很廣泛。但是，在5G技術和相關設備的研發(fā)下，我國已經(jīng)逐漸從傳統(tǒng)機械制造轉(zhuǎn)向了數(shù)字化和智能化制造模式。數(shù)字化工廠及相關技術為制造業(yè)帶來了非常重要的發(fā)展機遇，也是各企業(yè)未來一段時間的重要戰(zhàn)略發(fā)展目標。只有不斷優(yōu)化和改善數(shù)字化工廠體系中各類建模、仿真等技術的應用，才能更好地滿足當前我國制造業(yè)的發(fā)展，為我國經(jīng)濟發(fā)展提供更加有力的支持，而只有使用數(shù)字化工廠才能夠更好地滿足社會大眾對商品加工的深度需求[3]。

2 數(shù)字化工廠關鍵技術的應用

2.1 5G技術的應用

5G通信技術與工業(yè)經(jīng)濟的深度融合為工業(yè)乃至產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化發(fā)展提供了新的實現(xiàn)途徑，其傳輸速率快、延時低、連接可靠的特點可以有效滿足當前制造業(yè)在數(shù)字化工廠建設中的具體需求，特別是能夠更好地滿足當前各企業(yè)在工業(yè)環(huán)境中的遠程交互與設備互聯(lián)的需求。下面介紹4個5G技術在數(shù)字化工廠中的具體應用。

2.1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術。數(shù)字化工廠建設的首要需求就是要保證各個設備的可控性和信息共享能力。物聯(lián)網(wǎng)是將設備串聯(lián)起來，保證數(shù)據(jù)有效傳遞的重要技術，而5G技術加快了數(shù)據(jù)傳遞與共享的速率和穩(wěn)定性，使物聯(lián)網(wǎng)技術的應用效果得到了極大提升[4]。

2.1.2 自動化。近年來，隨著數(shù)控技術體系的完善，我國很多企業(yè)都在工業(yè)自動化上取得了不小的進步，在工業(yè)生產(chǎn)上不僅達到了毫秒級的程序響應能力，還能夠保障數(shù)據(jù)安全，而5G的超低延時性使得設備的可靠性進一步增強。

2.1.3 物流追蹤。物流追蹤是制造業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈條中的重要一環(huán)，無論是對倉儲管理還是物流配送而言，加強上下游的有效連接都能更好地幫助企業(yè)來優(yōu)化物流環(huán)節(jié)，意味著具有低成本、高連接性、高覆蓋性和傳輸性的通信技術十分重要，而5G能更好地滿足這些需求，成為數(shù)字化工廠的重要建設內(nèi)容。

2.1.4 工業(yè)AR和云化機器人。工業(yè)增強現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）是一種具有多功能性和靈活性的技術。通過AR技術對生產(chǎn)流程進行監(jiān)控和管理，再通過遠程專家的幫助對生產(chǎn)中各個業(yè)務流程進行分步指引。當然，工業(yè)AR并未大規(guī)模普及，現(xiàn)階段AR頭盔或者眼鏡也只是應用于一些大型工廠中，在未來將進一步得到普及。此外，通過云機器人來對生產(chǎn)進行柔性化管理，收集、分析并反饋相關數(shù)據(jù)[5]。

2.2 產(chǎn)品設計和應用仿真

數(shù)字化工廠將生產(chǎn)及其后續(xù)過程數(shù)字化，進而提高產(chǎn)品質(zhì)量和管理效率，對生產(chǎn)流程、資金、物流進行全過程管理。所以，數(shù)字化工廠本質(zhì)上也是一個巨大的信息庫。從產(chǎn)品的應用角度來看，產(chǎn)品設計和其功能領域中需要用到的信息化系統(tǒng)較多，包括計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）、計算機輔助工藝過程設計（Computer Aided Process Planning，CAPP）、計算機輔助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）以及產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（Product Data Management，PDM）等子系統(tǒng)。而從產(chǎn)品的生產(chǎn)和銷售過程來看，它還需要用到客戶關系管理和決策支持等系統(tǒng)。換個角度來看，要想更好地對產(chǎn)品進行設計，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，需要以這些數(shù)據(jù)庫和信息系統(tǒng)為平臺，對產(chǎn)品進行設計和仿真，這是數(shù)字化工廠的重點所在。以車輛的側(cè)圍內(nèi)板焊裝線的設計與仿真為例，其主要的設計仿真工作是對汽車焊裝夾具與側(cè)圍內(nèi)板焊裝生產(chǎn)線進行設計和仿真，可以對焊槍、機器人進行選型和設計，并選擇合適的軟件來仿真模擬焊裝生產(chǎn)線工作站?？梢哉f，在工業(yè)流程上，產(chǎn)品的設計與生產(chǎn)線的仿真流程是有一定模板的，細節(jié)內(nèi)容還需要根據(jù)具體情況來分析[6]。

2.3 工作流管理

工作流管理是數(shù)字化工廠建設中一項十分重要的內(nèi)容，也是建立起數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)的關鍵技術之一。數(shù)字化工廠通過線上定義工作流對數(shù)字化工廠的任務、人員、軟件、工具及相關數(shù)據(jù)等進行調(diào)節(jié)和分配，相較于傳統(tǒng)的工廠管理模式，能極大地提高數(shù)據(jù)的流通性和系統(tǒng)的工作效率。鑒于工作流的重要性，在數(shù)字化工廠建設過程中，企業(yè)需要對工作流進行抽象建模，用計算機語言與數(shù)據(jù)庫交互操作將實際的生產(chǎn)與業(yè)務流程轉(zhuǎn)化為計算機程序的形式，輔助企業(yè)完成精益化管理工作。具體來說，企業(yè)需要通過工作流模型完成3方面的工作，分別是對工作流程的定義、工作過程的控制和運行流程的交互。而工作流本身也分為多個類型，如基于任務推動和目標拉動的、面向文檔和面向過程的、基于郵件和基于數(shù)據(jù)庫的，但是工作流管理因應用的廣泛性可以在各類軟硬件組件的支持下滿足各項功能需求，具體如圖1和圖2所示。

此外，數(shù)字化工廠的工作流管理系統(tǒng)還需要注重靈活性和可擴展性，要具備流程嵌套和可修改約束規(guī)則的能力，支持業(yè)務工作流程的快速上線。

3 結(jié)語

本文探討了數(shù)字化工廠的相關內(nèi)容，針對數(shù)字化工廠的概念、特點和應用意義進行闡述，對其中的5G技術、設計與仿真技術和工作流管理系統(tǒng)等關鍵技術進行研究?；谥圃鞓I(yè)的升級以及智能化的發(fā)展需求，我國各企業(yè)都應該提高對數(shù)字化工廠技術的認識，加強對數(shù)字化工廠的建設，提高產(chǎn)品全生命周期的管控效率與質(zhì)量，進而更好地保障我國的經(jīng)濟發(fā)展。

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1963501186287