近年來，美國、歐洲、日本和韓國等先進(jìn)工業(yè)國家對(duì)數(shù)字化車間技術(shù)都給予了高度的重視，甚至上升到國家戰(zhàn)略層面。美國在《下一代制造技術(shù)計(jì)劃(NGMTI)》、德國在《高技術(shù)戰(zhàn)略2020》計(jì)劃中，都納入了相關(guān)的研究內(nèi)容；我國政府也在《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)》中，將“數(shù)字化和智能化設(shè)計(jì)制造”作為制造業(yè)領(lǐng)域的優(yōu)先主題。
制造業(yè)對(duì)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和政治地位至關(guān)重要，伴隨著德國“工業(yè)4.0”和美國“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的熱潮，制造業(yè)備受世界關(guān)注，我國制造業(yè)也正處于傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)調(diào)整和轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時(shí)期，制造自動(dòng)化和智能化已提到了國家發(fā)展戰(zhàn)略層面。
數(shù)字工廠：制造業(yè)的未來
為在激烈的全球競爭中保持優(yōu)勢，制造企業(yè)要最大化利用資源，將生產(chǎn)變得更加高效。為適應(yīng)不斷變化的客戶需求，制造企業(yè)必須盡可能地縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，對(duì)市場的響應(yīng)更加快速。為滿足市場多元化的需求，制造企業(yè)還要快速實(shí)現(xiàn)各環(huán)節(jié)的靈活變動(dòng)，將生產(chǎn)變得更加柔性。
數(shù)字工廠是以物理工廠為基礎(chǔ)，以先進(jìn)的信息化技術(shù)為方法，構(gòu)建真實(shí)工廠的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品全生命周期的設(shè)計(jì)、制造、裝配、質(zhì)量控制和檢測等各個(gè)階段的功能，對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行規(guī)劃、管理、診斷和優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)工廠的高效率、低成本、高質(zhì)量。而高效、快速、柔性，正是數(shù)字化企業(yè)為制造業(yè)帶來的最大變化。
在數(shù)字工廠的生產(chǎn)模式下，工藝設(shè)計(jì)由計(jì)算機(jī)輔助數(shù)字仿真與優(yōu)化完成，代替長久以來的手工方式，形成精確可靠的設(shè)計(jì)結(jié)果；ERP系統(tǒng)對(duì)質(zhì)量管理、生產(chǎn)績效、依從性、產(chǎn)品總譜和生命周期管理提供業(yè)務(wù)分析報(bào)告，為管理層全面準(zhǔn)確掌握生產(chǎn)數(shù)據(jù)提供有力的信息保障。在控制層，MES系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)狀態(tài)的實(shí)時(shí)掌控，快速處理制造過程中物料短缺、設(shè)備故障、人員缺勤等各種異常情形，記錄每個(gè)產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)數(shù)據(jù)，大大增強(qiáng)了產(chǎn)品的可追溯性。在執(zhí)行層，各種工業(yè)機(jī)器人、移動(dòng)機(jī)器人和智能設(shè)備將代替人工進(jìn)行生產(chǎn)，顯著提高生產(chǎn)精確度和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性。
與智能制造不謀而合，數(shù)字工廠為智能制造提供基礎(chǔ)條件。數(shù)字工廠從數(shù)據(jù)的采集開始，通過信息技術(shù)手段對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、加工、分析和呈現(xiàn)，從而反饋到生產(chǎn)中。
智能制造是一種由智能機(jī)器和人類專家共同組成的人機(jī)一體化智能系統(tǒng)，它在制造過程的各個(gè)環(huán)節(jié)都體現(xiàn)出了人工智能特性，例如生產(chǎn)過程自適應(yīng)調(diào)整、工藝自主規(guī)劃以及智能故障診斷。而專家系統(tǒng)作為人工智能最活躍的分支之一，將在未來的智能制造領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用，它從制造業(yè)領(lǐng)域?qū)＜抑刑崛〕鰧氋F的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，并模擬專家的思維方式來對(duì)制造過程進(jìn)行推理分析，例如具有聯(lián)想記憶特性的案例推理、具有模糊不確定性的模糊推理。專家系統(tǒng)將在未來的智能制造領(lǐng)域形成大規(guī)模的分布式知識(shí)庫共享平臺(tái)，并基于更加豐富化的推理方式來進(jìn)行智能制造決策，這將會(huì)擴(kuò)大或延伸人類專家在智能制造中的腦力活動(dòng)，進(jìn)而將智能制造提升到一種更加柔性化、智能化以及集成化的高度。
數(shù)字生產(chǎn)：讓過程透明化
數(shù)字生產(chǎn)：讓過程透明化
數(shù)字工廠要落到實(shí)處，就必須從制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES-Manufacturing Execution System)開始，融合專家系統(tǒng)等智慧方案，實(shí)現(xiàn)整體的工廠仿真與管理。
20世紀(jì)90年代初，制造業(yè)迫切需要一個(gè)可以將業(yè)務(wù)系統(tǒng)和制造系統(tǒng)集成并連接在一起的中間層，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)制造過程的透明化。與此同時(shí)，企業(yè)也對(duì)生產(chǎn)過程提出了更多新的需求，這其中包括降低批量的規(guī)模，以及對(duì)生產(chǎn)過程能夠進(jìn)行有效地“實(shí)時(shí)”干預(yù)，在此背景下，制造執(zhí)行系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。
按照國際MES協(xié)會(huì)所給出的定義，MES提供從接受訂單到制成最終產(chǎn)品全過程的生產(chǎn)活動(dòng)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的信息。它采用當(dāng)前的和精確的數(shù)據(jù)，對(duì)生產(chǎn)活動(dòng)進(jìn)行初始化，即時(shí)引導(dǎo)、響應(yīng)和報(bào)告工廠的活動(dòng)，對(duì)隨時(shí)可能發(fā)生變化的生產(chǎn)狀態(tài)和條件做出快速的反應(yīng)，重點(diǎn)削減不會(huì)產(chǎn)生附加值的活動(dòng)，從而推動(dòng)高效的工廠生產(chǎn)運(yùn)作過程。
隨著需求的變化，制造執(zhí)行系統(tǒng)被附加的功能越來越多，試圖覆蓋所有生產(chǎn)過程相關(guān)的業(yè)務(wù)，導(dǎo)致制造執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開發(fā)、實(shí)施越來越復(fù)雜，再加上行業(yè)差異性，給項(xiàng)目帶來了巨大的實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)。不同行業(yè)的MES系統(tǒng)也有所不同。
混合流程制造行業(yè)。例如煙草行業(yè)，目前國內(nèi)煙草行業(yè)的設(shè)備先進(jìn)、自動(dòng)化程度高。煙草MES在卷煙生產(chǎn)加工過程方面，全面實(shí)現(xiàn)核心數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集、實(shí)時(shí)分析和調(diào)整，不斷提升智能化控制水平。
在生產(chǎn)管理方面，運(yùn)用先進(jìn)的生產(chǎn)管理技術(shù)，積極響應(yīng)市場需求，提高生產(chǎn)組織效率，縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，合理安排生產(chǎn)要素，保證卷煙加工均衡生產(chǎn)和加工過程的穩(wěn)定，提高精細(xì)管理、精益制造、柔性生產(chǎn)的水平。設(shè)備管理充分利用信息化技術(shù)，對(duì)設(shè)備單機(jī)運(yùn)行、維修、消耗、產(chǎn)出等全過程實(shí)行分析評(píng)價(jià)。
在質(zhì)量控制方面需要有效采用先進(jìn)的質(zhì)量控制技術(shù)和方法，全面控制制造過程，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量工藝參數(shù)化、過程化。在物耗控制方面，通過信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)成本控制即時(shí)化、精細(xì)化管理，使原料、輔料、半成品、在制品、產(chǎn)品再生產(chǎn)以及物流等各環(huán)節(jié)得到有效追蹤，不斷降低產(chǎn)品制造過程的消耗、優(yōu)化制造成本。
煙草MES通過對(duì)工廠級(jí)、車間級(jí)計(jì)劃調(diào)度，配方與工藝過程管理、質(zhì)量控制與管理、設(shè)備運(yùn)行過程管理、實(shí)時(shí)庫存管理、生產(chǎn)任務(wù)與物料追蹤、生產(chǎn)過程監(jiān)控，以及制絲車間、卷包車間的一體化管理，使計(jì)劃、生產(chǎn)、調(diào)度、資源分配更加科學(xué)、準(zhǔn)確，提高各部門各系統(tǒng)間協(xié)調(diào)指揮能力，保障生產(chǎn)的連續(xù)性、可控性，使生產(chǎn)過程數(shù)字化、透明化，實(shí)現(xiàn)資源調(diào)度優(yōu)化、產(chǎn)品質(zhì)量全過程分析與跟蹤，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備與上層管理之間的集成、生產(chǎn)現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)資源的統(tǒng)一管理、使用和分析，達(dá)到對(duì)整個(gè)生產(chǎn)執(zhí)行過程進(jìn)行有效安排、調(diào)度、控制、優(yōu)化和過程改進(jìn)，推動(dòng)生產(chǎn)管理的科學(xué)化。
離散制造行業(yè)。例如以汽車行業(yè)為主的離散制造行業(yè)。基于行業(yè)的特點(diǎn)，產(chǎn)品由多個(gè)零件經(jīng)過一系列離散的工序加工，最終裝配完成。面向汽車制造的MES系統(tǒng)可以采用以工單的執(zhí)行為核心，需要對(duì)在制生產(chǎn)、質(zhì)量檢驗(yàn)、圖紙工藝文件數(shù)字化派發(fā)、零部件派發(fā)等各環(huán)節(jié)進(jìn)行精準(zhǔn)管控，實(shí)現(xiàn)對(duì)整車制造過程的詳細(xì)跟蹤，從而提高精益生產(chǎn)和智能制造能力。
設(shè)計(jì)、工藝與制造一體化，生產(chǎn)現(xiàn)場需要及時(shí)精準(zhǔn)地獲取數(shù)字化的生產(chǎn)指導(dǎo)，如數(shù)字化圖紙、工藝技術(shù)文件等；另外，設(shè)計(jì)、工藝部門需要從現(xiàn)場獲取質(zhì)量反饋信息，從而獲得改善工藝、設(shè)計(jì)的依據(jù)。現(xiàn)場生產(chǎn)過程需要透明化，實(shí)時(shí)跟蹤工單的執(zhí)行進(jìn)程，快捷獲知車間現(xiàn)場情況，為企業(yè)決策提供及時(shí)準(zhǔn)確的數(shù)字支持。需要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)組織和調(diào)度協(xié)同化，充分利用現(xiàn)場信息，對(duì)生產(chǎn)中的異常做出快速反應(yīng)。在滿足以上基本功能的可靠性、安全性、實(shí)用性等需求后，結(jié)合高級(jí)排產(chǎn)與調(diào)度優(yōu)化算法，提升該行業(yè)的生產(chǎn)水平。
數(shù)字生產(chǎn)：實(shí)現(xiàn)批量定制
隨著市場競爭的日趨激烈和個(gè)性化客戶需求的不斷增強(qiáng)，按訂單批量定制的生產(chǎn)類型已成為一類具有廣泛代表性的制造過程，將覆蓋越來越多的國民經(jīng)濟(jì)關(guān)鍵行業(yè)。批量定制(MC-Mass Customization)生產(chǎn)是在滿足客戶個(gè)性化需求的前提下，以近似批量生產(chǎn)效率制造產(chǎn)品的全新生產(chǎn)模式，被譽(yù)為21世紀(jì)制造業(yè)競爭的前沿。如德國工業(yè)4.0，就將定制化生產(chǎn)作為未來智能制造的主要目標(biāo)之一。
批量定制的本質(zhì)特征是高度個(gè)性化的產(chǎn)品或服務(wù)，快速響應(yīng)市場變化的能力和較低的定制成本。批量定制作為未來智能制造的主要生產(chǎn)模式，對(duì)制造裝備的柔性及制造過程的管控能力，提出了極高的要求和挑戰(zhàn)。如：對(duì)制造系統(tǒng)(裝備/生產(chǎn)線及控制)的可靠性、精確性、靈活性、柔性要求更高，生產(chǎn)組織需要更高的在線交互能力、自主響應(yīng)能力、指揮調(diào)度能力，需要全數(shù)字化的系統(tǒng)縱向集成支撐，需要支持定制生產(chǎn)的強(qiáng)大系統(tǒng)可配置能力等等。而數(shù)字化車間正是涵蓋生產(chǎn)計(jì)劃、執(zhí)行、控制、設(shè)備四個(gè)層面的系統(tǒng)集成技術(shù)，由此可見基于機(jī)器人化裝備和動(dòng)態(tài)管控平臺(tái)的數(shù)字化車間技術(shù)是支撐并滿足批量定制生產(chǎn)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)與核心。
因此，機(jī)器人、智能裝備和信息技術(shù)三者在制造業(yè)完美融合，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到制造高效轉(zhuǎn)化的數(shù)字化車間，是實(shí)現(xiàn)批量定制生產(chǎn)的基礎(chǔ)和必備條件。支持批量定制生產(chǎn)的數(shù)字化車間動(dòng)態(tài)管控平臺(tái)及裝備的研發(fā)與應(yīng)用得到了業(yè)界高度關(guān)注。
為有效支撐先進(jìn)的生產(chǎn)模式，以產(chǎn)品模型為核心，中科MES就建立起了一套面向數(shù)字化車間的制造全要素模型，包括：工廠模型、工藝路線模型、事件模型、事件處理模型、資源監(jiān)視模型等，并據(jù)此建立了定制產(chǎn)品、工藝參數(shù)與制造裝備之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，有效支持?jǐn)?shù)字化車間的軟硬件動(dòng)態(tài)重構(gòu)。
同時(shí)，通過模型可實(shí)現(xiàn)數(shù)字化車間四個(gè)層次(作業(yè)執(zhí)行層、過程控制層、制造執(zhí)行層和調(diào)度決策層)的信息垂直集成和模型驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)管控，并有效支撐批量定制生產(chǎn)模式下大規(guī)模細(xì)粒度的分析決策和柔性生產(chǎn)指揮調(diào)度控制。在信息及時(shí)獲取和處理效率保障方面，中科MES分別采用了高性能實(shí)時(shí)消息總線技術(shù)支持系統(tǒng)間信息高速傳遞與集成，采用支持群集的基礎(chǔ)服務(wù)和容錯(cuò)技術(shù)支持高處理能力和高可靠。目前，中科MES已經(jīng)在汽車、彈藥、電子等多個(gè)具有典型批量定制生產(chǎn)模式的行業(yè)得到了應(yīng)用，并取得了良好的實(shí)際效果，有效支撐了行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。
近年來，工信部出臺(tái)多項(xiàng)文件，努力推進(jìn)“中國制造”向“中國智造”和“中國創(chuàng)造”轉(zhuǎn)變。工信部啟動(dòng)的“2015工業(yè)強(qiáng)基專項(xiàng)行動(dòng)”，要求各地根據(jù)本地區(qū)產(chǎn)業(yè)發(fā)展實(shí)際組織開展相關(guān)工作，持續(xù)提升關(guān)鍵基礎(chǔ)材料、核心基礎(chǔ)零部件(元器件)、先進(jìn)基礎(chǔ)工藝和產(chǎn)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)等工業(yè)基礎(chǔ)能力，加快促進(jìn)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。數(shù)字工廠正好助力中國制造業(yè)實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)型，將深刻影響中國制造的變革。中國制造業(yè)的數(shù)字化藍(lán)圖正徐徐展開。
