数字化工厂概念探索

上海东方申信科技发展有限公司  徐慧

    近两年，企业开始着手打造“数字化车间”，尤其在航空业、汽车制造业，屡有相关新闻。不同行业、企业对“数字化车间”有不同的理解，实施重点也不相同。现与大家分享一篇论文的部分内容，共同探讨数字化工厂的概念。该论文《数字化车间的构建策略》来自《机械设计与制造》，2009年第九期，作者李世杰。下面为截取的论文的部分内容。

数字化车间内涵

数字化车间是指以制造资源(Resource)、生产操作(Operation)和产品(Product)为核心，将数字化的产品设计数据，在现有实际制造系统的数字化现实环境中，对生产过程进行计算机仿真优化的虚拟制造方式。数字化车间技术是在高性能计算机及高速网络的支持下，采用计算机仿真与数字化现实技术．以群组协同工作的方式，它概括了对真实制造世界的对象和活动的建模与仿真研究的各个方面。从产品概念的形成、设计到制造全过程的三维可视及交互的环境，在计算机上实现产品制造的本质过程(包括产品的设计、性能分析、工艺规划、加工制造、质量检验、生产过程管理与控制)，通过计算机数字化模型来模拟和预测产品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的问题。在数字化车间的设计和规划阶段各种类型的人员所关心的层次有所不同，所以将数字化车间的模拟仿真力度进行层次的划分，使不同人员在不同阶段得到不同的仿真模拟力度。经过分析，把数字化车问软件分为以下四个层次：数字化车问层、数字化生产线层、数字化加工单元层、数字化操作层。

1、数字化车间层

对车间的设备布局和辅助设备及管网系统进行布局分析，对设备的占地面积和空间进行核准，为车间设计人员提供辅助的分析工具。

2、数字化生产线层

    这一层要关心的是所设计的生产线能否达到设计的物流节拍和生产率。制造的成本是否满足要求，帮助工业工程师分析生产线布局的合理性、物流瓶颈和设备的使用效率等问题，同时也可对制造的成本进行分析。

3、数字化加工单元层

这一层主要提供对设备之间和设备内部的运动干涉问题，并可协助设备工艺规划员生成设备加工指令，再现真实的制造过程。

4、数字化加工操作层

对具体的上步进行详细的分析，对加工的过程进行干涉等的分析，进一步对可操作人员的人机工程方面进行分析。这四层的仿真力度逐渐细化，详细到设备的一个具体的动界耐昙作。可以说通过这四层的仿真模拟，达到对制造系统的设计规划优化、系统的性能分析和能力平衡以及工艺过程的优化和校验。

数字化车间总体设计

数字化车间系统的最终目标是在一个数字化环境中建立相对于物理系统的数字化车间，该系统能辅助设计人员快速可视化地规划车间布局、生产流程等，得到数字化车间模型后可以进行生产调度仿真、试验各种调度方案、验证布局的优劣，使车间在施工前得到充分地论证。工厂投产后，数字化车间可以和企业的ERP系统、数据库等结合，辅助管理人员管理生产，对技术人员进行指引，帮助销售人员进行演示、促进销售等。如图2所示，展示了系统地总体框架。

首先设计人员规划车间内各种设备、各种单位的布局。设计人员根据产品、产量等信息，设计生产工艺方案，确定生产节拍。数字化车间系统提供各类设备的模型，设计人员以全3D地可视化方式选择设备，进行布局规划。同时，系统提供构造数字化模型的工具，帮助用户导入模型。数字化车间建立后，在其上对生产进行预演仿真，验证布局是否能够提供安全的生产环境、车间内物流是否通畅生产技术和应急方案是否可行等。根据仿真的结果，通过专家系统和优化方法的辅助，修改设计、优选方案。最后优选出的方案用于指导工厂的建设施工。在车间正式施工前，在数字化车间系统上预演设备的运入和安装、生产线的组装整合、各种辅助设备或区间的摆设等。这些可以保证工厂实施时能顺利进行、减少或避免施工的失误，加速车间的建设。车间投产后，数字化车间系统、ERP系统和真正的车间3个系统互相连接，辅助车间的管理运营。管理人员根据ERP系统和数据库的信息管理生产，调整生产计划、调度物流设备等；在这些决策作最后决定、发给真实车间执行前，管理人员先在数字化车间上预演，了解决策可能的执行状况。数字化车间和真实车间可以进行同步，让管理人员以可视化的方式监视生产运作，处理突发的事件，或者直接作为监控真实车间的界面，控制设备、下达命令。

数字化车间系统构建策略

数字化车间系统的规划是比较复杂的，不可能一次性完成这样的任务。可以分三个阶段实现该系统：

1、建立基本布局系统

让设计人员通过可视化的方法对厂房设计，生产线布局和各种物流进行规划设计。在此阶段，需要建立其软件的基本框架。和各种车间对象的仿真模型。在此要对车间内各种对生产有直接或间接关系的设备物品进行抽象分类，并建立与之对应的对象类(class)。要建立软件的人机界面，使用户能方便的管理这些对象，对车间进行由总体到局部的布局。完成后允许用户设计和布置车间内部的布局，诸如生产线的走向，各个工位的位置，配置何种设备及如何摆放，车间内各种附件位置等。

2、加入调度控制和仿真系统

使系统能对布置好的车间进行运行仿真，以检验各种设计布局是否合理。此阶段要设计智能控制对象和统计分析系统。智能调度对象总管车间内各种事务、按照生产计划，控制生产设备进行生产，控制生产线上的物流。可以在仿真系统中对各种生产管理调度计划进行试验，以检测避免死锁等问题。当一个具体的生产车间的布局已经完成，可以让数字化车间模拟运作，检验设计的可行性和合理性，统计分析系统记录仿真运行的各种数据、进行分析优化、对发现的设计问题进行及时的修正。由于是在电脑中仿真运行，除了设计工时外并不耗费任何成本，可以进行多种设计的试验比较，以找到最优的布局设计和调度规则。

3、建立与车间的日常生产全面结合的接口

进行可视化的监控和管理。在此阶段，要设计数字化车间系统与物理系统的互连接口，通过LAN、现场总线等其他技术把数字化车间的指令送到真实的设备上，控制设备进行生产。同时物理系统的信息也通过接口反馈给数字化车间，让数字化车间同步表现真实车间的生产状态。监控人员可以以数字化车间为接口监控工厂生产，通过可视化方式监控生产过程甚至车间内所有发生的事件；同时把数字化系统作为控制中断，对生产进行计划外的干预，以应对特殊的情况。