陳金春 丁俠勝 車豪濱

（杭州晨龍智能科技有限公司，杭州 311100）

1 數(shù)字化車間的建設(shè)背景

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和5G等信息技術(shù)的發(fā)展，全球化工業(yè)革命進(jìn)入了實(shí)質(zhì)階段，制造工廠面臨第四次工業(yè)革命。2015年，國家發(fā)布了《中國制造2025》的戰(zhàn)略文件，提出“制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的主體，是立國之本，興國之器，強(qiáng)國之基”。隨后，在一系列政策法規(guī)的推動指引下，制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型呈現(xiàn)勢不可擋的局面，各行各業(yè)的頭部企業(yè)紛紛斥巨資打造數(shù)字化燈塔工廠，在行業(yè)中起到了示范引領(lǐng)作用。從2018年到2021年，世界經(jīng)濟(jì)論壇&麥肯錫共計(jì)評選出7個批次全球90家燈塔工廠，其中超過1/3位于中國，建設(shè)數(shù)字化工廠正當(dāng)時[1]。本文將以筆者參與設(shè)計(jì)的一個在工程機(jī)械行業(yè)中的型材下料數(shù)字化車間為例，從工廠信息化視角出發(fā)，闡述數(shù)字化車間建造過程中的信息化體系構(gòu)建。

2 數(shù)字化車間信息化總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)數(shù)字化車間建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，從體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度出發(fā)，將型材下料數(shù)字化車間的信息化系統(tǒng)劃分為業(yè)務(wù)計(jì)劃層、制造執(zhí)行層、過程控制層和設(shè)備執(zhí)行層，如圖1所示。

信息化體系結(jié)構(gòu)中的各個層級分別扮演不同的角色，承擔(dān)不同的功能，發(fā)揮不同的作用。各層級緊密銜接，密切協(xié)同，在實(shí)際運(yùn)行中構(gòu)成了一個有機(jī)的整體。

業(yè)務(wù)計(jì)劃層的核心為工廠企業(yè)資源計(jì)劃（Enterprise Resource Planning，SAP）系統(tǒng)，即企業(yè)管理系統(tǒng)。它對企業(yè)的人力資源、物流運(yùn)輸、生產(chǎn)活動、原材料采購、貨物倉儲及庫存管理等全部經(jīng)營活動與環(huán)節(jié)，實(shí)施監(jiān)督、分析及管理，為企業(yè)生產(chǎn)、決策、組織運(yùn)營提供指導(dǎo)及依據(jù)。

制造執(zhí)行層的核心為工廠制造企業(yè)生產(chǎn)過程執(zhí)行 系 統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）。MES是一套面向制造車間執(zhí)行層的生產(chǎn)信息化管理系統(tǒng)，可以為企業(yè)提供包括制造數(shù)據(jù)管理、計(jì)劃排程管理、生產(chǎn)調(diào)度管理、庫存管理、質(zhì)量管理、設(shè)備管理、工具工裝管理、項(xiàng)目看板管理、生產(chǎn)過程控制、底層數(shù)據(jù)集成分析以及上層數(shù)據(jù)集成分解等管理模塊，為企業(yè)打造一個扎實(shí)、可靠、全面、可行的制造協(xié)同管理平臺。

過程控制層的核心為車間數(shù)據(jù)采集及監(jiān)視控制 系 統(tǒng)（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）、信息化管理系統(tǒng)以及數(shù)字化流程控制系統(tǒng)等。它在車間與工廠之間起到承上啟下的橋梁作用。根據(jù)型材下料數(shù)字化車間的特點(diǎn)，過程控制層非標(biāo)定制了MES系統(tǒng)的部分功能模塊，使得型材下料數(shù)字化車間既可以脫離工廠MES系統(tǒng)進(jìn)行車間獨(dú)立自主運(yùn)行，也能與工廠MES系統(tǒng)無縫對接，實(shí)現(xiàn)了工廠智能制造的生產(chǎn)要求。

圖1 型材下料數(shù)字化車間信息化體系結(jié)構(gòu)

設(shè)備層即車間的物料加工主設(shè)備及相關(guān)的輔助執(zhí)行、檢測單元。型材下料數(shù)字化車間設(shè)備層主要包括各種數(shù)控加工中心（如智能高速圓鋸機(jī)、智能高速帶鋸機(jī)、智能液壓數(shù)控沖床等）、電永磁鐵桁架機(jī)械臂、激光打碼設(shè)備、工業(yè)機(jī)器人、AGV（Automated Guided Vehicle）物流設(shè)備、視覺檢測設(shè)備以及質(zhì)量檢測設(shè)備等。

3 數(shù)字化車間信息化系統(tǒng)功能規(guī)劃

車間信息化體系構(gòu)建圍繞兩個目標(biāo)：一是滿足工廠建設(shè)數(shù)字化工廠的需求，打通車間至工廠的數(shù)據(jù)鏈路，將有價值的數(shù)據(jù)邊緣化處理后，實(shí)時傳輸至工廠信息化系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)工廠的信息化和數(shù)字化集成分析管理；二是立足于車間無人化的建設(shè)需求，通過智能化設(shè)備的選用，結(jié)合信息化系統(tǒng)的構(gòu)建，打通設(shè)備間生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)鏈路，從而實(shí)現(xiàn)車間的自動化和無人化運(yùn)行[2]。

從圖1可以看出，過程控制層是型材下料數(shù)字化車間信息化體系構(gòu)建的核心，包含總控系統(tǒng)、生產(chǎn)指揮平臺、RCS調(diào)度系統(tǒng)以及質(zhì)量檢測系統(tǒng)等。其中，生產(chǎn)指揮平臺又包含高級計(jì)劃與排程（Advanced Planningand Scheduling，APS）套料排程系統(tǒng)、信息追溯管理系統(tǒng)和倉庫管理系統(tǒng)（Warehouse Management System，WMS）。

過程控制層中多系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行，各系統(tǒng)間應(yīng)避免出現(xiàn)功能重復(fù)而造成資源浪費(fèi)，也不能因?yàn)楣δ苋笔Ф斐尚畔⒙┒础@前述的信息化構(gòu)建目標(biāo)，在方案設(shè)計(jì)初始階段即對各信息化系統(tǒng)進(jìn)行了功能劃分，見圖2。

總控系統(tǒng)在型材下料數(shù)字化車間中扮演了集中控制的角色。它直接控制的設(shè)備包含上料分揀、輥道輸送以及下料分揀（機(jī)器臂）等，將收自于APS排程套料系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分發(fā)到車間各子產(chǎn)線，對檢測設(shè)備進(jìn)行集中控制，采集設(shè)備狀態(tài)信息、生產(chǎn)過程信息，進(jìn)行邊緣計(jì)算后通過服務(wù)網(wǎng)關(guān)發(fā)送至工廠MES系統(tǒng)。此外，總控系統(tǒng)還將生產(chǎn)過程信息傳遞給信息追溯管理系統(tǒng)，并且將可追溯的二維碼信息通過激光打標(biāo)設(shè)備刻蝕在產(chǎn)品表面上，以便后道工序?qū)崿F(xiàn)信息追溯。

APS套料排程系統(tǒng)在型材下料數(shù)字化車間中取代了以前的人工套排料模式，在產(chǎn)線自動運(yùn)行和材料利用率提升方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。APS套料排程系統(tǒng)任務(wù)數(shù)據(jù)導(dǎo)入有兩種方式：一是套料排程系統(tǒng)對接工廠MES系統(tǒng)，任務(wù)數(shù)據(jù)從工廠MES系統(tǒng)中導(dǎo)入；二是任務(wù)數(shù)據(jù)從車間排程客戶端以Excel形式導(dǎo)入[3]。導(dǎo)入的信息包含原材料信息（材質(zhì)、長度、管徑及壁厚等）和下料件信息（編碼、切割工藝信息、部件套信息及物流信息等）。數(shù)據(jù)導(dǎo)入后，根據(jù)特征指標(biāo)（比如材料利用率、加工節(jié)拍及產(chǎn)線負(fù)載均衡等），利用遺傳算法得出生產(chǎn)任務(wù)物料清單（Bill of Material，BOM）。

信息追溯管理系統(tǒng)的作用是信息集成追溯，以產(chǎn)品表面刻蝕的二維碼為信息載體，通過掃描產(chǎn)品上的二維碼，可在信息追溯管理系統(tǒng)中查詢到產(chǎn)品的所有生產(chǎn)過程信息，如原材料批次號、操作人員、加工產(chǎn)線、物料工藝、設(shè)備狀態(tài)及產(chǎn)品質(zhì)量等。

圖2 下料車間信息化系統(tǒng)功能規(guī)劃

WMS倉儲管理系統(tǒng)是將成品進(jìn)行數(shù)字化管理的軟件系統(tǒng)。成品物料以框?yàn)閱挝贿M(jìn)行管理。機(jī)械臂在完成物料入框后，將物料信息同步傳送至WMS倉儲管理系統(tǒng)。WMS倉儲管理系統(tǒng)提供如出入庫管理、物料查詢、盤點(diǎn)以及物料管理等功能，同時作為AGV小車的上位系統(tǒng)，可將搬運(yùn)任務(wù)分配給AGV小車，完成物料的自動輸送。

RCS調(diào)度系統(tǒng)是AGV小車控制運(yùn)行的核心，包含路徑規(guī)劃、任務(wù)分配等指令生成，接收來自WMS系統(tǒng)的取送料指令。在無人的情況下，它可將滿框從線邊庫位轉(zhuǎn)移至雙層庫位入庫。根據(jù)下游車間的用料需求信息，將合適的物料框從雙層庫位轉(zhuǎn)移出庫，實(shí)現(xiàn)下料分揀區(qū)成品自動物流。

質(zhì)量檢測系統(tǒng)采用視覺檢測設(shè)備，對成品的長度、角度進(jìn)行拍照，經(jīng)圖像識別處理后計(jì)算出產(chǎn)品的實(shí)際長度與角度，再與套料排程系統(tǒng)給出的工藝參數(shù)進(jìn)行比較。若超出預(yù)先設(shè)定的閾值，則視作不合格產(chǎn)品，需將其從產(chǎn)品序列中剔除[4]。

4 數(shù)字化車間信息化系統(tǒng)接口定義

型材下料數(shù)字化車間的實(shí)施過程中，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用是關(guān)鍵的一環(huán)。車間構(gòu)建一個獨(dú)立的局域網(wǎng)，局域網(wǎng)內(nèi)設(shè)備間可實(shí)時進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。在設(shè)置網(wǎng)絡(luò)管理及安全防火墻的前提下，車間局域網(wǎng)開放接口接入工廠網(wǎng)絡(luò)，與工廠級信息化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

型材下料數(shù)字化車間以信息化作為根基，通過將生產(chǎn)車間的不同設(shè)備與通信網(wǎng)絡(luò)連接，收集設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)和質(zhì)量數(shù)據(jù)，并作為數(shù)據(jù)采集和分析的基礎(chǔ)。對不同生產(chǎn)設(shè)備采取不同的數(shù)據(jù)采集方式：對存在數(shù)據(jù)接口的設(shè)備，如加工中心、可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、機(jī)器人及儀器儀表等，通過Profibus或Profinet網(wǎng)絡(luò)將設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)；對沒有數(shù)據(jù)接口的設(shè)備，通過外接傳感器完成設(shè)備狀態(tài)采集來提升通信能力。它可采取有線或無線兩種方式進(jìn)行。數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)后，通過邊緣計(jì)算方式完成數(shù)據(jù)的就地分析和存儲，并采用有線或無線的方式存儲到云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示和后續(xù)數(shù)據(jù)分析。

5 數(shù)字化車間信息可視化

型材下料數(shù)字化化車間通過各信息化模塊實(shí)現(xiàn)了精益生產(chǎn)顆粒度下沉到設(shè)備單元，通過上下位系統(tǒng)的信息互通和成品件標(biāo)識化管理，提升型材下料數(shù)字化車間生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)細(xì)化管理程度，為型材下料全過程信息追溯和分析提供數(shù)據(jù)支持，為信息可視化提供了可能。

第一，車間級可視化。MES系統(tǒng)通過對接車間級監(jiān)控系統(tǒng)，可及時了解車間的在制品情況，同時能實(shí)時了解車間的停線情況，提高維修可達(dá)性。若車間出現(xiàn)故障，將觸達(dá)異常Andon，此時MES系統(tǒng)將自動推送請求信息到相應(yīng)部門，見圖3。

圖3 下料車間信息化系統(tǒng)看板

第二，線體級可視化。它可實(shí)時自動顯示產(chǎn)線的生產(chǎn)信息、呼叫信息及停機(jī)時間等內(nèi)容。操作班組長可以通過通知、虛擬畫面等不同方式，根據(jù)不同的顆粒度獲得生產(chǎn)、設(shè)備、工藝及產(chǎn)品的實(shí)時狀態(tài)。

第三，工位級可視化?，F(xiàn)場工位安裝軟Andon屏（通常為觸摸屏）呼叫取代傳統(tǒng)物理按鈕呼叫方式，減少硬件投入和后期的維護(hù)成本。呼叫信息多樣且精準(zhǔn)，方便現(xiàn)場快捷及時地發(fā)送異常信息和請求信息到相應(yīng)負(fù)責(zé)人，提高產(chǎn)線問題的解決效率[5]。

通過車間信息看板，可將各信息化系統(tǒng)進(jìn)行展示。

6 數(shù)字化車間信息構(gòu)建的意義

實(shí)踐表明，構(gòu)建數(shù)字化車間信息化可為工廠帶來諸多益處。

6.1 實(shí)現(xiàn)物料和物料流動狀態(tài)的能見度

通過WMS倉儲管理系統(tǒng)和基于AGV小車的物流系統(tǒng)構(gòu)建，可以極大地提高物料和物料流動過程的能見度。WMS倉儲管理系統(tǒng)可對成品的倉儲狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時管理。例如，對物料設(shè)置警戒線。當(dāng)物料低于警戒線時，WMS倉儲管理系統(tǒng)將及時發(fā)出黃色警告，提醒產(chǎn)線管理人員及時補(bǔ)充相關(guān)成品；當(dāng)物料高于警戒線時，產(chǎn)線將減少相關(guān)成品的生產(chǎn)，以提高產(chǎn)品的流動性和倉庫的利用率。

6.2 產(chǎn)線運(yùn)行狀態(tài)的能見度

通過對生產(chǎn)數(shù)據(jù)的分析，可以充分了解產(chǎn)線的節(jié)拍瓶頸，制定提升產(chǎn)線產(chǎn)出效率的對策。通過對產(chǎn)線的動率分析，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線產(chǎn)能的負(fù)載均衡，甚至可為操作人員關(guān)鍵績效指標(biāo)（Key Performance Indicator，KPI）考核提供依據(jù)。

6.3 產(chǎn)線綠色化生產(chǎn)的能見度

借助大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等手段，分析產(chǎn)出與能耗比值，得出產(chǎn)線與產(chǎn)品之間的最優(yōu)組合。比如，某種成品在車間中的某條產(chǎn)線上生產(chǎn)時費(fèi)效比最低，在后續(xù)生產(chǎn)中可將把該產(chǎn)品優(yōu)先匹配到效率最高的產(chǎn)線，從而實(shí)現(xiàn)綠色化和集約化生產(chǎn)。

7 結(jié)語

通過信息化系統(tǒng)的構(gòu)建，可實(shí)現(xiàn)車間的數(shù)字化運(yùn)行；通過對生產(chǎn)數(shù)據(jù)的加工分析，可實(shí)現(xiàn)工廠高效運(yùn)行；通過挖掘隱藏在數(shù)據(jù)背后的價值，可為管理者提供決策支持。