王 超，魯效平，劉倫明，孫 明，景大智，王玉梅

(卡奧斯工業(yè)智能研究院(青島)有限公司，山東 青島 266500)

0 引言

隨著新一代信息技術(shù)的發(fā)展以及人民日益增長的消費需求，對現(xiàn)代企業(yè)的生產(chǎn)模式產(chǎn)生了重大影響，越來越多的企業(yè)將從大規(guī)模生產(chǎn)的模式轉(zhuǎn)變?yōu)榇笠?guī)模個性化定制的模式[1]。通過深度定制將用戶需求和企業(yè)生產(chǎn)制造過程相連接，實現(xiàn)按需柔性化定制生產(chǎn)，并且互聯(lián)工廠實現(xiàn)生產(chǎn)互聯(lián)、產(chǎn)品互通和數(shù)據(jù)采集，促進(jìn)了制造業(yè)企業(yè)加速向服務(wù)領(lǐng)域拓展，有效拓展企業(yè)的價值鏈，優(yōu)化企業(yè)存量的同時帶動利潤增長[2]。這就需要企業(yè)通過產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整和生產(chǎn)系統(tǒng)的重構(gòu)將用戶個性化定制的部分產(chǎn)品全部轉(zhuǎn)化為批量生產(chǎn)，而傳統(tǒng)制造系統(tǒng)并不能適應(yīng)新型的生產(chǎn)模式，因此，亟需發(fā)展一種新型制造系統(tǒng)。在這種背景下，一種可以實現(xiàn)制造系統(tǒng)快速重構(gòu)的可重構(gòu)制造系統(tǒng)就被提出了，成為主流的革新方向[3]。

目前，以海爾互聯(lián)工廠為代表的智能制造新模式是實現(xiàn)從大規(guī)模生產(chǎn)向大規(guī)模個性化定制轉(zhuǎn)型的重要路徑。2012年，海爾進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)化戰(zhàn)略階段，積極探索新型智能制造模式[4]。在完成戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變的同時，為了快速滿足對個性化用戶需求，海爾探索和實踐的方向是互聯(lián)工廠。互聯(lián)工廠與傳統(tǒng)工廠的差異在于不是簡單的機器換人，而是由物理空間變成用戶交互的網(wǎng)絡(luò)空間，通過滿足用戶最佳體驗、實現(xiàn)大規(guī)模定制以及柔性化生產(chǎn)，最終實現(xiàn)產(chǎn)消合一[5]。海爾互聯(lián)工廠模式通過可重構(gòu)的智能系統(tǒng)，可實現(xiàn)依據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)自動匹配不同的模塊參數(shù)，使得設(shè)備、物料和人員自動調(diào)整相應(yīng)的計劃、動作等。

本文研究了基于CPS的可重構(gòu)制造系統(tǒng)在互聯(lián)工廠的應(yīng)用，通過建立完整的模塊化制造系統(tǒng)，解決個性化定制與大規(guī)模生產(chǎn)的矛盾。采用柔性可變的模塊化制造單元解決傳統(tǒng)工廠數(shù)據(jù)信息龐雜低效和制造資源可控性低等問題，支持大規(guī)模個性化產(chǎn)品定制。CPS可重構(gòu)制造技術(shù)將生產(chǎn)制造的復(fù)雜行為轉(zhuǎn)換為實際數(shù)據(jù)信息，通過重構(gòu)分析、智能決策，動態(tài)優(yōu)化調(diào)整模塊化制造單元，使整個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的制造資源處于有序可控狀態(tài)，形成工業(yè)解決方案，并進(jìn)行落地應(yīng)用。

1 基于CPS的可重構(gòu)系統(tǒng)的特性及架構(gòu)

基于CPS的可重構(gòu)制造系統(tǒng)采用模塊化制造單元解決傳統(tǒng)工廠生產(chǎn)線硬連接問題，根據(jù)生產(chǎn)計劃、資源使用和產(chǎn)品工藝情況，通過模塊制造單元重構(gòu)分析、智能決策以及過程的虛擬仿真，動態(tài)優(yōu)化調(diào)整生產(chǎn)線布局，使整個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的制造資源處于有序可控狀態(tài)，保證高質(zhì)量、高效率、低成本地完成生產(chǎn)任務(wù)[6]?；贑PS的可重構(gòu)制造系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于CPS的可重構(gòu)制造系統(tǒng)架構(gòu)

可重構(gòu)柔性制造系統(tǒng)包括大數(shù)據(jù)層、重構(gòu)分析層和邊緣層。

大數(shù)據(jù)層主要包括客戶定制模塊、數(shù)據(jù)融合模塊和大數(shù)據(jù)分析模塊。其主要是進(jìn)行用戶數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)判斷分析以及可視化展示工作，可以將用戶數(shù)據(jù)預(yù)測后的結(jié)果通過可視化接口進(jìn)行展示。大數(shù)據(jù)層通過研究結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)(用戶注冊、購買、配送安裝、使用和保修保養(yǎng)等)和非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)(用戶查看、瀏覽和點擊等行為數(shù)據(jù))整合分析，形成準(zhǔn)確的用戶畫像，合理預(yù)判用戶的消費行為。

重構(gòu)分析層包括能力評估模塊、資源管理模塊、制造重構(gòu)分析模塊、虛擬重構(gòu)模塊、生產(chǎn)調(diào)度模塊和仿真模塊。其中任務(wù)管理模塊根據(jù)產(chǎn)品自身的特點分解、分配工作任務(wù)，并協(xié)調(diào)各部門的工作。制造重構(gòu)分析模塊根據(jù)能力評估模塊提供的產(chǎn)品信息分解生產(chǎn)步驟以及調(diào)度規(guī)劃、根據(jù)資源管理模塊提供的工裝信息進(jìn)行生產(chǎn)工藝的重構(gòu)。虛擬重構(gòu)模塊以及仿真模塊則對整個制造過程建模、模擬仿真，從而診斷并優(yōu)化制造系統(tǒng)的重構(gòu)方案。生產(chǎn)調(diào)度模塊根據(jù)產(chǎn)品工藝、資源現(xiàn)狀和仿真結(jié)果，通過對可重構(gòu)制造單元的調(diào)度實現(xiàn)制造系統(tǒng)的重構(gòu)，并將具體任務(wù)傳達(dá)到制造單元模塊，各制造單元模塊根據(jù)任務(wù)指令開始生產(chǎn)[7]。

邊緣層包括CPS總線和可重構(gòu)制造單元模塊，具體包括數(shù)控加工單元、在線分揀單元、產(chǎn)品輸送單元、在線組裝單元、產(chǎn)品檢測單元、智慧物流單元、倉儲一體化單元以及各類型步進(jìn)電機、伺服電機、傳動零部件等[8]。

深度融合了信息化和工業(yè)化的CPS系統(tǒng)，通過集成先進(jìn)的感知、計算、通信和控制等信息自動化技術(shù)，實現(xiàn)互聯(lián)工廠人、機、物、環(huán)境以及信息等要素在物理空間與信息空間中相互映射、適時交互、高效協(xié)同，動態(tài)優(yōu)化調(diào)度制造系統(tǒng)內(nèi)的生產(chǎn)資源，最終達(dá)到最優(yōu)配置[9]。互聯(lián)工廠的 CPS系統(tǒng)原理如圖2所示，通過智能控制與硬件集成，以及實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備互聯(lián)和智慧物流等技術(shù)融合，實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)與制造數(shù)據(jù)集成、制造系統(tǒng)間協(xié)同服務(wù)等，是用戶個性化定制、高效柔性生產(chǎn)服務(wù)融合的系統(tǒng)。系統(tǒng)基于MQTT協(xié)議的生產(chǎn)線控制器與MES和ERP系統(tǒng)集成和協(xié)同運行，提升設(shè)備接入數(shù)量，提高協(xié)同效率。同時，CPS系統(tǒng)通過信息、網(wǎng)絡(luò)、控制統(tǒng)一模型，分析互聯(lián)工廠生產(chǎn)計劃、資源使用和產(chǎn)品工藝情況，進(jìn)行工藝分解、生產(chǎn)過程編排、動作組合以及單步控制，動態(tài)優(yōu)化生產(chǎn)線布局?；贑PS的可重構(gòu)制造系統(tǒng)利用模塊化制造單元解決傳統(tǒng)工廠生產(chǎn)線硬連接問題，通過模塊制造單元重構(gòu)分析、智能決策以及過程的虛擬仿真，實現(xiàn)有序調(diào)控整個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的制造資源?；贑PS的可重構(gòu)柔性制造系統(tǒng)具有以下特點：系統(tǒng)模塊設(shè)計；工業(yè)控制技術(shù)的齊全性；工業(yè)技術(shù)的同步性；工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化程度高；程序設(shè)計的便利性[10]。

圖2 互聯(lián)工廠 CPS系統(tǒng)原理

2 基于CPS的可重構(gòu)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

面向大規(guī)模個性化定制的可重構(gòu)系統(tǒng)以大規(guī)模定制原理和技術(shù)為基礎(chǔ)，通過CPS重構(gòu)技術(shù)實現(xiàn)車間設(shè)備、工廠布局的柔性管理。根據(jù)生產(chǎn)車間不同層面的需求將可重構(gòu)系統(tǒng)分為3個層面：控制層、應(yīng)用層及設(shè)備層?；ヂ?lián)工廠設(shè)備層包含設(shè)備以及各類工廠機器人，它是應(yīng)用層的載體，通過工控系統(tǒng)實現(xiàn)設(shè)備行為動作的有效控制，以此為基礎(chǔ)利用執(zhí)行層的軟件系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)通信實現(xiàn)各設(shè)備、物流小車等高效執(zhí)行。應(yīng)用層主要對車間各執(zhí)行層進(jìn)行系統(tǒng)管理，通過PLM及CPS重構(gòu)技術(shù)實現(xiàn)車間設(shè)備、工廠布局的柔性管理，最后將整個工廠執(zhí)行過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)上傳至控制層，構(gòu)建基于用戶個性化需求的生產(chǎn)控制與管理平臺，實現(xiàn)整個可重構(gòu)系統(tǒng)的智能決策。每個層面均涉及一些可重構(gòu)生產(chǎn)技術(shù)，通過各層級關(guān)鍵技術(shù)的研究和突破，以此為基礎(chǔ)支撐基于CPS的可重構(gòu)系統(tǒng)的構(gòu)建，實現(xiàn)互聯(lián)工廠數(shù)字化和智能化生產(chǎn)。其中的關(guān)鍵核心技術(shù)如圖3所示。

圖3 基于CPS的可重構(gòu)系統(tǒng)技術(shù)框架

2.1 設(shè)備制造單元模塊化歸類技術(shù)

可重構(gòu)制造系統(tǒng)包括各類軟件和硬件模塊。通過設(shè)備制造單元模塊化歸類技術(shù)對系統(tǒng)的軟件和硬件模塊進(jìn)行拓展和拆分，在降低重構(gòu)次數(shù)、精簡系統(tǒng)架構(gòu)的同時，提高單元模塊的功能匹配度，減少重構(gòu)所需時間，提升生產(chǎn)效率。

2.2 可重構(gòu)制造單元的邊緣感知技術(shù)

通過將基于邊緣計算的智能感知傳感器嵌入制造模塊單元邊緣節(jié)點，可以滿足可重構(gòu)系統(tǒng)各單元的特征提取、信息采集和智能調(diào)度的需要，同時有效緩解現(xiàn)場大量非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的分析計算帶給制造系統(tǒng)的巨大壓力，確保各單元模塊的敏捷響應(yīng)[11]。

2.3 基于組態(tài)式的制造單元陣列式布局結(jié)構(gòu)設(shè)計

采用比并串聯(lián)復(fù)合布局具有更強柔性的組態(tài)式的制造單元，組成基于組態(tài)式陣列式布局的架構(gòu)體系，降低生產(chǎn)質(zhì)量波動，提升工序質(zhì)量的穩(wěn)定性，利于產(chǎn)品質(zhì)量控制和生產(chǎn)調(diào)度。

2.4 可重構(gòu)制造系統(tǒng)的建模、調(diào)度和運行仿真協(xié)調(diào)優(yōu)化技術(shù)

建模、調(diào)度和運行仿真技術(shù)是可重構(gòu)制造系統(tǒng)的一個重要支撐。生產(chǎn)過程中，各單元模塊不斷隨時間變化的特點使可重構(gòu)制造系統(tǒng)難以進(jìn)行實時的生產(chǎn)調(diào)度與控制，因此，必須建立完善的仿真預(yù)測模型。通過構(gòu)建精準(zhǔn)揭示制造內(nèi)在聯(lián)系的動態(tài)仿真模型，可以對市場的波動性、用戶需求的多樣性及在生產(chǎn)過程中的各種隨機突發(fā)因素進(jìn)行仿真、預(yù)測、優(yōu)化和控制[12]。

3 基于CPS的可重構(gòu)系統(tǒng)的應(yīng)用方案及效果

3.1 系統(tǒng)應(yīng)用方案

根據(jù)企業(yè)實際需求以及現(xiàn)有信息化平臺、通過增加硬件設(shè)施和深化信息調(diào)度，實現(xiàn)物流管理信息化、標(biāo)準(zhǔn)化、可視化、智能化和自動化，實現(xiàn)可重構(gòu)制造系統(tǒng)智能決策與動態(tài)優(yōu)化、生產(chǎn)過程自適應(yīng)系統(tǒng)診斷與調(diào)度和虛實融合可重構(gòu)系統(tǒng)的柔性控制。典型的可重構(gòu)生產(chǎn)線布局案例如圖4所示。

圖4 可重構(gòu)生產(chǎn)線布局案例

基于CPS的可重構(gòu)系統(tǒng)大規(guī)模個性化定制生產(chǎn)中的具體應(yīng)用分為以下3步：

a.將制造單元劃分為若干模塊，以模塊為基本單元進(jìn)行設(shè)計，對模塊化制造單元的生產(chǎn)效率、通用化程度以及成本的影響進(jìn)行評估，最終實現(xiàn)生產(chǎn)線的設(shè)備層柔性設(shè)計。可重構(gòu)制造單元遵循“特性原則、典型部件原則和獨立性原則”對模塊進(jìn)行劃分與功能設(shè)計，優(yōu)先考慮設(shè)計單元模塊的性能、效率和質(zhì)量等級[13]。

b.在解決設(shè)備模塊化問題之后，采用基于組態(tài)式的陣列制造單元技術(shù)以及生產(chǎn)組織可重構(gòu)性，實現(xiàn)生產(chǎn)線在布局和功能上的柔性可變。如果生產(chǎn)線的布局變化，則在隨后的生產(chǎn)過程中，各工序都會遵照一定的方法進(jìn)行改變和適配，從而實現(xiàn)生產(chǎn)產(chǎn)品的快速切換。系統(tǒng)具有較強的柔性，并且對產(chǎn)品質(zhì)量影響較少，便于生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化和質(zhì)量控制。

c.在實現(xiàn)了生產(chǎn)線總體和設(shè)備模塊化設(shè)計后，針對客戶需求的多樣性、市場的波動性以及各種在生產(chǎn)過程中不可預(yù)知的因素，通過構(gòu)建精確動態(tài)仿真模型，對制造系統(tǒng)的重構(gòu)和協(xié)調(diào)過程進(jìn)行診斷和優(yōu)化，預(yù)測系統(tǒng)在不同調(diào)度策略下的生產(chǎn)效率。

3.2 系統(tǒng)應(yīng)用效果

目前，基于CPS的可重構(gòu)制造系統(tǒng)已在某家電互聯(lián)工廠進(jìn)行了推廣應(yīng)用，通過構(gòu)建自適應(yīng)高柔性生產(chǎn)線以及滿足不同業(yè)務(wù)流程的個性化開發(fā)，可依據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)自動匹配不同的模塊參數(shù)，使得設(shè)備、物料和人員自動調(diào)整相應(yīng)的計劃、動作等，在冰箱、洗衣機和空調(diào)等不同產(chǎn)品中快速切換，如圖5所示。

圖5 可重構(gòu)系統(tǒng)在互聯(lián)工廠的典型應(yīng)用

具體應(yīng)用效果如下所述：

a.面對生產(chǎn)線重新部署時，生產(chǎn)線設(shè)備、工站以及整體布局的建模、設(shè)計和驗證分析時間由30天縮短至15天。

b.面對生產(chǎn)線產(chǎn)品換型時，生產(chǎn)工藝編排和仿真測試時間由12天縮短至7天，可重構(gòu)設(shè)備的設(shè)計效率提升20%。

c.面對生產(chǎn)線快速設(shè)計時，可重構(gòu)工裝、夾具和移動工站單元的部件互通適配性達(dá)到90%。

d.經(jīng)過CPS的系統(tǒng)測試分析和實際測算后，柔性生產(chǎn)線的設(shè)備綜合效率可達(dá)80%。

4 結(jié)束語

模塊化制造技術(shù)是實現(xiàn)制造柔性化的基礎(chǔ)，本文應(yīng)用CPS技術(shù)和模塊化制造單元，建立完整的模塊化制造系統(tǒng)，解決個性化定制與大規(guī)模生產(chǎn)的矛盾，支持大規(guī)模個性化產(chǎn)品定制，實現(xiàn)制造生產(chǎn)流程的高效協(xié)同優(yōu)化。該系統(tǒng)通過將柔性布局、模塊化設(shè)備和建模仿真等集成設(shè)計應(yīng)用，可以完成多設(shè)備的協(xié)同控制及定制化生產(chǎn)任務(wù)。系統(tǒng)根據(jù)用戶個性化需求，將生產(chǎn)制造的復(fù)雜行為轉(zhuǎn)換為實際數(shù)據(jù)信息，通過重構(gòu)分析、智能決策和動態(tài)優(yōu)化調(diào)整模塊化制造單元，使整個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的制造資源處于有序可控狀態(tài)，最終生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)調(diào)度和生產(chǎn)資源最優(yōu)配置，實現(xiàn)制造系統(tǒng)重構(gòu)和協(xié)調(diào)。因此，相比傳統(tǒng)的并串聯(lián)復(fù)合布局系統(tǒng)具有更強的柔性，有效降低生產(chǎn)調(diào)度對產(chǎn)品質(zhì)量的影響，對我國離散制造業(yè)的數(shù)字化、智能化發(fā)展起到積極的促進(jìn)作用。