實施路徑的五步法
自從德國工業(yè)4.0和中國制造2025的概念被提出后，圍繞著制造業(yè)的升級和改造，各種實踐也層出不窮。如何通過信息物理系統(tǒng)（CPS）形成一個智能網(wǎng)絡，使得機器、工作部件、系統(tǒng)以及人類通過網(wǎng)絡持續(xù)地保持數(shù)字信息的交流；如何構(gòu)建一條數(shù)字化生產(chǎn)線、一個數(shù)字化車間、一座數(shù)字化工廠；如何在數(shù)字化工廠運行過程中，采集數(shù)據(jù)、對海量的數(shù)據(jù)進行存儲、分類、提取、分析和優(yōu)化，為決策者作出決策提供有力的數(shù)據(jù)支持。
智能制造融合了大數(shù)據(jù)分析、機器人技術(shù)、虛擬仿真、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡安全、增材制造等核心技術(shù)。本文力圖提煉出一條智能制造的通用實施路徑，從產(chǎn)品全生命周期的角度出發(fā)，整個智能制造的實施路徑分為產(chǎn)品設計、數(shù)字化工廠規(guī)劃、生產(chǎn)工程、生產(chǎn)執(zhí)行和增值服務5大環(huán)節(jié)。
圖1：智能制造實施路徑的5大環(huán)節(jié)
第一步 —— 產(chǎn)品設計
智能制造在產(chǎn)品設計中的重要作用之一是重新定義了產(chǎn)品模型和數(shù)據(jù)交換標準，使智能化產(chǎn)品設計在價值鏈上的不同部門不同用戶之間能夠進行完整、精確、及時的數(shù)據(jù)交換，通過一致性的產(chǎn)品模型，數(shù)據(jù)集成和提取更加安全，舉例說明：A工程師使用Siemens的NX PLM軟件、B工程師使用達索的Catia、C工程師使用Autodesk的Inventor, 各自相互很難呼喚使用。但隨著ISO 10303的誕生，使得A、B、C三個工程師之間都能看懂相互之間的設計。值得一提的是，ISO 10303-242的基于模型的3D系統(tǒng)工程非常有價值，該標準廣泛應用于航空航天，汽車等廣泛行業(yè)中的制造商和其供應商。該標準主要內(nèi)容包括產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理PDM，設計準則，關(guān)聯(lián)定義，2D制圖，3D產(chǎn)品和制造信息等。參考國際通用的產(chǎn)品設計標準，能提高智能化產(chǎn)品設計過程中數(shù)據(jù)交換和使用的效率，形成一致性的產(chǎn)品模型，保障信息與數(shù)據(jù)的安全性。
圖2：基于模型的3D系統(tǒng)工程的廣泛應用
第二步 —— 數(shù)字化工廠規(guī)劃
當產(chǎn)品設計的雛形完成之后，智能制造要考慮的下一個步驟便是數(shù)字化工廠規(guī)劃。所謂的數(shù)字化工廠規(guī)劃就是生產(chǎn)者考慮如何搭建一個數(shù)字化工廠來生產(chǎn)第一階段所定義的產(chǎn)品。參考國際標準IEC62832，可以按部就班地搭建數(shù)字化工廠。IEC 62832 標準中描述的生產(chǎn)系統(tǒng)生命周期中，數(shù)字化工廠的數(shù)據(jù)被不同的活動增加、刪除、更新，所以建立數(shù)字化工廠的第一個步驟就是要將工廠中所用到的每一個設備的屬性根據(jù)IEC標準屬性庫進行數(shù)字化；第二步要建立各個設備間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，關(guān)聯(lián)關(guān)系分為組成關(guān)系和功能關(guān)系。
例如PLC由支架、I/O模塊、CPU等組成；伺服驅(qū)動器和伺服電機匹配時，要檢查額定電流和電壓，伺服驅(qū)動器的額定電流要大于等于伺服電機的額定電流，伺服驅(qū)動器的輸出電壓要和伺服電機的額定電壓一致才可以，這是功能關(guān)系。第三步將設備的地理位置信息添加到數(shù)字工廠數(shù)據(jù)庫，明確IP級別和是否為爆炸保護區(qū)；最后一步建立產(chǎn)品全生命周期中工具與數(shù)據(jù)庫之間的信息交換，如下圖所示，數(shù)字化工廠數(shù)據(jù)庫中的信息將在產(chǎn)品全生命周期中被各種工具所使用和交換。
圖3：參考IEC62832標準構(gòu)建數(shù)字化工廠
在數(shù)字化工廠規(guī)劃的過程中，我們將參考德國工業(yè)4.0的標準，努力實現(xiàn)如下的轉(zhuǎn)變和升級：
（1）靜態(tài)生產(chǎn)線 ——> 動態(tài)生產(chǎn)線；
（2）MES功能局限 ——> MOM涵蓋價值鏈全流程；
（3）員工工種單一 ——> 更好的人機協(xié)作；
（4）無法滿足個性化定制要求 ——> 滿足定制化需求 。
圖4：智能生產(chǎn)線將由線性靜態(tài)發(fā)展為模塊化的動態(tài)生產(chǎn)線
來源：德國工業(yè)4.0白皮書提出的概念
第三步 —— 生產(chǎn)工程
當數(shù)字化工廠的規(guī)劃完成之后，智能制造將進入下一個實質(zhì)性的階段：生產(chǎn)工程。生產(chǎn)過程利用自動化系統(tǒng)和工程定義控制架構(gòu)、信息從下至上的傳遞方式，機器與機器，機器與上位機之間的通信方式，是將數(shù)字化工廠從規(guī)劃到落地的一個關(guān)鍵階段。傳統(tǒng)的工業(yè)自動化技術(shù)與IT技術(shù)的融合形成了目前較為通用的5層企業(yè)垂直架構(gòu)。在5層架構(gòu)中：數(shù)據(jù)的請求或是事件驅(qū)動、或是循環(huán)發(fā)送，這都是響應上一級設備或軟件系統(tǒng)的請求，下一級則總是充當服務者或響應者。譬如HMI可向PLC請求發(fā)送其狀態(tài)，或者向PLC下達一個新的生產(chǎn)配方。完成的過程是將傳感器的電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，然后由PLC賦以時間戳，再把信息傳送至MES IT層，以進一步提供相關(guān)服務。
隨著智能制造和大數(shù)據(jù)時代的到來，新的以信息物理融合系統(tǒng)（CPS）為基準的自動化架構(gòu)已逐顯雛形。在新型架構(gòu)中，多層級的嚴格分隔和信息流的自上而下的方法將會軟化和混合。在一個智能的網(wǎng)絡中，每個設備或者每個服務都能自動的啟動與其它服務的通信。各種服務（例如生產(chǎn)調(diào)度）自動訂閱所需的實時數(shù)據(jù)，傳感器數(shù)據(jù)通過OPC-UA等安全可靠的通信協(xié)議直接發(fā)送到云中。這一新型自動化架構(gòu)帶來的重大改變是：除了對時間有嚴酷要求的實時控制和對安全有嚴酷要求的功能安全仍然保留在工廠層以外，所有的制造功能都將按產(chǎn)品、生產(chǎn)制造和經(jīng)營管理這三個維度虛擬化，構(gòu)成全鏈接和全集成的智能制造生態(tài)系統(tǒng)。
圖5：新型的以信息物理融合系統(tǒng)為基準的自動化架構(gòu)逐步取代傳統(tǒng)的5層架構(gòu)
第四步 —— 生產(chǎn)執(zhí)行
當數(shù)字化工廠落地之后，智能化生產(chǎn)將有條不紊地生產(chǎn)第一階段設計的產(chǎn)品。數(shù)字化工廠的落地并不意味著智能制造的結(jié)束，而是意味著智能制造從規(guī)劃到落地，進入到信息收集、處理、分析、決策的新階段，我們稱其為生產(chǎn)執(zhí)行階段。在信息化等級較高的企業(yè)或工廠中，往往制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）得到廣泛的應用，企業(yè)利用MES系統(tǒng)進行生產(chǎn)訂單管理、通過生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集和分析進行質(zhì)量管理、設備管理、生產(chǎn)追溯與物料管理，并最終生成生產(chǎn)統(tǒng)計分析及報表管理。然而隨著企業(yè)制造的復雜化程度提升，從傳統(tǒng)的單一的品種大批量到現(xiàn)在的多品種小批量，以及生命周期變得越來越短，設計變得越來越復雜，于是就催生了更多的功能的軟件的需求，此時MES已經(jīng)不能滿足客戶的多種需求。
在智能制造的技術(shù)支撐下，MES系統(tǒng)慢慢向制造運營管理系統(tǒng)（Manufacturing Operation Management，簡稱MOM)過渡。MOM不僅包括MES，也包括EAM企業(yè)資產(chǎn)管理，LEAN精益，QMS質(zhì)量管理系統(tǒng)，APS高級排產(chǎn)系統(tǒng)，EH&S環(huán)境衛(wèi)生與安全等，是一個集成的軟件平臺，向上連接PLM軟件， 向下連接工控及自動化系統(tǒng)，起到了鏈接PLM與自動化的橋梁作用。此外，MES是車間級的或者是工廠級的，服務于企業(yè)管理的一個“孤島”, MOM是延伸到上下游產(chǎn)業(yè)鏈，聯(lián)用戶、聯(lián)外部資源商的集成的制造運營管理系統(tǒng)，是企業(yè)間的連接。
圖6：制造運營管理系統(tǒng)（MOM）的組成和作用
第五步 —— 增值服務
當數(shù)字化工廠中的各條智能流水線已經(jīng)可以正常運行，我們是否可以高枕無憂地宣告智能制造的工作結(jié)束了呢？答案當然是否定的，數(shù)字化工廠中的每一臺設備都有著一定的生命周期，一旦某個核心設備出現(xiàn)故障，將面臨著停線停產(chǎn)的風險，智能制造的另一大作用體現(xiàn)在其最后一個路徑也是智能制造的最高境界：增值服務。增值服務利用大數(shù)據(jù)和云計算技術(shù)提供基于數(shù)據(jù)的增值服務，例如預防性維護。工業(yè)環(huán)境中廣泛會用到工業(yè)機器人，工業(yè)機器人的常見故障有：伺服焊槍斷裂、電纜斷裂、接線松動、減速機故障等。為了避免這些故障發(fā)生，提前監(jiān)控與預判, 可添加智能傳感器對振動，電流等關(guān)鍵參數(shù)進行監(jiān)控。將監(jiān)測的機器人設備的數(shù)據(jù)進行采集，通過現(xiàn)場總線和無線通信等技術(shù)將數(shù)據(jù)收集保存在IOT網(wǎng)關(guān)，然后上傳到云端，通過大數(shù)據(jù)服務器和大數(shù)據(jù)分析軟件，對監(jiān)控機器人的狀態(tài)進行預防性維護，如有超過設定警戒值或閾值的異�，F(xiàn)象，可通過郵件、短信和可視化界面的形式告知，從而大大降低維修資源和停機時間，提高設備OEE。
圖7：對生產(chǎn)設備進行預防性維護的系統(tǒng)架構(gòu)
消除孤島
隨著產(chǎn)品設計的標準統(tǒng)一、數(shù)字化工廠建設的步驟規(guī)范和設備/數(shù)據(jù)庫的全面關(guān)聯(lián)、新型自動化架構(gòu)對于工廠各個層級的全面打通、MES向運營管理系統(tǒng)的全面升級以及數(shù)字化技術(shù)對于新型增值服務的助推，以往制造業(yè)相對孤立的各個環(huán)節(jié)被連接起來，信息“孤島”被消除。理解環(huán)環(huán)相扣的智能制造實施路徑和5大階段，將更好地滿足企業(yè)定制化生產(chǎn)的需求和提高運營效率，明確各個部門的主要職責和跨部門間的合作，為廣大企業(yè)提升智能制造的核心競爭力提供了一條具體的實施路徑。
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本文標題：智能制造的全生命周期實施路徑
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