近年來，美國、歐洲、日本和韓國等先進工業(yè)國家對數(shù)字化車間技術都給予了高度的重視，甚至上升到國家戰(zhàn)略層面。美國在《下一代制造技術計劃(NGMTI)》、德國在《高技術戰(zhàn)略2020》計劃中，都納入了相關的研究內(nèi)容；我國政府也在《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)》中，將“數(shù)字化和智能化設計制造”作為制造業(yè)領域的優(yōu)先主題。
制造業(yè)對國家經(jīng)濟發(fā)展和政治地位至關重要，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)型的關鍵時期，制造自動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)品上市時間，對市場的響應更加快速。為滿足市場多元化的需求，制造企業(yè)還要快速實現(xiàn)各環(huán)節(jié)的靈活變動，將生產(chǎn)變得更加柔性。
數(shù)字工廠是以物理工廠為基礎，以先進的信息化技術為方法，構(gòu)建真實工廠的虛擬現(xiàn)實仿真，實現(xiàn)對產(chǎn)品全生命周期的設計、制造、裝配、質(zhì)量控制和檢測等各個階段的功能，對生產(chǎn)進行規(guī)劃、管理、診斷和優(yōu)化，從而實現(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，工藝設計由計算機輔助數(shù)字仿真與優(yōu)化完成，代替長久以來的手工方式，形成精確可靠的設計結(jié)果；ERP系統(tǒng)對質(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)務分析報告，為管理層全面準確掌握生產(chǎn)數(shù)據(jù)提供有力的信息保障。在控制層，MES系統(tǒng)實現(xiàn)對生產(chǎn)狀態(tài)的實時掌控，快速處理制造過程中物料短缺、設備故障、人員缺勤等各種異常情形，記錄每個產(chǎn)品的關鍵技術數(shù)據(jù)，大大增強了產(chǎn)品的可追溯性。在執(zhí)行層，各種工業(yè)機器人、移動機器人和智能設備將代替人工進行生產(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條件。數(shù)字工廠從數(shù)據(jù)的采集開始，通過信息技術手段對數(shù)據(jù)進行存儲、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器和人類專家共同組成的人機一體化智能系統(tǒng)，它在制造過程的各個環(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域發(fā)揮巨大的作用，它從制造業(yè)領域?qū)＜抑刑崛〕鰧氋F的經(jīng)驗知識，并模擬專家的思維方式來對制造過程進行推理分析，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域形成大規(guī)模的分布式知識庫共享平臺，并基于更加豐富化的推理方式來進行智能制造決策，這將會擴大或延伸人類專家在智能制造中的腦力活動，進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)字工廠要落到實處，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，實現(xiàn)整體的工廠仿真與管理。
20世紀90年代初，制造業(yè)迫切需要一個可以將業(yè)務系統(tǒng)和制造系統(tǒng)集成并連接在一起的中間層，從而實現(xiàn)整個制造過程的透明化。與此同時，企業(yè)也對生產(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，以及對生產(chǎn)過程能夠進行有效地“實時”干預，在此背景下，制造執(zhí)行系統(tǒng)應運而生。
按照國際MES協(xié)會所給出的定義，MES提供從接受訂單到制成最終產(chǎn)品全過程的生產(chǎn)活動實現(xiàn)優(yōu)化的信息。它采用當前的和精確的數(shù)據(jù)，對生產(chǎn)活動進行初始化，即時引導、響應和報告工廠的活動，對隨時可能發(fā)生變化的生產(chǎn)狀態(tài)和條件做出快速的反應，重點削減不會產(chǎn)生附加值的活動，從而推動高效的工廠生產(chǎn)運作過程。
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)過程相關的業(yè)務，導致制造執(zhí)行系統(tǒng)的設計、開發(fā)、實施越來越復雜，再加上行業(yè)差異性，給項目帶來了巨大的實施風險。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)的設備先進、自動化程度高。煙草MES在卷煙生產(chǎn)加工過程方面，全面實現(xiàn)核心數(shù)據(jù)自動化采集、實時分析和調(diào)整，不斷提升智能化控制水平。
在生產(chǎn)管理方面，運用先進的生產(chǎn)管理技術，積極響應市場需求，提高生產(chǎn)組織效率，縮短生產(chǎn)準備時間，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，提高精細管理、精益制造、柔性生產(chǎn)的水平。設備管理充分利用信息化技術，對設備單機運行、維修、消耗、產(chǎn)出等全過程實行分析評價。
在質(zhì)量控制方面需要有效采用先進的質(zhì)量控制技術和方法，全面控制制造過程，實現(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，實現(xiàn)成本控制即時化、精細化管理，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通過對工廠級、車間級計劃調(diào)度，配方與工藝過程管理、質(zhì)量控制與管理、設備運行過程管理、實時庫存管理、生產(chǎn)任務與物料追蹤、生產(chǎn)過程監(jiān)控，以及制絲車間、卷包車間的一體化管理，使計劃、生產(chǎn)、調(diào)度、資源分配更加科學、準確，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，實現(xiàn)生產(chǎn)設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，達到對整個生產(chǎn)執(zhí)行過程進行有效安排、調(diào)度、控制、優(yōu)化和過程改進，推動生產(chǎn)管理的科學化。
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)?；谛袠I(yè)的特點，產(chǎn)品由多個零件經(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，需要對在制生產(chǎn)、質(zhì)量檢驗、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)進行精準管控，實現(xiàn)對整車制造過程的詳細跟蹤，從而提高精益生產(chǎn)和智能制造能力。
設計、工藝與制造一體化，生產(chǎn)現(xiàn)場需要及時精準地獲取數(shù)字化的生產(chǎn)指導，如數(shù)字化圖紙、工藝技術文件等；另外，設計、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、設計的依據(jù)?，F(xiàn)場生產(chǎn)過程需要透明化，實時跟蹤工單的執(zhí)行進程，快捷獲知車間現(xiàn)場情況，為企業(yè)決策提供及時準確的數(shù)字支持。需要實現(xiàn)生產(chǎn)組織和調(diào)度協(xié)同化，充分利用現(xiàn)場信息，對生產(chǎn)中的異常做出快速反應。在滿足以上基本功能的可靠性、安全性、實用性等需求后，結(jié)合高級排產(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)：實現(xiàn)批量定制
隨著市場競爭的日趨激烈和個性化客戶需求的不斷增強，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)濟關鍵行業(yè)。批量定制(MC-Mass Customization)生產(chǎn)是在滿足客戶個性化需求的前提下，以近似批量生產(chǎn)效率制造產(chǎn)品的全新生產(chǎn)模式，被譽為21世紀制造業(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之一。
批量定制的本質(zhì)特征是高度個性化的產(chǎn)品或服務，快速響應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)計劃、執(zhí)行、控制、設備四個層面的系統(tǒng)集成技術，由此可見基于機器人化裝備和動態(tài)管控平臺的數(shù)字化車間技術是支撐并滿足批量定制生產(chǎn)目標實現(xiàn)的基礎與核心。
因此，機器人、智能裝備和信息技術三者在制造業(yè)完美融合，實現(xiàn)產(chǎn)品從設計到制造高效轉(zhuǎn)化的數(shù)字化車間，是實現(xiàn)批量定制生產(chǎn)的基礎和必備條件。支持批量定制生產(chǎn)的數(shù)字化車間動態(tài)管控平臺及裝備的研發(fā)與應用得到了業(yè)界高度關注。
為有效支撐先進的生產(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聯(lián)關系，有效支持數(shù)字化車間的軟硬件動態(tài)重構(gòu)。
同時，通過模型可實現(xiàn)數(shù)字化車間四個層次(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)動的動態(tài)管控，并有效支撐批量定制生產(chǎn)模式下大規(guī)模細粒度的分析決策和柔性生產(chǎn)指揮調(diào)度控制。在信息及時獲取和處理效率保障方面，中科MES分別采用了高性能實時消息總線技術支持系統(tǒng)間信息高速傳遞與集成，采用支持群集的基礎服務和容錯技術支持高處理能力和高可靠。目前，中科MES已經(jīng)在汽車、彈藥、電子等多個具有典型批量定制生產(chǎn)模式的行業(yè)得到了應用，并取得了良好的實際效果，有效支撐了行業(yè)的技術進步。
近年來，工信部出臺多項文件，努力推進“中國制造”向“中國智造”和“中國創(chuàng)造”轉(zhuǎn)變。工信部啟動的“2015工業(yè)強基專項行動”，要求各地根據(jù)本地區(qū)產(chǎn)業(yè)發(fā)展實際組織開展相關工作，持續(xù)提升關鍵基礎材料、核心基礎零部件(元器件)、先進基礎工藝和產(chǎn)業(yè)技術基礎等工業(yè)基礎能力，加快促進工業(yè)轉(zhuǎn)型升級。數(shù)字工廠正好助力中國制造業(yè)實現(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)字化藍圖正徐徐展開。
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