面向智能制造的PLM視角下數(shù)字化工廠實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究

撰文/中航工業(yè)信息技術(shù)中心（金航數(shù)碼） 饒有福

面向智能制造的PLM視角下數(shù)字化工廠實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究

撰文/中航工業(yè)信息技術(shù)中心（金航數(shù)碼） 饒有福

當(dāng)前，航空、航天、船舶及汽車等行業(yè)正重點(diǎn)研究智能制造和工業(yè)4.0，踐行中國(guó)制造2025，以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)制造企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。在此趨勢(shì)下，全球各大院校、科研機(jī)構(gòu)和先進(jìn)制造企業(yè)的研究重點(diǎn)之一——數(shù)字化工廠，并已初步形成一致的結(jié)論：數(shù)字化工廠是智能制造和工業(yè)4.0實(shí)現(xiàn)的必經(jīng)之路。

一、智造趨勢(shì)下的數(shù)字化工廠

隨著國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的不斷加劇和制造業(yè)勞動(dòng)力成本的不斷上升，對(duì)設(shè)備效率、制造成本和產(chǎn)品質(zhì)量等環(huán)節(jié)的要求不斷提高。離散制造業(yè)中以汽車、工程機(jī)械、航空、航天和船舶為代表的大型企業(yè)已越來(lái)越重視數(shù)字化工廠的建設(shè)。數(shù)字化工廠借助信息化和數(shù)字化技術(shù)，通過(guò)集成、仿真、分析和控制等手段，可為制造型企業(yè)的制造和生產(chǎn)全過(guò)程提供全面管控的整體解決方案。自20世紀(jì)90年代開(kāi)始，全球相關(guān)的企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)紛紛開(kāi)展數(shù)字化工廠技術(shù)的研究，但到目前為止尚未形成統(tǒng)一的描述，其范圍、內(nèi)涵和實(shí)現(xiàn)框架也未統(tǒng)一。

眾所周知，智能制造和工業(yè)4.0已成為全球的研究熱點(diǎn)。智能制造以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化為其三大要素，其中數(shù)字化是基礎(chǔ)，要求產(chǎn)品模型化、資源模型化和過(guò)程可視化，不難發(fā)現(xiàn)其本質(zhì)是在產(chǎn)品生命周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)模型驅(qū)動(dòng)需求、設(shè)計(jì)、制造、生產(chǎn)、驗(yàn)證及服務(wù)全過(guò)程。工業(yè)4.0提出了物理賽博系統(tǒng)（CPS）、三大集成和八項(xiàng)行動(dòng)等實(shí)現(xiàn)技術(shù)與規(guī)劃，其核心是產(chǎn)品生命周期和生產(chǎn)生命周期（即兩PLM）的融合，同時(shí)融合的基礎(chǔ)還是模型?？梢?jiàn)，智能制造和工業(yè)4.0的核心、本質(zhì)及其實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)均離不開(kāi)產(chǎn)品生命周期及在全過(guò)程中運(yùn)行的模型。因此在智能制造和工業(yè)4.0的驅(qū)使下，從PLM視角入手，數(shù)字化工廠應(yīng)充分繼承前人的研究成果，結(jié)合新特征和技術(shù)以進(jìn)一步向深度和廣度延伸，滿足智能制造和工業(yè)4.0的發(fā)展要求。

參考知名學(xué)者及國(guó)際電工委員會(huì)詞匯庫(kù)對(duì)數(shù)字化工廠的定義，本文認(rèn)為數(shù)字化工廠(Digital Factory)：是指以產(chǎn)品全生命周期的相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以模型為核心，在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境中，對(duì)整個(gè)制造和生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行仿真、評(píng)估和優(yōu)化，并進(jìn)一步擴(kuò)展到整個(gè)產(chǎn)品生命周期的新型生產(chǎn)組織方式，是現(xiàn)代數(shù)字制造技術(shù)與計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。在PLM范疇下，“數(shù)字化工廠”的定位如圖1所示，它是在數(shù)字化環(huán)境中貫穿整個(gè)工藝設(shè)計(jì)、規(guī)劃、驗(yàn)證、直至車間生產(chǎn)工藝的整個(gè)制造過(guò)程。

圖1 數(shù)字化工廠在PLM范疇下的定位

在PLM視角下，數(shù)字化工廠有三大內(nèi)涵，分別為：以MBD模型為核心的數(shù)字化協(xié)同研制；以虛擬仿真為手段的數(shù)字化制造和生產(chǎn)過(guò)程的驗(yàn)證分析；以制造過(guò)程管控?cái)?shù)據(jù)與模型為基礎(chǔ)的數(shù)字化制造和生產(chǎn)過(guò)程的優(yōu)化決策。

圖2 數(shù)字化工廠技術(shù)體系框架

二、數(shù)字化工廠實(shí)現(xiàn)架構(gòu)

1.技術(shù)體系框架

根據(jù)工業(yè)化和信息化兩化融合要求，數(shù)字化工廠技術(shù)體系框架如圖2所示。頂層T1框內(nèi)描述的為數(shù)字化工廠管控技術(shù)體系，T2框代表數(shù)字化工廠實(shí)現(xiàn)的通用技術(shù)體系，T3框代表數(shù)字化工廠應(yīng)用技術(shù)體系，T4框代表數(shù)字化工廠的一般業(yè)務(wù)過(guò)程體系，T5框表示數(shù)字化工廠的基礎(chǔ)能力體系。

（1）管控技術(shù)體系。主要包含:①以工藝業(yè)務(wù)活動(dòng)在線閉環(huán)跟蹤為主的任務(wù)/計(jì)劃管理；②以智能裝備及企業(yè)資源管理（Enterprise Resource Planning，ERP）或制造運(yùn)營(yíng)管理（Manufacturing Operations Management，MOM）產(chǎn)生的大量的實(shí)時(shí)和歷史的制造數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的實(shí)時(shí)分析和優(yōu)化管理；③以綜合管理為基礎(chǔ)的智能決策。

（2）通用技術(shù)體系。主要包含：①應(yīng)用流程梳理工具開(kāi)展數(shù)字化工廠全業(yè)務(wù)域的流程和方法及流程優(yōu)化再造的流程技術(shù)。②基于流程中涵蓋的人-機(jī)-料-法-環(huán)-工具為基礎(chǔ)，以產(chǎn)品、資源、設(shè)備設(shè)施、材料、能源、工裝、人員、廠房、物流、工藝過(guò)程等為內(nèi)容構(gòu)建模型的建模技術(shù)。③在數(shù)字化建模的基礎(chǔ)上，對(duì)制造系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、加工能力等各方面進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真優(yōu)化的仿真技術(shù)。④在流程、模型基礎(chǔ)上，應(yīng)用IT技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，提供立體的多維度的數(shù)據(jù)/信息展示和交互的環(huán)境的可視化技術(shù)。⑤以數(shù)字化工廠所涉及的流程、工具、方法、數(shù)據(jù)、知識(shí)及環(huán)境為要素的集成技術(shù)。

（3）應(yīng)用技術(shù)體系。主要有：①以構(gòu)型為指導(dǎo)、以模型和數(shù)字樣機(jī)為核心、以并行和協(xié)同為基礎(chǔ)的數(shù)字化制造過(guò)程管理技術(shù)。②在可視化環(huán)境中，基于樣機(jī)和模型，應(yīng)用仿真手段完成協(xié)調(diào)和工藝總方案規(guī)劃的數(shù)字化工藝規(guī)劃技術(shù)。③以MBD為基礎(chǔ)，以仿真為手段，完成裝配、檢測(cè)、數(shù)控、鈑金、焊接、檢測(cè)及工裝等設(shè)計(jì)和作業(yè)指導(dǎo)書(shū)的數(shù)字化工藝/工裝設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)。④以制造系統(tǒng)中的制造要素和過(guò)程模型為基礎(chǔ)，應(yīng)用仿真手段完成制造系統(tǒng)的過(guò)程模擬并基于物理生產(chǎn)系統(tǒng)實(shí)采信息進(jìn)一步仿真優(yōu)化的生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)。⑤數(shù)字化工廠中所涉略的資源、設(shè)備設(shè)施、材料、工裝、人員、廠房、工藝過(guò)程及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和知識(shí)等資源應(yīng)用技術(shù)。

（4）業(yè)務(wù)過(guò)程體系。數(shù)字化工廠的業(yè)務(wù)過(guò)程一般有：數(shù)字化工藝規(guī)劃、仿真驗(yàn)證及管理，如圖2中T4框內(nèi)的V1所示；在數(shù)字化環(huán)境完成生產(chǎn)生命周期的規(guī)劃、仿真驗(yàn)證及管理，如圖2中T4框內(nèi)的V2所示；物理環(huán)境中生產(chǎn)系統(tǒng)的構(gòu)建和運(yùn)行及管理，如圖2中T4框內(nèi)的V3所示。

（5）基礎(chǔ)能力體系。主要包含數(shù)字化工廠的流程、工具、方法、數(shù)據(jù)、資源、知識(shí)管理和分析，并通過(guò)集成形成的數(shù)字化工廠環(huán)境。

2.信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

按照數(shù)字化工廠確立的技術(shù)體系框架，根據(jù)其業(yè)務(wù)過(guò)程，總體上數(shù)字化工廠的應(yīng)用架構(gòu)如圖3所示，總體上可以分為六大部分，分別為數(shù)字化制造過(guò)程管理、數(shù)字化工藝規(guī)劃、數(shù)字化工藝/裝設(shè)計(jì)與仿真、生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證、資源體系管理及基于ERP/MOM的智能分析和決策。因此，數(shù)字化工廠平臺(tái)的組成架構(gòu)如圖4所示。系統(tǒng)分為基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層、功能層、應(yīng)用層、展現(xiàn)層及用戶層，共六個(gè)層次。其中應(yīng)用層的搭建按照應(yīng)用架構(gòu)進(jìn)行展開(kāi)。

圖3 數(shù)字化工廠應(yīng)用架構(gòu)

圖4 數(shù)字化工廠系統(tǒng)組成架構(gòu)

三、結(jié)論

本文立足智能制造，從PLM視角下，提出了數(shù)字化工廠的概念，確立了其內(nèi)涵與定位。針對(duì)數(shù)字化工廠的通用技術(shù)、應(yīng)用技術(shù)、業(yè)務(wù)活動(dòng)及管理等內(nèi)容開(kāi)展研究和分析，形成了數(shù)字化工廠的技術(shù)體系框架，并給出了支撐數(shù)字化工廠的信息系統(tǒng)的應(yīng)用架構(gòu)和系統(tǒng)架構(gòu)。

數(shù)字化工廠的建設(shè)是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)工程，企業(yè)在構(gòu)建過(guò)程建議以系統(tǒng)工程方法論為指導(dǎo)。同時(shí)結(jié)合企業(yè)自身的狀態(tài)，設(shè)計(jì)好數(shù)字化工廠的藍(lán)圖和評(píng)估評(píng)價(jià)體系，進(jìn)行總體規(guī)劃和分步實(shí)施。另外計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)挖掘及智能化裝備等技術(shù)不斷地飛速發(fā)展，因此在未來(lái)數(shù)字化工廠建設(shè)過(guò)程也將根據(jù)企業(yè)需要有步驟地融合相匹配的先進(jìn)技術(shù)。