數字化工廠技術的應用現狀與趨勢

黃大泛

[摘? ? 要]隨著社會的發(fā)展以及科技的進步，數字化技術應用而生并得到了廣泛的應用，無論是對于生產方式還是生產效率方面都得到了明顯的提升，基于此，數字化工廠也逐漸通過數字化技術來不斷完善生產質量，提升企業(yè)的經濟效益。文章通過對數字化工廠的相關概念入手，分析了目前數字化工廠技術的應用情況，并提出了未來展望。

[關鍵詞]數字化工廠;應用;趨勢

[中圖分類號]V268 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）10–00–02

Application Status and Trend of Digital Plant Technology

Huang Da-fan

[Abstract]With the development of society and the progress of science and technology， digital technology has been applied and widely used. It has been significantly improved in terms of production mode and production efficiency. Based on this， digital chemical plants have gradually improved production quality and economic benefits of enterprises through digital technology. Therefore， starting with the related concepts of digital chemical plant， this paper analyzes the current application of digital chemical plant technology， and puts forward the future development prospect.

[Keywords]digital chemical plant; application; trend

隨著時代的發(fā)展，產品的更新?lián)Q代速度不斷加快及設計效率不斷提高，各個企業(yè)為了更好地適應市場發(fā)展需求，均在不斷提升自身的生產能力以及生產質量。尤其是隨著信息技術以及物聯(lián)網等新型技術的發(fā)展和應用，各個制造技術也逐漸朝著自動化、智能化方向發(fā)展，企業(yè)也想通過最快的速度和最低的成本生產高質量的產品以求在經濟市場中站穩(wěn)腳跟。雖然各個企業(yè)加強了對新技術的引進，但由于缺乏集成管理，沒有完全地對生產設備自動化以及管理系統(tǒng)的整合，導致并沒有完全發(fā)揮智能技術的優(yōu)勢。而通過構建數字化工廠不僅可以實現各項數據的利用共享，而且可以通過對數據的交換、加工、處理來直接促進生產效率的提升和管控能力，進而提升企業(yè)的核心競爭力。

1 數字化工廠技術

1.1 數字化工廠概念

數字化就是將各類信息數據轉變?yōu)閿底只Ｐ?，對計算機技術而言就是將這些信息轉變?yōu)槎M制代碼然后存儲至計算機內部進行統(tǒng)一管理。為此，數字化的發(fā)展基礎就是計算機技術，而隨著計算機在各個領域中的應用，逐漸提出了數字化工廠的概念。所謂的數字化工廠就是以產品以及服務全生命周期相關信息數據作為基礎，然后借助計算機虛擬環(huán)境實現對整個生產的仿真、評估以及優(yōu)化。因此，數字化工廠又被稱為虛擬工廠。通過數字化工廠的建設不僅可以提升整個生產系統(tǒng)的優(yōu)化，而且還可以通過網絡技術的應用實現對各個業(yè)務數據的交流，進而實現虛擬制造并對實際生產流程等進行調整，降低失誤發(fā)生概率，實現整個生產的數字化、智能化。

1.2 數字化工廠結構

數字化工廠又分為廣義和狹義，其中狹義僅包含工廠生產過程的數字化，而廣義的數字化則更為全面，不僅包括前期的市場需求、產品設計以及生產加工的數字化，而且企業(yè)管理的數字化。通過數字化工廠的應用可以對實際生產進行映射，進而在最短時間內生產出滿足客戶需求的高質量產品，提升產品質量。因此，廣義的數字化工廠包含了所有生產活動可能涉及的范圍，主要有原料供應、制造企業(yè)以及銷售部門等。其具體表現為：①原料供應。通過虛擬技術的應用則可以將產生的所有費用進行分析，然后通過計算機技術來選擇更為低廉、質量較好的材料并實現虛擬供應，從而進行原料供應環(huán)節(jié)的智能分析;②制造企業(yè)。通過虛擬管理，可以有效地為企業(yè)調整和發(fā)揮人才技術優(yōu)勢，發(fā)揮設備各項價值，繼而保證生產效益的提升;③銷售部分。通過對潛在市場的分析，可以對銷售方式、服務模式等進行模擬，然后為客戶提供數字化訂單服務，進而可以精準的掌握庫存情況，并讓客戶參與到產品的設計、制造以及銷售等各項服務中，進而為客戶提供良好的購物體驗，提升企業(yè)的經濟效益。

1.3 數字化工廠關鍵技術

（1）數字化建模技術。該技術主要是數字化工廠通過采用合理的建模方式來對建模結構進行分析和優(yōu)化，然后建立其科學的企業(yè)模型為企業(yè)的信息系統(tǒng)的構建提供條件。數字化建模主要是通過計算機技術來實現數字化描述、存儲以及產品外觀、性能等信息的表達，然后在通過計算機軟件系統(tǒng)進行數字仿真分析，精準地反應真實情況，為后期工作的開展創(chuàng)造良好的條件。

（2）數字化仿真技術。作為虛擬制造的基礎，數字化仿真技術主要是通過計算機技術來營造一個虛擬的制造環(huán)境。雖然此環(huán)境是一個虛構的環(huán)境，但是可以起到以假亂真的效果，最重要的是人們可以在這個虛擬的環(huán)境中進行一些交互行為，并且該環(huán)境還可以及時地做出反應。對于數字化工廠而言，虛擬其實是整個工廠真實環(huán)境的映射。并且數字化仿真技術可以真實地展現出各設備、流水線等的內部結構，并通過內部漫游、自動畫播放等進行逐一展示，進而提升產品設計的質量以及效率。

（3）虛擬現實技術。隨著科技的進步，虛擬現實技術逐漸被應用在各個領域中，而數字化工廠通過應用該技術，尤其是在產品設計環(huán)節(jié)中，也可以讓相關人員有一種身臨其境的感受，進而全面了解產品設計情況，節(jié)省大量的設計時間和成本。通過虛擬現實技術的應用，極大地方便了產品的設計和開發(fā)，進而促進了生產流程的優(yōu)化。

（4）應用生產技術。通過建模技術數字化工廠制定出了一個較為完善的生產方案，包括產品的設計、制造以及生產各個環(huán)節(jié)。而在自動化生產模式下，數字化工廠在應用生產技術時必須要結合自身的發(fā)展情況，有針對性地進行生產活動，進而提升生產水平。

2 數字化工廠技術的應用現狀

2.1 基于制造過程管控與優(yōu)化的數字化車間

對于制造企業(yè)而言，車間制造作為設計圖紙轉變?yōu)閷嶋H產品的重要環(huán)節(jié)，其過程管控以及數字化發(fā)展廣泛地的覆蓋了生產車間、生產線、過程自動化和智能化發(fā)展，其發(fā)展趨勢也逐漸體現在3個方面，即底層制造裝備的智能化、中間層制造過程的優(yōu)化以及頂層的制造績效的可視化。通過制造過程管控與優(yōu)化的數字化車間，不僅可以切實地提升設備自身的速度、精度以及可靠性，而且還可以提升了設備的決策、感知以及控制能力，如自動化加工檢測、設備自動故障診斷以及智能化加工編程等。對制造裝配的另一個發(fā)展趨勢則是機床設備以及機械手等相關輔助裝置的集成化發(fā)展，進而推動了柔性加工系統(tǒng)或者柔性制造單元的發(fā)展。也存在很大一部分廠商將多臺數控機床進行統(tǒng)一連接為一條生產線，進而實現了一人多機的操控的同時還可以進行網絡化管理。對制造過程管理層面而言，隨著精細化化管理的優(yōu)勢作用逐漸凸顯出來，近年來各個制造企業(yè)逐漸加強了對MES或者MOM系統(tǒng)的應用。其中，MES或者MOM系統(tǒng)又將其分為車間生產規(guī)劃和管理以及現場制造采集管控兩個方面。其中，車間生產規(guī)劃和管理主要是指的車間相關作業(yè)的編排、分派并實現對制造資源的合理配置。目前，國內的離散制造企業(yè)艾普工華則是通過應用MES或者MOM系統(tǒng)來有效的解決供應問題。對于現場制造數據采集而言，其最為明顯的一個發(fā)展趨勢就是以無線傳感網絡以及RFID等技術為核心的物聯(lián)網技術的應用。作為信息技術領域中的一種新型技術，物聯(lián)網技術的應用不僅可以切實的實現整個制造過程的“泛在感知”，尤其是RFID技術的無縫、不間斷的獲取精準可靠的信息流。與此同時，隨著信息智能制造系統(tǒng)的發(fā)展應用，也在很大程度上促進了裝配自身智能水平，促使MES或者MOM系統(tǒng)不再被動的獲取相關制造數據，而是可以主動的感知用戶場景變化來進行實時反饋。

2.2 基于虛擬仿真技術的數字化模擬工廠

作為數字化工廠發(fā)展的一個獨特視角，數字化模擬工廠的構建主要是通過虛擬仿真技術的應用并將產品全生命周期的相關數據作為前提，通過虛擬仿真技術來實現對工廠規(guī)劃、建設以及運行各個環(huán)節(jié)的模擬、分析、評估以及優(yōu)化，進而促使工廠的規(guī)劃不斷完善。因為仿真技術可以處理一些數學模型無法處理的復雜問題，所以可以及時且準確地描述工廠現實情況，進而確定影響工廠的重要因素。因此，此技術在工廠的系統(tǒng)規(guī)劃、設計以及驗證等方面均發(fā)揮了不可替代的作用。其中最為典型的應用包括如下幾種：①加工仿真，譬如對加工路徑的規(guī)劃以及驗證，工藝規(guī)劃的評估分析儀加工過程中切削余量的檢驗等;②裝配仿真，裝配節(jié)拍的設計、對裝配過程運動學的分析以及空間干涉驗證等;③物流仿真，主要包含對物料效率的分析、物料設施容量的評估以及生產區(qū)域內物流路徑的規(guī)劃等;④工廠布局仿真，主要包括新建廠房的規(guī)劃、生產線路的規(guī)劃以及倉儲物流設施的規(guī)劃分析等。

2.3 基于三維模型的數字化協(xié)同研制

僅有產品的設計而言，三維CAD系統(tǒng)已經得到了廣泛的應用，各類數控設備的加工精度以及智能控制水平也得到了很大提升。而通過三維模型的數字化系統(tǒng)研制更是推動了從設計到制造的一體化發(fā)展。從該技術的應用來看，起初其僅應用在航空航天領域之中，因為航天產品設計、材料成本以及成型技術等方面的要求較為嚴格，所以為三維模型的數字化系統(tǒng)研制技術的發(fā)展創(chuàng)造了條件。對于我國而言，2000年，中航工業(yè)第一飛機設計研究院在進行飛機“飛豹”的研制過程中，則是通過數字化設計、數字化制造、數字化管理技術和三維工藝各項發(fā)展步驟策略，有效地解決了三維模型設計工藝協(xié)同工作模式，三維設計文件的生產現場無紙化、信息傳遞，以及航天產品的加工、裝配、檢測等裝備的數控化問題。而ARJ21新支線飛機的研制更是完全地采用了三維數字化定義、預裝配以及樣機等技術，并通過數字化設計、分析以及仿真等技術的應用實現了從設計到裝配一次性成功的效果，如今，該技術已經廣泛地推廣至工程機械、造船等領域中。

3 結論與展望

隨著科技的進步，數字化工廠如今已廣泛地應用在航空航天、汽車、電子以及制造等行業(yè)中，尤其是對于復雜產品的制造企業(yè)而言，通過數字化工廠的建設不僅可以有效地提升生產的效率和質量，而且可以切實提升企業(yè)經濟利益。據不完全統(tǒng)計，通過數字化工廠的應用后，企業(yè)在產品設計修改率降低了30 %左右，而生產工藝規(guī)劃時間也節(jié)省了40 %，生產產能提升了近15 %等。而隨著社會的發(fā)展以及科技的進步，尤其是5G技術的普及，數字化工廠有關產品研發(fā)必須要朝著數字化、虛擬化集成控制方向發(fā)展，在5G網絡環(huán)境下，采用DNN/QoS優(yōu)先調度或核心網切片滿足高帶寬需求，實現各部門信息共享。

對于數字化工廠的車間布局仿真與物流優(yōu)化，要加強實現靜態(tài)虛擬車間朝著更為真實的動態(tài)虛擬車間的改造升級，并且要盡可能地反映出車間的各類元素空間布局，進而有效地發(fā)揮數字化工廠的優(yōu)勢作用，為車間布局規(guī)劃以及優(yōu)化提供可靠的參考依據等。從而切實實現整個生產過程的智能化以及自動化發(fā)展，并提升整個智能裝備的應用水平。

參考文獻

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