新工業革命背景下單元化生產組織模式演進及對策

劉屹

一、智能單元是生產組織模式的演進方向

在離散裝備制造領域，隨著生產裝備水平的提高，零件加工、焊接、熱處理和裝配等生產過程中的數控化率和自動化水平不斷提升，MDC、DNC系統應用廣泛，然而，高性能的加工中心和自動化裝備正在形成設備孤島的現象，限制了生產能力的進一步提高。在典型的零件機加車間，通過機器人、AGV、柔性工裝的應用構建智能加工單元，實現單元內零件出入庫、物流、裝夾、切削加工、檢快、下線和輔助制造資源管理等工藝過程的全自動化，同時實現高度柔性和動態調度，正在成為行業內外領先企業積極探索的方向。SAP在2018漢諾威工博會發布的第三個版本OIF（Open Integrated Factory，開放集成工廠），將若干智能單元組成動態模塊化工廠，代表了目前德國最先進的關于未來數字化工廠的理解和實踐，也清晰呈現出新一輪工業革命背景下的生產組織模式演進趨勢，如圖]所示。

二、兩層融合成為生產組織數字轉型的重要路徑

伴隨著智能制造與柔性制造技術帶來的生產組織模式演進，生產單元控制與全局優化的復雜性已經超出傳統的生產管理機制，傳統生產管理軟件無法滿足工業互聯、動態調度和自適應生產組織的需求。迫切需要在傳統制造執行系統基礎上，從生產管理層向控制執行層下沉，實現軟件定義生產過程，建立能夠對生產過程進行建模仿真并基于物聯網實時驅動生產過程、自適應自組織的生產過程智能管控系統，如圖2所示，工業軟件這種融合生產管理層與控制執行層于一體的發展趨勢高度契合離散制造業生產組織模式演進方向。

三、自主可控打造支撐智能制造關鍵能力

航空裝備等復雜產品的生產柔性和生產過程可追溯性需求為生產過程管控帶來了更為苛刻的環境要求，對生產過程管控系統的建模能力、通訊能力、調度決策算法和控制顆粒度都有著很高要求。以往行業內多個使用國外軟件支撐的自動化單元面臨著缺乏柔性、運行維護無法脫離原廠商技術支持等問題，而國產生產過程管控系統在功能、性能和可靠性等方面無法滿足復雜產品生產的應用要求，國產軟件不僅需要大幅提升生產過程建模能力、仿真分析能力、工業互聯能力和動態調度能力，還需要面向高度柔性需求和復雜生產體系提供自適應自組織決策能力，并采用先進技術架構實現系統的快速配置和可擴展。

面對復雜產品生產組織模式向單元化柔性生產演進的趨勢，建立在較高的工藝、自動化和工業物聯網水平基礎上，遵循統一的生產建模與工業互聯標準規范，基于金航V6自主可控工業軟件基礎平臺，航空工業信息技術中心（金航數碼）在傳統制造執行系統基礎上，設計并開發制造資源建模、制造過程建模、生產過程仿真、生產單元智能代理、實時生產預快、動態調度和高可靠數據通訊等功能，形成生產過程智能控制系統，實現生產過程全要素軟件定義、虛實精準映射和響應式動態調度，建立批量為1的高柔性生產的工業軟件基礎，對提升復雜生產系統的自適應和自組織能力具有重要意義，將形成支撐智能制造的關鍵能力。

金航生產過程智能管控系統由管理模塊、調度模塊和通訊模塊組成，如圖3所示。管理模塊對生產過程所需資源、任務和工藝等數據進行配置和管理，同時具有實時可視化顯示生產運行狀態和實時生產預測功能;調度模塊接收管理模塊下達的生產任務和通訊模塊傳遞的生產線實時運行數據，基于規則和算法對生產過程進行動態調度決策并下發指令;通訊模塊接收設備運行數據并進行解析、存儲和傳輸，同時接收指令信息和相關數據并將信息進行轉換發送至指定設備或系統，通訊模塊能夠兼容多種不同類型的數控系統和PLC，并支持與生產線設備上位機系統進行接口定義。金航生產過程智能管控系統構建起打通物理世界與賽博空間的通道，實現虛實精準映射、賽博控制物理，成為實現智能單元數字孿生的核心工業軟件。

四、試點示范形成標桿加速推廣應用

由金航生產過程智能管控系統支撐的CPS（賽博物理系統）測試驗證環境已經在工信部中國電子信息產業發展研究院完成建設，驗證了系統的建模能力、仿真分析能力和調度決策能力。目前，信息技術中心（金航數碼）正在為航空工業昌飛建設鋁合金智能化柔性加工單元提供核心工業軟件，通過與機器人、數控機床、三坐標快量機、對刀儀、立體庫和柔性工裝夾具的集成與協同，實現全自動化、高度柔性和智能化，樹立智能生產單元自主可控的行業標桿。在應用驗證和試點示范的基礎上，信息技術中心（金航數碼）將與揚子智能制造裝備制造商、智能化工藝設計單位開展深度合作，加快先進解決方案和自主可控工業軟件在行業內外的推廣應用。