車間數字化實現過程探討

張鋒 何燕平 張玉琪

[摘 要]車間數字化是實現未來智能制造、智慧制造的重要環節，是現階段提升產品質量、提高效率、降低成本的有力手段，也是企業競相追逐的新制造模式。本文結合筆者實踐，重點圍繞車間數字化的基本框架、建設階段以及各階段關注重點進行闡述，希望為實現數字化車間提供參考。

[關鍵詞]車間數字化;智能制造;制造模式

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2020.20.028

[中圖分類號]F270.7;F273[文獻標識碼]A[文章編號]1673-0194（2020）20-00-02

1? ? ?車間數字化定義

車間數字化指車間以業務流程的優化和重構為基礎，在一定的深度和廣度上利用自動化技術、數據采集技術與控制技術、計算機技術，網絡技術和數據庫技術等，將設備、工藝系統、生產執行系統、數據采集與控制系統等進行集成，實現車間資源的數字化控制與內外部信息共享和有效利用，以改善車間的組織和管理，實現資源的柔性配置，提高車間的制造效率和過程可控性、可追溯性。

2? ? ?車間數字化過程

車間數字化過程是一個復雜的系統工程，各個環節、要素之間錯綜復雜，涉及作業現場、設備、數據采集與控制、經營管理以及外部輸入等多個環節。各環節中還融入了車間各級管理者的思想及管理藝術。雖然過程很復雜，但如果從車間系統層級和數字化實現過程分解，車間的數字化過程離不開標準化、自動化、信息化、數字化四大過程。其中，標準化主要指構建于車間現場層、控制層與制造執行層的活動、流程及管理的要求、協議與規定，標準化是數字化的基礎，是推進自動化、信息化與數字化的根基;而自動化主要指實現現場作業與作業信息管理手段自動化，主要在現場層和控制層開展;而信息化主要在執行層開展，完成車間任務級信息的管理，包括接收任務、排程、派工、質量管理等，信息化層和自動化層需要通過接口進行信息交互，以實現現場作業與計劃管理信息融合，保證信息準確;數字化則是車間最終制造生命周期過程的集成、制造數據的集成、物理空間與信息空間的集成。四大過程既是數字化車間發展不可缺少的過程，也是車間數字化發展逐漸明晰

的過程。

2.1? ?標準化

標準化指對事物本身或者事物的發生過程、執行流程進行標準的衡量和定義。標準化的過程主要從以下5個維度開展工作。

2.1.1? ?生產過程標準化

過程標準化，具體包括生產過程的精細化分解，包括生產過程分解和生產過程關系定義。生產過程分解指對生產過程進行縱向分解，分解成生產階段、生產工序以及生產工步，并對分解的結果進行概念定義;生產過程關系定義指對過程分解結果之間的邏輯關系以及內部之間的邏輯關系進行定義。如階段、工序、工步之間的從屬關系，工序內部之間的串行、并行、可跳等工序邏輯定義。

2.1.2? ?生產流程標準化

流程標準化，指對生產涉及的各流程進行定義，把各班組、產線的不同管理流程進行統一規劃，制定標準，讓車間按照統一流程進行運作，比如，返工流程，物流運輸流程、周轉流程、設備領用流程、人員調動流程等。

2.1.3? ?生產要素標準化

生產要素的核心包括人、機、料、法、環，需要結合車間對生產要素的實際使用需求準確定義生產要素，以確保準確的資源適配到準確的需求。生產要素的定義是對需求屬性的抽象定義，而不是多多益善。比如，人員屬性包括使用姓名、勝任工種、技術能力等。

2.1.4? ?通信接口標準化

數字化車間的核心是信息的互連互通，包括信息流、物流、控制流、財務流等。接口的標準化是數字化信息貫通的基石，需要對設備與設備之間、設備與控制層之間、控制層與經營層之間等建立基礎的信息傳輸總線。這些總線可能是現場總線（PROFIBUS、CAN等）、工業以太網總線（PROFINET、EPA等）、企業服務總線（ESB）等，且在信息總線上需構建標準的出入口，任何設備或者需求都可以通過標準化的出入口進入信息總線并發生交互。

2.1.5? ?組織管理標準化

管理的標準化，包括建立按專業分類的組織以及制定管理制度，對車間涉及的各項事務進行管理，實現組織管理的標準化，不因班組、產線或業務不同而有所區別，通過標準化的工作，把生產涉及的各要素、各活動、各流程等從混亂狀態變成有序狀態，實現車間制造過程有理有條，做事有依據，過程有記錄，管理有制度。

2.2? ?自動化

自動化指利用自動化的工具、設備，包括軟件、自動控制設備、機器人等代替人工完成任務的相關制造工作。通過減少對人員數量和能力的需求，提高產品的質量、產出效率，同時降低風險、成本。自動化可以代替人工活動，但需要從多個層面考慮哪些活動可以實現自動化。自動化包括用軟件自動化和硬件自動化。比如，運用軟件模擬人的操作，實現日常業務辦理，如數據整理、填寫報表、上載數據及利用軟件代替人做出某些行動決策等。而硬件自動化則包含各種硬件設備、傳感器、控制器等構成的工作單元。比如，自動化物流（AGV）、機械手臂等。其中，自動化的過程主要從3個維度開展。

2.2.1? ?自動化的活動或對象

自動化廣泛用于大批量產品的生產制造過程，或者用于高度柔性化的制造過程，或者對于某些有特定需求的活動。而對于多品種、小批量且制造共性不多的產品來說，不能盲目自動化，需要從精益生產的角度考慮，提高項目之間的柔性，減少項目浪費。此外，也可以根據部分共性采用適度的自動化手段，但切不可為了自動化而自動化。

2.2.2? ?自動化方式選擇

自動化是車間數字化過程中占用成本比較大的部分，所以自動化需要考慮性價比，根據性價比確定自動化方式。對于數量少或者狀態不穩定的活動，可以考慮代價較少的軟件自動化、自動測試等方式。而對于批量大且共性高的工序，可采用機器人、機械臂或自動化工作站。自動化需要在成本和產出之間找到平衡點，且自動化設備的投入也不是一次性的，需要后續保養、維護、維修。車間數字化以利潤為最終目的，需要以市場競爭為導向，采用適宜的自動化方式。

2.2.3? ?接口、協議與組網能力

為了提高自動化設備的柔性與利用率，企業需要根據標準化的要求，選配適宜的接口并能支持生產線現場總線的協議，確保自動化設備具備信息交互能力，包括參數下發、狀態控制、遠程監控等。同時，還需要具有支持系統組網的能力，只有組網，才能通過多臺設備構建系統化平臺，實現設備之間的快速切換與動態選擇，提升制造過程的柔性。

2.3? ?信息化

本文所指信息化指通過計算機軟件、通信技術完成車間經營管理電子化的過程。該過程主要包括企業級信息系統定位、訂單導入、計劃排程、計劃跟蹤執行、質量管理等。其中，信息化過程重點關注3個維度。

2.3.1? ?車間信息化的定位

企業信息化建設是統一的、長期的、有規劃的行為。對于車間來說，首先要找到車間數字化在這個企業中的定位，每個企業的具體情況不一致，需要根據車間的職責與業務、上級輸入，如訂單、工藝等，準確定位經營管理層的信息化業務，然后根據準確定位，分析需求與功能，確保與企業規劃相匹配，避免形成信息孤島和推進后續應用的壁壘。

2.3.2? ?信息化管理需求

信息化不是簡單的電子化，僅把原本紙質的數據變成電子數據，而是通過信息化過程，進行流程優化與重構，減少制造過程中的浪費，包括時間、資源、人力等浪費。總之，流程的梳理與優化是信息化的前提，同時該過程也是管理思想的融入過程，通過兩者的結合，企業找到管理流程的薄弱環節，進行優化或重構，減少重復、煩瑣環節，實現車間經營管理效率提升。

2.3.3? ?信息化功能需求

車間信息化是對制造過程的經營管理，是對生產組織和生產過程的管理，包括車間管理模型和影響車間管理的模型，具體可分為資源管理、生產調度、生產分派、操作管理、質量管理、庫存管理等功能模塊。

2.4? ?數字化

數字化過程，是在標準化、自動化、信息化的基礎上，集成過程、數據、流程、虛實等，構建以信息流為核心的數字化空間，通過數據流動，完成信息閉環和產品制造過程從訂單到交付的全過程。其中，數字化過程主要從兩個集成開展。

2.4.1? ?制造生命周期的流程與信息集成

作為產品制造的關鍵環節，數字化要實現企業決策、車間執行、控制層與現場設備之間的通信鏈路，實現制造流程從上至下、從下至上的順暢聯通，以確保全流程集成，實現各環節無縫連接，包括產品的訂單分解、派工、加工制造、返修、報廢、試驗、交付等過程，做到全過程環環相扣，同時，對過程數據進行全過程記錄，包括制造過程（如階段、工序、工步等）和制造資源（如儀器、設備、工裝、人員、工位、環境等）以及產品狀態變化（如返工、軟件狀態等），實現制造全過程可追溯、可復現、數據可重用。

2.4.2? ?制造過程虛實集成

車間數字化是物理空間和信息空間的融合，即虛擬空間的產線模擬仿真、排程運算、運行仿真等與現實空間各產線、制造設備、人員、資源相映射并可發生的信息交互。現實空間的活動需在信息空間實時反應，比如，現場的加工進度、現場的異常都需要在信息空間及時準確呈現，以便決策者做出科學決策。同時，所做的每一項決策都需通過信息空間反饋到物理空間上，實現對設備、資源、人員以及任務等控制或調整。虛實集成是數字化的重要組成部分，也是構建賽博物理系統（CPS）走向智能制造的核心。

3? ? ?結 語

車間數字化是目前車間制造的發展方向，也是制造業搶奪智能制造制高點的主戰場。本文通過探討車間數字化的框架與實現過程，解析標準化、自動化、信息化與數字化的含義，并研究過程關注點，希望能為數字化制造車間建設提供幫助，助力制造行業向數字化、智能化轉型。

主要參考文獻

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[2]彭瑜.制造執行系統（MES）的發展和挑戰[J].可編程控制器與工廠自動化，2004（6）：5-13.

[收稿日期]2020-09-11