數字化工廠及其關鍵技術研究

莊天天

摘 要：隨著制造業競爭壓力的日益增加，數字化工廠概念被提出并不斷完善。企業為了提高產品質量，滿足用戶對產品日益靈活的需求，提高自身核心競爭力從而占領更大的市場份額，越來越多地開始選擇建設數字化工廠，進行精益化生產與管理。通過大數據、物聯網、云計算等信息技術的應用，企業可以對生產過程進行全過程和全周期的檢驗和分析，利用仿真模擬技術來提高生產效率并保證產品質量。因此，數字化工廠對我國制造業的發展意義重大。為了能夠更好地提高其應用質量，本文著重對數字化工廠及其相關技術進行分析。

關鍵詞：數字化工廠;全生命周期;產品加工

中圖分類號：TK278 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）26-0029-03

Research on Digital Chemical Plant and Its Key Technologies

ZHUANG Tiantian

（CNOOC Gas & Power Group Co.， Ltd.，? Beijing 100028）

Abstract： With the increasing competitive pressure in manufacturing industry， the concept of digital chemical plant has been put forward and continuously improved. In order to better improve product quality， meet users' increasingly flexible needs for products， improve their core competitiveness and occupy a larger market share， more and more enterprises begin to choose to build digital chemical plants for lean production and management through the application of information technologies such as big data， Internet of things and cloud computing， Enterprises can inspect and analyze the whole process and cycle of production process， and use simulation technology to improve production efficiency and ensure product quality. Therefore， digital chemical plant is of great significance to the development of China's manufacturing industry. In order to better improve its application quality， this paper focuses on the analysis of digital chemical plant and its related technologies.

Keywords： digital chemical plant;manufacturing full life cycle;product processing

人類步入現代社會的重要標志之一就是工業體系的形成及其技術的發展。隨著近年來各國制造業的飛速發展，不斷提升的制造精度使市場中各種各樣高質量的產品層出不窮，從而導致競爭日益激烈。制造業現在面臨著非常大的競爭壓力，為了能夠更好地應對市場競爭壓力，各企業都在積極探索如何改變和調整生產模式、降低工作成本、提升工廠效率，于是數字化工廠應運而生。數字化生產的本質是通過數字化技術和相應軟件對整體工藝與生產線進行設計與規劃，從而提高生產效率。

1 數字化工廠概述

1.1 數字化工廠的概念

要探討數字化工廠，首先需要明確工業互聯網的基本概念。2012年工業互聯網被提出，隨后，越來越多的企業加入工業互聯網的建設中。工業互聯網是新一代信息通信技術與工業經濟深度融合的新型基礎設施、應用模式和工業生態，通過對人、機、物、系統等的全面連接，構建起覆蓋全產業鏈、全價值鏈的全新制造和服務體系。其本質是通過工業互聯網來連接企業生產經營各環節中的客戶、供應商、設備以及生產裝置等多個部分，使得產業鏈上下游連接更加緊密，確保不同地域之間的生產關系能夠擺脫時空限制，達到互聯互通的效果。數字化工廠在近幾年的發展中以工業互聯網為依托，通過智能化和數字化技術的研究與應用對自身的整體制造和服務體系進行改造和提升。數字化工廠的主要應用場景包括生產線數字化、設計仿真和評價數字化、制造設備數控化、車間執行與分析數字化4個方面，涵蓋生產制造的設計、生產、流通、工藝及通信等多個部分，以提高生產效率來達到嚴控產品質量的目標。近年來，隨著數字化技術的快速發展，數字化工廠的建設也衍生出很多分支，但是數字化發展的根本路徑還是在于利用數字化技術對工廠進行自動化與信息化整合，是未來實現工業互聯、智能工廠等建設目標的重要內容[1]。

1.2 數字化工廠的特點

通過數字化技術對工廠生產經營模式的改造，數字化工廠可以極大地提高企業的生產效率，是企業提高自身核心競爭力和獲得更高市場收益的重要方法之一。具體來說，數字化工廠技術具有以下4個特點。

1.2.1 縮短投放周期。通過數字化技術的支持，產品的全生命周期管理都可以借助軟件來輔助完成。從設計、裝配到后期的分析與評價，數字化技術使各類數據交互更加方便，從而縮短了產品在市場的投放周期。

1.2.2 提高經濟效益。經濟效益的提高主要包括兩個方面：一是降低產品研發成本，通過應用數字化技術，產品設計與測試均采用軟件完成，從而使新產品研發使用更少的物理樣機，降低了設計成本、材料成本及設備成本;二是市場效益，產品擁有更高的生產效率和質量，所以在市場中更加受歡迎，提高了市場份額。

1.2.3 提高產品質量。一方面，數字化工廠可以有效檢查出產品中存在的缺陷，有利于企業調整生產工藝，減少產品缺陷。另一方面，數字化工廠能夠有效地對產品的全生命周期進行模擬，從而更好地優化產品的生產流程，提高生產效率和產品質量[2]。

1.2.4 優化勞動環境。通過數字化技術的應用，生產人員可以在高效的信息共享環境和數控加工環境下工作，避免長時間在環境較差的生產車間工作，一定程度上減少了勞動量，降低了職業健康病的發生率，提高了生產質量。

1.3 數字化工廠的發展意義

數字化工廠是擴展產業鏈的重要途徑，在制造業中涉及的領域非常廣泛。隨著數字化技術的發展，已經有越來越多的仿真技術、數控工具被應用到生產中。相對于一些發達國家來說，我國的制造業雖然在實力上毫不遜色，但是數字化的程度并不是很高，虛擬樣機等設備的投入也并不是很廣泛。但是，在5G技術和相關設備的研發下，我國已經逐漸從傳統機械制造轉向了數字化和智能化制造模式。數字化工廠及相關技術為制造業帶來了非常重要的發展機遇，也是各企業未來一段時間的重要戰略發展目標。只有不斷優化和改善數字化工廠體系中各類建模、仿真等技術的應用，才能更好地滿足當前我國制造業的發展，為我國經濟發展提供更加有力的支持，而只有使用數字化工廠才能夠更好地滿足社會大眾對商品加工的深度需求[3]。

2 數字化工廠關鍵技術的應用

2.1 5G技術的應用

5G通信技術與工業經濟的深度融合為工業乃至產業數字化、網絡化、智能化發展提供了新的實現途徑，其傳輸速率快、延時低、連接可靠的特點可以有效滿足當前制造業在數字化工廠建設中的具體需求，特別是能夠更好地滿足當前各企業在工業環境中的遠程交互與設備互聯的需求。下面介紹4個5G技術在數字化工廠中的具體應用。

2.1.1 物聯網技術。數字化工廠建設的首要需求就是要保證各個設備的可控性和信息共享能力。物聯網是將設備串聯起來，保證數據有效傳遞的重要技術，而5G技術加快了數據傳遞與共享的速率和穩定性，使物聯網技術的應用效果得到了極大提升[4]。

2.1.2 自動化。近年來，隨著數控技術體系的完善，我國很多企業都在工業自動化上取得了不小的進步，在工業生產上不僅達到了毫秒級的程序響應能力，還能夠保障數據安全，而5G的超低延時性使得設備的可靠性進一步增強。

2.1.3 物流追蹤。物流追蹤是制造業產業鏈條中的重要一環，無論是對倉儲管理還是物流配送而言，加強上下游的有效連接都能更好地幫助企業來優化物流環節，意味著具有低成本、高連接性、高覆蓋性和傳輸性的通信技術十分重要，而5G能更好地滿足這些需求，成為數字化工廠的重要建設內容。

2.1.4 工業AR和云化機器人。工業增強現實（Augmented Reality，AR）是一種具有多功能性和靈活性的技術。通過AR技術對生產流程進行監控和管理，再通過遠程專家的幫助對生產中各個業務流程進行分步指引。當然，工業AR并未大規模普及，現階段AR頭盔或者眼鏡也只是應用于一些大型工廠中，在未來將進一步得到普及。此外，通過云機器人來對生產進行柔性化管理，收集、分析并反饋相關數據[5]。

2.2 產品設計和應用仿真

數字化工廠將生產及其后續過程數字化，進而提高產品質量和管理效率，對生產流程、資金、物流進行全過程管理。所以，數字化工廠本質上也是一個巨大的信息庫。從產品的應用角度來看，產品設計和其功能領域中需要用到的信息化系統較多，包括計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）、計算機輔助工藝過程設計（Computer Aided Process Planning，CAPP）、計算機輔助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）以及產品數據管理（Product Data Management，PDM）等子系統。而從產品的生產和銷售過程來看，它還需要用到客戶關系管理和決策支持等系統。換個角度來看，要想更好地對產品進行設計，提高產品的質量，需要以這些數據庫和信息系統為平臺，對產品進行設計和仿真，這是數字化工廠的重點所在。以車輛的側圍內板焊裝線的設計與仿真為例，其主要的設計仿真工作是對汽車焊裝夾具與側圍內板焊裝生產線進行設計和仿真，可以對焊槍、機器人進行選型和設計，并選擇合適的軟件來仿真模擬焊裝生產線工作站。可以說，在工業流程上，產品的設計與生產線的仿真流程是有一定模板的，細節內容還需要根據具體情況來分析[6]。

2.3 工作流管理

工作流管理是數字化工廠建設中一項十分重要的內容，也是建立起數字化工廠信息系統的關鍵技術之一。數字化工廠通過線上定義工作流對數字化工廠的任務、人員、軟件、工具及相關數據等進行調節和分配，相較于傳統的工廠管理模式，能極大地提高數據的流通性和系統的工作效率。鑒于工作流的重要性，在數字化工廠建設過程中，企業需要對工作流進行抽象建模，用計算機語言與數據庫交互操作將實際的生產與業務流程轉化為計算機程序的形式，輔助企業完成精益化管理工作。具體來說，企業需要通過工作流模型完成3方面的工作，分別是對工作流程的定義、工作過程的控制和運行流程的交互。而工作流本身也分為多個類型，如基于任務推動和目標拉動的、面向文檔和面向過程的、基于郵件和基于數據庫的，但是工作流管理因應用的廣泛性可以在各類軟硬件組件的支持下滿足各項功能需求，具體如圖1和圖2所示。

此外，數字化工廠的工作流管理系統還需要注重靈活性和可擴展性，要具備流程嵌套和可修改約束規則的能力，支持業務工作流程的快速上線。

3 結語

本文探討了數字化工廠的相關內容，針對數字化工廠的概念、特點和應用意義進行闡述，對其中的5G技術、設計與仿真技術和工作流管理系統等關鍵技術進行研究。基于制造業的升級以及智能化的發展需求，我國各企業都應該提高對數字化工廠技術的認識，加強對數字化工廠的建設，提高產品全生命周期的管控效率與質量，進而更好地保障我國的經濟發展。

參考文獻：

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[4]盧佩.面向數字化工廠的工作流過程建模研究[D].杭州：杭州電子科技大學，2014：5-13.

[5]康留濤.基于數字化工廠的車間布局仿真與物流優化[D].合肥：合肥工業大學，2012：1-6.

[6]王金慶.數字化工廠及其關鍵技術研究[D].南京：南京航空航天大學，2001：92-101.

1963501186287