高等院校建设智能化数字车间的构想

刘业峰，杨春旭，付桐瑞，李阳

（沈阳工学院，辽宁抚顺113122）

高等院校建设智能化数字车间的构想

刘业峰，杨春旭，付桐瑞，李阳

（沈阳工学院，辽宁抚顺113122）

以高等院校建设数字化车间为例，结合数字化车间的核心MES系统，提出了车间MES的功能结构和生产线物流调度控制系统的功能结构。针对数字化车间智能化所涉及的数字化车间建模技术、数字化车间虚拟现实技术、数字化车间优化仿真技术和应用生产技术等4个关键技术分别进行了详细阐述。

高等院校；数字车间；MES系统；优化仿真；建模

什么是数字化车间？德国工程师给出的定义是：以企业生产产品全生命周期的所有相关数据作为基础，通过计算机虚拟仿真技术，对整个生产过程进行计算机仿真，并通过仿真进行生产过程的优化决策，并引导产品的具体生产过程，实现产品生产过程的数字化和智能化。[1-2]

数字化车间就是结合计算机中作者编写的程序而进行的免人力的智能工厂车间。[2]有关数字化车间给笔者印象最深的就是阿里巴巴的天猫超市的配送车间，在车间里几乎看不到有需求人力的地方，全靠一个个智能机器人通过编写的程序进行某个区域某个货架取出商品送到某区域，免除了人力，效率提高，人力只需对车间内设备进行定期的维护。[3-4]

数字化车间这个概念我们认为是未来的一个趋势，将智能化的概念引入到制造领域和现在流行的VR有非常相似之处。VR即所谓的虚拟现实，虚拟的计算机程序加上现实的生产制造，无疑将大大的提高现在的生产力。[5-6]

一、高等院校建设智能化数字车间架构

1．数字化车间MES功能结构

数字化车间MES主要包括工艺管理模块、计划调度管理模块、物料管理模块、刀具管理模块、过程监控管理模块、设备管理模块、质量管理模块和程序管理模块、功能模块，如图1所示。

图1 数字化车间MES功能结构图

图2 生产线物流调度控制系统功能结构图

其中：工艺管理模块包括工艺流程管理、设备程序管理、计划BOM管理、图档管理等4个功能；图档管理又包括了图档维护、图档作废和报废与统计等3个功能；计划调度模块包括作业计划、生产调度两个功能；物料管理模块包括组织物料管理、物料出入库管理、仓库盘点、库存设置和物料存量查询等5个功能；刀具管理模块包括刀具参数管理、成刀管理、刀具库存管理、刀具成本统计管理等4个功能；过程监控管理模块包括生产概况、数字化车间动画模拟、半成品管理与物流地图等3个功能；设备管理模块包括设备概况、设备维护计划与登记、设备诊断等3个功能；质量管理模块包括质检方案管理、质检结果与统计和报废与统计等3个功能；程序管理模块包括程序流程管理、程序下载和程序上传等3个功能。

2．生产线物流调度控制系统功能结构

生产线物流调度系统与控制系统主要包含了系统管理功能模块、物流调度控制功能模块、系统监控功能模块和接口功能模块等4个功能，如图2所示。其中，系统管理功能模块包括用户管理和系统参数配置2个功能：在用户管理中又包括了用户登陆、用户概况和用户信息3个功能；在参数配置中包括了数据库配置和控制参数设置2个功能。物流调度控制功能模块包括了物流调度控制、物料跟踪、完工报告和例外处理4个功能，其中物流调度控制包括自动调度控制和半自动调度监控2个功能。系统监控功能模块包括物料调度监控、生产线监控、设备监控和故障报警4个功能。接口功能模块包括现场设备PLC接口、线MES接口和数据采集系统接口3个功能。

二、智能化数字车间实现的关键技术

数字化车间智能化所涉及的关键技术主要有4个，分别是数字化车间建模技术、数字化车间虚拟现实技术、数字化车间优化仿真技术和应用生产技术。下文对各个关键技术进行了具体阐述。

1．数字化建模技术

以建设校内数字化车间为例：校内数字化车间的核心为MES系统，在生产线生产综合过程集成控制平台的基础上，面向加工生产过程，运用物联网等先进技术，通过对数字化车间的人、机、料、法等要素的在线监控、智能分析处理和展示，实现数字化车间的协调运作和精细化的管理。[7]内容包括对数字化车间的人、机、料、法等要素的数字化建模，对生产过程的均衡化和精细化，实现生产和物流过程的透明化和可视化，制造资源的组织和调度优化，全面质量管理和追溯，数字化车间活动的智能分析。

2．虚拟现实技术

借助于组态王软件或MCGS软件进行智能化数字车间的计算机建模与虚拟现实实现。将现实中数字化车间全部的人、机、物、料实现在计算机上的模拟运行，做到投入生产之前的优化分析与决策，确定生产过程中的最优生产投入量，坚决抵制生产过程中的各种资源浪费和各环节之间的物料等待。

借助于该虚拟现实技术再结合传感器、无线射频识别（RFID）等装置，实时采集数字化车间中需要监控、连接的设备，以实现生产产品的智能化识别、产品具体加工工位的定位、加工过程的跟踪与监控，实现对智能车间中的操作工、机器、物料、水、电、气、生产进度、生产加工工艺参数、产品质量、车间环境等各种生产要素实施监控，真正实现车间管理过程的智能化和自动化。[8]

3．优化仿真技术

结合虚拟现实技术，再借助于数字化车间管理驾驶舱，针对建立的多工序生产计划编制数学模型、多工序生产调度数学模型、多工序作业计划数学模型、工艺管理规程、质量管理体系、设备管理、物料管理与跟踪、在制品库存优化等具体的数学模型和体系架构，通过采集业务数据，采用BI技术实现智能分析得到各种决策信息，提供给厂级、数字化车间领导和相关业务人员用以指导生产制造的全过程，提高统计分析与决策支持的准确性和有效性，促进生产经营管理整体效益的提高。

4．应用生产技术

对作业人员工作状态信息实时记录和作业人员劳动力优化评估，提高工时定额管理量化与细化程度及其科学性。包括对作业人员状态管理、作业人员的出/缺勤记录查询、实时工作状态记录以及工作进度等，以及作业人员任务分配（功能包括工作任务最优化分配、劳动力最优化分配以及任务的负载平衡）。

该系统负责管理数字化车间范围内全部物料物流过程，包括缺料报警、用料防错和采集、补料、配送转移、统计分析。同时，结合自动识别系统实现对物料在时间、空间和状态上的数字化跟踪。按数字化车间作业计划，生成每日物料配送需求计划，并传递给供应链管理系统，以便配套厂、外协/外购厂实现更精准的配送。以及物料配套性检查。对数字化车间作业计划进行自动的物料检查，对已下达的计划给出其物料需求数量、已发数量和待发数量，对未下达的计划检查其物料可供信息，对缺料情况生成相应的缺料表。根据现有量、预计接收以及订单的紧迫程度，平衡各生产线的物料分配。

总之，数字化车间实现了车间管控的数字化，但最后不能完全脱离人进行建立。需要通过计划员和操作员进行生产计划的编制和物料运输的管理。通过利用车间的所有有用的数字化资源实现为车间生产管理服务的目的。当前的科技技术发展水平致使制造业制造周期大大缩短，制造企业之间的成本竞争越发激烈。企业在生产加工过程中，不允许出现任何错误，甚至是财力、物力和时间成本的浪费，因此，传统的制造模式已经很难适应当今的数字化、智能化生产模式。以数字化技术为主导的生产过程的网络化、虚拟化和智能化正成为数字化车间发展的必然趋势。

本文基于智能优化技术对高等院校建设智能化数字车间进行了构想。通过智能化车间的三维可视化实时仿真，能够预先在虚拟的计算机仿真平台上进行数字化车间整体面貌的实时展示，能够看到各生产加工单元及单元内部所有工装的具体布局、产品在各个重要生产线的实时装配过程以及产品的物流走向，借助于全车间的历时数据和实时数据，分析存在的问题并能够优化调整工艺规划，避免实际加工工厂的二次建设。

[1]刘小龙.动化铸造装备和数字化铸造厂[J].铸造设备与工艺, 2013(6):1-3.

[2]王华,王喆,王岩,刘旭.数字化工厂发展现状及其在炼油企业的实现[J].石油规划设计,2013(3):1-6.

[3]曾国平,黎小华.流程主导的数字化车间综合集成与协同[J].航空制造技术,2014(14):46-50.

[4]冉兰,邓高潮.2800mm冷轧机主传动可控硅控制系统数字化设计[J].计算技术与自动化,2001(3):18-22.

[5]吴道虎,李峣,姚明明.基于WinAC的橡胶加工厂管控一体化解决方案[J].现代制造,2003(29):74-76.

[6]邹涛.高压输电设备温度数字化在线监测系统的设计与实现[D].北京:中国科学院大学,2014.

[7]杨国松.PLC与组态软件在饲料加工厂中的应用与研究[D].武汉:武汉工业学院,2009.

[8]陈庆.深度分析中职实训教学与现场管理[J].中国科教创新导刊,2013(17):174.

[责任编辑，抚顺职院：陈辉]

The Conception of Intelligent Digital Workshop Construction in Colleges and Universities

LIU Ye-feng,YANG Chun-xu,FU Tong-rui,LI Yang
(Shenyang Institute of Techno logy,Fushun 113122,China)

Taking the construction of the digital workshop in colleges and universities as an example,combined with the core MES system,the functional structure of MES and the functional structure of production line logistics scheduling control system are put forw ard.It expounds in detail the 4 key technologies involved in the intelligent digital workshop:modeling technology,virtual reality technology,optimization and simulation technology and application of production technology in digital workshop.

colleges and universities;digital workshop;MES system;optim ization simulation;modeling

G64；TP278

A

1009—7600（2017）03—0068—03

2016-12-29

2016年国家自然科学基金项目（61603262；61403071）；2015年沈阳工学院博士启动基金项目（BS201503）

刘业峰（1981—），男，山东淄博人，副教授，博士；杨春旭（1996—），男，辽宁营口人，助教；付桐瑞（1996—），男，辽宁铁岭人，助教；李阳（1994—），男，辽宁葫芦岛人，助教。