车间数字化实现过程探讨

张锋 何燕平 张玉琪

[摘 要]车间数字化是实现未来智能制造、智慧制造的重要环节，是现阶段提升产品质量、提高效率、降低成本的有力手段，也是企业竞相追逐的新制造模式。本文结合笔者实践，重点围绕车间数字化的基本框架、建设阶段以及各阶段关注重点进行阐述，希望为实现数字化车间提供参考。

[关键词]车间数字化;智能制造;制造模式

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2020.20.028

[中图分类号]F270.7;F273[文献标识码]A[文章编号]1673-0194（2020）20-00-02

1     车间数字化定义

车间数字化指车间以业务流程的优化和重构为基础，在一定的深度和广度上利用自动化技术、数据采集技术与控制技术、计算机技术，网络技术和数据库技术等，将设备、工艺系统、生产执行系统、数据采集与控制系统等进行集成，实现车间资源的数字化控制与内外部信息共享和有效利用，以改善车间的组织和管理，实现资源的柔性配置，提高车间的制造效率和过程可控性、可追溯性。

2     车间数字化过程

车间数字化过程是一个复杂的系统工程，各个环节、要素之间错综复杂，涉及作业现场、设备、数据采集与控制、经营管理以及外部输入等多个环节。各环节中还融入了车间各级管理者的思想及管理艺术。虽然过程很复杂，但如果从车间系统层级和数字化实现过程分解，车间的数字化过程离不开标准化、自动化、信息化、数字化四大过程。其中，标准化主要指构建于车间现场层、控制层与制造执行层的活动、流程及管理的要求、协议与规定，标准化是数字化的基础，是推进自动化、信息化与数字化的根基;而自动化主要指实现现场作业与作业信息管理手段自动化，主要在现场层和控制层开展;而信息化主要在執行层开展，完成车间任务级信息的管理，包括接收任务、排程、派工、质量管理等，信息化层和自动化层需要通过接口进行信息交互，以实现现场作业与计划管理信息融合，保证信息准确;数字化则是车间最终制造生命周期过程的集成、制造数据的集成、物理空间与信息空间的集成。四大过程既是数字化车间发展不可缺少的过程，也是车间数字化发展逐渐明晰

的过程。

2.1   标准化

标准化指对事物本身或者事物的发生过程、执行流程进行标准的衡量和定义。标准化的过程主要从以下5个维度开展工作。

2.1.1   生产过程标准化

过程标准化，具体包括生产过程的精细化分解，包括生产过程分解和生产过程关系定义。生产过程分解指对生产过程进行纵向分解，分解成生产阶段、生产工序以及生产工步，并对分解的结果进行概念定义;生产过程关系定义指对过程分解结果之间的逻辑关系以及内部之间的逻辑关系进行定义。如阶段、工序、工步之间的从属关系，工序内部之间的串行、并行、可跳等工序逻辑定义。

2.1.2   生产流程标准化

流程标准化，指对生产涉及的各流程进行定义，把各班组、产线的不同管理流程进行统一规划，制定标准，让车间按照统一流程进行运作，比如，返工流程，物流运输流程、周转流程、设备领用流程、人员调动流程等。

2.1.3   生产要素标准化

生产要素的核心包括人、机、料、法、环，需要结合车间对生产要素的实际使用需求准确定义生产要素，以确保准确的资源适配到准确的需求。生产要素的定义是对需求属性的抽象定义，而不是多多益善。比如，人员属性包括使用姓名、胜任工种、技术能力等。

2.1.4   通信接口标准化

数字化车间的核心是信息的互连互通，包括信息流、物流、控制流、财务流等。接口的标准化是数字化信息贯通的基石，需要对设备与设备之间、设备与控制层之间、控制层与经营层之间等建立基础的信息传输总线。这些总线可能是现场总线（PROFIBUS、CAN等）、工业以太网总线（PROFINET、EPA等）、企业服务总线（ESB）等，且在信息总线上需构建标准的出入口，任何设备或者需求都可以通过标准化的出入口进入信息总线并发生交互。

2.1.5   组织管理标准化

管理的标准化，包括建立按专业分类的组织以及制定管理制度，对车间涉及的各项事务进行管理，实现组织管理的标准化，不因班组、产线或业务不同而有所区别，通过标准化的工作，把生产涉及的各要素、各活动、各流程等从混乱状态变成有序状态，实现车间制造过程有理有条，做事有依据，过程有记录，管理有制度。

2.2   自动化

自动化指利用自动化的工具、设备，包括软件、自动控制设备、机器人等代替人工完成任务的相关制造工作。通过减少对人员数量和能力的需求，提高产品的质量、产出效率，同时降低风险、成本。自动化可以代替人工活动，但需要从多个层面考虑哪些活动可以实现自动化。自动化包括用软件自动化和硬件自动化。比如，运用软件模拟人的操作，实现日常业务办理，如数据整理、填写报表、上载数据及利用软件代替人做出某些行动决策等。而硬件自动化则包含各种硬件设备、传感器、控制器等构成的工作单元。比如，自动化物流（AGV）、机械手臂等。其中，自动化的过程主要从3个维度开展。

2.2.1   自动化的活动或对象

自动化广泛用于大批量产品的生产制造过程，或者用于高度柔性化的制造过程，或者对于某些有特定需求的活动。而对于多品种、小批量且制造共性不多的产品来说，不能盲目自动化，需要从精益生产的角度考虑，提高项目之间的柔性，减少项目浪费。此外，也可以根据部分共性采用适度的自动化手段，但切不可为了自动化而自动化。

2.2.2   自动化方式选择

自动化是车间数字化过程中占用成本比较大的部分，所以自动化需要考虑性价比，根据性价比确定自动化方式。对于数量少或者状态不稳定的活动，可以考虑代价较少的软件自动化、自动测试等方式。而对于批量大且共性高的工序，可采用机器人、机械臂或自动化工作站。自动化需要在成本和产出之间找到平衡点，且自动化设备的投入也不是一次性的，需要后续保养、维护、维修。车间数字化以利润为最终目的，需要以市场竞争为导向，采用适宜的自动化方式。

2.2.3   接口、協议与组网能力

为了提高自动化设备的柔性与利用率，企业需要根据标准化的要求，选配适宜的接口并能支持生产线现场总线的协议，确保自动化设备具备信息交互能力，包括参数下发、状态控制、远程监控等。同时，还需要具有支持系统组网的能力，只有组网，才能通过多台设备构建系统化平台，实现设备之间的快速切换与动态选择，提升制造过程的柔性。

2.3   信息化

本文所指信息化指通过计算机软件、通信技术完成车间经营管理电子化的过程。该过程主要包括企业级信息系统定位、订单导入、计划排程、计划跟踪执行、质量管理等。其中，信息化过程重点关注3个维度。

2.3.1   车间信息化的定位

企业信息化建设是统一的、长期的、有规划的行为。对于车间来说，首先要找到车间数字化在这个企业中的定位，每个企业的具体情况不一致，需要根据车间的职责与业务、上级输入，如订单、工艺等，准确定位经营管理层的信息化业务，然后根据准确定位，分析需求与功能，确保与企业规划相匹配，避免形成信息孤岛和推进后续应用的壁垒。

2.3.2   信息化管理需求

信息化不是简单的电子化，仅把原本纸质的数据变成电子数据，而是通过信息化过程，进行流程优化与重构，减少制造过程中的浪费，包括时间、资源、人力等浪费。总之，流程的梳理与优化是信息化的前提，同时该过程也是管理思想的融入过程，通过两者的结合，企业找到管理流程的薄弱环节，进行优化或重构，减少重复、烦琐环节，实现车间经营管理效率提升。

2.3.3   信息化功能需求

车间信息化是对制造过程的经营管理，是对生产组织和生产过程的管理，包括车间管理模型和影响车间管理的模型，具体可分为资源管理、生产调度、生产分派、操作管理、质量管理、库存管理等功能模块。

2.4   数字化

数字化过程，是在标准化、自动化、信息化的基础上，集成过程、数据、流程、虚实等，构建以信息流为核心的数字化空间，通过数据流动，完成信息闭环和产品制造过程从订单到交付的全过程。其中，数字化过程主要从两个集成开展。

2.4.1   制造生命周期的流程与信息集成

作为产品制造的关键环节，数字化要实现企业决策、车间执行、控制层与现场设备之间的通信链路，实现制造流程从上至下、从下至上的顺畅联通，以确保全流程集成，实现各环节无缝连接，包括产品的订单分解、派工、加工制造、返修、报废、试验、交付等过程，做到全过程环环相扣，同时，对过程数据进行全过程记录，包括制造过程（如阶段、工序、工步等）和制造资源（如仪器、设备、工装、人员、工位、环境等）以及产品状态变化（如返工、软件状态等），实现制造全过程可追溯、可复现、数据可重用。

2.4.2   制造过程虚实集成

车间数字化是物理空间和信息空间的融合，即虚拟空间的产线模拟仿真、排程运算、运行仿真等与现实空间各产线、制造设备、人员、资源相映射并可发生的信息交互。现实空间的活动需在信息空间实时反应，比如，现场的加工进度、现场的异常都需要在信息空间及时准确呈现，以便决策者做出科学决策。同时，所做的每一项决策都需通过信息空间反馈到物理空间上，实现对设备、资源、人员以及任务等控制或调整。虚实集成是数字化的重要组成部分，也是构建赛博物理系统（CPS）走向智能制造的核心。

3     结 语

车间数字化是目前车间制造的发展方向，也是制造业抢夺智能制造制高点的主战场。本文通过探讨车间数字化的框架与实现过程，解析标准化、自动化、信息化与数字化的含义，并研究过程关注点，希望能为数字化制造车间建设提供帮助，助力制造行业向数字化、智能化转型。

主要参考文献

[1]张涛云.MES在汽车制造中的应用（第一部分） 汽车制造系统原理：工艺篇[J].智慧工厂，2018（3）：62-66.

[2]彭瑜.制造执行系统（MES）的发展和挑战[J].可编程控制器与工厂自动化，2004（6）：5-13.

[收稿日期]2020-09-11