数字化车间的构建策略

中海油能源发展装备技术有限公司加工制造分公司 王骁阳

数字化车间是现代工业的核心组成部分,也是信息技术与智能化生产制造技术的有机融合。本文探讨了数字化车间的重要性,分析了数字化车间构建,研究了数字化车间系统集成技术的应用,以及数字化车间规划设计注意事项,以供参考。

0 引言

随着时代的发展以及科技水平的提升,信息技术在不断成熟和普及,就生产制造行业而言,信息技术的应用推动了制造新技术、新理念以及新模式的发展,比如,单元制造系统、柔性制造系统、企业资源计划、现代集成制造以及数字制造技术等,而数字化车间正是诸多先进制造技术和理念的集合运用,同时,数字化车间的构建也具有涉及领域更广以及内容更加复杂等特点。

1 数字化车间的重要性

1.1 可以实现车间内部与外部的互联

MES系统也就是生产信息化管理系统作为数字化车间的重要组成部分,可以对车间生产制造活动相关数据进行收集和可视化展示,而MES系统与ERP系统的有效结合,则是实现车间内部与外部互联的重要举措,一方面可以真正实现车间生产活动的数字化开展,对企业生产质量和效率的提升有着积极的促进作用,另一方面还可以为企业决策提供更加详实的数据支持[1]。

1.2 可以实现对车间生产全过程的实施监控

企业车间生产活动对生产制造工艺以及生产流程有着非常严格的标准,而数字化车间的智能化生产管理系统不仅可以对车间生产全过程进行实时监控,还可以通过传感器等装置对车间各个数控设备的运行参数以及运行状况进行采集,一方面有助于提升产品生产质量管控工作成效,另一方面还可以及时发现车间设备运行故障以及生产过程中存在的问题,从而第一时间采取妥善、可行的处理措施,避免对车间生产制造工作的正常、有序进行带来影响。

1.3 有助于产品质量问题追溯工作的开展

数字化车间的生产信息化管理系统以及ERP管理系统,贯穿了产品设计、生产流程规划、产品生产、产品销售以及客户服务等全部环节,如果产品出现质量问题,相关工作人员可以通过数字化车间管理系统查询完整的生产过程、产品供应链以及产品订单等信息,从而更加便捷、高效的了解导致产品出现质量问题的环节以及原由,并对相关负责人以及有关工作人员进行追责。

2 数字化车间构建分析

2.1 数字化车间模拟软件层次划分

首先,数字化车间层主要是根据现场空间等实际情况以及车间功能要求,对车间智能化生产、管理网络以及相关设备的分布进行分析和研究。其次,数字化生产线层的主要任务,一方面是根据数字化车间生产制造实际需求,对生产线进行设计并对设计方案的合理性以及可行性进行核查和验证,另一方面则需要根据生产线设计方案,对其生产效率以及运行维护成本等情况进行模拟分析,并以此为参考依据对数字化生产线设计方案进行进一步改进和优化。再次,数字化加工单元层的任务,主要是对数字化车间各个智能化设备之间以及设备内部的运行状态进行模拟分析,并对其中存在的相互干涉情况进行研究和掌握,从而为生产制造工艺的规划以及加工指令的制定提供必要的参考资料。最后,数字化操作层则是从生产制造细节处进行分析,对数字化车间生产系统以及制造工艺实际性能进行校验,从而对数字化车间生产系统以及管理系统设计方案进行深度优化。

2.2 数字化车间软件架构

首先,界面层是工作人员与生产系统、管理系统交互的主要窗口,工作人员一方面需要通过界面层进行仿真模型构建等操作,另一方面也需要通过界面层去了解模拟分析结果等相关数据信息,是数字化车间生产制造系统实际作用得以充分发挥的重要组成部分。其次,功能层则是一系列功能模块的集合,对数字化车间产品制造质量以及生产效率有着重要影响,其功能模块主要包括几项:(1)接收并整合产品模型以及生产工艺等相关数据信息,为后续工作的开展提供必要的数据支持;(2)根据产品以及工艺相关信息构建相关设备以及加工环境仿真模型;(3)通过仿真模拟对产品加工方案的可行性以及加工工艺相关参数进行分析和评价。再次,数据层主要是对产品相关数据、各类模型数据以及模拟分析相关数据进行收集、汇总、整理和存储,也是为功能层提供必要参考数据的重要结构[2]。

2.3 数字化车间系统构建策略

首先,数字化车间软件系统基本框架的搭建,需要以车间内相关设备等各类对象为主要依据,也就是对车间内所有与生产制造以及管理有关的设备、仪器进行抽象分类,然后在软件系统中一一建立相对应的类,同时,为了用户能够更加便捷、高效的利用软件系统对车间一应设备仪器进行操控,相关技术人员还应根据软件系统各项功能以及使用需要建立人机界面,最后再进行数字化车间内的布局规划,如生产线走向以及设备仪器选用和安置等。其次,向数字化车间软件系统中添加仿真和调度控制模块,其作用主要包括几个方面:(1)是对产品设计方案、生产制造工艺方案等进行模拟分析和管控,可以根据模拟过程以及分析结果对各个设计方案的合理性以及存在的不足进行挖掘和掌握,并对各设计方案进行及时、合理的改进,确保产品质量以及生产效率能够达到预期目标;(2)还可以借助仿真模拟系统对生产计划以及生产调度管理方案进行试验和检测,并根据模拟分析结果对生产计划以及调度管理方案进行优化,可以保证数字化车间生产和管理活动的正常、有序开展。再次,建立软件系统与数字化车间内相关设备仪器的连接接口:(1)为了实现通过软件系统将生产制造指令发送给相应智能化生产设备,从而让车间相关设备同步执行相应的生产动作,这是数字化车间软件系统以及生产设备得以正常运行的重要环节之一;(2)为了实现对车间内各个设备运行情况以及车间内其他事件进行实时监控和管理,以便相关工作人员能够根据生产计划对车间内仪器设备以及生产活动予以及时的干预和控制。

2.4 数字化车间生产状态实时监测系统关键技术

首先,三维虚拟车间环境构建主要是借助虚拟现实等技术手段予以实现,需要由相关工作人员对车间生产现场相关信息进行采集,然后通过三维建模等技术手段构建相应的数据模型,最后利用这些数据模型构建三维虚拟车间环境。其次,可视化信息集成技术,主要是借助人机交互界面,使相关工作人员能够通过点击三维虚拟车间中的相关设备,对此设备的位置、运行状况等信息进行了解,还可以通过人机交互界面对车间相关设备进行一定程度的操控。再次,设备状态分析技术,主要是传感器等设备数据采集装置以及管理系统中设备状态监测模块的结合运用,通过传感器等装置收集的设备运行状况数据,只能简单的呈现设备运行状态,想要深入、详细的了解设备的运行情况,还需要采取一系列措施以及对设备运行数据进行深度分析,比如,在设备状态分析系统中设置温度、均温等相应的设备阈值以及设置预警功能。借助设备运行状态分析系统对设备运行数据进行分析,从而对设备的运行效能进行掌握,当某项设备运行数据超过预先设置的阈值,则发送系统预警信息并在人机交互界面对存在运行故障或运行隐患的设备进行显示,以便相关技术人员能够及时进行处理[3]。

3 数字化车间系统集成技术的应用

3.1 相关数据的输入

数据输入是数字化车间集成系统运行的初始和重要环节,对数字化车间的稳定运行有着至关重要的影响,而集成系统需要输入的数据信息主要包括几项内容:(1)工厂计划,主要是根据年度、季度以及月份等时间跨度进行划分,包括车间生产计划以及追加计划等内容,是企业结合市场情况、产品需求以及市场发展趋势等各方面因素制定的计划;(2)人员信息,主要包括各部门管理人员以及车间生产工作人员相关信息;(3)设备信息,主要包括车间与产品生产以及车间管理有关的数控设备和其他设备装置;(4)工艺信息,主要包括产品生产工艺、生产流程以及生产标准等相关信息。

3.2 ERP管理系统与车间的集成

ERP管理系统与车间的集成,一方面是为了加强产品生产方案的规划与车间生产活动之间的联系,另一方面则是为了促进车间生产制造活动的规范化、制度化开展,其工作流程主要包括几个环节:(1)由工厂计划计调部门工作人员将工厂计划相关信息录入到ERP管理系统中,并将相关信息进行汇总和整理之后,上传给上级管理审核部门;(2)工厂计划管理审核部门对计划内容以及计划可行性等情况进行核对、审查,若工厂计划通过审查则将计划方案发送给生产部长或副总经理等企业领导进行审批,如果工厂计划未能通过审查则将计划方案退回到工厂计划计调部门进行修改处理;(3)生产部长或副总经理对通过方案审核部门审查的工厂计划进行审批,其流程与方案审核部门的审查流程一致,然后再将通过审批的工厂计划由管理系统发送到各个分厂或相应的生产车间[4]。

3.3 质量管理系统与车间的集成

产品质量管理是车间生产制造活动的关键环节之一,不仅是确保产品质量能够达到预期标准的重要保障,对企业良好对外形象的树立以及行业竞争力的提升也有着至关重要的影响。产品质量管理工作主要是由质检人员根据相关标准对已完成的部件或产品进行检验,并将部件或产品相关信息以及检验结果录入质量管理系统当中,然后将各个车间的部件或产品检验相关信息进行汇总、分类以及整理,借助产品质量管理系统中的统计功能生成相应的产品质量检验以及合格率报告,并以柱状图、饼状图等形式对产品质量合格率等数据信息进行显示,不仅可以更加直观的展示产品生产质量等情况,还可以及时发现产品生产流程以及生产工艺存在的异常情况,从而第一时间采取针对性的应对和处理措施,避免对后续生产活动产生影响。

4 数字化车间规划设计注意事项

4.1 生产管理的优化应与数字化车间的建设同步开展

数字化车间并不是单纯的提升传统生产模式的智能化和自动化程度,而是车间信息化程度、车间生产模式以及管理模式的全方位升级,从而达到提升车间生产质量和管理效率等目的。与传统的车间管理模式相比较,数字化车间管理工作大多是依托信息化管理系统来实现,使得数字化车间管理工作在管理流程、管理方式等方面与传统管理模式具有较大的差异,如果管理方法与数字化车间管理系统以及生产模式的适应性较差,不仅容易导致数字化车间管理工作水平的下降,还会对车间生产效率造成影响,所以,数字化车间管理模式应围绕车间建设以及生产管理实际进行改进和优化,从而不断提升数字化车间管理工作质量和效率,更好的发挥数字化车间应有的作用和价值。

4.2 以先进设备工艺构建车间底层支撑

数字化车间是由软件系统和硬件系统集合而成的现代化生产体系,生产设备作为数字化车间生产制造活动的执行主体,在数字化车间构建过程中不仅应确保生产设备能够满足产品制造需求,还应保证生产设备能够很好的与信息化管理系统进行连接,从而及时、准确的接收和执行相关生产指令,并第一时间将产品生产相关数据信息反馈给管理系统,这就需要以工业机器人以及数控机床等先进设备和工艺构建数字化车间底层支撑,然后通过先进设备与信息化管理系统的连接,实现车间的数字化、自动化、智能化生产[5]。

5 结语

总之,数字化车间实现了对产品生产全过程的信息化管控,在提高车间生产质量、生产效率以及降低生产成本等方面有着非常显著的成效。加深了产品设计与产品生产之间的联系,借助信息化软件系统的仿真模拟功能,对产品设计方案以及制造工艺进行模拟分析,并对产品设计方案及制造工艺的合理性进行检验和优化,不仅极大提升产品设计效率和设计方案可靠性,还有效缩短产品设计方案转化为合格产品的时间。

引用

[1] 刘书伦,申玉霞.机械加工行业数字化车间的开发与研究[J].科技创新与应用,2019(31):99-100+104.

[2] 韩丰羽.数字化车间PLC互联互通关键技术的研究与实现[D].北京:中国科学院大学(中国科学院沈阳计算技术研究所),2020.

[3] 何玺,何波.数字化车间建设研究与实践[J].智能制造,2019(5):54-57.

[4] 戚宝运,许自力,毛勤俭.数字化车间MES系统构建[J].指挥信息系统与技术,2013,4(1):25-29.

[5] 苏新瑞,谷克宏,卫诗嘉,等.面向RDX制造过程的流程工业数字化车间构建技术研究[J].兵工自动化,2020,39(4):35-39+44.