面向數(shù)字化工廠建設(shè)的數(shù)據(jù)應(yīng)用研究

1、 面向數(shù)字化工廠建設(shè)的數(shù)據(jù)應(yīng)用研究 導(dǎo)讀本文介紹了數(shù)字化工廠中數(shù)據(jù)采集應(yīng)用的建設(shè)方案，從數(shù)字化工廠的基本條件和數(shù)據(jù)采集以及工廠信息化系統(tǒng)的功能分析開始，充分利用數(shù)字化工廠中生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，挖掘內(nèi)涵，以指標(biāo)評(píng)價(jià)、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)為目標(biāo)，提出數(shù)據(jù)應(yīng)用的實(shí)施方案、存在的問題以及建議。0 引言自2013年德國(guó)提出了“工業(yè)4.0”的概念后，以兩化融合為特點(diǎn)的第四次工業(yè)革命的趨勢(shì)也愈加明顯。智能工廠的建設(shè)前提是數(shù)字化工廠中從頂層到底層的系統(tǒng)集成和數(shù)據(jù)貫通，將數(shù)字信息結(jié)合人工智能的算法，深度挖掘數(shù)據(jù)內(nèi)涵，才能逐步形成智能化的應(yīng)用。全面實(shí)現(xiàn)數(shù)字化是通向智能制造的必由之路，“數(shù)據(jù)”是智能化的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)的應(yīng)用關(guān)系到數(shù)字化工

2、廠的質(zhì)量、效率和效益，也是邁向智能制造的必經(jīng)之路1。1 數(shù)字化工廠數(shù)據(jù)應(yīng)用架構(gòu)數(shù)字化工廠的基本特點(diǎn)是業(yè)務(wù)流與信息流的融合，一是從產(chǎn)品設(shè)計(jì)（產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)TC）、資源配置（企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)ERP）、制造執(zhí)行（制造執(zhí)行系統(tǒng)MES）及底層生產(chǎn)線的業(yè)務(wù)流全部實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的格式實(shí)現(xiàn)和傳遞2；二是從產(chǎn)品生產(chǎn)過程中生成并采集上來的各種數(shù)據(jù)可以回傳歸集，在管理平臺(tái)上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，形成質(zhì)量預(yù)警、管理問題的依據(jù)，用數(shù)據(jù)形成質(zhì)量提升和管理改善的驅(qū)動(dòng)力。以此為出發(fā)點(diǎn)，數(shù)字化工廠數(shù)據(jù)應(yīng)用的架構(gòu)為圖1所示。圖1數(shù)據(jù)應(yīng)用架構(gòu)根據(jù)精益管理的“七零”項(xiàng)點(diǎn)，按照設(shè)備、安全、質(zhì)量、交付和成本五大方面（S2QDC），將采集上來的過

3、程數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，形成評(píng)價(jià)各產(chǎn)線、各區(qū)域的考核內(nèi)容匯總形成逐級(jí)所需的信息進(jìn)行展示和推送，在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、質(zhì)量和管理不同層級(jí)，按人員角色、管理層級(jí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行利用，形成推動(dòng)企業(yè)發(fā)展的動(dòng)力。圖2 數(shù)據(jù)應(yīng)用層級(jí)2數(shù)據(jù)應(yīng)用方案2.1設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)貫通設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的貫通包含企業(yè)層級(jí)的信息化平臺(tái)之間數(shù)據(jù)的互通，同時(shí)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)向生產(chǎn)線執(zhí)行工位傳遞的數(shù)據(jù)能夠自動(dòng)識(shí)別，不需二次轉(zhuǎn)化3。2.1.1企業(yè)信息化平臺(tái)數(shù)據(jù)互通企業(yè)制造環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)源頭是以產(chǎn)品構(gòu)型為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)形成的工藝設(shè)計(jì)，質(zhì)檢策劃要基于工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行檢驗(yàn)信息的策劃。工藝設(shè)計(jì)和質(zhì)檢策劃數(shù)據(jù)包含的工藝流程、物料、工藝文件、檢驗(yàn)要求等信息，以此為依據(jù)向ERP、MES、WMS、QM

4、S等系統(tǒng)傳輸一整套統(tǒng)一的數(shù)據(jù)，作為指導(dǎo)生產(chǎn)的數(shù)據(jù)，以此保證數(shù)據(jù)流上下傳送時(shí)，同一數(shù)據(jù)的共享和利用。作為企業(yè)規(guī)劃的整體信息平臺(tái)，企業(yè)數(shù)據(jù)總線要將各系統(tǒng)連接起來。（圖3）圖3 企業(yè)信息化平臺(tái)數(shù)據(jù)互通2.1.2生產(chǎn)線執(zhí)行數(shù)據(jù)與企業(yè)信息平臺(tái)的互通生產(chǎn)線執(zhí)行工位需要以工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)在企業(yè)信息化平臺(tái)一次設(shè)計(jì)后，經(jīng)過審核及版本管理，作為根本依據(jù)指導(dǎo)生產(chǎn)和制造過程，同時(shí)規(guī)范體系管理的執(zhí)行。其中生產(chǎn)線與企業(yè)信息平臺(tái)的數(shù)據(jù)貫通需按類梳理接口數(shù)據(jù)。（圖4）圖4工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與執(zhí)行工位數(shù)據(jù)聯(lián)通2.2基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的作用當(dāng)工藝設(shè)計(jì)的文件、程序等下發(fā)到產(chǎn)線后，人員、質(zhì)量、生產(chǎn)和設(shè)備等過程管理的數(shù)據(jù)就需要從制造底層的產(chǎn)線執(zhí)行中采用數(shù)

5、據(jù)采集與控制系統(tǒng)（SCADA）獲取4。數(shù)據(jù)的采集可分為自動(dòng)采集和人工手動(dòng)采集，根據(jù)企業(yè)的裝備水平、工位節(jié)拍配置來確定采集方式5。最終目的是要滿足數(shù)字化信息的需求，從制造過程和管理角度來看以工位為最小作業(yè)單元收集的過程數(shù)據(jù)主要用于以下方面：2.2.1質(zhì)量檢驗(yàn)文件的填寫根據(jù)工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行的質(zhì)檢策劃要求，其質(zhì)量管控項(xiàng)點(diǎn)和工藝執(zhí)行過程同步，在工位執(zhí)行工藝要求時(shí)進(jìn)行質(zhì)量數(shù)據(jù)的采集，同時(shí)質(zhì)量數(shù)據(jù)可以用于質(zhì)量檢驗(yàn)文件的填寫，取消人工填寫作業(yè)。2.2.2 管理數(shù)據(jù)指標(biāo)分析為滿足工藝、生產(chǎn)、質(zhì)量、設(shè)備和人員等管理需要，生產(chǎn)過程采集的數(shù)據(jù)需轉(zhuǎn)化成管理語(yǔ)言才能使用，單純的數(shù)據(jù)無(wú)法表達(dá)管理內(nèi)涵和暴露問題。在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集

6、上來以后，必須進(jìn)行管理邏輯的處理，形成指標(biāo)數(shù)據(jù)，如設(shè)備利用率、工位節(jié)拍等。（圖5）圖5 管理指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析2.3 關(guān)鍵指標(biāo)評(píng)價(jià)采集的工位數(shù)據(jù)，其包含的內(nèi)容和類別是最全面的，工位、產(chǎn)線級(jí)的管理數(shù)據(jù)采集完成，產(chǎn)線、區(qū)域及企業(yè)不同層級(jí)的需求篩選和歸集后，按照精益管理的需求轉(zhuǎn)化成所需要的管理數(shù)據(jù)6。管理數(shù)據(jù)對(duì)照管理要求進(jìn)行指標(biāo)分解，融入管理理念和要求，實(shí)施指標(biāo)評(píng)價(jià)，并制定管理規(guī)范，形成可利用的、可落地實(shí)施的數(shù)據(jù)。圖6 管理指標(biāo)分解2.4 事件管理中心制造過程數(shù)據(jù)收集完成并初步加工形成管理指標(biāo)，規(guī)范指標(biāo)管理要求后，生產(chǎn)線運(yùn)營(yíng)過程中，就需對(duì)超出管理指標(biāo)閾值的“異常事件”進(jìn)行按責(zé)任單位分配，各責(zé)任部門對(duì)超閾值

7、指標(biāo)和異常事件實(shí)施關(guān)閉，分析原因制定整改措施，形成管理提升，達(dá)到閉環(huán)管理目的。（圖7）圖7事件管理指揮中心3 存在的問題與建議數(shù)字化工廠的建設(shè)涉及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、工藝裝備升級(jí)、信息化平臺(tái)，甚至企業(yè)管理職責(zé)及組織架構(gòu)的更改7，在推進(jìn)數(shù)字化產(chǎn)線建設(shè)，探索智能制造模式的過程中，結(jié)合自身的經(jīng)驗(yàn)及遇到的問題如下：3.1 基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)對(duì)數(shù)字化工廠數(shù)據(jù)貫通和應(yīng)用影響大制造型企業(yè)一旦開始業(yè)務(wù)流與數(shù)據(jù)流的融合一體運(yùn)行，數(shù)據(jù)上傳下達(dá)的實(shí)時(shí)性要求很高，工廠車間設(shè)備設(shè)施對(duì)網(wǎng)絡(luò)影響較大，尤其是基礎(chǔ)有線網(wǎng)絡(luò)，特別是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，事先需要進(jìn)行信號(hào)強(qiáng)度的評(píng)估，必要時(shí)需建設(shè)5G網(wǎng)絡(luò)。3.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集難度大制造型企業(yè)涉及專業(yè)

8、較多，一般來說焊接、加工、組裝、測(cè)量等交叉組合形成完整生產(chǎn)線，數(shù)據(jù)類型有扭矩、線性尺寸、圖片、時(shí)間、人員信息等，僅線性尺寸的采集也因工件尺寸、測(cè)量能力等限制各有不同。固對(duì)于底層數(shù)據(jù)采集需事先進(jìn)行調(diào)研，自動(dòng)和手動(dòng)收集合理匹配。建議人工成本不高、節(jié)拍要求不嚴(yán)的，可提高人工采集的比例，降低建設(shè)成本8。3.3 系統(tǒng)平臺(tái)功能劃分和數(shù)據(jù)接口宜提前規(guī)劃當(dāng)前提供企業(yè)信息化平臺(tái)的公司提供軟件功能模塊界限重合度越來越高，企業(yè)要根據(jù)自身特點(diǎn)提前規(guī)劃信息系統(tǒng)平臺(tái)的功能劃分；涉及多系統(tǒng)的，要規(guī)范數(shù)據(jù)接口、形成標(biāo)準(zhǔn)，防止重復(fù)建設(shè)和多次投資9。3.4 管理模式和組織職能要靈活調(diào)整數(shù)字化工廠數(shù)據(jù)應(yīng)用將改變一線的操作模式、質(zhì)量

9、管理模式和企業(yè)管理的流程，企業(yè)推進(jìn)數(shù)據(jù)應(yīng)用和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)管理的過程中，要對(duì)管理模式、組織職能隨時(shí)調(diào)整，建議先在小區(qū)域內(nèi)試點(diǎn)試行，摸索經(jīng)驗(yàn)，成熟后推廣。4結(jié)論隨著信息技術(shù)的進(jìn)步，尤其是AI、5G技術(shù)的成熟應(yīng)用10，在中國(guó)制造2025國(guó)家戰(zhàn)略和人口紅利消退的時(shí)代背景下，數(shù)字化工廠的建設(shè)已是實(shí)現(xiàn)企業(yè)轉(zhuǎn)型、提高核心競(jìng)爭(zhēng)力的手段，在軌道行業(yè)建設(shè)“國(guó)家名片”的道路上，從電子、汽車產(chǎn)業(yè)等成熟產(chǎn)業(yè)的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，打造新模式逐步推廣應(yīng)用：企業(yè)數(shù)字化平臺(tái)的數(shù)據(jù)貫通架構(gòu)可以相互借鑒，在主流軟件平臺(tái)的應(yīng)用上契合度較高?；A(chǔ)數(shù)據(jù)的采集在不同行業(yè)不同企業(yè)的差異性較小，投資規(guī)模和平臺(tái)模式相近的，數(shù)據(jù)采集的方式和方法值得推廣和借鑒。

10、對(duì)于焊接廠房和設(shè)備設(shè)施密集型的車間，建議以有線網(wǎng)絡(luò)為主，工位附近通過無(wú)線連接數(shù)據(jù)采集終端，如掃碼槍、PAD等手持終端。每個(gè)企業(yè)編制數(shù)字化工廠數(shù)據(jù)應(yīng)用的管理規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)應(yīng)用只是工具，通過體系文件進(jìn)一步規(guī)范管理、提升效益才是根本。參考文獻(xiàn)：1 全面實(shí)現(xiàn)數(shù)字化是通向智能制造的必由之路J.中國(guó)機(jī)械工程,2018:366-377.2 淺析數(shù)據(jù)集成在數(shù)字化工廠建設(shè)中定位與實(shí)現(xiàn)J.信息系統(tǒng)工程,2017,10:138-141.3 數(shù)字化工廠制造過程管理系統(tǒng)在汽車生產(chǎn)線上的應(yīng)用J.科技資訊,2015(29):71-72.4 數(shù)字化工廠的構(gòu)建J.電子工藝技術(shù),2017:193-196.5 基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字化工廠中質(zhì)量管理信息采集J.制造技術(shù)與機(jī)床,2016(7):126-129.6 數(shù)字化工廠管理系統(tǒng)J.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程,