01體系結構

 

數字化車間重點涵蓋產品生產制造過程，其體系結構如圖1所示，分為基礎層和執行層（數字化車間應用案例可參見GB/T 37393—2019附錄A）。

 

 

圖1 數字化車間體系結構圖

 

數字化車間的基礎層包括了數字化車間生產制造所必需的各種制造設備及生產資源，其中制造設備承擔執行生產、檢驗、物料運送等任務，大量采用數字化設備，可自動進行信息的采集或指令執行；生產資源是生產用到的物料、托盤、工裝輔具、人、傳感器等，本身不具備數字化通信能力，但可借助條碼、RFID等技術進行標識，參與生產過程并通過其數字化標識與系統進行自動或半自動交互。

 

數字化車間的執行層主要包括車間計劃與調度、生產物流管理、工藝執行與管理、生產過程質量管理、車間設備管理五個功能模塊，對生產過程中的各類業務、活動或相關資產進行管理，實現車間制造過程的數字化、精益化及透明化。由于數字化工藝是生產執行的重要源頭，對于部分中小企業沒有獨立的產品設計和工藝管理情況，可在數字化車間中建設工藝設計系統，為制造運行管理提供數字化工藝信息。

 

數字化車間各功能模塊之間的主要數據流如圖2所示。

 

（1）系統從企業資源計劃承接分配到車間的生產訂單，在車間計劃與調度模塊依據工藝路線分解為工序作業計劃，排產后下發到現場。

 

（2）工藝執行與管理模塊指導現場作業人員或者設備按照數字化工藝要求進行生產，并采集執行反饋給車間計劃與調度。若生產過程出現異常情況，不能按計劃完成，需敏捷協調各方資源，通過系統進行調度以滿足訂單需求。

 

（3）工藝執行過程中若需進行檢驗控制，由生產過程質量管理模塊將檢驗要求發送給檢驗員或檢驗設備執行檢驗，并采集檢驗結果，進行質量監控和追溯。

 

（4）生產現場需要的物料，根據詳細計劃排產與調度結果，發送相應物料需求給生產物流管理模塊，由倉庫及時出庫并配送到指定位置；生產完成將成品入庫，實現生產物料的管理、追蹤及防錯。

 

（5）生產執行過程的工藝執行、質量控制等結果反饋到車間計劃與調度，進行實時監控及生產調度，并形成完工報告反饋到更高一層企業資源計劃。

 

（6）數字化車間中大量的設備運維，通過車間設備管理模塊統一維護，提醒和指導設備人員定期保養，記錄維修保養結果。設備維保計劃與工序作業計劃需相互協調，以保證生產正常進行。

 

 

圖2 數字化車間數據流示意圖

 

02基本要求

 

1）數字化要求

數字化車間的資產和制造過程信息應數字化。數字化要求主要包括如下方面：

 

（1）制造設備數字化：數字化設備的比率應不低于70%。各行業可根據各自身特點規定相應行業數字化車間制造設備的數字化率。

 

（2）生產信息的采集：90%的數據可通過數字化車間信息系統進行自動采集。

 

（3）生產資源的識別：應能對數字化車間制造過程所需生產資源的信息進行識別。

 

（4）生產現場可視化：可通過車間級通信與監測系統，實現車間生產與管理的可視化。

 

（5）工藝設計數字化：數字化車間的工藝設計宜采用數字化設計方法，符合GB/T 37393—2019第8章要求。

 

2）網絡要求

數字化車間應建有互聯互通的網絡，可實現設備、生產資源與系統之間的信息交互。

 

3）系統要求

數字化車間應建有制造執行系統或其他的信息化生產管理系統，支撐制造運行管理的功能。

 

4）集成要求

數字化車間應實現執行層與基礎層、執行層與管理層系統間的信息集成。

 

5）安全要求

數字化車間應開展危險分析和風險評估，提出車間安全控制和數字化管理方案，并實施數字化生產安全管控。

 

03基礎層數字化要求

1）制造設備的數字化要求

 

（1）應具備完善的檔案信息，包括編號、描述、模型及參數的數字化描述；

 

（2）應具備通信接口，能夠與其他設備、裝置以及執行層實現信息互通；

 

（3）應能接收執行層下達的活動定義信息，包括為了滿足各項制造運行活動的參數定義和操作指令等；

 

（4）應能向執行層提供制造的活動反饋信息，包括產品的加工信息、設備的狀態信息及故障信息等；

 

（5）應具備一定的可視化能力和人機交互能力，能在車間現場顯示設備的實時信息及滿足操作的授權和處理相關的人機交互。

 

數字化制造設備的典型配置與功能要求參見GB/T 37393—2019附錄C。

 

2）生產資源的數字化要求

 

（1）在條碼及電子標簽等編碼技術的基礎上滿足生產資源的可識別性，包括生產資源的編號、參數及使用對象等的屬性定義；

 

（2）上述信息應采用自動或者半自動方式進行讀取，并自動上傳到相應設備或者執行層，便于生產過程的控制與信息追溯；

 

（3）識別信息可具備一定的可擴展性，如利用RFID進行設備及執行層的數據寫入。

 

04工藝設計數字化要求

 

數字化車間的工藝設計宜采用數字化設計方法，并滿足以下要求：

 

（1）采用輔助工藝設計，如三維工藝設計；

 

（2）能進行工藝路線和工藝布局仿真；

 

（3）能進行加工過程仿真和/或裝配過程仿真；

 

（4）建立工藝知識庫，包括工藝相關規范，成功的工藝設計案例，專家知識庫等；

 

（5）提供電子化的工藝文件，并可下達到生產現場指導生產；

 

（6）向制造執行系統輸出工藝BOM。

 

05車間信息交互

 

1）通信網絡

為執行數字化車間基礎層的工作任務處理，實現控制設備與現場設備之間的通信，可采用如下通信方式：

 

（1）現場總線：可采用PROFIBUS、CC-LINK、MODBUS、CAN等協議；

 

（2）工業以太網通信：可采用PROFINET、Ethernet/IP、EtherCAT、POWERLINK等協議；

 

（3）無線通信：工業無線（WIA-FA、WIA-PA）、WIFI、藍牙、3G/4G/5G等協議。

 

2）數據采集與存儲

數字化車間應在企業數據字典定義的數據采集內容基礎上，結合數據的實時性要求，利用合理的網絡通信方式與數據存儲方式進行數據的采集與存儲，并與企業級數據中心實現對接。包括：

 

（1）應能對車間所需數據進行采集、存儲和管理，并支持異構數據之間的格式轉換，實現數據互通。

 

（2）宜采用實時數據庫與歷史數據庫相結合的存儲方式：

 

實時數據庫：采集和儲存生產現場實時性較高的數據，支持執行層的各項應用，如OEE統計等；

 

歷史數據庫：宜采用關系數據庫，采集和儲存工藝設計和制造過程所需的相關主數據及過程數據。

 

（3）應具備信息安全策略，并支持更新和升級，如訪問與權限管理、入侵防范、數據容災備份與恢復等。

 

3）數據字典

數字化車間應建立數據字典，具體要求如下：

 

（1）包括車間制造過程中需要交互的全部信息，如設備狀態信息、生產過程信息、物流與倉儲信息、檢驗與質量信息、生產計劃調度信息等；

 

（2）描述各類數據基本信息，如數據名稱、來源、語義、結構以及數據類型等；

 

（3）支持定制化，各行業可根據各自特點制定本行業的數據字典。

 

06制造運行管理數字化要求

 

（1）能與數據中心進行信息的雙向交換；

 

（2）具有信息集成模型，通過對所有相關信息進行集成，實現自決策；信息集成模型要求詳見標準GB/T 33745—2017。

 

（3）模塊間能進行數據直接調用；

 

（4）模塊能與企業其他管理系統（如ERP、PDM等）實現信息雙向交互。