系統(tǒng)工程應(yīng)用中心 賈大偉 殷 虎 唐 冬
航空制造作為離散制造業(yè)的典型代表,為了對(duì)制造現(xiàn)場(chǎng)的資源進(jìn)行集約束管理,需要對(duì)企業(yè)經(jīng)營(yíng)業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理,從而帶動(dòng)資源要素的價(jià)值鏈升級(jí)。一方面,在生產(chǎn)生命周期中,主要通過(guò)對(duì)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)集成技術(shù)、制造過(guò)程在線監(jiān)測(cè)技術(shù)、工業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用,構(gòu)建以MES 系統(tǒng)為核心驅(qū)動(dòng)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的企業(yè)集成應(yīng)用業(yè)務(wù)平臺(tái);另一方面,在產(chǎn)品生命周期中,主要從產(chǎn)品需求收集、設(shè)計(jì)工藝協(xié)同、生產(chǎn)制造到售后運(yùn)維、產(chǎn)品報(bào)廢的各個(gè)階段,通過(guò)對(duì)SCM、PDM 等系統(tǒng)的深度融合集成,全面實(shí)現(xiàn)裝備產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、加工、裝配、檢測(cè)、質(zhì)控,到物流、服務(wù)的全數(shù)字化貫通。
1、數(shù)字化車間架構(gòu)
數(shù)字化車間將信息、網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)化、現(xiàn)代管理與制造技術(shù)相結(jié)合,在車間形成數(shù)字化制造平臺(tái),改善車間的管理和生產(chǎn)等各環(huán)節(jié),從而實(shí)現(xiàn)智能制造。數(shù)字化車間的核心是MES 系統(tǒng),系統(tǒng)以SCADA 系統(tǒng)采集到的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為數(shù)源,借助自動(dòng)化和智能化技術(shù)手段,實(shí)現(xiàn)車間制造控制智能化、生產(chǎn)過(guò)程透明化、制造裝備數(shù)控化和生產(chǎn)信息集成化。數(shù)字化車間的架構(gòu)如圖所示。
生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的制造信息是管理者掌握生產(chǎn)節(jié)拍、進(jìn)行調(diào)整與決策的基礎(chǔ)。車間制造過(guò)程數(shù)據(jù)可以分為三類: 靜態(tài)數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和中間數(shù)據(jù)。
1)靜態(tài)數(shù)據(jù)是指一般來(lái)說(shuō)不會(huì)發(fā)生變化的數(shù)據(jù),例如物料的編碼、加工者的內(nèi)部編號(hào)、加工設(shè)備編號(hào)、庫(kù)房編號(hào)等。
2)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)是指在制造過(guò)程中 ,隨著零件狀態(tài)的變化,也會(huì)發(fā)生變化的一類數(shù)據(jù)。這類數(shù)據(jù)包括零件的加工工序、尺寸、物流信息、開(kāi)工完工時(shí)間、零件狀態(tài)等。
3)中間數(shù)據(jù)是指從管理的需求角度出發(fā),需要把采集的靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、處理,由此而得到的數(shù)據(jù)就是中間數(shù)據(jù)。如管理系統(tǒng)有時(shí)需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行批量處理,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行格式化,以滿足處理或模塊之間的通信需要。

數(shù)字化車間架構(gòu)
2、設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
1)系統(tǒng)需求分析
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)采集、分析現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)車間現(xiàn)場(chǎng)的管理。制造現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)具有種類繁多、并發(fā)數(shù)大、狀態(tài)復(fù)雜多變、數(shù)據(jù)異構(gòu)性強(qiáng)等特點(diǎn),且不同數(shù)據(jù)之間具有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。如何對(duì)這類數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、建模、存儲(chǔ)、查詢、交換、分析和使用,已經(jīng)成為目前制造企業(yè)普遍存在的難點(diǎn)和亟待解決的問(wèn)題。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
a) 車間分期建設(shè),規(guī)劃不統(tǒng)一,多源、異構(gòu)數(shù)據(jù)信息采集困難,設(shè)備接口復(fù)雜多樣,生產(chǎn)中存在信息孤島。
b) 設(shè)備無(wú)法依據(jù)計(jì)劃、工藝要求和參數(shù)配置來(lái)自動(dòng)加載、切換程序,與信息化系統(tǒng)中間有斷層;信息化系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)并存、量多而復(fù)雜,數(shù)據(jù)壓縮、存儲(chǔ)、交互困難。
c) 產(chǎn)品設(shè)計(jì)未考慮信息交換,制程跟蹤不完整;工藝設(shè)計(jì)未考慮信息交換,生產(chǎn)系統(tǒng)缺少監(jiān)視手段;存在大量的手工錄入環(huán)節(jié),錯(cuò)誤率高,時(shí)效性差。
d) 數(shù)據(jù)分析環(huán)節(jié)薄弱,無(wú)法關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)模型,決策樹無(wú)法建立,決策響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。
e) 可視化程度不高,協(xié)同作業(yè)效率低,信息化系統(tǒng)集成耦合性不強(qiáng),企業(yè)資源優(yōu)化過(guò)程中關(guān)鍵業(yè)務(wù)呈強(qiáng)隱性狀態(tài)。
2)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本次驗(yàn)證項(xiàng)目為某航空單位數(shù)字化車間,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖所示。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)總線技術(shù)、設(shè)備集成接口技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的連接與通信。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)依據(jù)專有協(xié)議、OPC 協(xié)議、數(shù)據(jù)庫(kù)協(xié)議等,支持PLC 控制器數(shù)據(jù)采集、質(zhì)量作業(yè)文件導(dǎo)入、手工錄入等數(shù)據(jù)采集方式。由相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ),支持?jǐn)?shù)據(jù)并發(fā)處理、數(shù)據(jù)優(yōu)化以及實(shí)時(shí)推送服務(wù)。在系統(tǒng)部署上,采用CS/BS 混合部署架構(gòu),支持業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)看板、圖形界面展示、歷史數(shù)據(jù)查詢、報(bào)表打印輸出以及與其他信息化系統(tǒng)交互等功能。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)
3、應(yīng)用成效
通過(guò)某航空單位數(shù)字化車間項(xiàng)目的實(shí)施,對(duì)該企業(yè)主要車間的現(xiàn)場(chǎng)布局、設(shè)備擺放、采集形式等進(jìn)行總體布局規(guī)劃,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)借助設(shè)備互聯(lián)互通技術(shù),搭建車間設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)布局,使設(shè)備具有聯(lián)網(wǎng)條件。同時(shí)應(yīng)用數(shù)據(jù)采集技術(shù)支持軟硬一體化的數(shù)據(jù)央采方案,對(duì)工控設(shè)備、數(shù)控機(jī)床、PLC 設(shè)備、測(cè)量設(shè)備等進(jìn)行多維度數(shù)據(jù)采集,實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)、運(yùn)行能耗數(shù)據(jù)、工藝生產(chǎn)參數(shù)等企業(yè)重點(diǎn)關(guān)注信息的可視化展示與遠(yuǎn)程監(jiān)控,從而支持生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)與生產(chǎn)任務(wù)的閉環(huán)反饋。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)驗(yàn)證了面向數(shù)字化車間的設(shè)備互聯(lián)互通系統(tǒng)解決方案,滿足設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸,并利用系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的建模、處理與分析,用以優(yōu)化設(shè)備管理,支持設(shè)備OEE 分析,有效保障設(shè)備的穩(wěn)定高效運(yùn)行,降低生產(chǎn)設(shè)備損耗。另一方面,通過(guò)對(duì)制造現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、質(zhì)量數(shù)據(jù)、運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)等信息的實(shí)時(shí)感知,幫助企業(yè)管理者以此作為生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化的輔助決策,提高企業(yè)的總體生產(chǎn)效率。
4、結(jié)論
從智能制造的角度出發(fā),數(shù)據(jù)采集技術(shù)是構(gòu)建數(shù)字化車間的基礎(chǔ),是工業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用的源頭。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)車間的業(yè)務(wù)管理、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)追溯,既提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率,也能促進(jìn)生產(chǎn)方式朝著智能化、無(wú)紙化方向發(fā)展,有較好的業(yè)務(wù)價(jià)值和發(fā)展前景。在后續(xù)的擴(kuò)展應(yīng)用中,將充分利用互聯(lián)互通沉淀下的數(shù)字資產(chǎn),深化在工藝仿真、數(shù)字孿生等方向的業(yè)務(wù)集成應(yīng)用,為智能工廠建設(shè)開(kāi)拓一種新的運(yùn)營(yíng)模式和方法。
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