一种面向离散制造业集成车间的数字化系统设计

张宇 孙广明

摘要：对于离散制造业集成车间面临的生产信息不透明，缺乏集中监控和管理平台，管理者不能实时、全面、准确地了解生产实际情况，无法及时检查和处理现场等问题，通过构建集成车间生产数字化系统，解决离散集成车间多元数据难以协同带来的生产效率不高、产品不合格率高等问题。通过对车间生产物料、设备、过程的实时监控，达到精准生产与控制，提升生产效率与降低不合格产品率。将设备监控系统与生产设备控制系统结合起来，实现可视化的车间管理，促进提升效益。通过对车间生产过程的原料、生产计划、加工过程的信息采集，进行实时，精准生产。通过对生产设备的实时监控，确保产线生产安全和效率，达到降低不合格产品率，提质增效及提升资源的有效使用率。

关键词：数字车间;离散制造业;监控系统

中图分类号：TP391

文献标志码：A

文章编号：1009-9492 f 2022）02-0082-03

0 引言

“中国制造2025”战略指出，制造企业智能化是目前首要面临的挑战和问题[1]。车间作为生产制造企业的生产核心，其工作效率与组织生产的形式，将直接影响产品的质量与成本[2]。因此，为了提升离散制造企北的生产水平，促进其提升生产效率与产品质量，增强企业的竞争力，其数字化改造十分必要[3]。

离散制造业多种制造系统并行，以适应批次多、品种多、单件小批量等生产特点。离散制造车间存在数据繁多，实时监控困难，管理不透明等问题[4]，制约其生产效率的提升。新一代信息技术与制造技术结合，是必然发展趋势[5-6]。

离散制造业集成车间在组织生产时具备以下问题。

（1）订单和预测式驱动生产。集成车间的生产计划的驱动是订单式或基于对市场的预测。由于订单和对市场的预测变化频繁，因此生产排单变化频繁，难以精确。

（2）依据生产产品的特点，工序简单或复杂并存。产品的构成零部件种类众多，且不同产品的生产工序存在较大差别。普遍存在小批量试制等产品未定型情况，且生产周期、工序存在较大不确定性，对于关键生产资源争夺现象严重。

（3）生产的产品的质量、生产效率等因素很大程度上依赖于人工的技术熟练水平。生产过程中存在许多不确定因素和意外情况（如紧急订货、物料短缺、设备异常、人员变动、元件质量波动等），对生产作业的正常实施产生重大影响。

离散车间由不同的零件加工/装备子过程组成生产活动，本身具有生产多变和不确定性[8]。为了克服上述问题，部分离散制造企业在车间组织生产环节，采用信息化的方式来改善生产效率，即部署多种信息化软件，如PLM、MES、SCADA等。由于在不同系统中，应用软件和设备的联合应用，使得工厂管理的重要性日益突出。

（1）各个车间生产网络基础设施建设形态各异，尚未形成统一建设定式和标准，存在大量的“信息孤岛”和“信息烟囱”。

（2）生产信息化和生产白动化过程脱节，互不连接，缺乏有效统一的分析和管理平台。

生产车间信息不透明，缺乏集中的监控和可视化管理平台，管理者不能实时、全面、准确地了解生产实际情况，无法及时检查和处理，这也造成了车间管理的困境。车间管理面临的主要问题是“解决计划、材料、生产过程”。由于生产过程的不断更新，计划和执行层存在缺口。生产材料需求的计划是建立在理想稳定的基础上的，但在单位生产计划时间内，资源、环境可能发生改变，如设备的突然故障与维修、需求的变化等导致产品不合格率的上升、生产周期的延长，以至于影响参与生产的各班组的协同。为了避免这些问题，需要将计划、资源、生产串联起来，做到实时化、智能化、集成化地更新[9-14]。

为了更好地管控车间现场，需要对生产车间内生产设备进行监控管理。构建面向离散制造业集成车间的数字化系统，提高工厂对生产现场的管控能力，优化生产。

1 离散制造业集成车间的数字化系统

离散制造业集成车间的数字化系统核心功能如图1所示。离散制造业集成车间的数字化系统在整个生产组织、产品加工、资源处理和其他行业的技能培训、生产计划和调度方面统一协同，提供生产资源的合理的部署与配置、提高生产能力。实现业务流程的可视化，促进业务流程的持续优化。面向离散制造业集成车间的数字化系统设计以柔性、敏捷制造为目标，传感器网络、结合物联网技术和信息技术相結合，实现对离散制造车间的生产资源的负荷跟踪，提升流转效率和利用率，提升生产应变能力。通过采样生产过程数据，结合统计分析方法，为决策者提供充足依据，打造先进的生产管理体系。

1.1 计划管理

根据订单和生产计划建立生产计划管理系统，制定详细的生产计划（资源分配的生产活动）。订单优先顺序、供应、库存、库存、操作产品、功能、操作加工、资源等条件、资源限制、用户变更计划、按顺序分配日间操作计划、按次序调整至最优。

在系统设计过程中主要有以下需求。

（1）手动排产：该功能模块将总的计划进行分解，车间生产人员根据现场设备负荷、生产周期等情况在系统中进行手动计划排定、派工等操作，可具体到人员、设备等。

（2）跟踪生产速度：实时对车间生产现场订单执行情况的跟踪。

1.2 工艺管理

工艺过程管理与控制是系统中的重要组成部分与工具，是提产品生产效率，保证生产质量、确保生产安全和按期生产的重要方法。

工艺文件管理和图纸管理：系统可以统一管理生产技术文本和相关文件。

工艺流程管理：可以确定系统中的技术路线等。

工艺版本管理：可以管理技术路线版本等。

工艺审批管理：当系统中的技术过程或技术发生变更时，需要批准，方可执行。

1.3 设备管理

设备管理是对车间生产设备、生产规范、操作规程、管理制度、监测、故障诊断、技术维护、统计等模块。综合了生产设施、操作规程和控制系统、运行控制、故障诊断、维护、电流统计等模块的总管理，建立设备管理档案，对设备调整、更新、使用、维护、状态等信息全方位记录，有利于提升设备使用效率与正常运行。

1.4 生产看板

生产看板是部署在集成车间的显示工具，直接影响到产线的产能。动态汇集显示生产状态信息，如产量汇总、报警提示、生产效率等，帮助生产人员和管理人员进行生产状态监控与预警。

1.5 异常管理

在生产过程中可能出现异常，如设备故障、材料短缺、生产异常等情形，系统在出现异常时会进行异常监测、异常监测、异常報告调整，以及定期报告和报告。快速传递信息、调用应用程序、实时显示、统计分析、报表等，实时传递信息和过程控制、设备状态、质量问题、物料供应等，支持整个生产过程。

当质量、技术、设备、设备、设备参数是不正常的警报信号时，根据事先确定的人员、处理时间和提醒，如果未及时处理，则按步骤发出警报。当出现生产异常时，异常信息实时快速上报、显示、统计分析、报告生成等，提供和管理实时过程跟踪，覆盖工作顺序、设备状况、质量问题、材料供应等范畴，实现异常快速定位。对生产过程中可能出现的异常情况提前进行维护，根据不同的异常采用不同的方式进行处理。

1.6 质量管理

控制车间产品质量管理、降低生产不合格率，提高产出质量和满足客户需求。针对关键业务设置指，包含检查质量控制和质量控制参数控制，大大降低生产工序的质量问题。通过现场人员填报和产线跟踪提交当前生产过程中产品质量问题，如自检、报废、返修等数据。在关键工序生产完成后，根据需要进行工序质检，并根据任务进行质检数据提交，并提交产品不合格时的处理方式，如返修、报废等。质量管理主要是为了控制产品生产过程质量，降低生产风险，提高合格率和客户满意度，针对关键工序设置检验指导内容、质检项及参数供质检人员对比确认，大大降低了因上道工序存在的质量问题继续加工生产而带来的损失。

2 结束语

通过加工原材料、生产计划信息、加工过程的透明度、实时性、配送的准确性，控制生产设施的运行，保证生产配送的及时进行，提高效率，提高客户满意度。产品生命周期可视化、过程瓶颈分析、有效促进生产协调、减少生产故障、提高部门合作效率。为避免通过人为干预造成数据传输延迟，降低存储成本，通过对异常信息的可视化和信息的实时存储，建立了一个透明、实时、现代化的智能车间。通过对离散制造业集成车间生产数字化系统的构建，更好地管理车间内的生产设备、优化生产，需要适合车间本身的数字化系统，将设备监控系统与生产设备控制系统结合起来，实现可视化的车间管理，促进提升效益。通过对车间生产过程的原料、生产计划、加工过程的信息采集，进行实时、精准生产。通过对生产设备的实时监控，确保产线生产安全和效率，达到降低不合格产品率，提升客户满意度。

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