在实现智能制造过程中智能工厂的升级方向

作为智能制造核心的智能工厂,其基本设想是制造的整个生产价值链中所集成的生产设施能够实现自组织,以及能够根据当前的状况灵活地决定生产过程。数字化车间的目标是建立一个高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式。在这种模式中,传统的行业界限将消失,并会产生各种新的活动领域和合作形式。

 

在智能制造中每个工厂企业都将建立“数字企业平台”,通过开放接口将虚拟环境与基础架构融为一体,从而构成信息物理融合系统(CPS),生产自动化系统将升级为信息物理融合生产系统。智能制造将由集中式控制向分散式增强型控制基本模式转变。在这种模式中,传统的行业界限将消失,并会产生各种新的活动领域和合作形式。创造新价值的过程正在发生改变,产业链分工将被重组,将使人类从“自动化生产”进入“智能化生产、绿色生产、都市化生产”。

智能制造将成为智能的网络世界的一部分。在一个智能的网络世界,所有主要工业领域都将感受到它的存在。物联网及其服务推动这些领域产生重大变革,从而产生了能源领域的智能电网,可持续的移动策略(智能汽车、智能仓储) 以及健康领域的智能健康。在制造环境中,实现横跨整个价值网络的垂直网络化、端到端工程和水平集成,价值网络上的产品和系统日益智能化。

智能制造集中于创建智能产品、规范和方法。智能工厂制定智能制造的主要细节内容。智能工厂能够管控各种复杂情况,很少发生停车,并能更有效地制造产品。在智能工厂中,人员、机器和资源相互之间进行通信,就像在社交网络一样。智能产品能够知道它们被制造和打算被使用的详细情况。它们主动支持制造过程,回答诸如“什么时候我被加工?”“处理产品的哪一个参数?”“产品被传递到何处?”等问题。智能产品与智能汽车、智能物流和智能电网相对接,将使得智能工厂成为将来智能基础设施的主要部分。这将使常规价值链发生变革,并出现新的业务模式。

在实现智能制造过程中,目的是通过建立在劳动力技能、特长和知识专利基础上的系统创新进程,通过影响现有技术和经济潜能的手段,创建一个最佳的、全面的一揽子解决方案。智能制造将能够为工程、规划、制造、运行和物流整个过程,提供整套具有更强的灵活性、可靠性以及高质量的标准,从而能够有效创建动态的、实时最佳的、自组织的价值链。该价值链可以按照诸如成本、可用性和资源消耗等各种准则实现最佳化。

智能制造在战略层面能够创建水平价值网络,在业务流程层面(包括工程)提供跨越整个价值链的端到端集成,同时能够实现垂直集成和网络化制造系统,具体化为以下三方面特征。

(1) 水平集成:为了构建和成功地扩展两个主导的市场,位于不同地方的业务部门构成闭合的全局网络是十分必要的,同时不同的企业之间必须开展紧密合作,这就需要不同的价值创建阶段和产品生命周期及其相应的制造系统的逻辑的、端到端的数字集成。在生产、自动化工程和工厂领域,水平集成是指用于制造和业务规划流程不同阶段的各种工厂系统的集成,其中包括在公司内部和几个不同公司之间的集成。该集成的目标是提供端到端的解决方案。

(2) 端到端系统工程:跨越整个价值链的端到端系统工程包括产品设计和开发、生产规划、生产工程、生产实施以及服务五个阶段。五个阶段的具体任务如下。

① 产品设计和开发:使用PLM 软件虚拟开发、规划和最佳化,用虚拟原型有效缩短开发时间,对原型进行虚拟分析。

② 生产规划:工业软件和自动化技术集成,用工业软件仿真生产规划并进行最佳化,缩短上市时间。

③ 生产工程:在独立系统之间无缝通信,对所有的自动化任务进行统一的访问,建立统一的信息平台。

④ 生产实施:采用节能和节约资源的部件及其解决方案提高生产效率,通过MES 系统获得最佳生产性能,采用自动化和驱动集成解决方案。

⑤ 服务:在垂直市场和生产过程知识专利基础上,建立与产品、系统以及应用有关的全生命周期服务,远程诊断与维护能源管理服务,自动化系统功能安全和信息安全评估与测试等。端到端系统工程需要采用跨越不同技术学科的性能整体性系统工程方法。

贯穿工程流程的端到端数字集成,横跨不同的公司和整个产品价值链,同时考虑用户需求,将数字世界和真实世界进行集成。端到端数字系统工程和由此产生的价值链最优化,将意味着用户不再选择由制造商指定的预先定义了性能范围的产品,取而代之的是将单个功能和部件配合,以满足指定的要求。

通过CPS 实现的基于模型的开发,允许采用一种端到端、模型化的数字方法,它包括从用户需求到产品结构,直至最终产品生产。这就使得在一个端到端系统工程工具链中就能识别和描述所有的依赖关系。基于同一模型能够平行地开发制造系统,这就意味着它与产品的开发始终保持并驾齐驱,其结果是使得制造单批量产品亦能获利成为可能。

(3) 垂直集成和网络制造系统:垂直集成是指为了能够实现端到端的解决方案,在不同层级(例如执行器和传感器、控制、生产、管理、制造和执行以及公司规划级)的各种工厂系统的集成。垂直集成的基础架构就在一个具体的工厂内。在将来的智能工厂中,制造流程的结构将不再是固定的和预先定义的。取而代之,将定义一套IT 配置规则。该规则依据模型、数据、通信和算法,能够依据各种情况,针对每个处境构建一个特定的结构(拓扑),从而实现制造系统的自组织和重新配置性。

为了实现垂直集成,需要确保执行器和传感器信号能够跨越不同层级,一直传送到ERP 级。由于CPS 信息物理融合系统进入制造和物流的技术集成,以及在工业流程中使用物联网及其服务,从而产生了创新的工厂系统———智能工厂。

完全不同于传统的工厂自动化系统,智能工厂采用面向服务的体系架构,对应于传统自动化系统的现场级,使用物联网技术;对应于控制级,采用CPPS 信息物理融合生产系统;对应的监控管理级连接到安全可靠和可信的云网络主干网,采用服务互联网提供的服务。