數(shù)字孿生在制造運(yùn)營(yíng)應(yīng)用的誤解
近年來(lái)，數(shù)字孿生技術(shù)（Digital Twin）成為各界關(guān)注的熱點(diǎn)，大家常討論新產(chǎn)品設(shè)計(jì)和虛擬測(cè)試、自動(dòng)控制系統(tǒng)和生產(chǎn)線虛擬調(diào)試、產(chǎn)品遠(yuǎn)程監(jiān)控和運(yùn)維等場(chǎng)景。似乎很少有人討論制造運(yùn)營(yíng)環(huán)節(jié)中的數(shù)字孿生！很多人認(rèn)為在制造運(yùn)營(yíng)中數(shù)字孿生的應(yīng)用場(chǎng)景主要是工廠數(shù)據(jù)采集與運(yùn)行監(jiān)控，而且一定要使用三維可視化技術(shù)，我認(rèn)為這是非常大的誤解！
圖數(shù)字孿生在工廠運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的主要應(yīng)用是工廠可視化監(jiān)控嗎？
筆者認(rèn)為，基于可視化技術(shù)的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控的確是重要的，數(shù)字孿生在制造運(yùn)營(yíng)中的更大價(jià)值是利用對(duì)工廠運(yùn)營(yíng)的實(shí)時(shí)感知，利用工業(yè)智能技術(shù)對(duì)工廠的運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)進(jìn)行更高層次的實(shí)時(shí)綜合調(diào)度和優(yōu)化，從而提高工廠運(yùn)營(yíng)效率、提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短制造周期。
建立物理工廠的數(shù)字孿生模型
物理工廠中包含許許多多的物理對(duì)象，工廠、車(chē)間、班組、人、生產(chǎn)設(shè)備、工具工裝、立體庫(kù)、庫(kù)區(qū)、貨位、AGV、叉車(chē)、堆垛機(jī)、輸送線、原材料、零部件、在制品、成品、批次、容器……
構(gòu)建物理工廠數(shù)字孿生模型，包括一系列彼此相關(guān)的模型，例如組織模型、人員模型、產(chǎn)品模型、工藝模型、車(chē)間布局模型、產(chǎn)線模型、柔性單元模型、產(chǎn)能模型、倉(cāng)儲(chǔ)模型、物流模型、質(zhì)控模型、資源運(yùn)維模型……
通過(guò)數(shù)字孿生工廠模型實(shí)現(xiàn)對(duì)物理工廠的感知和控制，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體狀態(tài)的實(shí)時(shí)感知，并基于工業(yè)智能，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工廠運(yùn)營(yíng)的持續(xù)優(yōu)化。
我用如下圖來(lái)解釋數(shù)字孿生在制造過(guò)程中的應(yīng)用：
可以總結(jié)為以下四個(gè)方面：
（1）通過(guò)工業(yè)物聯(lián)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)等生產(chǎn)要素的感知，實(shí)時(shí)掌控整個(gè)工廠的狀態(tài)，是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生工廠的基礎(chǔ)；
（2）利用工業(yè)智能技術(shù)，體現(xiàn)了工業(yè)大腦的作用，實(shí)現(xiàn)了更高層次的實(shí)時(shí)綜合調(diào)度和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)工廠運(yùn)營(yíng)整體效能的提升；
（3）利用中間件、邊緣計(jì)算、自主控制等技術(shù)，通過(guò)指令和動(dòng)作的分解、將業(yè)務(wù)指令進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)作業(yè)控制指令；
（4）實(shí)現(xiàn)對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)物流、制造執(zhí)行、質(zhì)量控制的精準(zhǔn)執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)高度柔性自動(dòng)化的智能生產(chǎn)，將數(shù)字工廠的智能作用于物理工廠。
執(zhí)行的結(jié)果可以進(jìn)一步被感知，從而形成閉環(huán)和持續(xù)優(yōu)化。
將李培根院士數(shù)字孿生與智能裝備的比喻改寫(xiě)一下，應(yīng)用在數(shù)字孿生工廠：數(shù)據(jù)是智能工廠的
可以想象一下，對(duì)于多品種、小批量，大規(guī)模定制場(chǎng)景下的高度柔性自動(dòng)化生產(chǎn)，如果缺少這樣一個(gè)數(shù)字孿生模型，這個(gè)工廠將無(wú)法高效運(yùn)轉(zhuǎn)。
柔性自動(dòng)線為啥沒(méi)發(fā)揮出應(yīng)有效益
隨著個(gè)性化定制的需求越來(lái)越突出，多品種、小批量、短交期對(duì)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理造成了很大難度。建立數(shù)字孿生工廠對(duì)于多品種、小批量，大規(guī)模定制場(chǎng)景下的柔性自動(dòng)化生產(chǎn)尤為重要。
圖大規(guī)模定制下產(chǎn)品生產(chǎn)的特點(diǎn)
個(gè)性化定制生產(chǎn)企業(yè)普遍面臨著如下困難，比較典型的包括：計(jì)劃編制的困難、成套和缺件的困難、高庫(kù)存和在制品、多個(gè)部門(mén)之間協(xié)同的困難、柔性自動(dòng)化產(chǎn)線集成的困難、生產(chǎn)過(guò)程的管控、應(yīng)對(duì)變更和插單的困難等。
圖定制化生產(chǎn)面臨的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題
許多企業(yè)意識(shí)到要解決柔性自動(dòng)化，必須考慮建設(shè)柔性自動(dòng)化和智能工廠。許多企業(yè)建設(shè)智能工廠，通常會(huì)選擇建設(shè)柔性化自動(dòng)化的生產(chǎn)線，但是一些企業(yè)投入了很多資金，進(jìn)行了柔性自動(dòng)化改善，確沒(méi)有發(fā)揮出應(yīng)有的效益。
造成柔性產(chǎn)線不能發(fā)揮應(yīng)有作用的原因有很多，最典型的是柔性產(chǎn)線依然是一個(gè)自動(dòng)化和信息孤島，企業(yè)其他部分的工作沒(méi)有跟上來(lái)，例如物料齊套率不高、缺少自動(dòng)化配送，該自動(dòng)化系統(tǒng)的作用不能充分發(fā)揮。造成這個(gè)問(wèn)題的原因，是配套的工作沒(méi)有同步進(jìn)行，包括信息系統(tǒng)的建設(shè)，物流系統(tǒng)的建設(shè)、供應(yīng)鏈系統(tǒng)的建設(shè)、設(shè)計(jì)工藝的模塊化和結(jié)構(gòu)化等。
圖柔性自動(dòng)線為啥沒(méi)發(fā)揮出應(yīng)有效益
如下圖分析了支撐柔性自動(dòng)化生產(chǎn)的相關(guān)要素，相關(guān)的每個(gè)業(yè)務(wù)都在制造過(guò)程中發(fā)揮著各自的支撐作用。
圖綜合考慮要素的協(xié)同和優(yōu)化調(diào)度
（1）智能排程：實(shí)現(xiàn)資源最大利用，滿(mǎn)足交期，并驅(qū)動(dòng)備料和生產(chǎn)；
（2）生產(chǎn)執(zhí)行：生產(chǎn)是核心，將產(chǎn)品從原材料變成成品，實(shí)現(xiàn)增值；
（3）智能倉(cāng)儲(chǔ)：保證與生產(chǎn)相關(guān)的原材料、半成品、成品的存儲(chǔ)；
（4）智能物流：保證物料、工裝的精準(zhǔn)配送、在制品、成品的及時(shí)周轉(zhuǎn)；
（5）質(zhì)量控制：為生產(chǎn)結(jié)果和物料特性提供可靠性保證；
（6）資源管理：為穩(wěn)定運(yùn)行提供設(shè)備、工具工裝可靠性保障；
（7）異常調(diào)度：對(duì)于生產(chǎn)環(huán)節(jié)的異常業(yè)務(wù)，如設(shè)備異常、物料異常、工藝異常等，能基于預(yù)定的業(yè)務(wù)規(guī)則，自動(dòng)切換生產(chǎn)計(jì)劃，避免因異常業(yè)務(wù)造成停產(chǎn)，怠產(chǎn)等，保證生產(chǎn)的有效轉(zhuǎn)化率；
（8）……
柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線能否高效運(yùn)轉(zhuǎn)的最大挑戰(zhàn)不是來(lái)自柔性單元和柔性生產(chǎn)線本身，而是來(lái)自于對(duì)生產(chǎn)支撐相關(guān)要素的統(tǒng)一調(diào)度和優(yōu)化，這些要素超出了柔性生產(chǎn)線的范圍，并且涉及到整個(gè)工廠。只有如上這些業(yè)務(wù)緊密的協(xié)同，才能完成高效自動(dòng)化柔性生產(chǎn)，例如：
（1）智能排程與調(diào)度
（2）基于計(jì)劃提前精準(zhǔn)備料
（3）智能倉(cāng)儲(chǔ)與物流配送
（4）模具的配送和回收
（5）驅(qū)動(dòng)自動(dòng)裝卸料
（6）驅(qū)動(dòng)自動(dòng)換型和生產(chǎn)
（7）質(zhì)量在線監(jiān)控預(yù)警
（8）設(shè)備智能運(yùn)維
（9）安全與環(huán)境監(jiān)控等
這些相關(guān)業(yè)務(wù)的關(guān)系可以分析如下圖：
圖對(duì)生產(chǎn)支撐相關(guān)要素的統(tǒng)一調(diào)度和優(yōu)化
柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線能否高效運(yùn)轉(zhuǎn)取決于能否對(duì)生產(chǎn)支撐相關(guān)要素的統(tǒng)一調(diào)度和優(yōu)化，這恰恰需要數(shù)字孿生相關(guān)支撐技術(shù)：實(shí)時(shí)掌控整個(gè)工廠的狀態(tài)、更大范圍的智能調(diào)度和優(yōu)化、精準(zhǔn)的控制和閉環(huán)的執(zhí)行。
MOM是數(shù)字孿生制造系統(tǒng)的大腦
如下圖所示，MOM位于產(chǎn)品生命周期軸、企業(yè)信息化軸、價(jià)值鏈軸的核心交匯環(huán)節(jié)，必須避免制造運(yùn)營(yíng)管理相關(guān)信息系統(tǒng)的碎片化，建議建立統(tǒng)一的MOM平臺(tái)，作為數(shù)字孿生工廠的大腦。
圖避免制造運(yùn)營(yíng)管理信息系統(tǒng)碎片化
其中，
圖MOM/MES驅(qū)動(dòng)制造，是制造系統(tǒng)的大腦
對(duì)于自動(dòng)化的產(chǎn)線/設(shè)備，更多是接收指令與工藝參數(shù)，并進(jìn)行自動(dòng)化的生產(chǎn)，可以認(rèn)為更多替代了人的體力勞動(dòng)，是生產(chǎn)制造的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。如果說(shuō)自動(dòng)化更大程度上是為了替代體力勞動(dòng)，那么MOM/MES是為了更多的替代腦力勞動(dòng)。自動(dòng)化更多關(guān)注局部的優(yōu)化，那么MOM/MES更多的關(guān)注制造系統(tǒng)整體的優(yōu)化。
MOM/MES并不替代傳統(tǒng)的PLM（產(chǎn)品生命周期管理）、ERP（企業(yè)資源規(guī)劃）、IIOT（工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)）系統(tǒng)，而是與PLM、ERP、IOT是互補(bǔ)的關(guān)系。下圖展示了MOM/MES與PLM、ERP、IOT系統(tǒng)之間的關(guān)系，并展示了部分智能化支撐手段的業(yè)務(wù)場(chǎng)景。
圖MOM與PLM、ERP、IOT的關(guān)系
計(jì)劃排程、精準(zhǔn)備料和動(dòng)態(tài)優(yōu)化
對(duì)于多品種、小批量、短交期、多變化的柔性自動(dòng)化工廠，生產(chǎn)計(jì)劃的制定通常是非常困難的，尤其是經(jīng)常插單、工藝經(jīng)常變更、生產(chǎn)過(guò)程不穩(wěn)定的情形，同時(shí)還需要根據(jù)多品種的工藝差異，合理組合生產(chǎn)計(jì)劃，減少工藝切換帶來(lái)的成本，因此生產(chǎn)計(jì)劃和調(diào)度通常是最需要經(jīng)驗(yàn)，工作繁瑣，最有挑戰(zhàn)性的崗位，而這正是高級(jí)計(jì)劃排程的優(yōu)勢(shì)。
圖生產(chǎn)排程的原理
生產(chǎn)計(jì)劃是整個(gè)工廠運(yùn)行的指揮棒，生產(chǎn)計(jì)劃需要指導(dǎo)物料的備料、工具工裝的準(zhǔn)備、拉動(dòng)物料的配送、驅(qū)動(dòng)自動(dòng)化設(shè)備自動(dòng)生產(chǎn)、按順序進(jìn)行生產(chǎn)切換等。如果生產(chǎn)計(jì)劃不合理，將導(dǎo)致產(chǎn)能的巨大損失，原材料和在制品積壓、無(wú)法按期交貨等許多的問(wèn)題。
基于MOM平臺(tái)，實(shí)施高級(jí)計(jì)劃排程APS模塊，不僅考慮單個(gè)設(shè)備、單條產(chǎn)線產(chǎn)能的約束，最重要的是考慮不同自動(dòng)化產(chǎn)線之間的平衡，優(yōu)化瓶頸，減少在制品。例如有些批量生產(chǎn)的工序(例如烘烤、老化、干燥)，或瓶頸工序需要拉動(dòng)上游工序的生產(chǎn)，這樣可以有效減少在制品的數(shù)量，事實(shí)上自動(dòng)化工廠在制品緩存都有一定的容量限制。
高級(jí)計(jì)劃排程通常需要考慮：
（1）生產(chǎn)訂單的交期和優(yōu)先級(jí)；
（2）有限資源約束，包括主資源，工裝模具等輔助資源；
（3）前后作業(yè)單元的能力與生產(chǎn)節(jié)拍的平衡；
（4）減少在制品的數(shù)量，減少緩沖區(qū)占用；
（5）某些特殊的工序例如熱處理工藝、噴漆顏色成組生產(chǎn)；
（6）某些工序前后生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)化匹配，提高資源和能耗利用率，例如烘烤工序優(yōu)化排產(chǎn)可實(shí)現(xiàn)余溫回收利用，加快結(jié)束降溫的同時(shí)提高升溫效率；
（7）……
系統(tǒng)可以快速驗(yàn)證生產(chǎn)計(jì)劃的合理性，例如檢查物料的齊套性、工具工裝的準(zhǔn)備，并提前驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)準(zhǔn)備，對(duì)異常進(jìn)行及時(shí)的預(yù)警。過(guò)去要人工去了解和跟蹤物料的齊套、工具工裝的情況，無(wú)疑需要花費(fèi)大量的時(shí)間，而且得到的信息時(shí)效性比較差，經(jīng)常會(huì)造成計(jì)劃不合理。
對(duì)于自動(dòng)化的工廠，越來(lái)越多的工廠建設(shè)了立體倉(cāng)庫(kù)，并配備了自動(dòng)輸送線、AGV等自動(dòng)化物流設(shè)備。但是如果缺少根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃的提前備料，以及生產(chǎn)執(zhí)行過(guò)程中根據(jù)實(shí)時(shí)進(jìn)度驅(qū)動(dòng)自動(dòng)出庫(kù)和AGV提前準(zhǔn)時(shí)配送，就無(wú)法支撐自動(dòng)化產(chǎn)線的連續(xù)生產(chǎn)。
為了實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)化物料、工裝配送，一般需要事先將工裝入自動(dòng)化立體庫(kù)，為了加快自動(dòng)化立體庫(kù)的周轉(zhuǎn)率，可以根據(jù)最近生產(chǎn)計(jì)劃所需要的物料、工裝先備料到立體庫(kù)中，一旦生產(chǎn)計(jì)劃即將被執(zhí)行時(shí)，就可以提前拉動(dòng)相關(guān)的物料、工裝精準(zhǔn)配送到工位。
圖按生產(chǎn)計(jì)劃提前備料、按生產(chǎn)進(jìn)度拉動(dòng)全自動(dòng)配送
按計(jì)劃備料入庫(kù)的相關(guān)流程如下圖：
圖備料入庫(kù)的相關(guān)流程
備料過(guò)程通常需要考慮：
（1）按生產(chǎn)計(jì)劃生成備料計(jì)劃，計(jì)劃調(diào)整需要聯(lián)動(dòng)更改備料計(jì)劃；
（2）按生產(chǎn)訂單精準(zhǔn)備料，使用RFID、條碼對(duì)備料的容器進(jìn)行標(biāo)識(shí)；
（3）備料好的容器可能需要組托，方便運(yùn)輸?shù)搅Ⅲw庫(kù)上料口、入庫(kù)時(shí)拆托；
（4）根據(jù)策略自動(dòng)分配立體庫(kù)貨位，驅(qū)動(dòng)立體庫(kù)自動(dòng)入庫(kù)；
（5）系統(tǒng)記錄每個(gè)備料容器的貨位，以便需要時(shí)精準(zhǔn)拉動(dòng)配送；
（6）相同生產(chǎn)計(jì)劃的物料入庫(kù)盡量集中存放，便于生產(chǎn)執(zhí)行時(shí)快速協(xié)同出庫(kù)配送。
下圖是某企業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景：系統(tǒng)根據(jù)備料計(jì)劃自動(dòng)生成備料計(jì)劃，備料員按備料計(jì)劃借助PDA進(jìn)行備料，并將備料信息寫(xiě)入容器的RFID標(biāo)簽中，容器組托為托盤(pán)，物流員使用叉車(chē)運(yùn)輸?shù)阶詣?dòng)化立體庫(kù)上料口，自動(dòng)拆托裝置自動(dòng)拆托，識(shí)別RFID中的備料信息，系統(tǒng)分配貨位，并驅(qū)動(dòng)容器自動(dòng)入立體庫(kù)等待生產(chǎn)配送指令出庫(kù)。
圖按生產(chǎn)計(jì)劃提前備料、拆托入立體庫(kù)
圖自動(dòng)分配貨位入自動(dòng)化立體庫(kù)
圖雙工位AGV執(zhí)行配送任務(wù)
對(duì)于多品種、小批量、短交期、多變化的工廠，APS解決了過(guò)去常說(shuō)的“計(jì)劃沒(méi)有變化快”的問(wèn)題，排程模塊可以根據(jù)收集的最新信息，設(shè)備的可用情況、訂單的齊套性等，支持快速滾動(dòng)重排，確保計(jì)劃更新的合理性和及時(shí)性，同時(shí)針對(duì)一定周期內(nèi)的生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行鎖定，保證生產(chǎn)計(jì)劃的穩(wěn)定性，這一點(diǎn)對(duì)于柔性自動(dòng)化工廠無(wú)疑是非常重要的支撐。
按需拉動(dòng)物料的精準(zhǔn)配送
對(duì)于自動(dòng)化設(shè)備，上料點(diǎn)一般只能儲(chǔ)存非常有限的物料，配送太多物料到配送點(diǎn)導(dǎo)致上料點(diǎn)無(wú)法接收，甚至占用AGV設(shè)備，或?qū)е伦詣?dòng)化輸送線的擁堵。如果配送不及時(shí)會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)線停工待料。所以必須確定合理的配送策略，實(shí)時(shí)監(jiān)控上料點(diǎn)的物料消耗，及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)充配送。
圖柔性自動(dòng)線的物料輸送系統(tǒng)
例如，MOM調(diào)度平臺(tái)，可以根據(jù)各個(gè)上料點(diǎn)配送物料的周期及上料點(diǎn)可緩存的容量，設(shè)置物料任務(wù)下發(fā)的數(shù)量，以此來(lái)控制物料在途數(shù)以及下發(fā)節(jié)奏，從而保證物料的及時(shí)供應(yīng)，也不至于造成物流的阻塞。
拉動(dòng)物料的精準(zhǔn)配送流程如下圖。
圖按需拉動(dòng)物料的精準(zhǔn)配送
拉動(dòng)物料的精準(zhǔn)配送通常需要考慮：
（1）建立物流配送的相關(guān)模型
（2）定義配送策略
（3）根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃建立配送隊(duì)列
（4）根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際進(jìn)度拉動(dòng)配送
（5）創(chuàng)建物料、工裝配送指令
（6）驅(qū)動(dòng)立體庫(kù)、輸送線、AGV的物流執(zhí)行
（7）避免工位物料缺料
（8）避免堵塞主輸送線
（9）配送過(guò)程中的優(yōu)化，例如雙工位AGV、堆垛機(jī)成組
（10）確保物料正確的配送順序
（11）要考慮空容器的自動(dòng)回收
（12）監(jiān)控物流的執(zhí)行過(guò)程
（13）處理物流過(guò)程中的異常
（14）……
工裝也需要按需進(jìn)行精準(zhǔn)配送，并對(duì)拆卸下來(lái)的工裝及時(shí)回收。例如對(duì)于某剎車(chē)片工廠，熱壓工序需要對(duì)剎車(chē)片進(jìn)行粉末冶金成型，模具是重要的工具工裝，不同的剎車(chē)片的形狀、尺寸不同，需要使用不同的模具，因?yàn)樯婕暗綌?shù)以百計(jì)的熱壓機(jī)，每天有大量的模具出庫(kù)、預(yù)熱、配送任務(wù)，這些工作必須合理的安排，否則會(huì)影響到熱壓工序的連續(xù)生產(chǎn)。
圖拉動(dòng)模具的配送、驅(qū)動(dòng)模具的回收
上圖展示了模具的出庫(kù)、配送、預(yù)熱、更換、模具回收的全過(guò)程。其中只有更換過(guò)程需要人工參與，其他所有工作包括模具的自動(dòng)出庫(kù)、模具輸送線AGV自動(dòng)配送到預(yù)熱箱、模具在預(yù)熱箱自動(dòng)預(yù)熱、預(yù)熱好的模具AGV配送到工位、AGV將回收的模具配送到立庫(kù)、立庫(kù)堆垛機(jī)自動(dòng)入庫(kù)全過(guò)程都自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。
圖使用無(wú)人叉車(chē)AGV配送或回收模具
基于這種方法，即使還沒(méi)有到上班時(shí)間，MOM系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)日生產(chǎn)計(jì)劃，可以調(diào)度立體庫(kù)模具提前出庫(kù)，通知AGV將模具配送到指定的預(yù)熱箱進(jìn)行預(yù)熱，這樣員工上班之后就可以立刻進(jìn)行模具安裝或換模，最大限度減少熱壓設(shè)備等待時(shí)間。這樣人和機(jī)器和諧交互，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)。
對(duì)于工裝的配送和回收，此過(guò)程通常需要考慮：
（1）根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃自動(dòng)生成工裝準(zhǔn)備計(jì)劃；
（2）按工裝準(zhǔn)備計(jì)劃準(zhǔn)備工裝入立體庫(kù)；
（3）按需提前拉動(dòng)工裝的自動(dòng)配送，必要時(shí)進(jìn)行預(yù)處理，例如預(yù)熱；
（4）自動(dòng)創(chuàng)建任務(wù)指導(dǎo)工裝的安裝；
（5）驅(qū)動(dòng)拆卸下來(lái)的工裝的自動(dòng)回收入庫(kù)；
（6）……
驅(qū)動(dòng)產(chǎn)線柔性自動(dòng)化生產(chǎn)
對(duì)于柔性自動(dòng)化的生產(chǎn)，MOM需要建立一套可自動(dòng)執(zhí)行的閉環(huán)控制流程，包括設(shè)備的喚醒、拉動(dòng)物料配送、工藝參數(shù)下發(fā)、自動(dòng)上料、啟動(dòng)設(shè)備生產(chǎn)、采集與自動(dòng)報(bào)工、驅(qū)動(dòng)在制品轉(zhuǎn)序、任務(wù)完工、生產(chǎn)切換控制等。
圖驅(qū)動(dòng)自動(dòng)化柔性生產(chǎn)
自動(dòng)化產(chǎn)線需要遵循標(biāo)準(zhǔn)的集成協(xié)議，以實(shí)現(xiàn)與MOM平臺(tái)的統(tǒng)一集成。
圖 MOM驅(qū)動(dòng)自動(dòng)化生產(chǎn)控制流程
對(duì)于自動(dòng)化設(shè)備，MOM在某個(gè)自動(dòng)化設(shè)備生產(chǎn)完成時(shí)，通知設(shè)備進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，以最大限度節(jié)省能源，當(dāng)需要再次生產(chǎn)時(shí)，MOM發(fā)送指令給設(shè)備對(duì)設(shè)備進(jìn)行喚醒。
生產(chǎn)線按一定的速率生產(chǎn)產(chǎn)品/半成品，同時(shí)消耗零部件和原材料，MOM需要監(jiān)控上料點(diǎn)的消耗情況，提前拉動(dòng)物料的配送，維持生產(chǎn)的持續(xù)性，同時(shí)，確保生產(chǎn)物料的持續(xù)供應(yīng)。
圖 機(jī)器人自動(dòng)上料
當(dāng)某自動(dòng)化設(shè)備生產(chǎn)完一個(gè)訂單時(shí)，按計(jì)劃排程的順序要自動(dòng)切換到下一訂單繼續(xù)生產(chǎn)。前一個(gè)訂單生產(chǎn)完成之前，下一個(gè)訂單的物料可能已經(jīng)開(kāi)始配送，以便確保產(chǎn)線的連續(xù)生產(chǎn)。
此過(guò)程通常需要考慮：
（1）建立柔性單元模型，包括上料裝置、加工單元等；
（2）定義上料點(diǎn)、產(chǎn)出點(diǎn)等模型與物流模型對(duì)接；
（3）根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃建立生產(chǎn)任務(wù)隊(duì)列；
（4）按生產(chǎn)任務(wù)隊(duì)列拉動(dòng)配送，按順序上料；
（5）自動(dòng)下發(fā)生產(chǎn)工藝參數(shù)，并進(jìn)行生產(chǎn)；
（6）實(shí)時(shí)采集過(guò)程信息，實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)進(jìn)度和異常；
（7）必要時(shí)觸發(fā)人工首檢、首檢通過(guò)后繼續(xù)生產(chǎn)；
（8）按時(shí)間、數(shù)量周期性觸發(fā)過(guò)程檢；
（9）必要時(shí)集成在線檢驗(yàn)，并進(jìn)行自動(dòng)質(zhì)量監(jiān)控和預(yù)警；
（10）處理自動(dòng)卸料，卸料完成觸發(fā)在制品周轉(zhuǎn)；
（11）自動(dòng)處理生產(chǎn)工藝切換
（12）……
動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)在制品的實(shí)時(shí)周轉(zhuǎn)
下圖展示了自動(dòng)轉(zhuǎn)序和成品入庫(kù)的幾種業(yè)務(wù)場(chǎng)景。
圖在制品自動(dòng)轉(zhuǎn)序和成品入庫(kù)
對(duì)于前工序產(chǎn)出的在制品，與柔性單元集成，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝盒（或其他容器、托盤(pán)等），MOM應(yīng)實(shí)時(shí)掌控產(chǎn)線產(chǎn)出半成品的情況，并驅(qū)動(dòng)觸發(fā)在制品轉(zhuǎn)序規(guī)劃，驅(qū)動(dòng)輸送線/AGV自動(dòng)將在制品料盒搬運(yùn)到下一工位的上料點(diǎn)，下一柔性單元按順序執(zhí)行上料。
圖在制品自動(dòng)轉(zhuǎn)序
在制品周轉(zhuǎn)過(guò)程中通常需要考慮：
（1）建立物流周轉(zhuǎn)的相關(guān)模型；
（2）定義在制品周轉(zhuǎn)策略；
（3）根據(jù)實(shí)際產(chǎn)出情況驅(qū)動(dòng)在制品周轉(zhuǎn)；
（4）需要考慮下工位物料接收點(diǎn)是否可接收；
（5）創(chuàng)建物料、工裝配送指令；
（6）驅(qū)動(dòng)輸送線、AGV的執(zhí)行物流周轉(zhuǎn)；
（7）避免堵塞主輸送線；
（8）配送過(guò)程中的優(yōu)化，例如雙工位AGV；
（9）確保物料正確的配送順序；
（10）要考慮空容器的自動(dòng)回收；
（11）如果前工位產(chǎn)出區(qū)料盒滿(mǎn)，應(yīng)該暫停前工位的生產(chǎn)；
（12）監(jiān)控在制品周轉(zhuǎn)執(zhí)行的過(guò)程；
（13）處理在制品周轉(zhuǎn)過(guò)程中的異常；
（14）……
對(duì)于后工序有較長(zhǎng)等待時(shí)間的情況，例如產(chǎn)品需要靜置若干小時(shí)、或者后工序是批量生產(chǎn)方式（例如烘烤、老化、干燥），需要積累一定量的半成品，此時(shí)可能需要驅(qū)動(dòng)AGV臨時(shí)入緩沖區(qū)，甚至驅(qū)動(dòng)入自動(dòng)化立體庫(kù)。如果后工位出現(xiàn)異常，也需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)度，將前工序生產(chǎn)的在制品入半成品庫(kù)，待后工位生產(chǎn)恢復(fù)正常，再將物料從在制品緩沖庫(kù)自動(dòng)配送到后工位物料接收點(diǎn)。
圖在制品臨時(shí)入在制品緩沖庫(kù)
MOM需要掌握在制品流轉(zhuǎn)的實(shí)時(shí)情況，包括監(jiān)控在制品緩沖區(qū)、立體庫(kù)的貨位使用情況、并調(diào)度空容器，以確保自動(dòng)化產(chǎn)線產(chǎn)出產(chǎn)品時(shí)不會(huì)因?yàn)榭杖萜鞑蛔愣Ｖ股a(chǎn)。對(duì)于已消耗的物料產(chǎn)生的空容器，MOM應(yīng)該及時(shí)回收。
圖空容器自動(dòng)回收
自動(dòng)化檢驗(yàn)和人機(jī)交互
有些產(chǎn)線提供了在線檢驗(yàn)功能，能夠?qū)崟r(shí)采集產(chǎn)品的質(zhì)量信息，基于SPC分析對(duì)異常進(jìn)行監(jiān)控，一旦出現(xiàn)異常立刻停止生產(chǎn)，并及時(shí)進(jìn)行預(yù)警，通常是聲光提醒，避免大批量的不合格品，并及時(shí)對(duì)異常進(jìn)行處理。
我們有些項(xiàng)目實(shí)施了在線測(cè)量功能，例如實(shí)時(shí)采集磨削之后的厚度，并進(jìn)行SPC分析，例如監(jiān)控到尺寸連續(xù)7個(gè)點(diǎn)上升（異常判定規(guī)則的一種），即可判定存在異常。另外有些項(xiàng)目實(shí)施了機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)，并對(duì)不合格品進(jìn)行剔除。
圖質(zhì)量信息實(shí)時(shí)采集與監(jiān)控預(yù)警
圖機(jī)器視覺(jué)在線檢測(cè)
有些生產(chǎn)工序，需要進(jìn)行首件檢驗(yàn)，這通常需要人的介入，生產(chǎn)完首個(gè)產(chǎn)品（也可能是幾個(gè)）時(shí)，設(shè)備自動(dòng)停下等待首件檢驗(yàn)，并進(jìn)行聲光提醒和計(jì)時(shí)，檢驗(yàn)員基于PDA反饋首檢結(jié)果，支持一鍵確認(rèn)繼續(xù)生產(chǎn)，最大限度確保首件檢驗(yàn)得以及時(shí)進(jìn)行，減少設(shè)備等待時(shí)間。
實(shí)現(xiàn)物理工廠的實(shí)時(shí)感知與控制
數(shù)字孿生工廠不是靜態(tài)的，是動(dòng)態(tài)的，MOM需要時(shí)刻獲取工廠的運(yùn)行狀態(tài)，而且需要實(shí)時(shí)下達(dá)生產(chǎn)指令，以實(shí)現(xiàn)對(duì)工廠的調(diào)度和優(yōu)化。MOM平臺(tái)建議具備與產(chǎn)線集成、支持柔性生產(chǎn)建模、工業(yè)IOT物聯(lián)的相關(guān)模塊，可以快速搭建模型，不但可以加快項(xiàng)目推進(jìn)的進(jìn)度，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且可以保證系統(tǒng)良好的可維護(hù)性和靈活性，滿(mǎn)足工廠持續(xù)改進(jìn)系統(tǒng)調(diào)整的要求。
圖MOM平臺(tái)柔性生產(chǎn)建模和工業(yè)物聯(lián)的相關(guān)支撐
FMS（柔性制造系統(tǒng)）的功能與MOM平臺(tái)中許多模塊，如計(jì)劃排程、生產(chǎn)執(zhí)行、物料配送、質(zhì)量管理、設(shè)備監(jiān)控等均有相關(guān)關(guān)系，也需要利用“工業(yè)物聯(lián)”模塊來(lái)連接自動(dòng)化生生產(chǎn)、倉(cāng)儲(chǔ)和物流設(shè)施，基于上述特性，我們認(rèn)為FMS系統(tǒng)可以作為MOM平臺(tái)的子模塊，通過(guò)MOM平臺(tái)為傳統(tǒng)FMS“賦能”。
在這個(gè)層次架構(gòu)中：
（1）MOM負(fù)責(zé)處理業(yè)務(wù)層的指令，例如某工位生產(chǎn)完成并裝盒，觸發(fā)業(yè)務(wù)指令是將某容器入自動(dòng)化立體庫(kù)。
（2）FMS負(fù)責(zé)將業(yè)務(wù)指令轉(zhuǎn)換對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)的指令，例如根據(jù)物流模型分解出AGV搬運(yùn)指令、輸送線搬運(yùn)指令、堆垛機(jī)上架指令。
（3）而IOT平臺(tái)負(fù)責(zé)與各個(gè)子系統(tǒng)的通信。例如與AGV子系統(tǒng)、輸送線子系統(tǒng)、堆垛機(jī)子系統(tǒng)集成。
下圖是一條焊接的柔性生產(chǎn)線，包括三個(gè)自動(dòng)焊、人工焊、機(jī)加工作業(yè)島。
圖包含三個(gè)作業(yè)島的柔性生產(chǎn)線
下圖展示了MOM系統(tǒng)內(nèi)置的FMS模塊對(duì)柔性產(chǎn)線的建模能力。
圖在MOM中可以通過(guò)配置映射到柔性生產(chǎn)線的相關(guān)要素
另外MOM最好提供可配置的指令系統(tǒng)，提供對(duì)自動(dòng)化產(chǎn)線設(shè)備的內(nèi)在集成能力，實(shí)現(xiàn)信息的采集、工藝信息下發(fā)、生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控、拉動(dòng)物流配送、驅(qū)動(dòng)在制品的轉(zhuǎn)序等功能。
圖MOM內(nèi)置的指令系統(tǒng)
如下圖，系統(tǒng)根據(jù)上層業(yè)務(wù)模塊的執(zhí)行，可以生成各種類(lèi)型的指令，并進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)各種生產(chǎn)、質(zhì)檢、倉(cāng)儲(chǔ)、物流等自動(dòng)化設(shè)備的自動(dòng)化運(yùn)行。
圖MOM內(nèi)置IOT模塊生成系列指令驅(qū)動(dòng)設(shè)備運(yùn)行
圖MOM內(nèi)置IOT模塊實(shí)現(xiàn)采集控制配置
柔性工廠須配柔性的MOM系統(tǒng)
對(duì)于柔性自動(dòng)化的工廠，其建設(shè)不是一蹴而就的，必須持續(xù)的優(yōu)化和調(diào)整，不斷提高自動(dòng)化、精益化和智能化水平，這就要求最核心的信息系統(tǒng)MOM也必須是靈活的、可擴(kuò)展的，或者說(shuō)是柔性的。
從業(yè)務(wù)角度，MOM應(yīng)該提供如下建模功能，可以方便定義產(chǎn)品工藝模型、柔性自動(dòng)化單元、計(jì)劃和調(diào)度模型、倉(cāng)儲(chǔ)和物流模型、質(zhì)量控制模型、設(shè)備聯(lián)網(wǎng)模型、智能分析等模型，這些建模功能可以方便對(duì)模型進(jìn)行調(diào)整。
圖MOM需支持的低門(mén)檻的業(yè)務(wù)建模能力
從IT角度，系統(tǒng)應(yīng)該建立一種低代碼可配置的開(kāi)發(fā)方式，提供包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)建模、基于腳本的插件開(kāi)發(fā)、在線的表單設(shè)計(jì)、在線的報(bào)表看板設(shè)計(jì)、在線的集成接口開(kāi)發(fā)等工具，可以快速對(duì)已有的功能模塊進(jìn)行擴(kuò)展，也可以開(kāi)發(fā)出新的模塊。
圖從IT角度提供低代碼可配置的開(kāi)發(fā)方式
總結(jié)
數(shù)字孿生在制造運(yùn)營(yíng)中的更大價(jià)值是利用對(duì)工廠運(yùn)營(yíng)的實(shí)時(shí)感知，利用工業(yè)智能技術(shù)對(duì)工廠的運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)進(jìn)行更高層次的實(shí)時(shí)綜合調(diào)度和優(yōu)化，從而提高工廠運(yùn)營(yíng)效率、提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短制造周期。
柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線能否高效運(yùn)轉(zhuǎn)取決于能否對(duì)生產(chǎn)支撐相關(guān)要素的統(tǒng)一調(diào)度和優(yōu)化，這恰恰需要數(shù)字孿生相關(guān)支撐技術(shù)：實(shí)時(shí)掌控整個(gè)工廠的狀態(tài)、更大范圍的智能調(diào)度和優(yōu)化、精準(zhǔn)的控制和閉環(huán)的執(zhí)行。
應(yīng)該考慮建設(shè)統(tǒng)一的MOM平臺(tái)，避免信息系統(tǒng)碎片化。制造運(yùn)營(yíng)平臺(tái)MOM是數(shù)字孿生工廠的大腦，要實(shí)現(xiàn)多生產(chǎn)資源的計(jì)劃排程和動(dòng)態(tài)調(diào)度，確保生產(chǎn)資源的優(yōu)化和高效利用。必須實(shí)現(xiàn)MOM中信息流和實(shí)物流的一致，并通過(guò)工業(yè)智能、自主控制實(shí)現(xiàn)對(duì)工廠的動(dòng)態(tài)調(diào)度和優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)大腦的作用。
對(duì)于高度自動(dòng)化的工廠，為了實(shí)現(xiàn)柔性自動(dòng)化生產(chǎn)，MOM平臺(tái)建議具備與產(chǎn)線集成、支持柔性生產(chǎn)建模、工業(yè)IOT物聯(lián)的相關(guān)模塊。其中IOT實(shí)現(xiàn)物理工廠的感知和對(duì)設(shè)備的控制，F(xiàn)MS模塊將MOM業(yè)務(wù)指令進(jìn)一步分解為各個(gè)子系統(tǒng)的調(diào)度指令，起到提高系統(tǒng)靈活性、解耦MOM和IOT的作用。
智能工廠需要持續(xù)改進(jìn)，MOM平臺(tái)應(yīng)該是柔性可配置的。系統(tǒng)需要具備業(yè)務(wù)領(lǐng)域建模能力，并能面向IT或運(yùn)維人員提供低代碼開(kāi)發(fā)的能力。
