本文首先總結(jié)工業(yè)生產(chǎn)對(duì)控制技術(shù)的要求及工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的特點(diǎn);然后根據(jù)智能制造系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的地位和所發(fā)揮的作用,著重討論智能制造系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)在不同時(shí)期、不同領(lǐng)域的技術(shù)特點(diǎn)和階段,以生產(chǎn)系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)流向?yàn)樘卣?,區(qū)分智能制造發(fā)展過(guò)程的3個(gè)階段;最后以鋼鐵行業(yè)的案例來(lái)分析智能制造在生產(chǎn)中的地位,為企業(yè)實(shí)施智能制造提供參考。
為便于描述起見(jiàn),本文將應(yīng)用智能制造技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)的集合稱為智能制造系統(tǒng),而傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)控制系統(tǒng)(包括工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的各級(jí)自動(dòng)化和信息化系統(tǒng)的總和)稱為工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)。
1工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的特點(diǎn)
經(jīng)過(guò)多年發(fā)展,鋼鐵行業(yè)工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的主體架構(gòu)一般分為5層,如圖1所示:檢測(cè)及執(zhí)行設(shè)備級(jí)L0、基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)L1、過(guò)程自動(dòng)化級(jí)L2、制造執(zhí)行系統(tǒng)L3和企業(yè)資源計(jì)劃L4,每層根據(jù)功能或控制范圍又劃分為多個(gè)系統(tǒng)。各層系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通過(guò)接口協(xié)議互相傳遞,業(yè)務(wù)應(yīng)用互相關(guān)聯(lián)。
隨著計(jì)算機(jī)和控制器的能力越來(lái)越強(qiáng)大,過(guò)程自動(dòng)化級(jí)的很多功能“下沉”至基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)來(lái)執(zhí)行,融合形成“過(guò)程控制級(jí)”;而管理的扁平化需求,使得制造執(zhí)行系統(tǒng)和企業(yè)資源計(jì)劃的分工界限變得不那么明顯,融合形成“生產(chǎn)管理級(jí)”。但無(wú)論是5層結(jié)構(gòu),還是其他類型的結(jié)構(gòu),總體上都是圍繞企業(yè)的核心發(fā)展目標(biāo),實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)的功能定位和分工合作。
圖1工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
通過(guò)總結(jié)工業(yè)生產(chǎn)對(duì)控制技術(shù)的要求,工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)一般需要具有以下特點(diǎn)。
(1)確定性。確定性是指工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)必須有確定的響應(yīng)能力,主要包括:1)實(shí)時(shí)性。工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)一般都是實(shí)時(shí)系統(tǒng),很多情況下延遲對(duì)于生產(chǎn)過(guò)程信息傳送來(lái)說(shuō)是不可接受的。2)可預(yù)測(cè)性。即在滿足一定條件下,系統(tǒng)的輸出是可預(yù)期的,差異在可控或可接受的范圍內(nèi)。3)手動(dòng)優(yōu)先。在非正常的情況下,工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的部分功能可以被操作人員確定性的手動(dòng)接管,使得整個(gè)系統(tǒng)可以在降低部分性能(包括便利性)的手動(dòng)模式下繼續(xù)運(yùn)行。
(2)可用性??捎眯允侵冈谕獠抠Y源得到一定程度的保證的前提下,工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)可執(zhí)行規(guī)定功能的能力。主要包括:1)可靠性。由于其控制對(duì)象的重要性,工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)一般要求連續(xù)工作,不允許控制系統(tǒng)的突然中斷和重新啟動(dòng),這也就意味著在傳統(tǒng)IT技術(shù)中通過(guò)重啟動(dòng)來(lái)復(fù)位系統(tǒng)的意外故障,在工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中幾乎是不可接受的。因此,在工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中要通過(guò)盡量簡(jiǎn)潔、可控、必要的代碼去實(shí)現(xiàn)所需的功能,在投入運(yùn)行前經(jīng)過(guò)反復(fù)詳細(xì)的測(cè)試,以確保盡量減少意外中斷的可能。2)容錯(cuò)性。工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和測(cè)試時(shí)就必須盡量多地考慮系統(tǒng)在各類輸入條件下的響應(yīng),在部分輸入信號(hào)出現(xiàn)異常時(shí),系統(tǒng)可以繼續(xù)工作或自動(dòng)進(jìn)入安全狀態(tài),避免產(chǎn)生極端的錯(cuò)誤輸出,導(dǎo)致設(shè)備或產(chǎn)品損害,甚至人身傷害。3)安全性。工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)一旦受到網(wǎng)絡(luò)攻擊所帶來(lái)的后果比IT領(lǐng)域要嚴(yán)重的多,會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)停機(jī)、設(shè)備損害或安全事故,因此必須結(jié)合應(yīng)用場(chǎng)景,合理部署安全解決方案,實(shí)現(xiàn)功能安全和信息安全的有機(jī)融合。
(3)經(jīng)濟(jì)性。經(jīng)濟(jì)性是指企業(yè)從一項(xiàng)投資活動(dòng)中得到的經(jīng)濟(jì)回報(bào)。鋼鐵企業(yè)有深厚的行業(yè)背景和鮮明的個(gè)性化特征,很多先進(jìn)的技術(shù)難以在其他行業(yè)、不同生產(chǎn)線之間實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的復(fù)制推廣,IT領(lǐng)域的市場(chǎng)模式在工業(yè)領(lǐng)域并不一定適用。因此,技術(shù)的開(kāi)發(fā)是否具備合適的經(jīng)濟(jì)性需要綜合考慮。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)大量使用計(jì)算機(jī)、操作系統(tǒng)和各類網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,引入越來(lái)越多的IT技術(shù)。一些技術(shù)在引入的過(guò)程中,針對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的要求進(jìn)行了改造、驗(yàn)證和推廣應(yīng)用。智能制造系統(tǒng)中很多基礎(chǔ)性技術(shù)如人工智能、工業(yè)大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)等也來(lái)源于IT技術(shù),在引入工業(yè)生產(chǎn)的過(guò)程中,也需要根據(jù)要求,綜合考慮確定性、可用性、經(jīng)濟(jì)性因素,進(jìn)行必要的調(diào)整改造。
智能制造的發(fā)展總體上應(yīng)該是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程,需要依據(jù)生產(chǎn)需求和相關(guān)技術(shù)在不同發(fā)展階段的特點(diǎn),合理確定相關(guān)技術(shù)所能發(fā)揮的作用,以及其在整個(gè)生產(chǎn)體系的地位,最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)技術(shù)與現(xiàn)有的工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)合,形成有機(jī)的整體,有效地實(shí)現(xiàn)企業(yè)的發(fā)展目標(biāo)。
2智能制造系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程的3個(gè)階段
依據(jù)智能制造系統(tǒng)所要解決的問(wèn)題和在整個(gè)生產(chǎn)體系中的地位,可以粗略地將智能制造的發(fā)展過(guò)程分為3個(gè)階段。
2.1第一階段———智能制造初級(jí)階段
在這個(gè)階段,人工智能等先進(jìn)技術(shù)不斷向傳統(tǒng)的工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)延伸,通過(guò)先進(jìn)的手段,顯示生產(chǎn)過(guò)程中的可見(jiàn)或隱性的狀態(tài),輔助人作出正確的操作或決策,優(yōu)化工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的功能。智能制造系統(tǒng)所采用的很多技術(shù),如工業(yè)大數(shù)據(jù)分析、人工智能等,在圖像識(shí)別、故障預(yù)測(cè)等某些特定的領(lǐng)域有可能超過(guò)人,然而在實(shí)際生產(chǎn)中,由于現(xiàn)實(shí)情況復(fù)雜多變,無(wú)法取代人憑借自身的經(jīng)驗(yàn)或直覺(jué)作出正確的判斷,但可以作為一個(gè)很好的決策參考或?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行輔助優(yōu)化。
在這個(gè)階段,由于智能制造系統(tǒng)主要是圍繞企業(yè)的某一方面功能發(fā)揮“畫(huà)龍點(diǎn)睛”的作用,在開(kāi)發(fā)時(shí)需要在現(xiàn)有系統(tǒng)中以“打補(bǔ)丁”或局部改造的方式接入數(shù)據(jù),如采用掃描方式搭建生產(chǎn)線三維模型,在生產(chǎn)線上增加安裝檢測(cè)設(shè)備等。但在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中有很多因素會(huì)制約功能的實(shí)現(xiàn),如掃描方式建立的模型會(huì)比較粗略,信息不足;安裝檢測(cè)設(shè)備會(huì)受到現(xiàn)有工藝設(shè)備布置等因素影響等。在過(guò)去的幾年中,各企業(yè)從自身實(shí)際出發(fā),圍繞企業(yè)的發(fā)展目標(biāo),克服不利因素,在多個(gè)領(lǐng)域?qū)χ悄苤圃爝M(jìn)行了艱苦探索和深入實(shí)踐,取得了良好的效果。這些探索實(shí)踐工作對(duì)于智能制造的發(fā)展是非常有益的。
在這個(gè)階段,工業(yè)生產(chǎn)仍由傳統(tǒng)的工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)為主導(dǎo)來(lái)控制。智能制造系統(tǒng)總體上相當(dāng)于是智囊團(tuán),隨著時(shí)間延伸到越來(lái)越多的領(lǐng)域,針對(duì)企業(yè)的痛點(diǎn)和問(wèn)題提出解決方案,但仍需要人依據(jù)經(jīng)驗(yàn),在工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的基礎(chǔ)上作最終決策或在限定的范圍內(nèi)發(fā)揮作用,在智能制造系統(tǒng)不能正常工作時(shí),仍然可以依靠人的經(jīng)驗(yàn)和工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)繼續(xù)進(jìn)行生產(chǎn)。
從這個(gè)意義上來(lái)講,工業(yè)生產(chǎn)對(duì)于智能制造系統(tǒng)的確定性、可用性的要求與IT系統(tǒng)并沒(méi)有顯著區(qū)別,智能制造系統(tǒng)作用于工業(yè)生產(chǎn)的局部且作用有限,表現(xiàn)形式為與智能制造相關(guān)的多個(gè)“點(diǎn)”并行發(fā)展,沒(méi)有(也不必追求)形成一個(gè)完備自治的系統(tǒng)。在這個(gè)階段,由于智能制造系統(tǒng)本身沒(méi)有形成一個(gè)完備自治的系統(tǒng),因此可以考慮采用以功能的實(shí)現(xiàn)過(guò)程來(lái)描述智能制造:智能制造是面向企業(yè)的生產(chǎn)需求,以信息系統(tǒng)為載體,模擬專家的智能進(jìn)行分析判斷和決策,進(jìn)而能夠擴(kuò)大/延伸/部分取代專家的大腦思維過(guò)程的系統(tǒng)。
2.2第二階段———智能制造中級(jí)階段
隨著技術(shù)的發(fā)展,智能制造系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中的作用越來(lái)越重要,智能制造系統(tǒng)中集成的相關(guān)技術(shù)逐步成熟,經(jīng)過(guò)不同產(chǎn)線、不同工序、長(zhǎng)時(shí)間的反復(fù)驗(yàn)證,得到廣泛應(yīng)用,如:(1)傳感器和控制器變得簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)且易獲取,視頻和音頻等生物識(shí)別技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用,使系統(tǒng)可獲得更為全面、精準(zhǔn)的信息;(2)對(duì)于同一功能,不同子系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果互相印證和交互評(píng)價(jià),并由智能制造系統(tǒng)自行決策輸出;(3)在外部條件發(fā)生變化或出現(xiàn)故障時(shí),局部子系統(tǒng)的失效不影響總體系統(tǒng)的運(yùn)行,或自動(dòng)進(jìn)入安全狀態(tài);(4)有關(guān)智能制造的基礎(chǔ)技術(shù)逐步成熟,確定性、可用性和經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題得到合理的解決,如區(qū)塊鏈技術(shù)逐步成熟,在理論上可以解決工業(yè)數(shù)據(jù)的安全性和信任問(wèn)題。
在這些前提下,智能制造系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中的作用將會(huì)變得越來(lái)越重要,逐步針對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的特定單元或特定功能實(shí)現(xiàn)完全的控制,傳統(tǒng)的工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)出于安全生產(chǎn)的考慮,可作為智能制造系統(tǒng)的補(bǔ)充或后備。
在這個(gè)階段,針對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的特定單元或特定功能,智能制造系統(tǒng)不僅是智囊團(tuán),同時(shí)也是決策者,在系統(tǒng)中占據(jù)統(tǒng)領(lǐng)地位,根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù),判斷生產(chǎn)狀態(tài)并形成控制決策,輸出執(zhí)行,同時(shí)依據(jù)執(zhí)行后的信息對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和自適應(yīng)。因此,工業(yè)生產(chǎn)對(duì)于智能制造系統(tǒng)的確定性、可用性的要求將會(huì)遠(yuǎn)高于對(duì)IT系統(tǒng)的要求。
在這個(gè)階段,智能制造系統(tǒng)在局部(生產(chǎn)過(guò)程的特定單元或特定功能)形成了一個(gè)相對(duì)完備自治的系統(tǒng),可以從生產(chǎn)單元的實(shí)施方法來(lái)描述:智能制造通過(guò)構(gòu)建“狀態(tài)感知-實(shí)時(shí)分析-自主決策-精準(zhǔn)執(zhí)行-學(xué)習(xí)提升”的數(shù)據(jù)閉環(huán),以軟件形成的數(shù)據(jù)自動(dòng)流動(dòng)來(lái)消除復(fù)雜系統(tǒng)的不確定性,在給定的時(shí)間、目標(biāo)場(chǎng)景下,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的優(yōu)化。
智能制造系統(tǒng)由初級(jí)階段向中級(jí)階段的進(jìn)化是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程。在生產(chǎn)系統(tǒng)中,不同的生產(chǎn)單元由于需求各異,采用的技術(shù)成熟度也不一樣,處于智能制造初級(jí)階段和中級(jí)階段的系統(tǒng)將長(zhǎng)期共存、協(xié)同作用。但總的來(lái)說(shuō),隨著技術(shù)的發(fā)展,越來(lái)越多的處于智能制造初級(jí)階段的技術(shù)將向中級(jí)階段進(jìn)化。
2.3第三階段———智能制造高級(jí)階段
隨著智能制造系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用,在越來(lái)越多的生產(chǎn)單元中,智能制造系統(tǒng)由輔助地位過(guò)渡到統(tǒng)領(lǐng)地位,形成多個(gè)局部自治的智能制造系統(tǒng)。同時(shí),圍繞著通過(guò)智能制造實(shí)現(xiàn)企業(yè)的發(fā)展目標(biāo),企業(yè)在規(guī)劃、設(shè)計(jì)階段,從智能制造的頂層設(shè)計(jì)出發(fā),實(shí)現(xiàn)面向智能工廠的全生產(chǎn)線三維建模和數(shù)字交付,全面管理規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、設(shè)備、產(chǎn)品、運(yùn)維等各階段數(shù)據(jù),建立完整的、功能豐富的數(shù)字化工廠和數(shù)字孿生模型,為全面深入實(shí)施智能制造奠定良好的基礎(chǔ)。
在中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布的《鋼鐵未來(lái)夢(mèng)工廠》中,對(duì)未來(lái)的智能制造鋼鐵企業(yè)做了全面的描述:工廠具有基于信息物理系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、邊緣計(jì)算等新一代信息技術(shù)的智能決策與綜合管控平臺(tái)。實(shí)時(shí)、科學(xué)的決策指令從這里發(fā)布,最優(yōu)化、高效化的資源配置將從這里開(kāi)始。工廠具備自感知、自組織、自決策的智慧體系。能量流、物質(zhì)流和信息流組成有機(jī)體的“血液”,高效、連續(xù)、平穩(wěn)運(yùn)行的制造系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)組成有機(jī)體的“骨骼”,保證了物質(zhì)、能量、信息的動(dòng)態(tài)平衡和運(yùn)行優(yōu)化。做到“精準(zhǔn)、高效、優(yōu)質(zhì)、低耗、安全、環(huán)保”,全面提升發(fā)展水平,實(shí)現(xiàn)鋼鐵行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。
在智能制造高級(jí)階段,需要將智能制造的理念貫穿規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維、生產(chǎn)、管理全過(guò)程,實(shí)現(xiàn)統(tǒng)籌規(guī)劃和頂層設(shè)計(jì),基礎(chǔ)性工作包括:(1)合理規(guī)劃面向智能制造的生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu);(2)合理安排生產(chǎn)車間的平面布置,保證生產(chǎn)有序、物流合理;(3)合理配置儀表等檢測(cè)設(shè)備及其配套設(shè)施,保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定可靠;(4)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線設(shè)計(jì)和建設(shè)過(guò)程的三維設(shè)計(jì)和數(shù)字交付,全面實(shí)現(xiàn)數(shù)字化,搭建面向生產(chǎn)線全生命周期的數(shù)據(jù)平臺(tái);(5)合理配置智能制造基礎(chǔ)架構(gòu),包括工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)等。
在這個(gè)階段,智能制造系統(tǒng)貫穿整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程,在企業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的各個(gè)層面以決策者的身份出現(xiàn),全面占據(jù)統(tǒng)領(lǐng)地位。生產(chǎn)過(guò)程對(duì)于智能制造系統(tǒng)的確定性、可用性的要求也遠(yuǎn)高于對(duì)IT系統(tǒng)的要求。智能制造系統(tǒng)形成了一個(gè)完備自治的系統(tǒng)體系,形成了一種新型生產(chǎn)方式,可以從系統(tǒng)層面來(lái)描述智能制造:智能制造基于新一代信息通信技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)深度融合,貫穿于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié),具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)等功能的新型生產(chǎn)方式。
2.4智能制造系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程3個(gè)階段的特征
如上所述,在智能制造初級(jí)階段,智能制造系統(tǒng)自身不構(gòu)成完備的系統(tǒng),而是作為工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)架構(gòu)體系的重要補(bǔ)充,在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮重要的參考和補(bǔ)充作用;在智能制造中級(jí)階段,智能制造圍繞特定的生產(chǎn)單元形成了完備的自治系統(tǒng),在局部發(fā)揮決定性作用,傳統(tǒng)的工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)將作為后備;在智能制造高級(jí)階段,形成了完整的智能制造架構(gòu)體系,在生產(chǎn)過(guò)程的各個(gè)層面中全面發(fā)揮決定性作用??偨Y(jié)智能制造發(fā)展過(guò)程3個(gè)階段的特征見(jiàn)表1。
表1智能制造發(fā)展過(guò)程3個(gè)階段的特征
3對(duì)智能制造系統(tǒng)所處階段的認(rèn)識(shí)
3.1生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流向
從宏觀上看,工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程或產(chǎn)業(yè)鏈由若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的生產(chǎn)單元組成,生產(chǎn)單元可以是一個(gè)企業(yè)、一條生產(chǎn)線、一個(gè)工藝段、一個(gè)獨(dú)立的設(shè)備或一項(xiàng)相對(duì)獨(dú)立的功能等。為了對(duì)智能制造系統(tǒng)的不同發(fā)展階段有一個(gè)總體上的認(rèn)識(shí),將組成工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的每個(gè)生產(chǎn)單元廣義地分為4個(gè)相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng),通過(guò)分析各系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)流向和相互作用來(lái)判斷智能制造系統(tǒng)所處的發(fā)展階段。
系統(tǒng)包括:(1)物理系統(tǒng),包括生產(chǎn)線、產(chǎn)品等;(2)傳統(tǒng)的工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng),包括輸入/感知子系統(tǒng)和分析決策/自學(xué)習(xí)子系統(tǒng);(3)人,包括操作人員、維護(hù)人員、管理人員等;(4)智能制造系統(tǒng),包括輸入/感知子系統(tǒng)和分析決策/自學(xué)習(xí)子系統(tǒng),以及數(shù)字孿生模型系統(tǒng)和虛擬生產(chǎn)系統(tǒng)。數(shù)字孿生模型是以物理模型為基礎(chǔ),基于物理系統(tǒng)的參數(shù)和歷史數(shù)據(jù)在數(shù)字空間實(shí)現(xiàn)的,其輸出作為智能制造系統(tǒng)中分析/決策/自學(xué)習(xí)子系統(tǒng)的參考和評(píng)價(jià)。另外,基于數(shù)字孿生模型系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)虛擬生產(chǎn),對(duì)生產(chǎn)過(guò)程控制、生產(chǎn)組織管理、新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)等工作進(jìn)行仿真驗(yàn)證。
圖2生產(chǎn)單元的數(shù)據(jù)流
生產(chǎn)單元的數(shù)據(jù)流如圖2所示。圖2中:箭頭方向表示數(shù)據(jù)的流向;開(kāi)關(guān)符號(hào)定義數(shù)據(jù)的接通或斷開(kāi);實(shí)線表示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù);虛線表示非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),包括歷史數(shù)據(jù)、系統(tǒng)參數(shù)等;S1表示人對(duì)工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)定操作和干預(yù)是否有效;S2表示智能制造系統(tǒng)的輸出是否反饋給人作為設(shè)定操作和干預(yù)的參考;S3表示智能制造系統(tǒng)的輸出是否作為工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)定。
3.2智能制造不同階段的分析
在圖2中,各系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)流向是由上述的S1~S3開(kāi)關(guān)決定的,在智能制造的不同發(fā)展階段,開(kāi)關(guān)的狀態(tài)組合不同,表2列舉出不同發(fā)展階段的數(shù)據(jù)流向特點(diǎn)。其中,1代表開(kāi)關(guān)接通,0代表開(kāi)關(guān)斷開(kāi),*代表開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)智能制造所處階段的判斷無(wú)影響。
表2工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的控制模式
注1:在智能制造發(fā)展初期,智能制造系統(tǒng)的輸出用于輔助工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)優(yōu)化,以工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的決策輸出為主,總體上處于智能制造初級(jí)階段;隨著智能制造系統(tǒng)的發(fā)展和優(yōu)化,工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的作用將逐步弱化,智能制造系統(tǒng)的輸出逐漸向決定性作用演變,過(guò)渡到智能制造中級(jí)階段。
注2:隨著智能制造技術(shù)的發(fā)展,針對(duì)特定生產(chǎn)單元,智能制造系統(tǒng)的輸出發(fā)揮決定性作用,在生產(chǎn)過(guò)程的其他環(huán)節(jié),智能制造系統(tǒng)的輸出發(fā)揮輔助性作用,兩者長(zhǎng)期共存,總體上處于智能制造中級(jí)階段;在越來(lái)越多的生產(chǎn)環(huán)節(jié)中,智能制造系統(tǒng)的輸出發(fā)揮決定性作用,生產(chǎn)過(guò)程將逐步過(guò)渡到智能制造高級(jí)階段。圖3所示為智能制造由初級(jí)階段經(jīng)中級(jí)階段到高級(jí)階段的發(fā)展過(guò)程。
圖3智能制造系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程
3.3相關(guān)技術(shù)分析
下面以鋼鐵領(lǐng)域的兩個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景為例,分析相關(guān)智能制造技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中所發(fā)揮的作用和所處的地位,判斷所處階段。
(1)面向智能天車的車輛識(shí)別。對(duì)于智能天車而言,一項(xiàng)重要的功能是通過(guò)圖像或激光的方式,識(shí)別運(yùn)輸車輛的外形、鞍座位置和鋼卷形狀等參數(shù),并將識(shí)別出的相關(guān)坐標(biāo)數(shù)據(jù)發(fā)送至天車的吊運(yùn)系統(tǒng),作為吊運(yùn)的目標(biāo)位置。在智能制造初級(jí)階段,車輛識(shí)別系統(tǒng)輸出目標(biāo)位置后,由操作人員確認(rèn)位置的準(zhǔn)確性和吊運(yùn)過(guò)程的安全性,發(fā)出確認(rèn)操作指令后開(kāi)始吊運(yùn)執(zhí)行。在這個(gè)過(guò)程中,即使由于外界原因引起偶然的識(shí)別錯(cuò)誤,由于操作人員的確認(rèn)而不會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)重大錯(cuò)誤。在智能制造中級(jí)階段,車輛識(shí)別系統(tǒng)確定好目標(biāo)位置后,直接發(fā)送吊運(yùn)指令。這就對(duì)識(shí)別系統(tǒng)的確定性、可用性提出了很高的要求,不僅要求識(shí)別系統(tǒng)在任意工況條件下都要可靠準(zhǔn)確的識(shí)別,同時(shí)也需要能夠判斷自身的輸出是否會(huì)產(chǎn)生意外的結(jié)果,并且必要時(shí)自動(dòng)進(jìn)入安全狀態(tài)或切換為手動(dòng)操作模式。在智能制造高級(jí)階段,面向智能天車的車輛識(shí)別作為生產(chǎn)過(guò)程中一項(xiàng)關(guān)鍵的功能,是重要組成內(nèi)容之一。
(2)面向中厚板軋制過(guò)程的數(shù)字孿生系統(tǒng)。中厚板生產(chǎn)屬于多道次可逆軋制過(guò)程,軋制過(guò)程對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率有重要的影響。傳統(tǒng)的方法需要工藝人員和操作人員經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)后才能形成穩(wěn)定的生產(chǎn)過(guò)程。為此,考慮構(gòu)建面向中厚板軋制過(guò)程的數(shù)字孿生系統(tǒng):借助于設(shè)計(jì)過(guò)程的設(shè)備三維數(shù)據(jù)和生產(chǎn)線建設(shè)過(guò)程中的BIM數(shù)據(jù)建立的虛擬模型,以三維形式再現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程;以與生產(chǎn)過(guò)程控制邏輯高度一致的控制模型,再現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的操控;以面向設(shè)備的動(dòng)作和產(chǎn)品的變形過(guò)程為基礎(chǔ),建立對(duì)象模型。模型的構(gòu)建方式和精度決定了模型所能實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。
在智能制造初級(jí)階段,在數(shù)字孿生系統(tǒng)中,采用簡(jiǎn)化的機(jī)理模型構(gòu)建設(shè)備的動(dòng)作過(guò)程和產(chǎn)品的變形過(guò)程,實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的模擬,控制功能的全面測(cè)試和各類故障的仿真,以及操作人員的仿真培訓(xùn),提高生產(chǎn)效率。在智能制造中級(jí)階段,對(duì)象機(jī)理模型精度不斷得到提升,借助于人工智能工具和大量生產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)模型持續(xù)進(jìn)行優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生模型與生產(chǎn)過(guò)程的高度一致。此時(shí),數(shù)字孿生系統(tǒng)不僅能全面模擬生產(chǎn)過(guò)程,還可以精確地模擬和評(píng)估不同的生產(chǎn)過(guò)程對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的影響,可以自動(dòng)地對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化和干預(yù)。在智能制造高級(jí)階段,數(shù)字孿生系統(tǒng)與生產(chǎn)過(guò)程的智能制造系統(tǒng)完美結(jié)合,在全面模擬生產(chǎn)過(guò)程和對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化和干預(yù)的基礎(chǔ)上,基于數(shù)字孿生系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的全面監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)測(cè)試,并在測(cè)試完成后直接進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)。這時(shí),生產(chǎn)過(guò)程和新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程將變得簡(jiǎn)單生動(dòng),實(shí)現(xiàn)高效的智能化生產(chǎn),可以形象地稱之為“軋鋼樂(lè)園”。
4結(jié)語(yǔ)
經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,已經(jīng)形成了一套成熟的工業(yè)系統(tǒng)架構(gòu),企業(yè)圍繞提質(zhì)增效的目標(biāo),推動(dòng)智能制造將是一個(gè)長(zhǎng)期的、循序漸進(jìn)的過(guò)程。在現(xiàn)有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,利用智能制造系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù),不斷進(jìn)行補(bǔ)充完善和升級(jí)迭代,解決產(chǎn)線的痛點(diǎn)問(wèn)題,由傳統(tǒng)生產(chǎn)模式進(jìn)入到智能制造的初級(jí)階段。隨著時(shí)間的推移和技術(shù)的發(fā)展,整條產(chǎn)線乃至車間的智能化程度會(huì)逐步提高,智能制造系統(tǒng)在生產(chǎn)中的作用也會(huì)變得更加重要,在局部領(lǐng)域逐步過(guò)渡到智能制造的中級(jí)階段;隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,逐步進(jìn)入面向全生產(chǎn)線或全產(chǎn)業(yè)鏈的智能制造高級(jí)階段。
對(duì)于新建或改造的生產(chǎn)線,在規(guī)劃和設(shè)計(jì)階段需要圍繞智能制造高級(jí)階段的目標(biāo),開(kāi)展頂層設(shè)計(jì),統(tǒng)籌規(guī)劃工藝設(shè)計(jì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、設(shè)備布置等,在設(shè)計(jì)階段全面考慮與工藝生產(chǎn)和設(shè)備維護(hù)相關(guān)的物流、數(shù)據(jù)檢測(cè),全面真實(shí)反映生產(chǎn)線的狀態(tài),實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的數(shù)字建模和數(shù)字交付,建立完善的智能制造基礎(chǔ)性架構(gòu)。高質(zhì)量的數(shù)字化設(shè)計(jì)和完整的智能制造基礎(chǔ)性架構(gòu)是智能制造系統(tǒng)能夠不斷完善和提升效能的前提,是智能制造進(jìn)入高級(jí)階段的必要基礎(chǔ)。
從目前落地的智能制造工作來(lái)看,智能制造系統(tǒng)的相關(guān)功能在生產(chǎn)線的作用多定位于初級(jí)階段,部分功能接近或達(dá)到了智能制造中級(jí)階段,這也與目前的技術(shù)發(fā)展相匹配,體現(xiàn)了這些企業(yè)的科學(xué)態(tài)度和務(wù)實(shí)精神。在學(xué)術(shù)界,對(duì)智能制造的探討更多的是面向智能制造高級(jí)階段,這是企業(yè)實(shí)施智能制造的目標(biāo),也是發(fā)展的動(dòng)力。在企業(yè)實(shí)施智能制造的過(guò)程中,需要根據(jù)企業(yè)自身的發(fā)展特點(diǎn)及發(fā)展目標(biāo),基于智能制造技術(shù)的發(fā)展,從數(shù)字化設(shè)計(jì)的頂層設(shè)計(jì)開(kāi)始,有針對(duì)性地提出解決方案和實(shí)施計(jì)劃,同步制定智能制造的發(fā)展戰(zhàn)略,分步實(shí)施,有序推進(jìn),最終實(shí)現(xiàn)企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)和可持續(xù)發(fā)展。
原文刊載于《冶金自動(dòng)化》2020年第5期作者:中冶京誠(chéng)工程技術(shù)有限公司電氣與自動(dòng)化工程技術(shù)所王云波,李鐵