数字化智能柔性生产线的新建设模式

数字化智能柔性生产线的新建设模式：摘要：建设自动化生产线是提升车间能力重要手段之一，但是自动化生产线绝不仅仅是一些加工中心、机器人以及测量设备的简单集成，而是需要通过自动化与信息化的深度结合、合理利用，才能使得整个自动化生产线真正的实现自动化、柔性化乃至智能化。

1. 传统的自动化生产线建设模式

传统的产线建设模式基本是先通过工艺梳理，在企业现有生产工艺的基础上进行升级改造，根据自动化相关知识对不适应自动化升级的工艺进行优化，再反应到产线设计规划图中，对设计图进行优化修改，经过多次迭代修正，最终确定产线布局。

当自动化产线建设完毕后，企业依托产线为基础，进行相关信息化管理系统建设，例如MES系统、数据采集系统以及数字孪生等，这种模式是目前企业中最为常见，也是最为熟悉的建设模式，但这种方式最终容易造成生产线与信息化系统结合度较低的问题，各类软件系统仅仅是起到了人工工作数据上传以及设备数据采集的作用。由于产线已经建设完成，相关生产工艺固化，这些数据采集上来也仅仅只能作为展示查询，无法对现有的产线生产模式提供更好的帮助与提升，因此，自动化与信息化的融合也只能停留在表面，无法真正的发挥数字化系统的效果，深层次挖掘产线生产能力。

“不要在落后的工艺基础上搞自动化，不要在落后的管理基础上搞信息化”，一般而言，自动化升级改造会倒逼企业对产品生产工艺进行升级，高自动化的生产模式相较于传统人工生产模式对制造工艺、装配工艺乃至物料一致性、设计可制造性都会提出更高的要求，同样，信息化对于企业综合管理能力也提出了更高的要求，自动化产线是完成生产制造的手段，而先进的数字化信息化管理模式才是实现智能车间乃至智能工厂的根本核心，利用好适应企业需求的信息化管理手段才能使得先进的自动化、柔性化生产线发挥百分之百的作用。因此，想要利用好自动化生产线，将企业打造成真正的智能工厂，使得相关软件管理系统真正的发挥作用，必须将信息化规划建设阶段前移，使信息化与自动化建设密切配合，相互提升，查漏补缺，而不是自动化产线与信息化系统“你干你的，我做我的”，使得本该互相配合的两者严重割离，甚至互相掣肘。

本文将以自动化生产线中最为普遍的CNC柔性加工单元为案例，对数字化智能产线建设相关思路进行简单说明。

2. 智能柔性自动化生产线建设思路

上图是一个典型的CNC柔性加工单元方案图，其由一台七轴机器人为搬运设备，三台加工中心为工艺设备，三坐标测量仪为检验设备的组成，传统的自动化建设方式仅仅是对这些标准设备进行集成，简单的利用了多台加工中心生产能力的矩阵集成效应，横向并联式对加工设备进行组合，其相较于单台加工中心提升了生产能力，但其实只是将多台设备共同使用，从根本上来说OEE（设备综合效率）基本没有太大的改变，大量的生产准备、产线换产、物料齐套等待时间并没有真正的节约出来。

自动化生产线的核心能力评定要素分别为产线生产效率及产线柔性程度，这两者相互影响、互相制约，因此，柔性自动化生产线（加工单元）应从建设初期就进行整体综合规划，通过数字化手段对整个柔性生产线（加工单元）进行纵向管理，将自动化与信息化深度融合，在硬件设备利用到极致的情况下，从另一个维度使用MES系统、数据采集系统、仿真系统、WMS系统等信息化手段对整个柔性自动化生产线（加工单元）进行整体化提升。

所谓自动化生产线（生产单元）的柔性制造能力，核心概念就是使用同一条产线，对工艺具备一定相似性、尺寸在一定范围内不同产品进行制造加工及装配的能力，产线柔性生产是通过利用各种设备本身的兼容性，以及根据产品更换工装的方式，对多种类产品进行柔性制造的生产模式。对于军工、航空、航天等特殊行业，其产品基本都具有小批量、多种类的特性，而由于这种生产特性，使得加工任务卡生成以后如何快速响应到产线、产线如何快速换产、生产过程状态如何实时监控以及生成的数据如何正向反作用于产线本身等相关技术成为了柔性产线建设的核心问题，生产设备的加工能力是恒定的，加工单元只是把生产设备进行了整合，真正想要提高设备利用率，必须通过信息化手段多角度优化的各种设备等待时间，这样才能将柔性生产线的生产能力发挥到最大。


如上图所示，生产线的综合柔性指标不仅仅指的是兼容产品的种类数量，也包含产品换产的能力，如果生产线换产工作量过大，换产时间过长（某些情况下甚至超过了人工加工该产品的时间），那么可以认为这条产线的柔性能力为零，同样，生产线的生产效率也不仅指的是本条产线各类设备的生产能力及产线节拍，物料的配送能力也应该包含在其中，否则产线万事俱备，却只能停机等待物料配送，那么这条产线此刻的生产效率也为零。

柔性产线（生产单元）管控系统作为一种先进的制造管理系统，通过由上至下的纵向综合管理模式，打通与MES系统、产线中控系统、WMS管理系统的信息传递路线，以下发加工任务卡为起点，实现加工任务自动下发，产线中控系统与WMS仓储物流管理系统同步接收任务指令，产线自动更换夹具，自动切换NC代码，仓储物流系统进行物料配送，以信息化的手段对产线的生产能力及柔性加工能力指标进行管控升级，从而整体化的提升产线的综合生产能力。

产线生产管控系统与产线下位机执行控制单元集成，生产管控系统根据接收的生产任务信息自动处理零件产品的加工信息，形成一定格式的数据文件，根据每次加工零件的不同，由接口软件动态调用对应的工艺技术文件和下位机生产控制指令代码，并把产品生产控制指令代码通过接口传递给产线下位机控制系统，完成产线加工换产。


该系统实现生产执行管控的同时，将生产线内各单元实时生产数据、零件质量信息数据传递到信息系统的后台数据库内，为企业管理决策者提供了实时准确的数据，将现场自动化生产线与上层管理信息系统MES或者ERP实现了有机联结，实现实时信息交互。

柔性生产单元生产管控系统总体架构设计分为三层，如下图所示：


系统最底层为生产设备层，是对生产线上所有的设备、设施及辅助机构进行设备互联和执行下位机命令控制的基础通讯层。

系统中间层是产线控制层，负责承担产线接收上位机生产指令和自动控制执行各设备单元机构使能动作部分。

系统顶层是柔性生产单元生产管控层，与车间级MES系统或EPR系统实现生产计划业务对接，可接收厂级生产计划任务和生产准备信息，通过生产管理系统自有的简单排产功能，实现产线的科学排产和生产排班，并通过过任务号信息自动查询产线产品加工基础库中对应产品信息（如型号、规格、程序、工装、夹具、刀具、工艺路线等），自动匹配该产品产线制造工艺，实现产线生产任务的自治管理与自动生产。

综上所述，生产线管控系统是维持生产线正常运行的核心组成部分，是保证产线高效率、高柔性运转的核心保障，通过数字化业务管控、工业总线控制、实时通信等技术将生产线上各个分散独立的设备设施连成能进行相互通信、工业互联的整体单元，利用总线控制对生产线任务进行管理和规划，对资源进行全局调度，形成信息流闭环反馈机制，确保生产指令的精确执行，从而确保整个生产线的正常运行。

3. 基于数字孪生技术的智能生产模式

随着企业数字化与智能化建设的不断完善，由多种信息化手段共同作用形成的数字孪生解决方案已经逐渐成为智能车间建设的重要手段。使用数字孪生技术对车间进行整体数字化升级不仅仅是将现实投影进入虚拟世界，而更多的是需要通过虚拟世界的模型、数据和算法进行优化、迭代，对现实状态进行预测，从而通过虚拟世界对现实世界产生影响，为真实车间以及工厂的生产提供优化分析和调度指挥。

数字孪生技术最重要的作用是以虚拟影响现实，数据推动生产。为了实现这项目标，在自动化生产线规划建设初期，就应该以数字孪生为重要技术手段，共同进行产线自动化与信息化的融合规划，若仍按照先进行自动化产线建设，后进行产线数字孪生实现模式进行建设，所面临的最大问题是：产线硬件设备采购、布局已经完成，PLC控制系统编程、调试也已经固化，那么即使通过数字孪生技术对产线进行了虚拟化构建，产生的数据也无法对现有产线产生较为明显的正向影响。

4. 结束语

数字化智能柔性生产线的建设是一个综合性的系统工程，传统的以集成各种设备、打通工艺流程的建设方式已经不满足现阶段柔性化、数字化乃至智能化的车间建设要求。只有站在一个全新的高度，以闭环的管理模式，先进的信息化技术手段为依托，统筹规划例如仓储、物流、搬运、工艺、生产以及成品转运等设备，从产线、车间乃至工厂的方案规划初期就进行自动化与信息化的深度融合、统一设计，才能使二者发挥最大的效用，使企业不仅仅是建设成几条自动化生产线去满足生产需求，而是打造成真正“多线一体，统一管控”的数字化智能柔性生产线。