PLM智能工厂关键技术应用

智能工厂是当今工厂在设备智能化、管理现代化、信息计算机化的基础上达到的新的阶段,利用物联网平台和数字设计平台,通过数据处理来增强PLM的时效性,实现产品和资产管理的实

1 前言
随着工业4.0概念的推演和《中国制造2025》的大力促进,以智能制造为标志的第四次工业革命已经全面进入产业界,其中在未来工业体系中扮演重要角色的必当属智能工厂。智能工厂是当今工厂在装备智能化、管理信息化、信息数字化基础上转型的必然阶段,国内已经有大量制造类企业开始把布局智能工厂列为当务之急。然而对于我国的大多数企业来说,其工厂的智能制造系统都还处于低级或局部应用层面,只有少数大企业在部分业务流程方面有较高的数字信息技术覆盖面,在关键业务环节应用系统之间(如财务、物料、维修等)实现了一定程度上的集成和协同。

智能工厂,顾名思义,就是利用物联网、自动化设计、智能软件等各种技术来实现工厂的办公自动化、管理自动化和生产自动化,以实现工业企业增强竞争、提升效益的最终目的。它是在数字化工厂的基础上,利用物联网平台和数字设计平台,在加强工业网络安全的前提下,提高产品、流程以及工艺的可控性,减少产线运行的人工干预,实现产品和资产管理、生产管理,构建可持续发展的人机交互工厂,如图1所示。
智能工厂的体系构建 
图1 智能工厂的体系构建
 
2 产品与资产管理的数据处理
由图1可知,智能工厂的产品与资产管理包括PLM/PDM、3D制造和数字资产管理,这里以PLM/PDM进行介绍。PLM(productlifecyclemanagement),即产品生命周期管理,是对产品在投入、成长、成熟、衰退、结束等整个生命周期内进行全面管理;PDM是产品数据管理(ProductDataManagement),从属于PLM。PLM是一门用来管理包括零件信息、配置、文档、CAD文件、结构、权限信息等所有与产品相关信息的技术。

它与ERP(EnterpriseResourcePlanning)企业资源计划、ERP与SCM(Supplychainmanagement)供应链管理、ERP与CRM(Customer Relationship Management)客户关系管理等的关系,如图2所示。ERP是一个以管理会计为核心、主要面向制造业的物、财和信息于一体化的企业信息管理系统,其关注的是“控制与财务”;而PLM则是通过有效组织企业生产的二维/三维零件图库、电子CAD、结构管理、项目管理等生产作业文档,实现软件智能化、数据通道链和控制反馈环,其关注的是“产品与流程的创新”。
ERP与PLM等的关系 
图2 ERP与PLM等的关系
 
图3所示为智能工厂中PLM的应用范畴,具体包括电子CAD集成、产品零部件/结构管理、图文档管理、工程变更管理、取替代管理、供应链管理、任务工作管理、项目工作管理、项目管理、ERP集成。由此可见,在智能工厂中,ERP与PLM的数据通道可以在全域实现数据融合,并分享所有属性。
PLM的应用范畴 
图3 PLM的应用范畴
 
图4所示是PLM软件在某制造企业实施伸缩钻台总成时的报表输出,它以统一的产品数据对象模型与确定的PLM管理信息为基础,建立运行模型,使PLM系统成为企业产品数据信息交换平台,为技术管理和生产管理之间搭建一座有效的桥梁,以流程驱动为途径,改变现有工业企业相关部门之间的串行工作模式,最终进入到有效的多项目并行、多事务协同的工作模式。
PLM报表输出 
图4 PLM报表输出
 
在PLM中,产品是用于管理的一种特殊数据目录,或者是数据目录中的特殊一层,又可称为一种容器,它能够将若干数据如零件、BOM、图文档组织在一起进行管理,产品里面还可以继续划分子数据目录进行管理。如图5所示。
PLM数据目录 
图5 PLM数据目录
 
在智能工厂中,传统的以经验为主的模拟设计模式正逐渐被淘汰,一种包括3D建模、虚拟仿真等新颖的数字设计模式被开始应用。未来的工厂将能够通过3D制造,实现3D扫描/打印、3D试样/反馈、3D连续生产,以3D可视化现场应用来避免传统的“3D设计模型→2D纸质图纸→3D工艺模型”实施中的数据断层。通过PLM的实施,CAPP可以使用PLM的控件浏览PLM中的相关文档,以及完成PBOM数据的导入工作;PLM使用CAPP控件浏览CAPP中的工艺卡片内容;ERP使用PLM控件浏览PLM中的相关文档,同时完成PBOM数据的导入工作。PLM的基本体系结构如图6所示。
PLM的体系结构 
图6 PLM的体系结构
 
在该体系结构中,设计人员在PLM系统中完成设计BOM的搭建,设计BOM中包含配置情况;工艺人员在PLM中进行工艺BOM的搭建,工艺BOM包含毛坯节点和原材料节点以及零件的工艺路线属性以及其它物料属性;ERP系统中的相关人员根据流程单号利用PLM通道读取该产品工艺数据。通过实施PLM的数据处理,有利于对产品的全生命周期进行管理,可以大幅度提高工厂的生产效率,达成对于文档、图纸、数据的智能化应用。
 

3 生产管理的数据处理
图7所示为工厂数据处理示意,它是以工业物联网为基础,在“产品←→设备←→生产线←→车间←→工厂”之间进行数据通信,并通过大数据应用进行产品、设备相关的监控和数据分析,最后在决策层推导出基于产品、流程、设备相应的智能信息。
智能工厂数据处理 
图7 智能工厂数据处理

生产现场的数据经采集后在车间进行实时分析可以用于改善生产自动化,也可以基于数据的决策来提高产量和预测性维护能力,从而减少机器停机时间。工厂机器使用标准协议与PC/人机交互系统进行通信,通过该系统,操作人员或客户端桌面通过发送命令和响应来自“机器的回复”来协调材料处理,同时可以实时监控工厂库存、速度、设备状态和输出。在数据的收集和分析方面,都需要提供一致的协议和标准,以确保在生产管理、产品与资产管理之间迁移时数据的准确性和兼容性。

虽然离散制造业和流程制造业的产品制造工艺过程存在明显差异,但两者在数据处理的重点内容上几乎一致,这里以某离散制造工厂生产管理为例,其数据处理流程如下:(1)计划下达在PC端,计划员通过使用系统软件,采用excel文件导入的方式,获取计划生产的工单信息及相关的备料清单,然后下发到对应仓库的智能拣货车(投料清单)、生产工位的智能终端(工单信息)和智能电子看板(工单信息),如图8所示。
计划下达 
图8 计划下达

(2)备料环节备料信息下发到智能拣货车后,对应的提示灯自动亮起,提示备料员开始备料。备料员在智能拣货车上的终端上登陆后,根据终端上显示的备料单进行备料,系统自动记录当前备料的员工,物料的备料情况以及备料时间,并通过网络传递到服务器上的数据库中,如图9、图10所示。
备料环节 
图9 备料环节
 
备料确认 
图10 备料确认
 
(3)现场生产当一个工单备料完成运送到生产工位后,工人在工位上的智能终端上登陆;生产员工选择对应的工单开始生产;生产过程中员工可以通过终端查看产品的BOM信息,作业指导书信息;生产员工可以通过终端连接的条码枪进行条码扫描过站;生产员工可以在包装工位通过终端连接的条码打印机打印包装标签;生产员工可以在发生产品不良时将不良信息反馈给系统;也可以根据需求和设备对接获取相关的设备数据;系统会实时记录该工位的生产节拍数据并传递到服务器上的数据库进行存储,如图11所示。
现场生产 
图11 现场生产

(4)生产看板
车间的智能电子看板上根据服务器中系统数据库的实时生产数据,动态展示当前所有工单的执行情况,并可根据需求,逐层深入地了解单一工单执行的详细信息。管理者可以通过看板实时了解当前生产进度,合理进行生产调度。

(5)数据保存
所有的生产节拍数据都保存在服务器数据库中,用户可根据需要导出数据文件。有了这些数据,用户可以针对相应的工单进行数据分析,为下一步的生产改进提供数据支撑。在生产管理中,智能工厂还使用大数据来优化制造流程,具体表现如下:①先进的过程控制。根据传入的信息进行调整,并自动对流程进行增量更改,例如监测温度和湿度敏感过程的流程控制。②统计过程控制。当流程超过统计阈值时,生产设备将脱机,并且材料被重新路由或暂停以进行质量验证。③故障检测分类。将频繁的过程数据样本与预期的过程结果进行比较以识别偏差。如果存在偏差,生产设备可以脱机,材料可以自动路由到冗余设备或保持质量验证。
 

4 结束语
作为实现智能制造和制造数字化转型的重要载体,智能工厂在物联网平台和数字设计的平台上,确保工业网络安全和复杂系统仿真的需要,通过数据采集与通信、数据加工与处理、数据存储与发布,先由PLM/PDM平台设计出来一个智能产品,然后经过3D制造进行试样、反馈、连续制造,再经过ERP将其与生产计划、具体部件挂钩,并通过生产管理系统以数字化操作的形式智能化生产出来,最终实现自主工业控制、智能生产过程和数字化操作。
 
 

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