1引言

　　本文在企業(yè)數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型升級的探索和實踐，發(fā)展智能化、柔性化、規(guī)?；漠a(chǎn)業(yè)體系特別是智能化無人生產(chǎn)體系的建設(shè)中，對涉及的關(guān)鍵要素進行總結(jié)分析，對相關(guān)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型建設(shè)具有一定的借鑒參考作用。

　　2建設(shè)無人化生產(chǎn)體系原因

　　某企業(yè)的產(chǎn)品要求高精密、高質(zhì)量、高可靠，生產(chǎn)模式是典型的多品種、小批量離散生產(chǎn)模式。經(jīng)過多年來數(shù)字化轉(zhuǎn)型建設(shè)實踐，已經(jīng)具備了較強的自動化加工與信息化管理能力。從啞設(shè)備改造、產(chǎn)線的少人化探索，再到智能產(chǎn)線的升級，每一次提升都是基于企業(yè)發(fā)展到一定階段，遇到瓶頸后的主動改造、自我進化。

　　在企業(yè)發(fā)展到當(dāng)前階段，生產(chǎn)過程仍然面臨四個方面問題需要解決：①生產(chǎn)模式限制產(chǎn)能提升;②計劃準(zhǔn)時完成率不高;③質(zhì)量提升不明顯，追溯不易;④生產(chǎn)成本不易壓縮。

　　因此需要使用新模式、新體系、新方法和新工具來變革組織，實現(xiàn)發(fā)展。從 2022 年起，以自動化生產(chǎn)線為基礎(chǔ)，應(yīng)用數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)分析、邊緣計算和 5G 等新技術(shù)建設(shè)動態(tài)計劃、智能控制、柔性調(diào)度系統(tǒng)，將人工執(zhí)行升級為數(shù)據(jù)驅(qū)動的自動執(zhí)行;圍繞基礎(chǔ)建設(shè)、生產(chǎn)準(zhǔn)備、生產(chǎn)執(zhí)行和生產(chǎn)追溯四方面來建設(shè)整個生產(chǎn)系統(tǒng)，形成無人化生產(chǎn)體系的探索和實踐。

　　3無人化生產(chǎn)體系建設(shè)實踐

　　在黑燈工廠建設(shè)的探索過程中，基于當(dāng)前面臨的問題，通過充分梳理需求，整理出包括減少人力提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量、提升計劃準(zhǔn)確完成率，以及提高產(chǎn)能五方面目標(biāo)，通過分解實施，達到了預(yù)期效果，并構(gòu)建出一整套無人生產(chǎn)體系。

　　3.1重構(gòu)業(yè)務(wù)流程

　　盡管此次智能化改造之前，企業(yè)已經(jīng)具備了先進生產(chǎn)設(shè)備，但業(yè)務(wù)流程的設(shè)計仍然是依據(jù)傳統(tǒng)生產(chǎn)組織模式進行的，為了實現(xiàn)生產(chǎn)過程的無人化，徹底解放人工，必須重構(gòu)生產(chǎn)業(yè)務(wù)流程，對信息系統(tǒng)底層邏輯進行全面優(yōu)化，減少生產(chǎn)準(zhǔn)備階段人員的工作量，優(yōu)化生產(chǎn)、提升協(xié)同管理能力。

　　為此，在“黑燈工廠”無人化生產(chǎn)模式下，對生產(chǎn)資料等要素進行了升級，生產(chǎn)的組織管理模式需要變革，生產(chǎn)的業(yè)務(wù)流程需要重構(gòu);以車間 MES 和智能柔性管控系統(tǒng)為核心，以網(wǎng)絡(luò)安全防護為保障，實現(xiàn)計劃到執(zhí)行的業(yè)務(wù)流、信息流、物料流的流程統(tǒng)一;以生產(chǎn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的數(shù)字孿生系統(tǒng)，反向驅(qū)動、優(yōu)化生產(chǎn)及協(xié)同管理。

　　3.2設(shè)備和生產(chǎn)線的改造

　　在規(guī)劃了智能車間及無人化生產(chǎn)體系，并梳理了無人條件下的業(yè)務(wù)流程后，經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)論證、方案規(guī)劃和評審，進行了包括工藝布局、車間物流和機器人干涉等仿真驗證，作為產(chǎn)線正式建設(shè)的指導(dǎo)。

　　按機床加工特性進行分組布局建設(shè)產(chǎn)線，針對不同的加工能力，設(shè)計實施不同的線內(nèi)上下料機器人及輔助設(shè)備;基于產(chǎn)線主控 PLC 邏輯實現(xiàn)線內(nèi)設(shè)備動作執(zhí)行，同時建設(shè)工業(yè)環(huán)網(wǎng)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)支撐機床與各生產(chǎn)要素互聯(lián)互通。

　　1)設(shè)備智能化改造。黑燈工廠的基本元素是智能設(shè)備。為適配無人化操作，對車間設(shè)備進行了智能化改造，通過增加電磁閥、傳感器、通信口和機床 PLC 控制邏輯，使機床具備感知、執(zhí)行、檢測、通信和遠程控制等關(guān)鍵能力，為智能產(chǎn)線建設(shè)打下堅實基礎(chǔ)。

　　2)自動上下料設(shè)備實施。減少人工轉(zhuǎn)運的時間浪費，降低人員傷害，提升生產(chǎn)效率。

　　3)線邊庫實施。實現(xiàn)原料、成品線內(nèi)暫存，滿足產(chǎn)線自動生產(chǎn)短期物料供應(yīng)。

　　4)線邊接駁臺實施。滿足產(chǎn)線與車間物流對接，以連續(xù)供應(yīng)產(chǎn)線物料、提升換型效率。

　　5)安全防護等輔助設(shè)施實施。隔離人員活動與自動化設(shè)備工作區(qū)，保障人員和設(shè)備運行安全

　　3.3智能倉儲建設(shè)

　　智能倉儲系統(tǒng)是物料的起點和終點，是物料轉(zhuǎn)運的十字路口，是智能工廠的核心要素。建設(shè)的智能倉儲系統(tǒng)的特點是具備貨位存儲的動態(tài)規(guī)劃能力，可以根據(jù)產(chǎn)線拉動式需求做自適應(yīng)式任務(wù)調(diào)度，并與 MES 進行集成，實現(xiàn)物料齊套信息的自動傳輸;基于數(shù)字孿生技術(shù)實現(xiàn)了庫存周轉(zhuǎn)分析和貨位分析優(yōu)化。

　　3.4建設(shè) 5G 專網(wǎng)及三網(wǎng)安全防護

　　為滿足車間數(shù)據(jù)采集、AGV 物流控制及后期視頻監(jiān)控、直播等應(yīng)用，實現(xiàn)園區(qū)內(nèi)智能化，建設(shè)了覆蓋園區(qū)、車間的 5G 專網(wǎng)，對園區(qū)主要工作場所進行 100% 全覆蓋。區(qū)別于三大運營商的 5G 網(wǎng)絡(luò)，該專網(wǎng)將信令系統(tǒng)和數(shù)據(jù)系統(tǒng)一并下沉于企業(yè)內(nèi)部，保證了數(shù)據(jù)不出園區(qū)，將數(shù)據(jù)通過虛擬加密通道傳輸?shù)絻?nèi)網(wǎng)服務(wù)器，保障數(shù)據(jù)安全。

　　3.5車間智能物流系統(tǒng)

　　替代人工是無人生產(chǎn)必要要素，智能物流系統(tǒng)基于5G 技術(shù)實現(xiàn) AGV 對物料在立體庫、裝調(diào)間、產(chǎn)線之間的轉(zhuǎn)運。系統(tǒng)具備自動避障、自主充電、多 AGV 智能調(diào)度和二維碼自動循跡等特點，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程物料調(diào)度轉(zhuǎn)運無人化，減少了生產(chǎn)待料時間，提高生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)運營成本。

　　3.6智能制造控制中心

　　智能制造控制中心是黑燈工廠業(yè)務(wù)執(zhí)行的核心，在控制中心實現(xiàn)計劃、裝調(diào)等生產(chǎn)準(zhǔn)備工作，實現(xiàn)生產(chǎn)準(zhǔn)備的前置化，使無人生產(chǎn)區(qū)與生產(chǎn)準(zhǔn)備區(qū)分離;并依托建設(shè)于此的企業(yè)大腦、數(shù)字孿生，為車間管理提供分析、決策依據(jù)。

　　建設(shè)數(shù)字孿生，應(yīng)用 AI+ 大數(shù)據(jù)技術(shù)，多源異構(gòu)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)驅(qū)動的建模，基于無限產(chǎn)能識別瓶頸資源，基于有限產(chǎn)能構(gòu)建瓶頸網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型。支持工廠運行監(jiān)控、預(yù)警及敏捷決策。

　　1)采集產(chǎn)線、機床、AGV 和機器人等物理實體運行數(shù)據(jù)，基于邊緣云實現(xiàn)產(chǎn)線監(jiān)測及故障預(yù)測性分析。

　　2)基于設(shè)備狀態(tài)預(yù)測、數(shù)字孿生工時優(yōu)化進行動態(tài)排程，實現(xiàn)生產(chǎn)任務(wù)動態(tài)調(diào)度優(yōu)化和產(chǎn)線運行優(yōu)化。

　　3)計劃準(zhǔn)時完成率從 70% 提高到 95% ，產(chǎn)品一次交驗合格率從 95% 提升到 99.9%。

　　結(jié)合業(yè)務(wù)實際需要，通過采集 ERP、PDM、MES 和OA 等核心系統(tǒng)的離散業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，形成企業(yè)數(shù)字大腦。企業(yè)大腦涵蓋了企業(yè)戰(zhàn)略運營、人力、財務(wù)、銷售、采購、設(shè)備、生產(chǎn)和質(zhì)量等多個維度。為企業(yè)生產(chǎn)管理和精準(zhǔn)決策提供技術(shù)支撐，為科研生產(chǎn)數(shù)據(jù)賦能賦智。

　　3.7車間 MES

　　針對車間生產(chǎn)計劃達成率、準(zhǔn)時完成率較低、臨時插單多等問題，建設(shè)了車間級 MES?；谌嵝浴討B(tài)算法進行計劃排產(chǎn)并自動驅(qū)動機床加工，實現(xiàn)了車間智能主導(dǎo)的生產(chǎn)，產(chǎn)品準(zhǔn)時完成率明顯提高。

　　3.8柔性管控系統(tǒng)

　　建設(shè)柔性管控系統(tǒng)，如圖 5 所示，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的柔性、自動化控制，工人在智能制造控制中心即可實現(xiàn)毛坯自動上下料、機床自動加工、在線檢測和成品自動返回裝調(diào)間等操作。系統(tǒng)的設(shè)計完全契合企業(yè)產(chǎn)品特點及生產(chǎn)組織模式，并對比、吸收了國內(nèi)外優(yōu)秀產(chǎn)品設(shè)計思路，具有一定的行業(yè)先進性。

　　3.9建設(shè)邊緣云平臺

　　基于邊緣云平臺，采集設(shè)備數(shù)據(jù)，實現(xiàn)設(shè)備的健康管理和預(yù)測性維護;依托數(shù)字孿生的分析優(yōu)化及時實現(xiàn)生產(chǎn)工時優(yōu)化，動態(tài)調(diào)度生產(chǎn)資源，提高計劃準(zhǔn)時完成率。

　　3.10建設(shè)機床主軸碰撞緩沖系統(tǒng)

　　建設(shè)機床主軸碰撞緩沖系統(tǒng)，通過邊緣云平臺對主軸振動數(shù)據(jù)采集，對主軸安全運行狀態(tài)進行監(jiān)控，并通過邊緣云平臺反控及時防止設(shè)備主軸碰撞損壞，實現(xiàn)機床設(shè)備的健康管理，并有效避免產(chǎn)線無人化后，設(shè)備嚴(yán)重故障時，無人及時應(yīng)對的問題，有效減少設(shè)備故障造成的損失。

　　3.11建設(shè)機加產(chǎn)品機內(nèi)在線檢測系統(tǒng)

　　建設(shè)機加產(chǎn)品機內(nèi)在線檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)依據(jù)預(yù)先編制的 NC 程序按加工需求進行調(diào)用，快速測量和記錄關(guān)于零件幾何特征的形狀和位置信息，經(jīng)后處理測量宏程序，自動保存相關(guān)測量數(shù)據(jù)，實時采集產(chǎn)品加工質(zhì)量參數(shù)，實現(xiàn)無人化產(chǎn)品檢測，并有效提升產(chǎn)品質(zhì)量。

　　4結(jié)束語

　　從技術(shù)創(chuàng)新、商業(yè)模式創(chuàng)新、管理創(chuàng)新三個方面來論述，本文旨在總結(jié)建設(shè)一個可復(fù)制、可推廣，具有普適性的，適用于多數(shù)黑燈工廠建設(shè)的模式。下一步將繼續(xù)加快推動黑燈工廠建設(shè)，從無人化生產(chǎn)模式復(fù)制及推廣、智能裝配線建設(shè)等方面入手，持續(xù)探索建設(shè)具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行和自適應(yīng)等特征的智能化無人生產(chǎn)模式未來工廠。