趙子梁，賀 剛，李海明

(1．沈陽卷煙廠，遼寧 沈陽 110000)

(2．深圳華龍訊達(dá)信息技術(shù)股份有限公司，廣東深圳 518000)

“大力推進(jìn)信息化與工業(yè)化融合”是目前我國工業(yè)化發(fā)展的重要指導(dǎo)方針。20世紀(jì)70年代以來，微電子技術(shù)的發(fā)展推動了全球信息化，信息化與經(jīng)濟(jì)全球化相互交織，推動著全球產(chǎn)業(yè)分工的深化和經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整，重塑了全球經(jīng)濟(jì)競爭格局，信息化與工業(yè)化融合成為發(fā)展大趨勢。

煙草企業(yè)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，工業(yè)化已步入中后期發(fā)展階段，信息化也從初級階段向中級階段轉(zhuǎn)變，信息化與工業(yè)化發(fā)展已經(jīng)具備在更高水平、更深層次和更大范圍上融合的基礎(chǔ)，也存在兩者相互促進(jìn)和融合的強(qiáng)烈內(nèi)在需求。

1 煙廠信息化的現(xiàn)狀

目前各大煙草企業(yè)都在逐步實施ERP、MES等系統(tǒng)，同時也逐步推進(jìn)車間級的數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)、設(shè)備維修管理系統(tǒng)等管理軟件，努力提高企業(yè)的信息化水平。如何更好地實現(xiàn)信息化和工業(yè)化的融合，使管理軟件更加符合生產(chǎn)管理、設(shè)備管理和質(zhì)量管理需要，是大家共同的課題［1］。

目前煙廠車間級管理系統(tǒng)主要需求為:(1)對生產(chǎn)數(shù)據(jù)、質(zhì)量數(shù)據(jù)和設(shè)備數(shù)據(jù)的真實采集和追溯;(2)對設(shè)備運(yùn)行情況的在線監(jiān)視和預(yù)防性維修體系的建立;(3)對操作人員行為的統(tǒng)一管理和績效考核;(4)管理人員對設(shè)備運(yùn)行狀況和人員工作狀況的綜合考評。

卷接包車間數(shù)字化工廠管理系統(tǒng)就是將煙草企業(yè)卷接包車間作為研究對象［2］，以真實準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集和存儲為基礎(chǔ)，將在線設(shè)備生命周期管理體系、人員行為管理體系和車間級生產(chǎn)設(shè)備管理體系相結(jié)合，構(gòu)建車間級在線實時管理系統(tǒng)，并與ERP、MES和物流管理系統(tǒng)相結(jié)合［3］，構(gòu)成信息化和自動化相互融合的在線式信息平臺。

2 數(shù)字化工廠管理系統(tǒng)的特點

a．實現(xiàn)設(shè)備全面的數(shù)據(jù)采集。

建立一套安全、可靠的車間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)對車間設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，同時建立實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫，為需要集成的系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口，既滿足管理系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)的需求，又保證數(shù)據(jù)的一致性與完整性［4］。

數(shù)據(jù)采集是生產(chǎn)過程中底層數(shù)據(jù)的主要來源，真實、實時、完整的數(shù)據(jù)是構(gòu)建生產(chǎn)信息化的基礎(chǔ)，它為后續(xù)的調(diào)度、控制、分析提供依據(jù)，通過軟硬件的處理，系統(tǒng)對數(shù)據(jù)庫刷新時間小于2 s。采用先進(jìn)的技術(shù)手段實現(xiàn)對生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)、生產(chǎn)進(jìn)度、運(yùn)行效能、工藝參數(shù)、電氣性能等信息進(jìn)行全面、準(zhǔn)確、實時的采集和數(shù)據(jù)存儲。

b．實現(xiàn)對工藝參數(shù)的監(jiān)控。

系統(tǒng)對影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵工藝參數(shù)實現(xiàn)從訂立標(biāo)準(zhǔn)到車間設(shè)備應(yīng)用實現(xiàn)全過程的監(jiān)控，同時車間工藝品質(zhì)管理根據(jù)廠部工藝質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行集中控制［5］。

c．實現(xiàn)對設(shè)備生命周期值的實時監(jiān)控。

通過設(shè)備生命周期管理系統(tǒng)建設(shè)，實現(xiàn)車間設(shè)備的精細(xì)化管理，為主要零件建立生命周期，并根據(jù)在生產(chǎn)過程中采集的設(shè)備零部件壽命指標(biāo)與系統(tǒng)評估的生命周期值作比較，計算得出最終的實際生命周期，為設(shè)備的管理提供最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)依據(jù)，提升設(shè)備總效率，降低設(shè)備故障率，縮短設(shè)備停機(jī)時間，提升制造部門人員的設(shè)備管理能力和人員管理能力，使設(shè)備管理體系更加先進(jìn)。

d．將數(shù)據(jù)提供給MES系統(tǒng)以實現(xiàn)對車間在線管理系統(tǒng)與生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)的協(xié)調(diào)。

采集到的實時數(shù)據(jù)存儲在實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫中，通過預(yù)定義的通信接口，實現(xiàn)MES生產(chǎn)調(diào)度信息的下發(fā)和實時數(shù)據(jù)的上傳，構(gòu)成完整的生產(chǎn)調(diào)度管理系統(tǒng)。

3 數(shù)字化工廠管理系統(tǒng)的軟件架構(gòu)

如圖1所示，數(shù)字化工廠管理系統(tǒng)軟件架構(gòu)由數(shù)據(jù)采集管理模塊、生命周期管理模塊和3D可視化管理模塊組成。

圖1 數(shù)字化工廠管理系統(tǒng)

a．?dāng)?shù)據(jù)采集管理模塊描述。

該模塊是基于實時數(shù)據(jù)采集的在線生產(chǎn)管理和質(zhì)量管理功能的集合，通過對生產(chǎn)數(shù)據(jù)和質(zhì)量數(shù)據(jù)的在線收集、分析、計算和統(tǒng)計等，以報表、曲線、餅圖、柱狀圖等形式展現(xiàn)當(dāng)前和一段時間的生產(chǎn)現(xiàn)狀，給進(jìn)一步的生產(chǎn)管理和質(zhì)量管理提供依據(jù)［6］。

如圖2所示，生產(chǎn)管理模塊將現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)管理思想、理念引入企業(yè)生產(chǎn)管理，通過采集數(shù)據(jù)的分析對企業(yè)生產(chǎn)管理流程進(jìn)行重組和優(yōu)化，以便為訂單式生產(chǎn)提供更為快捷的生產(chǎn)計劃調(diào)度，從而提高企業(yè)的市場競爭力。

質(zhì)量管理模塊是以生產(chǎn)事件如批次、對象、序列號、時間等方式捕獲、總結(jié)、分析制造和質(zhì)量數(shù)據(jù)。不論選擇以什么方式捕獲數(shù)據(jù)，質(zhì)量管理都將把產(chǎn)品規(guī)格和配方應(yīng)用于該數(shù)據(jù)，且在發(fā)生違規(guī)情況時發(fā)出警報。如果批次生產(chǎn)有了缺陷，模塊可以精細(xì)分離缺陷產(chǎn)品以大幅降低損失。該模塊還可以通過分析資料信息估算關(guān)鍵性能指標(biāo)，根據(jù)需要創(chuàng)建易懂的用戶定制報表。

圖2 數(shù)據(jù)管理模塊

b．設(shè)備生命周期管理模塊功能描述。

如圖3所示，該模塊是基于實時數(shù)據(jù)采集的在線設(shè)備管理和備件管理功能的集合，系統(tǒng)提出設(shè)備生命周期的理念，以實時采集的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)作為參考，建立精細(xì)到零件級的設(shè)備生命周期檔案，以此為依據(jù)建立一整套完善的設(shè)備在線管理和評價體系。

圖3 設(shè)備生命周期管理模塊

設(shè)備生命周期管理系統(tǒng)是運(yùn)用先進(jìn)的3D可視化軟件和實時監(jiān)控平臺軟件所開發(fā)的著眼于設(shè)備預(yù)防性維修的信息化智能系統(tǒng)［7］，實現(xiàn)了設(shè)備從購置、生產(chǎn)、預(yù)檢、點檢、預(yù)防性維護(hù)、項修、中修、大修到零配件更換的全生命周期管理，能夠評估出整套設(shè)備的實時狀況，為實現(xiàn)設(shè)備精益化管理提供了準(zhǔn)確、實時、全面的數(shù)字化互動平臺。

系統(tǒng)對設(shè)備的每個零部件建立3D模型，模擬真實機(jī)器的組成結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對設(shè)備零部件的詳細(xì)查詢和3D裝配動畫功能。通過與自動化控制系統(tǒng)的有效集成，系統(tǒng)能夠檢測到設(shè)備及其零部件的運(yùn)行狀態(tài)并對使用壽命做基礎(chǔ)統(tǒng)計，記錄其生命周期值，對接近使用壽命的零部件生成預(yù)警和報警信息，并在3D場景中定位到報警部位，提醒設(shè)備維護(hù)人員對設(shè)備進(jìn)行預(yù)防性維修，從而消除因零部件超期使用引起的故障隱患。

系統(tǒng)建立了設(shè)備運(yùn)行、檢修、移動、變更、技改、退役、報廢等生命周期管理設(shè)備履歷，跟蹤設(shè)備靜態(tài)信息、動態(tài)信息。通過對各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的挖掘，能夠生成設(shè)備預(yù)防性維修、輪修輪保、項修、中修、大修、換件、備件需求、供應(yīng)商選擇等建議性報表，為設(shè)備和生產(chǎn)部門根據(jù)生產(chǎn)情況和設(shè)備狀況提前做好設(shè)備維修計劃和維修資金安排提供數(shù)據(jù)支持。

c．3D可視化管理模塊描述。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)(簡稱VR)，又稱靈境技術(shù)，是以沉浸性、交互性和構(gòu)想性為基本特征的計算機(jī)高級人機(jī)界面。如圖4所示，3D可視化管理模塊是基于實時數(shù)據(jù)采集的在線3D可視化軟件系統(tǒng)，系統(tǒng)建立全廠3D漫游引擎、車間3D虛擬現(xiàn)實引擎和設(shè)備3D虛擬生產(chǎn)引擎，以三維的形式展現(xiàn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、故障信息和主要運(yùn)行數(shù)據(jù)等，以生動的形式將現(xiàn)場生產(chǎn)真實情況抓取到使用者的電腦上來，實現(xiàn)真正意義的可視化管理。

圖4 虛擬現(xiàn)實管理系統(tǒng)

4 數(shù)字化工廠管理系統(tǒng)與其他管理軟件的功能差異

a．與ERP/MES軟件的功能差異。

許多企業(yè)在實施ERP/MES等系統(tǒng)時，主要采用以物料和庫存回報來控制生產(chǎn)的模式。隨著上層生產(chǎn)計劃管理受市場影響越來越大，面對更多產(chǎn)品的改型、訂單的不斷調(diào)整時，這種模式根本無法適應(yīng)需求。數(shù)字化工廠管理系統(tǒng)面對生產(chǎn)車間的機(jī)臺設(shè)備，以實時數(shù)據(jù)采集為基礎(chǔ)，信息的獲取可以精確到2s，及時反映當(dāng)前生產(chǎn)、設(shè)備和質(zhì)量信息，便于決策者快速響應(yīng)，及時調(diào)整，滿足快速變化的需要。同時數(shù)字化工廠管理以當(dāng)前信息為參考點進(jìn)行閉環(huán)控制，響應(yīng)速度更快，變化因素導(dǎo)致的影響更小。

b．與常規(guī)數(shù)據(jù)采集管理軟件的功能差異。

常規(guī)數(shù)據(jù)采集管理軟件通過各種方式采集生產(chǎn)線和設(shè)備上的實時數(shù)據(jù)，存在的主要缺陷是，一方面采集的數(shù)據(jù)不全面，對生產(chǎn)、設(shè)備和質(zhì)量的評價基礎(chǔ)不足，另一方面只是對信息的簡單統(tǒng)計和分析，沒有進(jìn)行深層次的數(shù)據(jù)挖掘。數(shù)字化工廠管理系統(tǒng)通過基于源代碼的底層數(shù)據(jù)采集、基于人員行為管理的人員信息采集、基于設(shè)備生命周期技術(shù)的生命值采集等，實現(xiàn)了車間級全面的數(shù)據(jù)收集工作，并在此基礎(chǔ)上，實現(xiàn)設(shè)備生命周期管理、人員行為管理以及與MES系統(tǒng)相結(jié)合的綜合管理等，建立全數(shù)字化的信息管理體系。

c．與常規(guī)設(shè)備維修管理軟件的功能差異。

常規(guī)設(shè)備維修管理軟件是基于離線設(shè)備管理、離線庫存管理、離線維修計劃管理的管理軟件，數(shù)字化工廠管理系統(tǒng)包含的設(shè)備生命周期管理系統(tǒng)，是基于在線式設(shè)備管理概念的綜合性設(shè)備管理平臺，系統(tǒng)建立零件級的設(shè)備檔案，以生命周期評價體系記錄并計算零件的生命周期值，同時和庫存管理系統(tǒng)、供應(yīng)商評價系統(tǒng)等相連，形成動態(tài)的在線式設(shè)備管理體系。

d．與常規(guī)3D可視化軟件的功能差異。

與常規(guī)3D可視化軟件的不同在于，數(shù)字化工廠管理系統(tǒng)中展現(xiàn)的是在線式3D可視化工廠，使用者看到的是和生產(chǎn)過程、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)直接關(guān)聯(lián)的動態(tài)場景，生產(chǎn)管理人員、設(shè)備管理人員在數(shù)字化工廠軟件上看到的畫面真實反映生產(chǎn)現(xiàn)場的實際狀態(tài)，是透明化的數(shù)字化工廠系統(tǒng)。

5 數(shù)字化工廠管理系統(tǒng)的亮點

a．全面的數(shù)據(jù)采集。

數(shù)字化工廠管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊從數(shù)據(jù)廣度和深度2方面獲取數(shù)據(jù)，不僅通過從自動化設(shè)備、加裝關(guān)鍵測點、人員行為檢測裝置、企業(yè)各類管理系統(tǒng)中獲取實時數(shù)據(jù)，而且將每個機(jī)構(gòu)的動作信息，每次換件、維修、停機(jī)等的信息都采集上來，信息量大，真實性強(qiáng)。

b．設(shè)備生命周期管理模型。

數(shù)字化工廠管理系統(tǒng)設(shè)備管理的核心是建立設(shè)備生命周期模型，以設(shè)備主機(jī)部套樹為基準(zhǔn)設(shè)計部套、子部套、分部套和零件的生命周期模型(生命周期初始值、設(shè)備運(yùn)行時間因子、零件使用狀況因子、換件因子、維修因子、日常保養(yǎng)因子)，建立一套以真實設(shè)備數(shù)據(jù)為參考的在線設(shè)備維修評價體系。

c．在線3D可視化技術(shù)。

數(shù)字化工廠管理系統(tǒng)將3D可視化技術(shù)引入到工廠管理系統(tǒng)中來，以更直觀、更及時的方式進(jìn)行生產(chǎn)管理、設(shè)備管理和質(zhì)量管理，可以促進(jìn)管理方法的突破。

6 數(shù)字化工廠管理系統(tǒng)的應(yīng)用效果說明

如圖5所示，數(shù)字化工廠管理系統(tǒng)是車間級的信息化與工業(yè)化融合解決方案，是信息化技術(shù)、自動控制技術(shù)、3D可視化技術(shù)、設(shè)備管理技術(shù)等互相結(jié)合的產(chǎn)物，可達(dá)到以下效果:

a．該系統(tǒng)通過自動化層的底層數(shù)據(jù)通信，以秒級的采集速度獲得卷接包車間自動化設(shè)備的生產(chǎn)、質(zhì)量和設(shè)備數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲在實時數(shù)據(jù)庫中。由于數(shù)據(jù)絕對真實和實時，使管理系統(tǒng)的分析決策更加準(zhǔn)確有效。

b．以真實設(shè)備數(shù)據(jù)為依據(jù)的設(shè)備生命周期管理模型和零備件庫存系統(tǒng)、供應(yīng)商評價系統(tǒng)相結(jié)合，不僅為預(yù)防性設(shè)備維修、大修、中修、項修提供真實的數(shù)據(jù)依據(jù)，還可有效降低零備件庫存，加強(qiáng)零備件管理。

圖5 數(shù)字化工廠管理系統(tǒng)應(yīng)用效果

c．經(jīng)過該系統(tǒng)采集、分析和計算出的在線管理數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)接口發(fā)送給MES系統(tǒng)，為生產(chǎn)執(zhí)行過程提供了真實有效的數(shù)據(jù)，使MES的管理過程更加準(zhǔn)確。

［1］ 李葆文．設(shè)備管理新思維新模式［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003．

［2］ 吳云峰，邱華．面向設(shè)計與制造的數(shù)字化工廠平臺［J］．中國制造業(yè)信息化，2011，40(1):1-5．

［3］ 朱少軍．TPM推進(jìn)解決方案［M］．深圳:廣東經(jīng)濟(jì)出版社，2011．

［4］ 施宇鋒，徐寧．?dāng)?shù)字化工廠及其實現(xiàn)技術(shù)綜述［J］．可編程控制器與工廠自動化，2011(11):37-39．

［5］ 汪昌任．SAP EAM設(shè)備維護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用及案例［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2005．

［6］ 高福成．TPM全面生產(chǎn)維護(hù)推進(jìn)實務(wù)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009．

［7］ 李有．工程項目的部分三維設(shè)計數(shù)據(jù)采集和分析［J］．石油化工設(shè)計，2008(3):26-28．