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软件推动工程制造4.0

2017/11/25    来源:e-works    作者:曹大平      
关键字:智能制造  工业4.0  软件  系统集成化  机电一体化  产品数据化  EPLAN  
工程制造业正赶上它的最佳发展机遇: “中国制造2025” - 国家希望通过三个十年“三步走”的战略,在建国一百周年的时候,实现中国成为制造强国的梦想。工程制造业要进入到“智能制造”,融入工业4.0时代,软件的地位举足轻重、意义非凡。本文主要分析企业如果要实现智能制造,需要如何对软件进行利用,来满足企业各部门、各层级的需求。作者从工程制造的“三驾马车”:系统集成化、机电一体化、产品数据化三个方面逐一剖析,来阐明观点,并得出结论:保证企业中各个系统之间数据的顺畅交流和一致性,是推动制造智能化的根本点。

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0 前言

    近几年,工程制造行业最重要、最时尚的词汇,当属“工业4.0”。德国政府2011年11月公布了《高技术战略2020》,旨在保持德国工业的竞争力,支持工业领域新一代革命性技术的研发与创新,通过信息物理系统,开创新的制造方式,实现“智能工厂”。在德国三大协会VDMA(德国机械设备制造业联合会)、ZVEI(德国电气电子行业协会)、BITKOM(德国信息技术、通讯和新媒体联合会)的引领下,携手高校和研究院所,发动各家自动化生产企业,形成了“工业4.0”这一目标,它要使德国造的设备或系统之间相互融合,数据互相传输,实现智能化。2013年德国政府正式提出“Industry 4.0”将作为其国家战略后,它的热度在持续攀升,在Google中的搜索结果多达上亿条。

    众所周知,蒸汽机、电能、电子与IT技术的广泛应用分别被称为第一、第二、第三次工业革命。现在谈论的“工业4.0”,是指以大数据、云计算、传感器/执行器、智能化控制设备和终端等已有技术的融合,有人将其称之为“第四次工业革命”。与前三次工业革命不同的是,之前三次都有颠覆性的技术出现和应用,而这次只是利用已有的技术:低廉的传感器/执行器、强大的嵌入式系统、成熟的互联网技术,进行密切整合所催生出来的一种新的变革。这种变革带来的巨大收益是:在不显著增加成本的情况下,能够在更短的时间内,高品质地生产出满足客户个性化需求的产品,实现所谓的“柔性生产”。

    为了实现中华强国梦,我们国家也参照德国的“工业4.0”,制定了针对于国内企业的“中国制造2025”,但是其本质也是相同的,也是要通过将信息化技术融入到工业化技术之中,通过智能化的制造,生产出高质量、柔性化的产品。

    对于工程制造而言,要实现“智能制造”,需要从三个不同的角度着手,推进制造的智能化升级:系统集成化、机电一体化、产品数据化,因为这三项任务是拉动工程设计提质增效的“三驾马车”。

1 系统集成化

    在工业4.0的平台架构中,一共定义了五个层级,从底到顶依次是:执行层、控制层、网络层、系统层、管理层。它们各司其职:执行层负责数据的采集和最终执行;控制层负责发送指令给执行层开始或结束任务,同时把其它系统需要的数据通过网络层进行传输;系统层会对数据的采集、执行、传输、安全性进行监控;管理层则是处于最顶层,用于各种数据的集中管理和存储、显示、分析等。PLM系统属于管理层,由它负责管理工程相关的各项数据,各个流程、各个环节所产生的管理数据都需要汇总到其中,它是公司内各个部门共同的管理平台,是企业管理工具的核心。企业管理所需的各项数据都可以从中获取。其中保存的数据,是真正意义上的“大数据”,是整个企业的核心。因此,对于实现“智能制造”,首要一点是确保不同的系统之间互相联系起来。

    关于什么是真真正正的“工业4.0”或者“智能制造”,目前各方的说法还不是完全统一,还存在一些争议,但是已经达成的共识是:智能制造的核心是数据,本质是数据的采集、传输、处理、管理及安全。构成工业4.0平台的五个层,它们有些是软件,有些是内嵌软件的硬件系统,智能化的目标是将它们的数据需求,通过系统集成来得以满足。而“系统集成化”是要将尽可能多的数据集成在一起,确保数据的一致性。系统集成化有横向集成和纵向集成两个维度。

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    图1 系统集成化的两个维度

1.1 横向集成

    横向集成指的是按照工程流程中的信息流向,对不同系统进行的集成。比如:在项目规划或前期研发时,所定义和创建的数据,应该能够直接应用于工程设计中;而工程设计所产生的数据,应该能够直接应用于生产制造中;制造数据可以直接用于装配调试和后期的维护保养。以元器件为核心的各项数据,在整个流程中保持很好的一致性、传承性、延续性、可追溯性,……如果没有进行系统的横向集成,各个软件工具、子系统相互独立,需要依靠人工进行数据的传递,不仅耗费很多的人工,还可能发生数据错误、缺失的问题,影响最终生产而导致返工。比如在工程设计阶段使用设计软件设计了元器件控制柜内的布局;考虑了元器件的宽度、深度、高度三个方向的干涉问题;也考虑了元器件的安装间隙、功率损耗与发热问题;而且把柜内接线的长度和走向都设计出来了,实现了精准的设计。但是生产部门的管理系统是另外的软件,需要手工录入设计产生的数据到生产管理系统,比如线号、线的长度和加工方式等等,然后再进行加工,如此一来,产品的生产周期会被大大拉长,无法满足快速适应市场这一重要需求。横向集成的目标,是要把工程流程中的这些系统直接连接起来,使其能够直接进行数据传输而无需手工干预,保障数据的一致性。设计软件产生的数据直接传递到下一环节,或者提供给后续的生产制造部门。

1.2 纵向集成

    纵向集成指的是处于工业4.0的平台架构中各个层的软件、系统,包括处于顶层的PLM系统进行数据集成。比如在工程设计完成后,整个项目所需要的机械零部件、电气元件等信息,都要准确无误地传递给PLM系统,因为从设计部产生的这些数据源,将要通过PLM系统呈现给采购部、物流部、仓储部、财务部等等部门。如果用人工进行数据的传递,一旦数据出错,那么采购回来的元器件可能根本无法使用,而财务部核算的成本也根本不准确,这都会造成巨大的管理成本增加。

1.3 EPLAN解决方案

    在工程设计中,有很多软件、系统会被应用。单纯从电气设计来讲,EPLAN通过提供多款软件,来实现横向、纵向集成。在项目规划、工程设计、电气生产工艺、装配制造上,提供不同的软件产品来实现高效设计,如下图所示。

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    图2 EPLAN解决方案中的横向与纵向集成

    这些软件使用同一个数据库,数据库中的数据来源于持续更新的云数据库:Data Portal网站。我们假设一个应用场景,某企业的销售部门接到一个新的订单,该订单经过分析之后形成需求文档。需求文档转移到工程或技术部门后,技术人员对工程项目进行前期规划,比如工程设计中要使用到一个西门子的PLC模块6ES7321-1BL00-0AA0。工程师先从云数据库中搜索到这个模块,通过拖放操作将它应用于项目规划图中,与此同时,这个模块附带的各项参数(尺寸、安装间隙、电气符号……)会一并下载到本地的数据库中,因此在进行工程设计时能够直接调用这个模块,完成原理图设计;在电气工艺设计时再直接拖放此前原理图中的设备,就能很容易地完成设计。由于是同一个数据库,数据可以保持很好的一致性,而且它支持正向或逆向的修改,也就是说,修改一个地方,其它环节的数据都能一并被修改,因此数据的正确性毋庸置疑,这是横向集成的典型表现。

    除了在设计部门内部的各个环节进行数据的传输,设计数据也能直接输出给自动化的机床,比如自动钻孔、线槽/导轨切割、端子卡装、自动裁切线等设备,过去都需要由人工来实现的加工工作,现在可以将数据直接输出到机床进行加工、生产,由此减少了大量的人工工作,而且通过机器自动加工,产品的品质可以得到很好的保障,这样一个从规划到设计直至自动化生产的完整解决方案,正好契合“智能制造”的需求。因此这样一种便捷的横向集成的方案,使得最终交付的产品与最初客户订单的要求一致,符合客户的预期,非常有助于实现产品高品质化。

    而通过集成套件,可以将EPLAN各个软件中的数据,与PLM系统进行双向传输,实现纵向集成。在工程项目设计结束后,通过检入操作,工程图纸和所使用到的物料就自动传输到PLM系统中进行管理,在PLM客户端可以查看该工程项目需要多少外购件,成本到底多少等;而项目需要更改时,只需要从PLM中执行检出操作即可,项目就会自动检出到客户端,在EPLAN中进行修改。这样的集成可以大大简化管理的流程,优化管理方式并缩短流程审核周期,减少数据的错误,完全符合工业化与信息化“两化融合”的需求。

    因此,对于制造型企业而言,对公司中尚处于“信息孤岛”的各个系统,进行系统的横向集成、纵向集成,是迈向智能制造的第一步。

2 机电一体化

2.1 端端集成

    系统集成化是从公司管理的宏观方面,通过横向集成和纵向集成,把不同部门通过PLM系统融合在一起,实现各个部门的数据一致。而另一件重要的事情是将不同的工程学科集成到一起,实现端端集成(终端到终端),也就是所谓的“机电一体化”。

    一个完整的工程项目,不仅包含机械结构、电气控制,也包含气动、液压、润滑、冷凝、管道与工艺等学科,甚至还有PLC软件、上位机等。通常情况下,不同的工程师在不同的设计软件中完成各自学科的设计,与其它学科有关联的部分,通过开会或者文件的形式进行沟通。一旦某个学科中的内容发生更改,要提交更改通知来知会所有相关人员,随后各自按照最新的通知相应地进行修改。在实际工作过程中,需要很多的会议和邮件来完成沟通工作,项目的时间消耗较多。

    机电一体化的含义是,尽可能地使用同样一个软件去完成所有设计工作,当使用相同数据库的时候,能够减少沟通的环节和时间。

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    图3 同一个设备在不同学科中呈现

责任编辑:张纯子
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