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数字孪生是软件定义制造实现的支撑

2021-06-29

无疑问,自动化技术是智能制造发展的重要支撑技术之一。无可质疑,很多企业将自动化线建设视为智能制造的重要抓手。并且涌现出了一些“黑灯生产”、“无人工厂”的示范案例。本质上,或者大多数情况下,自动线更多的体现为物流周转基础上的联动动作时序的协调,可以视之为一系列离散硬件装置在特定动作序列约束下运行的生产线。传统的自动线是通过PLC梯形程序进行控制,或者通过专门的工控软件进行控制,不仅控制正常的流程,也应该具有一定程度的异常处理控制能力。

因此,结合目前很多企业在上马自动化线或已经建成自动化线的局面下,如何进行智能化提升,也是不得不和必须面对的问题,而这个过程其实与数字孪生也是不谋而合的。本部分从两个方面论述:一是德国工业4.0关于自动化柔性线的智能管控思路;二是融合APS的自动化柔性线智能提升步骤。

1)德国工业4.0关于自动化柔性线的管控思路

在数字车间这个方面,德国工业4.0其实早就提出了这方面的理念,这种理念的核心含义就是软件定义制造,其手段主要是通过将物理实体或者物理生产线当中的每一个硬件实体,都抽离与其相对应的软件AGENT或者SERVICE,所谓的智能管控,就是对这些硬件资源的运行进行配置形成“务联网”,是服务的“务”而不是物体的“物”,“物联”只是最终的表现形式,其背后是通过“务联”实现业务的有序运转。

国工业4.0关于自动化柔性线的管控思路

图1是德国工业4.0的典型资料图片,其所表达的含义是生产线中所有的硬件单元都有对应的软件形式的服务,比如传感器服务、控制服务、通讯服务、校验服务、信息服务等,整个CPS网络系统就是一个服务连接网络,具有“服务联网”的概念,这些服务有层次并且能够动态组合配置。所谓的智能管控,体现为硬件资源的离散化,通过服务化封装,实现业务资源链条的重构与控制,并可以进一步的支持“软件定义制造”理念的落地。其中如图1所示的生产线中的各种传感器、泵、阀、控制器、通讯装置等都有与其相对应的服务,而这种服务其实就是直接面对硬件资源的数字孪生,在此基础上构建的服务层级或者服务网络或者服务链条(ERP或MES的新型式),其实都是对数字孪生的进一步深入应用,其目的是支持实现自动化+柔性的智能制造新局面。

(2)融合APS的自动化柔性线智能提升步骤

德国工业4.0所宣传自动化柔性线智能管控的核心是实现资源的柔性配置,而这种配置的手段就是面向智能制造的APS的重要发展方向。融合APS的自动化柔性线智能提升步骤如下所述。

提升自动线构成要素装置的CPS独立控制能力:对于自动化产线线而言,一般都是连续的没有间断的按照时序执行动作。但这些动作时序的执行,也是需要依靠一些构成要素装置的,比如阀、泵等,或者是各种集成程度的独立装置等。对这些要素按照能够状态反馈、指令执行的方式,进行改造和提升,为后续的智能化柔性控制提供支持。

支持任何构成要素装置的必要性联动控制能力:这种联动控制并不是限定自动化产线中某两个装置的固定时序,其核心目的是增加柔性,目标是自动线上任何需要建立关联的构成要素装置能够实现联动控制。这方面的分析可以从产品的工艺流程角度入手,按照生产过程中各个构成要素装置时序关系进行分析。

以产品性能保证为核心的工艺知识沉淀及物化能力:产线对产品性能保证的技术提升无止境的,根据需要可以分析产品的性能指标的保证机制,比如引入机器视觉、比如引入自适应加工等,丰富自动线运行的知识基础上的智能化内涵。

多产品混线生产的关联控制与协调能力:只有当自动线能够支持多产品混线生产,自动线能够提供柔性的关联控制与协调能力,才能说这条线具有智能的味道。比如自动数控加工线,可以自动的获取状态并进行分析,可以下发指令进行硬件装置的工作参数调整;比如自动数控加工线,根据需要为不同的硬件装置传递不同的数控程序;比如不同产品的工艺流程不同,可以通过柔性的联动控制,实现生产路径的快速转换,以及不同品种产品在自动线上的混流交叉生产。

基于APS的软硬一体化控制的柔性控制:如果自动线只是生产一种产品,则所有的硬件要素装置锁定了某种动作指令序列而已。但如果自动线是多品种混线的,则动作指令序列将具有复杂的组合联调配置要求。如果这种组合判断比较简单,可以通过PLC或工控软件来实现。但如果这种组合判断比较复杂,尤其是加入了智能化体现的分析、推理、决策等内容,单纯的状态0-1式或阈值式判断将无法满足需求,需要引入复杂软件系统的形式进行控制,才能满足需求。并且,这种复杂软件控制系统,面对多产品混流生产的复杂的生产过程,将是目前传统的APS向软硬一体化紧密关联协调控制的重要转变和发展方向。

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