数据驱动的数字化车间生产调度与决策支持系统

数据驱动的数字化车间生产调度与决策支持系统

汪守丰

  奇精机械股份有限公司

摘要：目前，随着我国经济的加快发展，工艺数据在生产制造中发挥重要作用，提出了面向智能制造车间运营管理的工艺数据管理系统设计方案，用于支撑智能制造场景对多要素工艺数据的需求。以机械加工车间为例，首先介绍了面向智能制造的机械加工工艺的管理流程，进而介绍了面向智能制造的机加工艺管理的管理内容，提出了零件-工艺版本-工序-工步的分级管理架构，然后结合具体的应用场景分析了工艺数据在智能制造过程中发挥的作用，最后给出了企业在工艺数据管理方面实际应用的建议。

关键词：数据驱动;数字化车间;生产调度;决策支持;系统

引言

数字化车间是现代工业的重要组成部分，也是IT信息技术与自动化生产技术的有机融合，在工业生产水平提升等方面发挥着极其重要的作用。随着数字化车间智能化、信息化程度不断提升，数字化车间智能系统面临的安全风险也在不断增加，这就需要企业通过信息安全防护系统加以保护。

1数字化车间的概述

所谓数字化车间，就是指根据产品生命周期各项相关的数据，应用计算机技术构建出虚拟的生产环境，模拟实际生产过程，以此达到评估及优化产品生产过程的目的。在制造企业生产过程中运用这项技术，企业不仅可以在虚拟的生产环境中模拟产品生产过程，同时还能使产品的质量安全得到有效的保证。

2数据驱动的数字化车间生产调度与决策支持系统

2.1智能管理系统网络架构

通过分析现阶段数字化车间在生产方面的状况能够了解到，每台数控机床均会在网络布线中设计RJ45网口。对于不同类型的机床设备而言，能够选择的信息采集方式主要涉及电气电路信号、串口宏指令、DNC网口，最终在交换机的引导下，顺利传输到数据服务器层。作为系统在运行过程中的重点，数据管理服务器除了能够和机床、采集器等实现实时交互之外，还能够开展数据处理和存储等相关工作。此过程中，数据服务器与车间设备对信息进行传递时，会将Modbus协议作为基础进行操作。另外，客户端软件应向数据库服务器提出请求，进而实时管控数控设备的工作状况，并对不同阶段的数据信息进行查阅，并管控企业系统、机床设备、员工的信息，以及修改、删除、调查机床基本数据。此软件需要将WebSocket服务器包含的各类网络技术作为基础，对车间层的数据进行获取之后，向数据库服务器进行传输，进而达到实时监管的目的。同时，智能管理系统也涉及Internet网络管理服务，相关管理工作人员能够凭借对应的用户名以及密码，登录系统内部，这样除了能够对数控机床设备运行状况进行及时了解之外，还能够顺利找出潜在安全问题。随着网络技术的不断发展和更新，与软件系统架构相关的模式逐渐增多，诸如前文提到的，C/S架构和B/S架构，这两种架构属于现阶段市场中运用最为广泛的类型，除了具备各自的优势之外，应用价值也极高。因此，对数字化车间生产现场智能管理系统进行设计的过程中，需要将开发维护、硬件投资、企业后续发展等相关方面作为立足点，运用优势更强的B/S架构，实现对浏览器的远程监控，并对处理之后的数据信息进行实时呈现，保证企业管理工作人员能够提出准确且完善的发展决策。

2.2数据传输与储存层

该层主要包括WebSocket服务器、数据库服务器等，主要对相关数据进行有效采集与传递。该层会直接接收车间程相关的设备信息，使管理层以及车间层的实际工作人员都能享受相关信息，也能对两层之间的各项信息交流提供有效支撑，提升系统运行质量。但是在实际处理时，可以根据功能把其划分为两大模块：第一，数据采集模块;第二，数据库服务模块等。通过连接车间层，使制造车间能在以太网的支持下构建更加科学的网络中心平台，并且把最终的采集数据存储到数据系统当中，使管理层能够享受更多科学依据。

2.3工步信息管理

（1）工步基础信息。工步基础信息包括工步号、工步名称、仿真加工时间、实际加工时间。其中，仿真时间是采用VERICUT等数控加工仿真系统对工步NC程序进行仿真从而得出的工步加工时间，在产品开发初期、生产量不足，缺少经验数据的情况下，往往使用该仿真数据作为产品工步的加工时间，从而累计计算工序的仿真加工时间，作为车间智能排产排程算法的输入。实际加工时间。MOM系统在生产过程中通过采集机床数据来记录每个零件该工步的实际加工时间，在生产的数量达到一定程度时（实际加工时长趋于稳定，一般用各零件工步加工时长之间的方差来衡量），通过平均值等指标来统计工序的实际加工时间，并将该统计值写入工艺文件中的工步实际加工时间字段中。使用实际加工时间进行车间智能排产排程得到的排产结果更具有可靠性。（2）工步NC程序。工步的NC程序一般有两类，一类是加工程序；另一类是测量程序。工艺管理系统支持工艺员在编辑工艺时，同时上传与工步对应的NC程序，NC程序将被工艺管理系统保存至服务端。当MOM系统进行生产任务的执行时，可依据其工艺文件定义的目录，自动找到该工步所对应的NC程序，并根据工序所绑定的设备，将NC程序自动下发至排产算法指定的机床，现场操作者只需要对NC程序中的工艺参数进行调整，即可进行加工。工序NC程序的定义减少了NC程序在机床与计算机之间摆渡的操作，有利于保证程序的准确性，提高生产效率。（3）工步刀具。工步刀具记录了工步加工所需的刀具列表集合。工步刀具定义的信息有刀具型号、刀具使用时长、刀具伸长量等。刀具型号用于刀具室统计生产任务所有工序的所有工步刀具的需求量，此需求量有两类用途：一是用于核算车间的刀具库存是否满足生产需求，进行库存的提前预警，拉动车间刀具资源的采购流程；二是用于生产执行过程中刀具的集中准备与配套，刀具管理员根据工步的刀具需求列表，操作MOM系统进行相关刀具的出库，刀具出库后，按照工步刀具定义的伸长量进行刀具与刀柄的组装与对刀操作，然后将准备好的“刀具包”配送至相应的设备（或工位），从而实现生产执行与生产准备的分离，使车间内不同角色或不同专业能力的人员各司其职，专注于其擅长的事务。

2.4 数字化车间信息安全管理要求

第一，数字化车间信息安全管理工作主要由信息安全管理部门负责，其工作内容囊括了对数字化车间信息安全风险因素的分析、识别、评价及监管等环节，需要信息安全管理部门制定完善的管理制度，其中不仅包括数字化车间信息安全常规管理制度、运维管理制度及应急管理制度等，还包括数字化车间信息安全管理目标、管理人员工作规范、操作人员执行守则等，从而为信息安全管理工作的开展提供必要的指。第二，应对数字化车间信息安全管理责任进行明确和划分，一方面需要对各个管理岗位的具体职责、工作目标进行明确，另一方面需要对相应管理岗位各级人员的具体职责进行细化与明确，并将相关安全管理责任具体到个人，确保数字化车间信息安全管理制度能够得以切实、有效实施。第三，做好数字化车间信息安全风险管理工作，通过先进技术手段和方法对信息安全风险因素进行精确识别和科学评估，为数字化车间信息安全管理工作提供全面、可靠的参考信息。除此之外，还应制定系统、完善的信息安全风险处理体系，主要包括信息安全风险分级制度、处理优先级制度、管理责任制度及管理跟踪制度等，从而提高数字化车间信息安全监督管理工作的有效性。第四，做好数字化车间运行维护安全管理工作，这需要从运行维护安全管理制度和安全审计制度的制定与完善入手。数字化车间运行维护安全管理制度主要是对运行维护安全管理标准及其相关流程进行明确。比如，数字化车间所有运行维护行为必须得到全过程监控和记录存档，且相关行为应通过相应管理人员的审批后方可实施，要求第三方运维机构在对数字化车间系统或设备进行远程运维时，应通过设置好的相应权限和控制参数独立端口进行操作，且在完成设备或系统运维工作后立即将相应的独立端口关闭，同时严禁第三方运维机构从数字化车间设备和系统中获取任何数据信息，严禁第三方运维机构在未经相关管理部门允许的情况下对数字化车间的设备和系统进行远程控制。数字化车间运行维护安全审计工作内容主要是定期或不定期对数字化车间运行维护操作记录进行全面、翔实的安全审计，一方面需要查看相关记录信息是否存在疏漏、缺失等情况，并对相关数据信息进行定期备份；另一方面则需要通过安全风险评估工作，对数字化车间运行维护工作中可能存在的安全漏洞和风险隐患进行挖掘和修补。第五，加强信息安全管理团队建设。其一，严把管理人员招聘、筛选和录用关卡，确保录用者的专业能力和职业素养符合信息安全管理岗位实际要求；其二，合理制订信息安全管理人员培训方案，不断提升信息安全管理人员的专业能力和职业素养；其三，做好信息安全管理人员离职管理工作；其四，做好数字化车间外部人员访问管理工作。第六，做好数字化车间信息安全管理改进工作。一方面是通过对现有信息安全管理制度实施成效进行分析，进一步挖掘信息安全管理工作中存在的问题与不足之处，结合自身总结的信息安全管理实际经验和其他企业信息安全管理优秀经验，对数字化车间信息安全管理制度和具体工作方案进行补充与完善；另一方面则是针对已发生的信息安全管理问题进行处理和改进，并对相关管理问题改进情况进行跟踪监控和记录。

2.5自动化物流调度

工艺文件定义了零件的加工路线，各工序与设备的绑定则定义了零件在车间内的物流路径，MOM系统在车间生产与运行的过程中，将按照工艺定义的物流路径进行物料的流转。对于机加车间来说，车间的自动化物流主要分为两部分，一是生产单元之间的转运物流，二是生产单元向设备上下料的物流。MOM系统通过与转运AGV系统和上下料AGV系统进行集成，根据工艺定义的物流路径向两系统发送相应的物流指令，完成对车间的自动化物流调度。

2.6智能管理系统网络架构设计

从目前数字化车间的生产情况可以看出，每台数控机床都会在网络布线当中设置RJ45网口，不同类型的机床设备，其选择的信息采集方式也有所不同，例如电气电路信号、串口红指令以及DNC网口等等。作为整体运行的最核心内容，数据管理服务器不仅需要与采集器、机床等部件实现实时信息交互，还可以对相关数据进行存储以及再加工。在众多构件当中，车间设备以及数据服务器在进行信息传递时，也会在Modbus协议下开展相关工作，而客户端的软件也需要对数据库的相关请求进行及时传递，才能让数控设备的相关工作情况得到实时管控。在查阅不同阶段数据信息的基础之上，也能对机场设备、系统以及员工的相关信息进行有效管控以及修改，使最终的基础数据更加科学。但是该软件在运行时，也需要结合WebSocket服务器所涉及的网络继续开展工作，在车间获取实时数据以后，实时传送至服务器当中，提升监管效率与质量。由于智能理系统也具备Internet网络管理服务，管理人员可以结合既定的密码以及用户名进入系统内部，可以充分了解数控机床的实际运行状态，及时发现潜在的安全隐患。在社会不断发展的当下，网络技术水平也在不断提升，软件系统的构建模式也变得更加多元化，浏览器/服务器（B/S）以及客户机/服务端（C/S）的两种结构在市场当中的应用变得越发广泛，其对应的优势十分明显，也有着极高的实际应用价值。因此，在对生产车间现场管理系统进行设计时，需要在坚持数字化设计的基础之上，从开发维护、硬件投资与未来发展等重要角度入手，发现各软件开发系统具备的强大优势;在利用浏览器实现远程监控的同时，也能更加高效且及时地处理各项数据信息，使管理人员能够借助各项信息进行高效决策。

结语

各类工艺数据的定义本质上是为了实现智能制造，相比传统的工艺数据管理来说，面向智能制造的工艺数据管理涵盖了更广泛的生产要素，包括人员、设备、方法、物料、检测等。实际应用过程中，可根据企业的实际需求与应用场景去定义不同层级、不同深度的工艺数据结构，在保证支撑场景应用的前提下，应尽可能简化工艺数据内容，避免数据冗余复杂，避免增加工艺设计人员的工作量。

参考文献

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