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三、數(shù)字孿生是軟件定義制造實(shí)現(xiàn)的支撐

毫無(wú)疑問(wèn)，自動(dòng)化技術(shù)是智能制造發(fā)展的重要支撐技術(shù)之一。無(wú)可質(zhì)疑，很多企業(yè)將自動(dòng)化線建設(shè)視為智能制造的重要抓手。并且涌現(xiàn)出了一些“黑燈生產(chǎn)”、“無(wú)人工廠”的示范案例。本質(zhì)上，或者大多數(shù)情況下，我們所說(shuō)的自動(dòng)線，更多的體現(xiàn)為物流周轉(zhuǎn)基礎(chǔ)上的聯(lián)動(dòng)動(dòng)作時(shí)序的協(xié)調(diào)，可以視之為一系列離散硬件裝置在特定動(dòng)作序列約束下運(yùn)行的生產(chǎn)線。傳統(tǒng)的自動(dòng)線是通過(guò)PLC梯形程序進(jìn)行控制，或者通過(guò)專門的工控軟件進(jìn)行控制，不僅控制正常的流程，也應(yīng)該具有一定程度的異常處理控制能力。

因此，結(jié)合目前很多企業(yè)在上馬自動(dòng)化線或已經(jīng)建成自動(dòng)化線的局面下，如何進(jìn)行智能化提升，也是不得不和必須面對(duì)的問(wèn)題，而這個(gè)過(guò)程其實(shí)與數(shù)字孿生也是不謀而合的。本部分從兩個(gè)方面論述：一是德國(guó)工業(yè)4．0關(guān)于自動(dòng)化柔性線的智能管控思路；二是融合APS的自動(dòng)化柔性線智能提升步驟。

（1）德國(guó)工業(yè)4．0關(guān)于自動(dòng)化柔性線的管控思路

在數(shù)字車間這個(gè)方面，德國(guó)工業(yè)4．0其實(shí)早就提出了這方面的理念，這種理念的核心含義就是軟件定義制造，其手段主要是通過(guò)將物理實(shí)體或者物理生產(chǎn)線當(dāng)中的每一個(gè)硬件實(shí)體，都抽離與其相對(duì)應(yīng)的軟件AGENT或者SERVICE，所謂的智能管控，就是對(duì)這些硬件資源的運(yùn)行進(jìn)行配置形成“務(wù)聯(lián)網(wǎng)”，是服務(wù)的“務(wù)”而不是物體的“物”，“物聯(lián)”只是最終的表現(xiàn)形式，其背后是通過(guò)“務(wù)聯(lián)”實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的有序運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖1是德國(guó)工業(yè)4．0的典型資料圖片，其所表達(dá)的含義是生產(chǎn)線中所有的硬件單元都有對(duì)應(yīng)的軟件形式的服務(wù)，比如傳感器服務(wù)、控制服務(wù)、通訊服務(wù)、校驗(yàn)服務(wù)、信息服務(wù)等，整個(gè)CPS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)就是一個(gè)服務(wù)連接網(wǎng)絡(luò)，具有“服務(wù)聯(lián)網(wǎng)”的概念，這些服務(wù)有層次并且能夠動(dòng)態(tài)組合配置。所謂的智能管控，體現(xiàn)為硬件資源的離散化，通過(guò)服務(wù)化封裝，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)資源鏈條的重構(gòu)與控制，并可以進(jìn)一步的支持“軟件定義制造”理念的落地。其中如圖1所示的生產(chǎn)線中的各種傳感器、泵、閥、控制器、通訊裝置等都有與其相對(duì)應(yīng)的服務(wù)，而這種服務(wù)其實(shí)就是直接面對(duì)硬件資源的數(shù)字孿生，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建的服務(wù)層級(jí)或者服務(wù)網(wǎng)絡(luò)或者服務(wù)鏈條（ERP或MES的新型式），其實(shí)都是對(duì)數(shù)字孿生的進(jìn)一步深入應(yīng)用，其目的是支持實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化＋柔性的智能制造新局面。

圖1 德國(guó)工業(yè)4．0關(guān)于自動(dòng)化柔性線的管控思路

（2）融合APS的自動(dòng)化柔性線智能提升步驟

德國(guó)工業(yè)4．0所宣傳自動(dòng)化柔性線智能管控的核心是實(shí)現(xiàn)資源的柔性配置，而這種配置的手段就是面向智能制造的APS的重要發(fā)展方向。融合APS的自動(dòng)化柔性線智能提升步驟如下所述。

l  提升自動(dòng)線構(gòu)成要素裝置的CPS獨(dú)立控制能力：對(duì)于自動(dòng)化產(chǎn)線線而言，一般都是連續(xù)的沒(méi)有間斷的按照時(shí)序執(zhí)行動(dòng)作。但這些動(dòng)作時(shí)序的執(zhí)行，也是需要依靠一些構(gòu)成要素裝置的，比如閥、泵等，或者是各種集成程度的獨(dú)立裝置等。對(duì)這些要素按照能夠狀態(tài)反饋、指令執(zhí)行的方式，進(jìn)行改造和提升，為后續(xù)的智能化柔性控制提供支持。

l  支持任何構(gòu)成要素裝置的必要性聯(lián)動(dòng)控制能力：這種聯(lián)動(dòng)控制并不是限定自動(dòng)化產(chǎn)線中某兩個(gè)裝置的固定時(shí)序，其核心目的是增加柔性，目標(biāo)是自動(dòng)線上任何需要建立關(guān)聯(lián)的構(gòu)成要素裝置能夠?qū)崿F(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制。這方面的分析可以從產(chǎn)品的工藝流程角度入手，按照生產(chǎn)過(guò)程中各個(gè)構(gòu)成要素裝置時(shí)序關(guān)系進(jìn)行分析。

l  以產(chǎn)品性能保證為核心的工藝知識(shí)沉淀及物化能力：產(chǎn)線對(duì)產(chǎn)品性能保證的技術(shù)提升無(wú)止境的，根據(jù)需要可以分析產(chǎn)品的性能指標(biāo)的保證機(jī)制，比如引入機(jī)器視覺(jué)、比如引入自適應(yīng)加工等，豐富自動(dòng)線運(yùn)行的知識(shí)基礎(chǔ)上的智能化內(nèi)涵。

l  多產(chǎn)品混線生產(chǎn)的關(guān)聯(lián)控制與協(xié)調(diào)能力：只有當(dāng)自動(dòng)線能夠支持多產(chǎn)品混線生產(chǎn)，自動(dòng)線能夠提供柔性的關(guān)聯(lián)控制與協(xié)調(diào)能力，才能說(shuō)這條線具有智能的味道。比如自動(dòng)數(shù)控加工線，可以自動(dòng)的獲取狀態(tài)并進(jìn)行分析，可以下發(fā)指令進(jìn)行硬件裝置的工作參數(shù)調(diào)整；比如自動(dòng)數(shù)控加工線，根據(jù)需要為不同的硬件裝置傳遞不同的數(shù)控程序；比如不同產(chǎn)品的工藝流程不同，可以通過(guò)柔性的聯(lián)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)路徑的快速轉(zhuǎn)換，以及不同品種產(chǎn)品在自動(dòng)線上的混流交叉生產(chǎn)。

l  基于APS的軟硬一體化控制的柔性控制：如果自動(dòng)線只是生產(chǎn)一種產(chǎn)品，則所有的硬件要素裝置鎖定了某種動(dòng)作指令序列而已。但如果自動(dòng)線是多品種混線的，則動(dòng)作指令序列將具有復(fù)雜的組合聯(lián)調(diào)配置要求。如果這種組合判斷比較簡(jiǎn)單，可以通過(guò)PLC或工控軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。但如果這種組合判斷比較復(fù)雜，尤其是加入了智能化體現(xiàn)的分析、推理、決策等內(nèi)容，單純的狀態(tài)0－1式或閾值式判斷將無(wú)法滿足需求，需要引入復(fù)雜軟件系統(tǒng)的形式進(jìn)行控制，才能滿足需求。并且，這種復(fù)雜軟件控制系統(tǒng)，面對(duì)多產(chǎn)品混流生產(chǎn)的復(fù)雜的生產(chǎn)過(guò)程，將是目前傳統(tǒng)的APS向軟硬一體化緊密關(guān)聯(lián)協(xié)調(diào)控制的重要轉(zhuǎn)變和發(fā)展方向。