數(shù)字孿生在制造運營應(yīng)用的誤解
近年來，數(shù)字孿生技術(shù)（Digital Twin）成為各界關(guān)注的熱點，大家常討論新產(chǎn)品設(shè)計和虛擬測試、自動控制系統(tǒng)和生產(chǎn)線虛擬調(diào)試、產(chǎn)品遠程監(jiān)控和運維等場景。似乎很少有人討論制造運營環(huán)節(jié)中的數(shù)字孿生！很多人認為在制造運營中數(shù)字孿生的應(yīng)用場景主要是工廠數(shù)據(jù)采集與運行監(jiān)控，而且一定要使用三維可視化技術(shù)，我認為這是非常大的誤解！
圖數(shù)字孿生在工廠運營過程中的主要應(yīng)用是工廠可視化監(jiān)控嗎？
筆者認為，基于可視化技術(shù)的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控的確是重要的，數(shù)字孿生在制造運營中的更大價值是利用對工廠運營的實時感知，利用工業(yè)智能技術(shù)對工廠的運營數(shù)據(jù)進行更高層次的實時綜合調(diào)度和優(yōu)化，從而提高工廠運營效率、提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短制造周期。
建立物理工廠的數(shù)字孿生模型
物理工廠中包含許許多多的物理對象，工廠、車間、班組、人、生產(chǎn)設(shè)備、工具工裝、立體庫、庫區(qū)、貨位、AGV、叉車、堆垛機、輸送線、原材料、零部件、在制品、成品、批次、容器……
構(gòu)建物理工廠數(shù)字孿生模型，包括一系列彼此相關(guān)的模型，例如組織模型、人員模型、產(chǎn)品模型、工藝模型、車間布局模型、產(chǎn)線模型、柔性單元模型、產(chǎn)能模型、倉儲模型、物流模型、質(zhì)控模型、資源運維模型……
通過數(shù)字孿生工廠模型實現(xiàn)對物理工廠的感知和控制，實現(xiàn)物理實體狀態(tài)的實時感知，并基于工業(yè)智能，實現(xiàn)對物理實體的控制，從而實現(xiàn)對工廠運營的持續(xù)優(yōu)化。
我用如下圖來解釋數(shù)字孿生在制造過程中的應(yīng)用：
可以總結(jié)為以下四個方面：
（1）通過工業(yè)物聯(lián)技術(shù)，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程中的人、機、料、法、環(huán)、測等生產(chǎn)要素的感知，實時掌控整個工廠的狀態(tài)，是實現(xiàn)數(shù)字孿生工廠的基礎(chǔ)；
（2）利用工業(yè)智能技術(shù)，體現(xiàn)了工業(yè)大腦的作用，實現(xiàn)了更高層次的實時綜合調(diào)度和優(yōu)化，實現(xiàn)工廠運營整體效能的提升；
（3）利用中間件、邊緣計算、自主控制等技術(shù)，通過指令和動作的分解、將業(yè)務(wù)指令進一步轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)作業(yè)控制指令；
（4）實現(xiàn)對倉儲物流、制造執(zhí)行、質(zhì)量控制的精準執(zhí)行，從而實現(xiàn)高度柔性自動化的智能生產(chǎn)，將數(shù)字工廠的智能作用于物理工廠。
執(zhí)行的結(jié)果可以進一步被感知，從而形成閉環(huán)和持續(xù)優(yōu)化。
將李培根院士數(shù)字孿生與智能裝備的比喻改寫一下，應(yīng)用在數(shù)字孿生工廠：數(shù)據(jù)是智能工廠的“血液”，數(shù)據(jù)和智能賦予工廠以“生命”，而數(shù)字孿生是智能工廠的“靈魂”，通過對工廠運行過程的數(shù)字孿生模型進行分析，進而進行優(yōu)化和調(diào)度，從而控制工廠更智能、更高效的運行。
可以想象一下，對于多品種、小批量，大規(guī)模定制場景下的高度柔性自動化生產(chǎn)，如果缺少這樣一個數(shù)字孿生模型，這個工廠將無法高效運轉(zhuǎn)。
柔性自動線為啥沒發(fā)揮出應(yīng)有效益
隨著個性化定制的需求越來越突出，多品種、小批量、短交期對生產(chǎn)運營管理造成了很大難度。建立數(shù)字孿生工廠對于多品種、小批量，大規(guī)模定制場景下的柔性自動化生產(chǎn)尤為重要。
圖大規(guī)模定制下產(chǎn)品生產(chǎn)的特點
個性化定制生產(chǎn)企業(yè)普遍面臨著如下困難，比較典型的包括：計劃編制的困難、成套和缺件的困難、高庫存和在制品、多個部門之間協(xié)同的困難、柔性自動化產(chǎn)線集成的困難、生產(chǎn)過程的管控、應(yīng)對變更和插單的困難等。
圖定制化生產(chǎn)面臨的現(xiàn)實問題
許多企業(yè)意識到要解決柔性自動化，必須考慮建設(shè)柔性自動化和智能工廠。許多企業(yè)建設(shè)智能工廠，通常會選擇建設(shè)柔性化自動化的生產(chǎn)線，但是一些企業(yè)投入了很多資金，進行了柔性自動化改善，確沒有發(fā)揮出應(yīng)有的效益。
造成柔性產(chǎn)線不能發(fā)揮應(yīng)有作用的原因有很多，最典型的是柔性產(chǎn)線依然是一個自動化和信息孤島，企業(yè)其他部分的工作沒有跟上來，例如物料齊套率不高、缺少自動化配送，該自動化系統(tǒng)的作用不能充分發(fā)揮。造成這個問題的原因，是配套的工作沒有同步進行，包括信息系統(tǒng)的建設(shè)，物流系統(tǒng)的建設(shè)、供應(yīng)鏈系統(tǒng)的建設(shè)、設(shè)計工藝的模塊化和結(jié)構(gòu)化等。
圖柔性自動線為啥沒發(fā)揮出應(yīng)有效益
如下圖分析了支撐柔性自動化生產(chǎn)的相關(guān)要素，相關(guān)的每個業(yè)務(wù)都在制造過程中發(fā)揮著各自的支撐作用。
圖綜合考慮要素的協(xié)同和優(yōu)化調(diào)度
（1）智能排程：實現(xiàn)資源最大利用，滿足交期，并驅(qū)動備料和生產(chǎn)；
（2）生產(chǎn)執(zhí)行：生產(chǎn)是核心，將產(chǎn)品從原材料變成成品，實現(xiàn)增值；
（3）智能倉儲：保證與生產(chǎn)相關(guān)的原材料、半成品、成品的存儲；
（4）智能物流：保證物料、工裝的精準配送、在制品、成品的及時周轉(zhuǎn)；
（5）質(zhì)量控制：為生產(chǎn)結(jié)果和物料特性提供可靠性保證；
（6）資源管理：為穩(wěn)定運行提供設(shè)備、工具工裝可靠性保障；
（7）異常調(diào)度：對于生產(chǎn)環(huán)節(jié)的異常業(yè)務(wù)，如設(shè)備異常、物料異常、工藝異常等，能基于預(yù)定的業(yè)務(wù)規(guī)則，自動切換生產(chǎn)計劃，避免因異常業(yè)務(wù)造成停產(chǎn)，怠產(chǎn)等，保證生產(chǎn)的有效轉(zhuǎn)化率；
（8）……
柔性自動化生產(chǎn)線能否高效運轉(zhuǎn)的最大挑戰(zhàn)不是來自柔性單元和柔性生產(chǎn)線本身，而是來自于對生產(chǎn)支撐相關(guān)要素的統(tǒng)一調(diào)度和優(yōu)化，這些要素超出了柔性生產(chǎn)線的范圍，并且涉及到整個工廠。只有如上這些業(yè)務(wù)緊密的協(xié)同，才能完成高效自動化柔性生產(chǎn)，例如：
（1）智能排程與調(diào)度
（2）基于計劃提前精準備料
（3）智能倉儲與物流配送
（4）模具的配送和回收
（5）驅(qū)動自動裝卸料
（6）驅(qū)動自動換型和生產(chǎn)
（7）質(zhì)量在線監(jiān)控預(yù)警
（8）設(shè)備智能運維
（9）安全與環(huán)境監(jiān)控等
這些相關(guān)業(yè)務(wù)的關(guān)系可以分析如下圖：
圖對生產(chǎn)支撐相關(guān)要素的統(tǒng)一調(diào)度和優(yōu)化
柔性自動化生產(chǎn)線能否高效運轉(zhuǎn)取決于能否對生產(chǎn)支撐相關(guān)要素的統(tǒng)一調(diào)度和優(yōu)化，這恰恰需要數(shù)字孿生相關(guān)支撐技術(shù)：實時掌控整個工廠的狀態(tài)、更大范圍的智能調(diào)度和優(yōu)化、精準的控制和閉環(huán)的執(zhí)行。
MOM是數(shù)字孿生制造系統(tǒng)大腦
如下圖所示，MOM位于產(chǎn)品生命周期軸、企業(yè)信息化軸、價值鏈軸的核心交匯環(huán)節(jié)，必須避免制造運營管理相關(guān)信息系統(tǒng)的碎片化，建議建立統(tǒng)一的MOM平臺，作為數(shù)字孿生工廠的大腦。
圖避免制造運營管理信息系統(tǒng)碎片化
其中，MOM平臺是數(shù)字孿生工廠的大腦，負責(zé)計劃的制定、所有過程數(shù)據(jù)的采集、生產(chǎn)資源、物料配送、質(zhì)量控制等資源調(diào)度，確保生產(chǎn)資源的自動優(yōu)化和高效利用。通過由下至上的數(shù)據(jù)流，實現(xiàn)物理工廠到數(shù)字工廠的實時數(shù)據(jù)采集和映射。通過由上之下的數(shù)據(jù)流，實現(xiàn)數(shù)字空間對物理工廠的動態(tài)優(yōu)化和調(diào)度。
圖MOM/MES驅(qū)動制造，是制造系統(tǒng)的大腦
對于自動化的產(chǎn)線/設(shè)備，更多是接收指令與工藝參數(shù)，并進行自動化的生產(chǎn)，可以認為更多替代了人的體力勞動，是生產(chǎn)制造的執(zhí)行機構(gòu)。如果說自動化更大程度上是為了替代體力勞動，那么MOM/MES是為了更多的替代腦力勞動。自動化更多關(guān)注局部的優(yōu)化，那么MOM/MES更多的關(guān)注制造系統(tǒng)整體的優(yōu)化。
MOM/MES并不替代傳統(tǒng)的PLM（產(chǎn)品生命周期管理）、ERP（企業(yè)資源規(guī)劃）、IIOT（工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)）系統(tǒng)，而是與PLM、ERP、IOT是互補的關(guān)系。下圖展示了MOM/MES與PLM、ERP、IOT系統(tǒng)之間的關(guān)系，并展示了部分智能化支撐手段的業(yè)務(wù)場景。
圖MOM與PLM、ERP、IOT的關(guān)系
計劃排程、精準備料和動態(tài)優(yōu)化
對于多品種、小批量、短交期、多變化的柔性自動化工廠，生產(chǎn)計劃的制定通常是非常困難的，尤其是經(jīng)常插單、工藝經(jīng)常變更、生產(chǎn)過程不穩(wěn)定的情形，同時還需要根據(jù)多品種的工藝差異，合理組合生產(chǎn)計劃，減少工藝切換帶來的成本，因此生產(chǎn)計劃和調(diào)度通常是最需要經(jīng)驗，工作繁瑣，最有挑戰(zhàn)性的崗位，而這正是高級計劃排程的優(yōu)勢。
圖生產(chǎn)排程的原理
生產(chǎn)計劃是整個工廠運行的指揮棒，生產(chǎn)計劃需要指導(dǎo)物料的備料、工具工裝的準備、拉動物料的配送、驅(qū)動自動化設(shè)備自動生產(chǎn)、按順序進行生產(chǎn)切換等。如果生產(chǎn)計劃不合理，將導(dǎo)致產(chǎn)能的巨大損失，原材料和在制品積壓、無法按期交貨等許多的問題。
基于MOM平臺，實施高級計劃排程APS模塊，不僅考慮單個設(shè)備、單條產(chǎn)線產(chǎn)能的約束，最重要的是考慮不同自動化產(chǎn)線之間的平衡，優(yōu)化瓶頸，減少在制品。例如有些批量生產(chǎn)的工序(例如烘烤、老化、干燥)，或瓶頸工序需要拉動上游工序的生產(chǎn)，這樣可以有效減少在制品的數(shù)量，事實上自動化工廠在制品緩存都有一定的容量限制。
高級計劃排程通常需要考慮：
（1）生產(chǎn)訂單的交期和優(yōu)先級；
（2）有限資源約束，包括主資源，工裝模具等輔助資源；
（3）前后作業(yè)單元的能力與生產(chǎn)節(jié)拍的平衡；
（4）減少在制品的數(shù)量，減少緩沖區(qū)占用；
（5）某些特殊的工序例如熱處理工藝、噴漆顏色成組生產(chǎn)；
（6）某些工序前后生產(chǎn)計劃優(yōu)化匹配，提高資源和能耗利用率，例如烘烤工序優(yōu)化排產(chǎn)可實現(xiàn)余溫回收利用，加快結(jié)束降溫的同時提高升溫效率；
（7）……
系統(tǒng)可以快速驗證生產(chǎn)計劃的合理性，例如檢查物料的齊套性、工具工裝的準備，并提前驅(qū)動生產(chǎn)準備，對異常進行及時的預(yù)警。過去要人工去了解和跟蹤物料的齊套、工具工裝的情況，無疑需要花費大量的時間，而且得到的信息時效性比較差，經(jīng)常會造成計劃不合理。
對于自動化的工廠，越來越多的工廠建設(shè)了立體倉庫，并配備了自動輸送線、AGV等自動化物流設(shè)備。但是如果缺少根據(jù)生產(chǎn)計劃的提前備料，以及生產(chǎn)執(zhí)行過程中根據(jù)實時進度驅(qū)動自動出庫和AGV提前準時配送，就無法支撐自動化產(chǎn)線的連續(xù)生產(chǎn)。
為了實現(xiàn)生產(chǎn)過程中的自動化物料、工裝配送，一般需要事先將工裝入自動化立體庫，為了加快自動化立體庫的周轉(zhuǎn)率，可以根據(jù)最近生產(chǎn)計劃所需要的物料、工裝先備料到立體庫中，一旦生產(chǎn)計劃即將被執(zhí)行時，就可以提前拉動相關(guān)的物料、工裝精準配送到工位。
圖按生產(chǎn)計劃提前備料、按生產(chǎn)進度拉動全自動配送
按計劃備料入庫的相關(guān)流程如下圖：
圖備料入庫的相關(guān)流程
備料過程通常需要考慮：
（1）按生產(chǎn)計劃生成備料計劃，計劃調(diào)整需要聯(lián)動更改備料計劃；
（2）按生產(chǎn)訂單精準備料，使用RFID、條碼對備料的容器進行標識；
（3）備料好的容器可能需要組托，方便運輸?shù)搅Ⅲw庫上料口、入庫時拆托；
（4）根據(jù)策略自動分配立體庫貨位，驅(qū)動立體庫自動入庫；
（5）系統(tǒng)記錄每個備料容器的貨位，以便需要時精準拉動配送；
（6）相同生產(chǎn)計劃的物料入庫盡量集中存放，便于生產(chǎn)執(zhí)行時快速協(xié)同出庫配送。
下圖是佰思杰公司某客戶應(yīng)用場景：系統(tǒng)根據(jù)備料計劃自動生成備料計劃，備料員按備料計劃借助PDA進行備料，并將備料信息寫入容器的RFID標簽中，容器組托為托盤，物流員使用叉車運輸?shù)阶詣踊Ⅲw庫上料口，自動拆托裝置自動拆托，識別RFID中的備料信息，系統(tǒng)分配貨位，并驅(qū)動容器自動入立體庫等待生產(chǎn)配送指令出庫。
圖按生產(chǎn)計劃提前備料、拆托入立體庫
圖自動分配貨位入自動化立體庫
圖雙工位AGV執(zhí)行配送任務(wù)
對于多品種、小批量、短交期、多變化的工廠，APS解決了過去常說的“計劃沒有變化快”的問題，排程模塊可以根據(jù)收集的最新信息，設(shè)備的可用情況、訂單的齊套性等，支持快速滾動重排，確保計劃更新的合理性和及時性，同時針對一定周期內(nèi)的生產(chǎn)計劃進行鎖定，保證生產(chǎn)計劃的穩(wěn)定性，這一點對于柔性自動化工廠無疑是非常重要的支撐。
按需拉動物料的精準配送
對于自動化設(shè)備，上料點一般只能儲存非常有限的物料，配送太多物料到配送點導(dǎo)致上料點無法接收，甚至占用AGV設(shè)備，或?qū)е伦詣踊斔途€的擁堵。如果配送不及時會導(dǎo)致生產(chǎn)線停工待料。所以必須確定合理的配送策略，實時監(jiān)控上料點的物料消耗，及時進行補充配送。
圖柔性自動線的物料輸送系統(tǒng)
例如，MOM調(diào)度平臺，可以根據(jù)各個上料點配送物料的周期及上料點可緩存的容量，設(shè)置物料任務(wù)下發(fā)的數(shù)量，以此來控制物料在途數(shù)以及下發(fā)節(jié)奏，從而保證物料的及時供應(yīng)，也不至于造成物流的阻塞。
拉動物料的精準配送流程如下圖。
圖按需拉動物料的精準配送
拉動物料的精準配送通常需要考慮：
（1）建立物流配送的相關(guān)模型
（2）定義配送策略
（3）根據(jù)生產(chǎn)計劃建立配送隊列
（4）根據(jù)生產(chǎn)實際進度拉動配送
（5）創(chuàng)建物料、工裝配送指令
（6）驅(qū)動立體庫、輸送線、AGV的物流執(zhí)行
（7）避免工位物料缺料
（8）避免堵塞主輸送線
（9）配送過程中的優(yōu)化，例如雙工位AGV、堆垛機成組
（10）確保物料正確的配送順序
（11）要考慮空容器的自動回收
（12）監(jiān)控物流的執(zhí)行過程
（13）處理物流過程中的異常
（14）……
工裝也需要按需進行精準配送，并對拆卸下來的工裝及時回收。例如對于某剎車片工廠，熱壓工序需要對剎車片進行粉末冶金成型，模具是重要的工具工裝，不同的剎車片的形狀、尺寸不同，需要使用不同的模具，因為涉及到數(shù)以百計的熱壓機，每天有大量的模具出庫、預(yù)熱、配送任務(wù)，這些工作必須合理的安排，否則會影響到熱壓工序的連續(xù)生產(chǎn)。
圖拉動模具的配送、驅(qū)動模具的回收
上圖展示了模具的出庫、配送、預(yù)熱、更換、模具回收的全過程。其中只有更換過程需要人工參與，其他所有工作包括模具的自動出庫、模具輸送線AGV自動配送到預(yù)熱箱、模具在預(yù)熱箱自動預(yù)熱、預(yù)熱好的模具AGV配送到工位、AGV將回收的模具配送到立庫、立庫堆垛機自動入庫全過程都自動實現(xiàn)。
圖使用無人叉車AGV配送或回收模具
基于這種方法，即使還沒有到上班時間，MOM系統(tǒng)根據(jù)當日生產(chǎn)計劃，可以調(diào)度立體庫模具提前出庫，通知AGV將模具配送到指定的預(yù)熱箱進行預(yù)熱，這樣員工上班之后就可以立刻進行模具安裝或換模，最大限度減少熱壓設(shè)備等待時間。這樣人和機器和諧交互，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢。
對于工裝的配送和回收，此過程通常需要考慮：
（1）根據(jù)生產(chǎn)計劃自動生成工裝準備計劃；
（2）按工裝準備計劃準備工裝入立體庫；
（3）按需提前拉動工裝的自動配送，必要時進行預(yù)處理，例如預(yù)熱；
（4）自動創(chuàng)建任務(wù)指導(dǎo)工裝的安裝；
（5）驅(qū)動拆卸下來的工裝的自動回收入庫；
（6）……
驅(qū)動產(chǎn)線柔性自動化生產(chǎn)
對于柔性自動化的生產(chǎn)，MOM需要建立一套可自動執(zhí)行的閉環(huán)控制流程，包括設(shè)備的喚醒、拉動物料配送、工藝參數(shù)下發(fā)、自動上料、啟動設(shè)備生產(chǎn)、采集與自動報工、驅(qū)動在制品轉(zhuǎn)序、任務(wù)完工、生產(chǎn)切換控制等。
圖驅(qū)動自動化柔性生產(chǎn)
自動化產(chǎn)線需要遵循標準的集成協(xié)議，以實現(xiàn)與MOM平臺的統(tǒng)一集成。
圖MOM驅(qū)動自動化生產(chǎn)控制流程
對于自動化設(shè)備，MOM在某個自動化設(shè)備生產(chǎn)完成時，通知設(shè)備進入待機狀態(tài)，以最大限度節(jié)省能源，當需要再次生產(chǎn)時，MOM發(fā)送指令給設(shè)備對設(shè)備進行喚醒。
生產(chǎn)線按一定的速率生產(chǎn)產(chǎn)品/半成品，同時消耗零部件和原材料，MOM需要監(jiān)控上料點的消耗情況，提前拉動物料的配送，維持生產(chǎn)的持續(xù)性，同時，確保生產(chǎn)物料的持續(xù)供應(yīng)。
圖機器人自動上料
當某自動化設(shè)備生產(chǎn)完一個訂單時，按計劃排程的順序要自動切換到下一訂單繼續(xù)生產(chǎn)。前一個訂單生產(chǎn)完成之前，下一個訂單的物料可能已經(jīng)開始配送，以便確保產(chǎn)線的連續(xù)生產(chǎn)。
此過程通常需要考慮：
（1）建立柔性單元模型，包括上料裝置、加工單元等；
（2）定義上料點、產(chǎn)出點等模型與物流模型對接；
（3）根據(jù)生產(chǎn)計劃建立生產(chǎn)任務(wù)隊列；
（4）按生產(chǎn)任務(wù)隊列拉動配送，按順序上料；
（5）自動下發(fā)生產(chǎn)工藝參數(shù)，并進行生產(chǎn)；
（6）實時采集過程信息，實時監(jiān)控生產(chǎn)進度和異常；
（7）必要時觸發(fā)人工首檢、首檢通過后繼續(xù)生產(chǎn)；
（8）按時間、數(shù)量周期性觸發(fā)過程檢；
（9）必要時集成在線檢驗，并進行自動質(zhì)量監(jiān)控和預(yù)警；
（10）處理自動卸料，卸料完成觸發(fā)在制品周轉(zhuǎn)；
（11）自動處理生產(chǎn)工藝切換
（12）……
動態(tài)驅(qū)動在制品的實時周轉(zhuǎn)
下圖展示了自動轉(zhuǎn)序和成品入庫的幾種業(yè)務(wù)場景。
圖在制品自動轉(zhuǎn)序和成品入庫
對于前工序產(chǎn)出的在制品，與柔性單元集成，實現(xiàn)自動裝盒（或其他容器、托盤等），MOM應(yīng)實時掌控產(chǎn)線產(chǎn)出半成品的情況，并驅(qū)動觸發(fā)在制品轉(zhuǎn)序規(guī)劃，驅(qū)動輸送線/AGV自動將在制品料盒搬運到下一工位的上料點，下一柔性單元按順序執(zhí)行上料。
圖在制品自動轉(zhuǎn)序
在制品周轉(zhuǎn)過程中通常需要考慮：
（1）建立物流周轉(zhuǎn)的相關(guān)模型；
（2）定義在制品周轉(zhuǎn)策略；
（3）根據(jù)實際產(chǎn)出情況驅(qū)動在制品周轉(zhuǎn)；
（4）需要考慮下工位物料接收點是否可接收；
（5）創(chuàng)建物料、工裝配送指令；
（6）驅(qū)動輸送線、AGV的執(zhí)行物流周轉(zhuǎn)；
（7）避免堵塞主輸送線；
（8）配送過程中的優(yōu)化，例如雙工位AGV；
（9）確保物料正確的配送順序；
（10）要考慮空容器的自動回收；
（11）如果前工位產(chǎn)出區(qū)料盒滿，應(yīng)該暫停前工位的生產(chǎn)；
（12）監(jiān)控在制品周轉(zhuǎn)執(zhí)行的過程；
（13）處理在制品周轉(zhuǎn)過程中的異常；
（14）……
對于后工序有較長等待時間的情況，例如產(chǎn)品需要靜置若干小時、或者后工序是批量生產(chǎn)方式（例如烘烤、老化、干燥），需要積累一定量的半成品，此時可能需要驅(qū)動AGV臨時入緩沖區(qū)，甚至驅(qū)動入自動化立體庫。如果后工位出現(xiàn)異常，也需要動態(tài)調(diào)度，將前工序生產(chǎn)的在制品入半成品庫，待后工位生產(chǎn)恢復(fù)正常，再將物料從在制品緩沖庫自動配送到后工位物料接收點。
圖在制品臨時入在制品緩沖庫
MOM需要掌握在制品流轉(zhuǎn)的實時情況，包括監(jiān)控在制品緩沖區(qū)、立體庫的貨位使用情況、并調(diào)度空容器，以確保自動化產(chǎn)線產(chǎn)出產(chǎn)品時不會因為空容器不足而停止生產(chǎn)。對于已消耗的物料產(chǎn)生的空容器，MOM應(yīng)該及時回收。
圖空容器自動回收
自動化檢驗和人機交互
有些產(chǎn)線提供了在線檢驗功能，能夠?qū)崟r采集產(chǎn)品的質(zhì)量信息，基于SPC分析對異常進行監(jiān)控，一旦出現(xiàn)異常立刻停止生產(chǎn)，并及時進行預(yù)警，通常是聲光提醒，避免大批量的不合格品，并及時對異常進行處理。
我們有些項目實施了在線測量功能，例如實時采集磨削之后的厚度，并進行SPC分析，例如監(jiān)控到尺寸連續(xù)7個點上升（異常判定規(guī)則的一種），即可判定存在異常。另外有些項目實施了機器視覺檢測，并對不合格品進行剔除。
圖質(zhì)量信息實時采集與監(jiān)控預(yù)警
圖機器視覺在線檢測
有些生產(chǎn)工序，需要進行首件檢驗，這通常需要人的介入，生產(chǎn)完首個產(chǎn)品（也可能是幾個）時，設(shè)備自動停下等待首件檢驗，并進行聲光提醒和計時，檢驗員基于PDA反饋首檢結(jié)果，支持一鍵確認繼續(xù)生產(chǎn)，最大限度確保首件檢驗得以及時進行，減少設(shè)備等待時間。
實現(xiàn)物理工廠的實時感知與控制
數(shù)字孿生工廠不是靜態(tài)的，是動態(tài)的，MOM需要時刻獲取工廠的運行狀態(tài)，而且需要實時下達生產(chǎn)指令，以實現(xiàn)對工廠的調(diào)度和優(yōu)化。MOM平臺建議具備與產(chǎn)線集成、支持柔性生產(chǎn)建模、工業(yè)IOT物聯(lián)的相關(guān)模塊，可以快速搭建模型，不但可以加快項目推進的進度，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且可以保證系統(tǒng)良好的可維護性和靈活性，滿足工廠持續(xù)改進系統(tǒng)調(diào)整的要求。
圖MOM平臺柔性生產(chǎn)建模和工業(yè)物聯(lián)的相關(guān)支撐
FMS（柔性制造系統(tǒng)）的功能與MOM平臺中許多模塊，如計劃排程、生產(chǎn)執(zhí)行、物料配送、質(zhì)量管理、設(shè)備監(jiān)控等均有相關(guān)關(guān)系，也需要利用“工業(yè)物聯(lián)”模塊來連接自動化生生產(chǎn)、倉儲和物流設(shè)施，基于上述特性，我們認為FMS系統(tǒng)可以作為MOM平臺的子模塊，通過MOM平臺為傳統(tǒng)FMS“賦能”。
在這個層次架構(gòu)中：
（1）MOM負責(zé)處理業(yè)務(wù)層的指令，例如某工位生產(chǎn)完成并裝盒，觸發(fā)業(yè)務(wù)指令是將某容器入自動化立體庫。
（2）FMS負責(zé)將業(yè)務(wù)指令轉(zhuǎn)換對各個子系統(tǒng)的指令，例如根據(jù)物流模型分解出AGV搬運指令、輸送線搬運指令、堆垛機上架指令。
（3）而IOT平臺負責(zé)與各個子系統(tǒng)的通信。例如與AGV子系統(tǒng)、輸送線子系統(tǒng)、堆垛機子系統(tǒng)集成。
下圖是一條焊接的柔性生產(chǎn)線，包括三個自動焊、人工焊、機加工作業(yè)島。
圖包含三個作業(yè)島的柔性生產(chǎn)線
下圖展示了MOM系統(tǒng)內(nèi)置的FMS模塊對柔性產(chǎn)線的建模能力。
圖在MOM中可以通過配置映射到柔性生產(chǎn)線的相關(guān)要素
另外MOM最好提供可配置的指令系統(tǒng)，提供對自動化產(chǎn)線設(shè)備的內(nèi)在集成能力，實現(xiàn)信息的采集、工藝信息下發(fā)、生產(chǎn)過程監(jiān)控、拉動物流配送、驅(qū)動在制品的轉(zhuǎn)序等功能。
圖佰思杰MOM內(nèi)置的指令系統(tǒng)
如下圖，系統(tǒng)根據(jù)上層業(yè)務(wù)模塊的執(zhí)行，可以生成各種類型的指令，并進一步驅(qū)動各種生產(chǎn)、質(zhì)檢、倉儲、物流等自動化設(shè)備的自動化運行。
圖MOM內(nèi)置IOT模塊生成系列指令驅(qū)動設(shè)備運行
圖MOM內(nèi)置IOT模塊實現(xiàn)采集控制配置
柔性工廠須配柔性的MOM系統(tǒng)
對于柔性自動化的工廠，其建設(shè)不是一蹴而就的，必須持續(xù)的優(yōu)化和調(diào)整，不斷提高自動化、精益化和智能化水平，這就要求最核心的信息系統(tǒng)MOM也必須是靈活的、可擴展的，或者說是柔性的。
從業(yè)務(wù)角度，MOM應(yīng)該提供如下建模功能，可以方便定義產(chǎn)品工藝模型、柔性自動化單元、計劃和調(diào)度模型、倉儲和物流模型、質(zhì)量控制模型、設(shè)備聯(lián)網(wǎng)模型、智能分析等模型，這些建模功能可以方便對模型進行調(diào)整。
圖MOM需支持的低門檻的業(yè)務(wù)建模能力
從IT角度，系統(tǒng)應(yīng)該建立一種低代碼可配置的開發(fā)方式，提供包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)建模、基于腳本的插件開發(fā)、在線的表單設(shè)計、在線的報表看板設(shè)計、在線的集成接口開發(fā)等工具，可以快速對已有的功能模塊進行擴展，也可以開發(fā)出新的模塊。
圖從IT角度提供低代碼可配置的開發(fā)方式
總結(jié)
數(shù)字孿生在制造運營中的更大價值是利用對工廠運營的實時感知，利用工業(yè)智能技術(shù)對工廠的運營數(shù)據(jù)進行更高層次的實時綜合調(diào)度和優(yōu)化，從而提高工廠運營效率、提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短制造周期。
柔性自動化生產(chǎn)線能否高效運轉(zhuǎn)取決于能否對生產(chǎn)支撐相關(guān)要素的統(tǒng)一調(diào)度和優(yōu)化，這恰恰需要數(shù)字孿生相關(guān)支撐技術(shù)：實時掌控整個工廠的狀態(tài)、更大范圍的智能調(diào)度和優(yōu)化、精準的控制和閉環(huán)的執(zhí)行。
應(yīng)該考慮建設(shè)統(tǒng)一的MOM平臺，避免信息系統(tǒng)碎片化。制造運營平臺MOM是數(shù)字孿生工廠的大腦，要實現(xiàn)多生產(chǎn)資源的計劃排程和動態(tài)調(diào)度，確保生產(chǎn)資源的優(yōu)化和高效利用。必須實現(xiàn)MOM中信息流和實物流的一致，并通過工業(yè)智能、自主控制實現(xiàn)對工廠的動態(tài)調(diào)度和優(yōu)化，從而實現(xiàn)大腦的作用。
對于高度自動化的工廠，為了實現(xiàn)柔性自動化生產(chǎn)，MOM平臺建議具備與產(chǎn)線集成、支持柔性生產(chǎn)建模、工業(yè)IOT物聯(lián)的相關(guān)模塊。其中IOT實現(xiàn)物理工廠的感知和對設(shè)備的控制，F(xiàn)MS模塊將MOM業(yè)務(wù)指令進一步分解為各個子系統(tǒng)的調(diào)度指令，起到提高系統(tǒng)靈活性、解耦MOM和IOT的作用。
智能工廠需要持續(xù)改進，MOM平臺應(yīng)該是柔性可配置的。系統(tǒng)需要具備業(yè)務(wù)領(lǐng)域建模能力，并能面向IT或運維人員提供低代碼開發(fā)的能力。
