工廠智能制造及物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)研究

龍罡，江濤，龔振宇，彭寧濤

（中機(jī)國際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410021）

隨著“中國制造2025”和“工業(yè)4．0”理念在制造業(yè)領(lǐng)域的不斷深化，通過信息技術(shù)和制造技術(shù)的深度融合，搭建系統(tǒng)的軟硬件平臺(tái)，結(jié)合企業(yè)的運(yùn)營、研發(fā)、生產(chǎn)特點(diǎn)，推進(jìn)智能化生產(chǎn)單元建設(shè)、實(shí)現(xiàn)工廠萬物互聯(lián)，打造智能制造新模式工廠已成為當(dāng)前工廠建設(shè)中的首要任務(wù)。在工廠工程設(shè)計(jì)階段進(jìn)行智能制造體系和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的頂層規(guī)劃，加入互聯(lián)網(wǎng)和智能制造技術(shù)，更好地實(shí)現(xiàn)機(jī)器人、生產(chǎn)線和用戶3方面的交流，進(jìn)行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的集成共享，全面建成智能制造新模式工廠，正逐步成為當(dāng)前工廠工程設(shè)計(jì)的必要內(nèi)容。

1 設(shè)計(jì)原則

工廠智能制造體系及物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的頂層規(guī)劃設(shè)計(jì)一般按照整體規(guī)劃、分步實(shí)施、有序推進(jìn)的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行，應(yīng)遵循以下原則。

1.1 系統(tǒng)適用性

以工廠產(chǎn)品的研發(fā)、制造、試驗(yàn)和維保等特征作為設(shè)計(jì)輸入條件，充分體現(xiàn)工廠的生產(chǎn)特點(diǎn)進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)覆蓋產(chǎn)品的全生命周期的各環(huán)節(jié)，通過定制算法挖掘工廠各運(yùn)營環(huán)節(jié)所需的核心數(shù)據(jù)，保證系統(tǒng)在各層級快速、穩(wěn)定、高效的運(yùn)行，為各層級使用者提供可靠的數(shù)據(jù)，支撐全工廠的數(shù)字化與智能化運(yùn)作。

1.2 自主可控性

在制造設(shè)備、試驗(yàn)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、終端設(shè)備、軟件系統(tǒng)等5個(gè)方面進(jìn)行設(shè)備選型時(shí)，選擇具有自主知識產(chǎn)權(quán)的控制系統(tǒng)為主，定制標(biāo)準(zhǔn)企業(yè)數(shù)據(jù)接口和生產(chǎn)標(biāo)識體系；國外引進(jìn)的成套設(shè)備，采用協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)對輸入輸出數(shù)據(jù)按標(biāo)準(zhǔn)企業(yè)數(shù)據(jù)格式進(jìn)行重新編碼后應(yīng)用，確保信息的安全可靠、生產(chǎn)系統(tǒng)的自主可控。

1.3 技術(shù)先進(jìn)性

在確保技術(shù)成熟可靠的基礎(chǔ)上，采用最先進(jìn)的基于模型的企業(yè)（MBE）、信息物理系統(tǒng)（CPS）、窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IOT）、工業(yè)大數(shù)據(jù)、云平臺(tái)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)智能制造體系和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的構(gòu)建，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率，降低投入成本。

1.4 持續(xù)擴(kuò)展性

定制企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口和系統(tǒng)界面，服務(wù)器通過虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)增量式擴(kuò)展的能力，所有設(shè)備與終端均預(yù)留通訊模塊，選用的系統(tǒng)軟件要充分考慮開放性、定制化和可擴(kuò)展性，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)預(yù)留足夠的冗余帶寬，保證智能制造體系后期新增系統(tǒng)、設(shè)備和終端的需求。

1.5 系統(tǒng)集成性

建立統(tǒng)一的工廠級系統(tǒng)平臺(tái)，從規(guī)劃設(shè)計(jì)層面杜絕“信息孤島”的存在，實(shí)現(xiàn)工廠內(nèi)信息的互聯(lián)互通，有效整合工廠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和制造資源，優(yōu)化核心業(yè)務(wù)流程，并實(shí)現(xiàn)面向核心業(yè)務(wù)的一體化綜合信息管理。

2 整體構(gòu)架設(shè)計(jì)

工廠整體構(gòu)架按照“1個(gè)平臺(tái)、5大系統(tǒng)、互聯(lián)互通”的思路進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期的數(shù)字化與智能化管理。即1個(gè)虛實(shí)一體化的物理信息系統(tǒng)平臺(tái)，集成智能研發(fā)系統(tǒng)、智能生產(chǎn)系統(tǒng)、智能運(yùn)營系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)和智能安防系統(tǒng)的5大智能系統(tǒng)，通過園區(qū)資源定位系統(tǒng)、車間物聯(lián)系統(tǒng)和基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的能源監(jiān)控系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)整個(gè)園區(qū)的互聯(lián)互通。

3 智能制造體系設(shè)計(jì)

3.1 虛實(shí)一體化信息物理系統(tǒng)平臺(tái)的構(gòu)建

CPS系統(tǒng)是工業(yè)4．0的核心系統(tǒng)，在全面實(shí)現(xiàn)數(shù)字化智能生產(chǎn)管控的基礎(chǔ)上，結(jié)合工廠的三維模型進(jìn)行信息物理系統(tǒng)的構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)工廠虛實(shí)一體的數(shù)字雙生。在安全可控條件下開放設(shè)備及系統(tǒng)的控制權(quán)限，實(shí)現(xiàn)物理工廠和數(shù)字工廠的雙向互聯(lián)，物理工廠所有事件都將在三維數(shù)字工廠中實(shí)時(shí)重現(xiàn)。同時(shí)，通過三維數(shù)字工廠仿真驗(yàn)證的工藝方案、生產(chǎn)流程也能夠直接驅(qū)控物理工廠進(jìn)行同步作業(yè)。

3.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞譃?個(gè)區(qū)域，包括外網(wǎng)接入?yún)^(qū)、安全管理區(qū)、機(jī)房應(yīng)用區(qū)、生產(chǎn)應(yīng)用區(qū)和辦公應(yīng)用區(qū)。外網(wǎng)接入?yún)^(qū)集成入侵檢測與防火墻，并管理整個(gè)系統(tǒng)的負(fù)載平衡；安全管理區(qū)為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供安全服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)行為控制；機(jī)房應(yīng)用區(qū)包括主機(jī)房和數(shù)據(jù)備份機(jī)房，主機(jī)房采用資源池虛擬化應(yīng)用技術(shù)將存儲(chǔ)資源、網(wǎng)絡(luò)資源、服務(wù)器資源進(jìn)行整合,構(gòu)建了一個(gè)組織完善、可動(dòng)態(tài)分配和管理的各項(xiàng)資源的資源池，既能夠靈活配置客戶機(jī)的資源，又能夠有效減低機(jī)房能耗，并通過B/S模式降低部署成本和維護(hù)成本，提高了系統(tǒng)的統(tǒng)一性；數(shù)據(jù)備份機(jī)房采用異地雙活磁盤陣列中心，用于數(shù)據(jù)備份；辦公應(yīng)用區(qū)部署云桌面，采用無線AP聯(lián)接；生產(chǎn)應(yīng)用區(qū)設(shè)有獨(dú)立機(jī)房，架設(shè)服務(wù)器和磁盤陣列，用于部署生產(chǎn)管理系統(tǒng)、保存生產(chǎn)數(shù)據(jù)，確保生產(chǎn)系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性的要求，生產(chǎn)數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)挖掘后將關(guān)鍵數(shù)據(jù)接入機(jī)房。

3.3 智能研發(fā)系統(tǒng)

智能研發(fā)系統(tǒng)以產(chǎn)品生命周期管理為核心。采用全三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)，統(tǒng)一企業(yè)三維CAD數(shù)據(jù)接口，建立產(chǎn)品唯一三維主模型用于各研發(fā)部門，進(jìn)行仿真分析、數(shù)字化工藝、尺寸檢驗(yàn)和虛擬試驗(yàn)。進(jìn)行設(shè)計(jì)變更時(shí)，主模型的更改直接向下傳遞到其他流程，保證數(shù)據(jù)的一致性，提高設(shè)計(jì)效率。

完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)后，基于主模型建立三維數(shù)字化工藝指導(dǎo)生產(chǎn)，并根據(jù)工藝進(jìn)行工裝管理。關(guān)鍵工裝采用RFID射頻標(biāo)簽標(biāo)識，進(jìn)行出庫入庫、使用狀態(tài)、使用壽命等信息的自動(dòng)管理，納入智能生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行管理與分配。還可以進(jìn)行產(chǎn)品的可視化虛擬加工、裝配，在生產(chǎn)前對產(chǎn)品工藝過程進(jìn)行驗(yàn)證與優(yōu)化，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，并能通過協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)將產(chǎn)品的工藝問題及時(shí)反饋到產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)部門，形成對產(chǎn)品的持續(xù)改進(jìn)。

3.4 智能生產(chǎn)系統(tǒng)

智能生產(chǎn)系統(tǒng)是整個(gè)智能制造體系中最重要的系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求高，在車間設(shè)置單獨(dú)的機(jī)房，部署包括制造執(zhí)行、倉儲(chǔ)管理、組態(tài)、物流等在內(nèi)的多套生產(chǎn)應(yīng)用系統(tǒng)。智能生產(chǎn)系統(tǒng)接收來自智能運(yùn)營系統(tǒng)的生產(chǎn)資源、生產(chǎn)體系、產(chǎn)品設(shè)計(jì)3類數(shù)據(jù)，通過企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口分發(fā)到各子系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)規(guī)劃，并下發(fā)到終端進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)、質(zhì)量管控和試驗(yàn)分析，整個(gè)智能生產(chǎn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)由車間物聯(lián)系統(tǒng)獲取并調(diào)用。

3.5 智能運(yùn)營系統(tǒng)

智能運(yùn)營系統(tǒng)以ERP、CRM、SCM、OA等4大系統(tǒng)為核心。通過工廠大數(shù)據(jù)的支撐，能夠?qū)崟r(shí)將訂單、客戶資源、人力資源、生產(chǎn)狀況、庫存資源、物料采購、生產(chǎn)進(jìn)度、產(chǎn)品售后、能源消耗進(jìn)行后臺(tái)分析和匯總展示，供企業(yè)決策者使用。

3.6 能源管理系統(tǒng)

公用設(shè)備監(jiān)控與能源系統(tǒng)的管理是智能制造體系中最重要的組成部分，能源管理系統(tǒng)采用云服務(wù)的方式部署在主機(jī)房，通過B/S構(gòu)架可以方便的在廠內(nèi)任何1臺(tái)授權(quán)的終端上查看與控制。通過采用先進(jìn)節(jié)能的NBIOT技術(shù)，使用智能儀表和部署組態(tài)系統(tǒng)對公用設(shè)備的使用情況進(jìn)行監(jiān)控和綜合控制，從而實(shí)現(xiàn)工廠節(jié)能。

3.7 智能安防系統(tǒng)

智能安防系統(tǒng)采用1套獨(dú)立的服務(wù)器及存儲(chǔ)系統(tǒng)，由身份認(rèn)證系統(tǒng)、帶視覺識別的集成式視頻監(jiān)控系統(tǒng)、智能門禁系統(tǒng)、智能車輛管理系統(tǒng)等構(gòu)成。通過引入人臉識別、集成報(bào)警等新技術(shù)，智能安防系統(tǒng)能夠提前或?qū)崟r(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患，并自動(dòng)通知相關(guān)人員進(jìn)行排查。

4 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)包括園區(qū)資源物聯(lián)系統(tǒng)、車間物聯(lián)系統(tǒng)、基于NB-IOT的能源監(jiān)控系統(tǒng)等3套獨(dú)立的物聯(lián)系統(tǒng)，資源信息可以通過核心交換機(jī)與其它各系統(tǒng)互聯(lián)互通。

4.1 園區(qū)資源物聯(lián)系統(tǒng)

園區(qū)資源物聯(lián)系統(tǒng)主要用于企業(yè)園區(qū)大型外協(xié)外購零部件的全程追溯和成品、半成品在園區(qū)內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)調(diào)試的全流程追蹤。通過安裝RFID芯片和GPS系統(tǒng)，所有大型外協(xié)外購零部件根據(jù)芯片內(nèi)的信息聯(lián)動(dòng)安保系統(tǒng)，為零部件自動(dòng)設(shè)定進(jìn)場路線、檢驗(yàn)地點(diǎn)、存放地點(diǎn)等信息，安保系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)為運(yùn)送車輛設(shè)置權(quán)限，在園區(qū)內(nèi)的運(yùn)輸和作業(yè)進(jìn)行全流程追蹤。

4.2 車間物聯(lián)系統(tǒng)

車間物聯(lián)系統(tǒng)用于車間內(nèi)各種資源之間的互聯(lián)互通，采用條碼和RFID組合的形式進(jìn)行構(gòu)建，通過部署在車間內(nèi)的工業(yè)AP實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。通過條碼和RFID射頻標(biāo)簽的識別進(jìn)行車間資源的自動(dòng)識別、處理和記錄，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程和物流信息采集的智能化，并采用智能化立體倉庫、倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)（WMS）、AGV小車控制系統(tǒng)與物流仿真系統(tǒng)等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)車間內(nèi)各種資源的倉儲(chǔ)與配送管理。車間物聯(lián)系統(tǒng)還能將車間的各種資源智能匹配生產(chǎn)計(jì)劃和物料需求計(jì)劃，進(jìn)行工位缺料報(bào)警和庫存缺料報(bào)警，以及進(jìn)行庫房統(tǒng)計(jì)分析和報(bào)表輸出。

4.3 基于NB-IOT的能源監(jiān)控系統(tǒng)

能源監(jiān)控系統(tǒng)采用NB-IOT智能儀表方案，NBIOT是一種可部署于LTE 4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的新型物聯(lián)技術(shù)，其成本較低，具有很強(qiáng)的信號覆蓋能力，升級平滑、功耗低，適用于計(jì)量儀表等長時(shí)間在網(wǎng)、連接要求較高設(shè)備的高效低耗連接。

5 結(jié)語

隨著智能制造理念的深入，做好工廠智能制造體系及物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的頂層規(guī)劃設(shè)計(jì)，從設(shè)計(jì)階段消除“信息孤島”的隱患，制定可靠的智能工廠建設(shè)計(jì)劃，對于提升建廠后的運(yùn)行效率和擴(kuò)展能力具有重要意義。

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