面向電機企業的CPS系統設計與開發

余建國,肖芳海

（江西理工大學 機電工程學院，贛州 341000)

0 引言

德國《工業4.0戰略計劃實施》報告發表之后,在全球范圍內相關企業開始將制造業的核心轉向智能制造的大時代背景下,被稱為世界“制造中心”的中國也開始了一場規模空前的工業革命——“中國制造2025”[1]。其以工業化與信息化深度融合為主線,以創新驅動發展為主題,以推進智能制造為主攻方向,是制造業建立競爭優勢的0關鍵路線[2]。隨著工業4.0技術被引入制造業領域,促進了以機器和人類之間相關科學技術互動為特征的智能工廠的發展[3]。

智能制造是與時俱進的概念,其內涵伴隨著制造技術與信息技術的融合和發展而不斷演進。制造系統最初由人和物理組成,也稱為人-物理系統,由人來完成既定任務所經歷的認知、分析決策和控制操作,人是物理系統的創造者,也是物理系統的操作者[4]。由于計算機、通信和數字控制等信息技術的不斷發展,數字化制造被引入制造系統中,很大程度上推動了第三次工業革命,數字化制造最核心的變化是在物理系統和人之間增加了一個信息系統——C,通過對產品應用,“智能制造+”與“互聯網+”不斷推進信息、工藝信息和資源信息進行分析、決策和數字化集成,進而制造出符合用戶需求的產品[5]。基于數字化制造基礎上,由于互聯網技術的快速發展以及廣泛著制造業和互聯網相融合,促進了制造業從數字化制造向數字化網絡制造的范式轉變,在國外也被稱為“smart manufacturing”[6]。智能制造是一種人類專家和智能機器共同組成的人機一體化系統,拓寬了制造自動化的概念,使其擴展到智能化、柔性化和高度集成化范疇,傳統制造與智能制造的異同點主要體現在產品的設計、加工及管理等幾個方面,具體如1所示。

此次電機企業CPS系統設計與開發采用了myeclipse實現程序的可拓展性,Access2016作為后臺數據庫管理工具,Tomcat服務器等J2EE平臺下的計算機網絡工具[7],為構建功能齊全、獨立完整的CPS系統提供了可能。

1 電機企業CPS系統概述

智能環境下的CPS系統深度融合了計算進程與物理進程,是一種綜合網絡、物理環境和信息計算的異構系統,是集計算、通信和控制于一體的下一代智能系統[8],涵蓋生產制造、市場銷售、外部物流及延伸服務,并使其可獨立地進行進程控制、觸發行動、信息交換等。CPC、云制造等工業4.0主要支持技術可動態共享分布式資源,這種面向服務的按需提供范式可提高制造業的網絡資源共享效率[9]。設計與開發CPS,并不是絕對摒棄原有信息系統,工業4.0參考架構方案還最大限度地兼容了ERP、MES和PDM等現有的工業3.0系統[10]。

基于通信技術構建理想的CPS系統,可將生產設備的電子化信息、機器的智能生產、倉儲系統及企業現有資源融合到網絡中,從而將人、資源、物體及信息緊密地聯系在一起,可實現制造企業價值鏈,橫向及縱向等多維度的集成優化。CPS通過實現計算、通信與物理系統的一體化設計,可保障系統數據可靠、實時協同,以此達到資源優化、管理水平和生產效率提高的效果。

表1 傳統制造與智能制造的異同點

一方面,我國的電機行業已經形成了一套完整的產業鏈,產品的規格、品種、產量和性能基本滿足社會經濟的發展需要,且行業增長趨勢正持續上升。另一方面,隨著客戶對電機需求差異化的加大,電機制造越來越趨向于個性化的小批量定制,制造周期越來越短,制造成本也越來越低[11]。由于CPS系統深度融合了計算、控制和通信技術,可滿足生產開放化和柔性化的要求[12]。

2 系統的功能設計

一般情況下,系統模型支持自我適應與修改,且需要模塊化[13],電機企業CPS系統模塊化功能設計如下：

1）訪問系統：用戶可在系統的訪問界面進行注冊與登錄,進而進入電機企業CPS系統主界面,用戶可根據需要選擇相應功能模塊使用。

2）系統管理：此功能模塊的下級菜單主要有權限管理、用戶管理、菜單管理和組織機構管理,方便系統超級管理員合理分配各用戶權限,布置系統相應菜單及明確各組織機構互相關系。

3）人力資源管理：此功能模塊包括檔案管理、招聘管理、績效管理、薪資核算、福利管理二級菜單,可構建一種提高機會、提升能力、增強激勵和具有有效相應機制的人力資源管理制度[14]。

4）物料管理：此功能模塊由物料采購、物料報需、常用物料管理、耗用物料管理、訂單物料管理及物料跟蹤二級菜單組成,可展示智能物料管理系統可靠性強、結構合理和操作方便等優點[15]。

5）生產管理：此功能模塊包括生產計劃管理、生產指令單、備料指令單及生產進度跟蹤四個二級菜單,在易于升級維護的情況下,可較好地滿足電機企業生產管理的要求,并為生產數據的準確性提供保障。

6）營銷業務管理：此功能模塊由客戶信息管理、銷售計劃管理、拜訪計劃管理、合同管理及統計報表管理組成,可達到高效利用線索,多維度分析客情和靈活匹配公司業務的效果,并提升銷售管理的實效性。

7）質量管理：此功能模塊包括工藝管理、產品自檢管理、產品互檢管理、審批管理及成品入倉管理,可綜合反映企業的生產技術水平,提高產品質量的同時亦可降低企業的外部故障損失成本,并增強企業在市場中的競爭力。

8）物流管理：此功能模塊由條碼管理、庫存管理、入庫管理、出庫管理、車輛管理組成,可提高成品入庫效率及倉庫利用率,降低企業轉運成本,優化企業資源配置。

9）企業資產管理：此功能模塊包括資產基礎管理、資產盤點、資產變動、資產租賃和專項管理,較全面地展示了EAM設備臺賬數據[16],保障了企業資產的完整及夯實了電機企業正常生產的物質基礎。

3 系統的數據庫設計

本文的電機企業CPS系統開發設計主要包括系統管理、人力資源管理、企業資產管理、生產管理、營銷業務管理、質量管理、物料管理和物流管理,基于此建立系統物理數據模型。本系統開發運用了PowerDesigner建模軟件,它可以為各項數據模塊提供多樣的開發環境,各模塊之間既相互獨立,也可建立相應聯系,部分模塊如圖1所示。

圖1 物理數據模型

4 系統架構設計

為建立一個數據豐富的網絡化環境,需要一種基本的系統框架將原始數據轉換為具有切實指向的操作[17]。體系架構設計是設計開發系統的基礎工作,可精準定義系統的組成部分及其相互關系,以保障開發完成的系統切合設計和實際需求[18]。為快捷、靈活、方便的展示設計視圖以及滿足產品全生命周期對數據協同的要求,電機企業CPS系統設計分為產品層、制造執行層、制造物聯層和資源層,如圖2所示。產品是一種非限定性術語,主要組成部分有零件、部件、單元體、機組及系統等,此CPS系統產品層由產品標志、產品信息化、產品智能及下線標志組成。制造執行層管理本質上是在完全離散和純粹流水兩種極端模式下協調管理產品的中間狀態,可從電子看板與RFID、MES、數字化工藝及圖紙方面建立制造執行層。制造物聯層是CPS系統的核心部分,是對象域名解析服務器和傳感網絡,ONS Server可保障產品信息和現場制造資源信息的大數據管理與協同應用。管理信息系統與管理數據系統共同組成電機企業CPS系統資源層,在數據協同應用時,可保證信息數據的準確性、一致性和實用性[19]。高效率的系統架構可實現對制造過程的優化配置,使整個供應鏈和制造鏈更加靈活地運行,為小批量定制和敏捷制造提供了技術支撐。構建智能制造理論體系架構,體現了從理論到實踐,從技術到實現和從任務到目標系統化、層次化的特點[20]。

圖2 系統框架圖

5 系統開發結果

此次CPS系統設計與開發運用的主要技術手段是Java服務器頁面,層疊樣式表CSS,超文本標記語言HTML以及結構化查詢語言SQL。電機企業CPS系統的主界面和常用功能如圖3所示。新一代智能制造代表了現代化制造技術的集成,貫穿于產品設計、計劃、生產、物流、服務客戶全過程的每個環節。信息物理系統展示了新一代智能制造的技術機制,可有效地指導相關工程實踐。企業所現有的資源信息是有限的,信息物理系統的有效應用給企業帶來的影響是深層次、全方位的。

圖3 系統開發結果

6 結語

電機是動力的主要來源,一個品質卓越的電機就是機械設備“強勁有力的心臟”,以華南某電機專業制造企業開發、生產和銷售電機產品為例,闡述電機CPS系統優勢與應用前景。該企業的主要產品有多速三相異步電機、變頻調速三相異步電機以及擺線針輪減速三相異步電機,三相異步電機主要由定子和轉子兩個基本部分組成,具有運行可靠、堅固耐用和維護方便的優點。分析該企業在應用電機企業CPS系統,可取得較好的經濟和管理效果。第一,企業員工與部門信息及相互關系更加明確,其相應職能更加清晰,為企業正常高效地運行提供強有力的保障；第二,通過整合關鍵數據,可提升人事管理效率,為企業人才戰略提供軟件支持,助力業務部門高效運行,提升業務洞察；第三,根據客戶需求、生產訂單實時排程,可快速分解生產計劃,解決企業生產排程、訂單交付難題,減少生產沖突,提高調度效率；第四,利于企業調整生產作業、檢驗流程,規范現場管理,轉變采購觀念,推行準時采購制,推進全面質量管理,構建之有效的質量管理體系,切實降低企業經營風險。

信息技術的飛速發展,尤其是與制造技術融合程度的不斷加深,給制造業帶來了新的機遇和挑戰,結合面向服務于企業信息化的思想和智能制造的概念,本文提出了基于J2EE的電機企業CPS系統設計與開發。闡述現代制造與信息物理系統結合的可行性,設計了相關功能和物理數據模型,建立了切實可行的技術架構,從而降低了電機制造的生產成本,提高了企業的運營和管理水平。另外,電機制造CPS系統開發與設計也為以智能制造為轉型方向升級的企業提供了一定的借鑒和參考。