鹿玉曼，郭 躍 LU Yuman,GUO Yue

（1.浙江萬里學(xué)院，浙江 寧波 315100;2.南京大學(xué)，江蘇 南京 210093；3.寧波工程學(xué)院，浙江 寧波 315211）

基于以太網(wǎng)的智能工廠物流系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

鹿玉曼1，郭 躍2,3LU Yuman1,GUO Yue2,3

（1.浙江萬里學(xué)院，浙江 寧波 315100;2.南京大學(xué)，江蘇 南京 210093；3.寧波工程學(xué)院，浙江 寧波 315211）

文章主要研究工業(yè)企業(yè)以太網(wǎng)PROFINET環(huán)境下應(yīng)用智能工廠物流系統(tǒng)，通過探討設(shè)計(jì)智能工廠以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，討論如何解決降低物流成本和提高服務(wù)水平，從而實(shí)現(xiàn)智能工廠大規(guī)模定制的需求。論證了智能工廠物流系統(tǒng)的四個(gè)層次如何在PROFINET環(huán)境下實(shí)現(xiàn)，并對智能工廠物流系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)做出初步探索。

工業(yè)以太網(wǎng)；智能工廠物流系統(tǒng)；PROFINET

0 引言

隨著工業(yè)4.0和智能工廠等概念的深入發(fā)展，國際社會(huì)上實(shí)業(yè)競爭日益激烈，作為制造大國的中國，仍然存在著制造技術(shù)水平不高、科技含量低、生產(chǎn)效益低的情況。2016年我國國內(nèi)生產(chǎn)總值為7.44萬億元，實(shí)現(xiàn)了6.7%的增速，從工業(yè)方面來看，全國規(guī)模以上工業(yè)同比增長6.0%。工業(yè)生產(chǎn)明顯回升，在2017年，工業(yè)經(jīng)濟(jì)有望繼續(xù)保持平穩(wěn)增長。面對持續(xù)增長的工業(yè)經(jīng)濟(jì)和生產(chǎn)規(guī)模，如何實(shí)現(xiàn)“十三五”工業(yè)節(jié)能目標(biāo)、如何實(shí)現(xiàn)規(guī)模以上工業(yè)單位工業(yè)增加值能耗下降18%的目標(biāo)、如何從制造大國轉(zhuǎn)變?yōu)橹圃鞆?qiáng)國、如何升級制造業(yè)生產(chǎn)技術(shù)、如何提高產(chǎn)品的附加值是現(xiàn)在國內(nèi)制造業(yè)面對的一系列大問題。企業(yè)想要提高制造業(yè)生產(chǎn)技術(shù)，自動(dòng)化設(shè)備的使用是不可為避免的，但更重要的是實(shí)現(xiàn)貨物匹配，有一個(gè)適合自己的物流系統(tǒng)。

工業(yè)物流是工業(yè)生產(chǎn)必不可少的環(huán)節(jié)，同時(shí)也是社會(huì)物流的重要組成部分，在全社會(huì)物流總額中，工業(yè)品物流占90%左右，而在流通過程中，約90%以上時(shí)間花費(fèi)在倉儲(chǔ)、運(yùn)輸?shù)任锪鳝h(huán)節(jié)。物流成本過高、物流運(yùn)行效率低，成為制約我國工業(yè)體系健康發(fā)展的重要瓶頸，直接影響我國從工業(yè)大國向工業(yè)強(qiáng)國的轉(zhuǎn)變，加快工業(yè)物流轉(zhuǎn)型升級，是降低工業(yè)企業(yè)物流成本，提高企業(yè)核心競爭力，轉(zhuǎn)變工業(yè)發(fā)展方式的重要途徑之一[1]。

由于生產(chǎn)體系愈加精益化、市場需求愈加定制化，現(xiàn)代工廠越來越離不開物流產(chǎn)業(yè)。傳統(tǒng)工業(yè)企業(yè)向智能工廠轉(zhuǎn)型是大勢所趨，智能工廠是現(xiàn)代工廠自動(dòng)化到達(dá)一定程度的產(chǎn)物，是結(jié)合了信息技術(shù)、先進(jìn)管理理念和經(jīng)營模式的制造服務(wù)模式。智能工廠想要實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)轉(zhuǎn)、有效控制生產(chǎn)成本，對進(jìn)貨提前期波動(dòng)的把握和安全庫存的確定尤為重要，這就需要一個(gè)合理的物流決策體系；并且智能工廠每天有數(shù)額巨大的出貨量，面對日益劇增的生產(chǎn)物料、生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)人員，如何做到有機(jī)匹配，合理整合，建立一個(gè)智能物流系統(tǒng)是必不可少的。

1 工廠物流系統(tǒng)發(fā)展研究

工業(yè)物流起源于美國，基本理念是：圍繞工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)管理，以集中采購為起點(diǎn)，零部件加工、組裝、存儲(chǔ)為核心，引導(dǎo)采購、倉儲(chǔ)、配送、生產(chǎn)等運(yùn)作部門發(fā)揮協(xié)同作用，提高社會(huì)資源的綜合利用效益，降低企業(yè)間、部門間的互動(dòng)成本，面向整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)企業(yè)提供延伸和成套服務(wù)的系統(tǒng)工程[1]。

面對工業(yè)企業(yè)的升級，工廠物流的理念也隨之不斷發(fā)展。李彥云認(rèn)為，工廠物流是指從原材料采購開始，按照規(guī)定的過程經(jīng)過基本加工和轉(zhuǎn)移活動(dòng)，最后形成具有一定使用價(jià)值的產(chǎn)品，并將之包裝、存放、搬運(yùn)、輸送至倉庫或用戶等一系列物資實(shí)體運(yùn)送的流轉(zhuǎn)過程[2]。竇國勛研究認(rèn)為，智能物流是通過相應(yīng)的技術(shù)手段使物流體系具備自動(dòng)化、信息化和網(wǎng)絡(luò)化三個(gè)特征[3]。穆建軍也認(rèn)識到隨著工業(yè)企業(yè)智能化程度加深，自動(dòng)化物流系統(tǒng)必將轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芑锪飨到y(tǒng)[4]。

現(xiàn)階段，工廠物流系統(tǒng)幾經(jīng)發(fā)展，在戰(zhàn)略上工業(yè)物流協(xié)同進(jìn)行了功能整合，在運(yùn)作模式上工業(yè)物流系統(tǒng)從職能到整體協(xié)同，工業(yè)物流系統(tǒng)模式逐步完善，工業(yè)物流模式的發(fā)展最初動(dòng)力是工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)想要提高企業(yè)各環(huán)節(jié)的協(xié)同效益、提高物資流動(dòng)的效率，進(jìn)行內(nèi)部流程優(yōu)化提高供應(yīng)鏈上下游合作商合作，以標(biāo)準(zhǔn)化、信息化、系統(tǒng)化的生產(chǎn)方式來降低單位產(chǎn)品的成本[5]。同時(shí)，面對愈加多變的個(gè)性化的市場需求，工業(yè)企業(yè)想要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的定制生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)對市場需求的快速響應(yīng)，就需要提高物流系統(tǒng)的響應(yīng)能力，提高物流系統(tǒng)的柔性以適應(yīng)生產(chǎn)計(jì)劃的變更，以便提供更加符合客戶個(gè)性需求的產(chǎn)品或服務(wù)，因此實(shí)現(xiàn)工業(yè)物流系統(tǒng)的快速響應(yīng)是未來工業(yè)物流系統(tǒng)發(fā)展的方向。

近幾年，我國大力促進(jìn)物流業(yè)與工業(yè)的聯(lián)動(dòng)發(fā)展，通過供應(yīng)鏈管理和對工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)流程再造實(shí)現(xiàn)工業(yè)企業(yè)與物流業(yè)的融合發(fā)展、互利共贏，及時(shí)對我國的工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整。通過對整體工業(yè)物流效率的提升和潛力的挖掘?qū)O大地提高我國工業(yè)企業(yè)的國際競爭能力，緩解工業(yè)企業(yè)經(jīng)營風(fēng)險(xiǎn)提升效率；促進(jìn)工業(yè)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整；推動(dòng)工業(yè)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級可持續(xù)發(fā)展。

智能工廠物流系統(tǒng)在傳統(tǒng)工廠數(shù)字化基礎(chǔ)上，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和監(jiān)控技術(shù)，減少人工干預(yù)，通過準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的信息采集，合理安排生產(chǎn)計(jì)劃、能夠應(yīng)對一定的突發(fā)情況，實(shí)現(xiàn)信息化與自動(dòng)優(yōu)化選擇。

2 以太網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)控制中的應(yīng)用

以太網(wǎng)技術(shù)PROFINET是一種計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)，在工業(yè)上對網(wǎng)絡(luò)的首要需求是穩(wěn)定性和高效性，工業(yè)以太網(wǎng)的開放性可以使企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的無縫整合。常見的工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中PROFINET可以分為管理層、監(jiān)控層、設(shè)備層。

工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET比起傳統(tǒng)總線有很多優(yōu)勢，其主要優(yōu)勢首先，它具有良好的開放性，穩(wěn)定的傳輸性能。其次，工業(yè)以太網(wǎng)價(jià)格低，最重要的是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活多變，并且工業(yè)以太網(wǎng)是基于TCP/IP的標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)兼容性高、可操作性高、系統(tǒng)集成性好?？偟膩碚f工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET可以克服網(wǎng)絡(luò)隔閡，同時(shí)可以支持系統(tǒng)不斷升級，實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的可持續(xù)。PROFINET與傳統(tǒng)總線性能對比如表1所示。

表1 PROFINET與傳統(tǒng)總線性能對比

工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用在工業(yè)上面臨的最大問題是網(wǎng)絡(luò)硬件的可靠性，現(xiàn)在應(yīng)用PROFINET主要有PROFINET IO和PROFINET CBA兩種方式，這兩種方式對比如表2。

表2 以太網(wǎng)PROFINET應(yīng)用方式

3 智能工廠物流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)方法

3.1 智能工廠物流系統(tǒng)架構(gòu)

想要實(shí)現(xiàn)高效益的大規(guī)模定制和精益化生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)物流的快速響應(yīng)，一套適合的智能工廠物流系統(tǒng)必不可少。智能工廠物流系統(tǒng)主要功能是降低物流成本，提高服務(wù)并實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)。智能工廠物流系統(tǒng)可以大致分為采購、倉儲(chǔ)、生產(chǎn)、系統(tǒng)布置四大模塊，如圖1。

（1） 采購模塊

圖1 智能工廠物流系統(tǒng)

采購是智能工廠物流系統(tǒng)的基本功能，想要降低物流成本，采購是重中之重。采購成本的控制，需要注意以下兩方面的問題：首先，在采購時(shí)要做好充分的市場調(diào)查，全面考慮工廠與市場的一對一、一對多、多對一、多對多的各種各樣模式，結(jié)合自身行業(yè)特點(diǎn)并通過網(wǎng)絡(luò)、調(diào)研等方式對市場進(jìn)行深入了解，并結(jié)合其周邊物理環(huán)境得出成本結(jié)構(gòu)，看哪方面對成本影響最大從而做出最優(yōu)市場選擇。其次，要制定好訂單處理流程，對交貨通知、進(jìn)貨驗(yàn)收、付款結(jié)報(bào)等流程要有明確標(biāo)準(zhǔn)。

（2） 倉儲(chǔ)模塊

倉儲(chǔ)主要負(fù)責(zé)物料管理和存量管控，倉庫的設(shè)計(jì)應(yīng)該具有完備的盤點(diǎn)操作系統(tǒng)、倉儲(chǔ)操作系統(tǒng)、物流作業(yè)流程并根據(jù)產(chǎn)品特性（如形狀、重量、大小、形態(tài)等）對產(chǎn)品的包裝、保管、裝卸、運(yùn)輸作業(yè)等制定有著相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。對倉庫模塊，可以把倉庫劃分機(jī)器人區(qū)和工位區(qū)，機(jī)器人通過接到的訂單，搬出制定貨架或一定區(qū)域內(nèi)的產(chǎn)品運(yùn)送給對應(yīng)的工位，分揀工人通過訂單詳情進(jìn)行打包，并對產(chǎn)品進(jìn)行標(biāo)簽掃描確認(rèn)。

對于智能工廠，其物流系統(tǒng)應(yīng)具有成本分析與控制的功能，在工業(yè)以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)通信，倉儲(chǔ)模塊可以準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地知道產(chǎn)品的銷售、生產(chǎn)和原料的消耗情況，對成本結(jié)構(gòu)進(jìn)行智能分析，對控制成本起著良好作用。

（3） 生管模塊

智能工廠物流系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)降低物流成本實(shí)現(xiàn)資金的快速周轉(zhuǎn)的目的，生產(chǎn)模塊起著至關(guān)重要的作用。智能工廠的物流系統(tǒng)，在全生產(chǎn)鏈聯(lián)網(wǎng)的情況下，可以及時(shí)獲得生產(chǎn)信息、銷售數(shù)據(jù)、市場需求等信息，根據(jù)對信息的綜合分析制定生產(chǎn)計(jì)劃、彈性配置制造資源、擬定安全庫存，其中生產(chǎn)計(jì)劃包括短期生產(chǎn)計(jì)劃編制和中長期生產(chǎn)計(jì)劃。

工業(yè)生產(chǎn)線可以利用機(jī)械手臂做一些固定單一的生產(chǎn)工作，同時(shí)可以控制、確定生產(chǎn)效率，可以嚴(yán)格按照制定的生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行生產(chǎn)，不會(huì)產(chǎn)生冗余。產(chǎn)品生產(chǎn)組裝好后，生產(chǎn)機(jī)器自動(dòng)為其貼上射頻識別標(biāo)簽，在標(biāo)簽中存儲(chǔ)上產(chǎn)品的生產(chǎn)日期、要發(fā)往的地點(diǎn)，在產(chǎn)品分揀時(shí)，利用自動(dòng)揀貨系統(tǒng)，可以引導(dǎo)貨品自動(dòng)分類，是直接進(jìn)入發(fā)貨區(qū)還是倉庫。這樣只需要在分揀機(jī)監(jiān)護(hù)、標(biāo)簽檢驗(yàn)上投入人力，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的運(yùn)輸、倉儲(chǔ)、搬運(yùn)、裝卸等七個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)一體化集成。

（4） 系統(tǒng)布置模塊

整體上，智能工廠的車間包括基本生產(chǎn)車間、輔助生產(chǎn)車間、倉儲(chǔ)車間、數(shù)據(jù)處理部門、軟件服務(wù)部門等，它們位置的確定，要注重工廠整體概念，本著市場需求變化、技術(shù)和設(shè)備的迭代及生產(chǎn)規(guī)?？蓴U(kuò)大再生產(chǎn)，系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的原則；本著裝卸、存儲(chǔ)、分揀、包裝、配送在總體上實(shí)現(xiàn)成本最小化、效率最大化的原則，按照從原材料的接收、產(chǎn)品的制造、成品的包裝、存儲(chǔ)和運(yùn)輸?shù)冗^程爭取滿足物流運(yùn)輸距離、運(yùn)輸方式、運(yùn)輸路線利益最大化的要求，將其合理地組織與規(guī)劃。

區(qū)域上，智能工廠車間內(nèi)設(shè)施布置設(shè)計(jì)是確定的空間內(nèi)，力求將人員、設(shè)備和物料在空間上做到最優(yōu)分配、組合，從而獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益。其基本原則是：一是生產(chǎn)設(shè)備占有空間小的基礎(chǔ)上，為職工提供一個(gè)安全、方便、舒適的作業(yè)空間；二是在生產(chǎn)對象流動(dòng)順暢的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)物料的輸入和輸出路線最短、最便捷，避免資源浪費(fèi)。

3.2 生產(chǎn)線控制網(wǎng)絡(luò)的組建

利用工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET的生產(chǎn)線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)圖如圖2。

這個(gè)控制系統(tǒng)采用分布式控制系統(tǒng)，把監(jiān)控層與管理層并為一層，與傳統(tǒng)的管理層、監(jiān)控層、設(shè)備層三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不同，采用分布式控制可以使結(jié)構(gòu)簡單清晰，層次明了。PROFINET控制器采集所有PROFINET網(wǎng)絡(luò)生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)據(jù)并對所有設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，通過設(shè)置參數(shù)可以對任意PROFINET設(shè)備下達(dá)指令，在同一個(gè)網(wǎng)段下每一個(gè)PROFINET設(shè)備都有唯一一個(gè)IP地址，可以實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)通信，可大大提高數(shù)據(jù)處理能力和效率。

3.3 數(shù)據(jù)處理網(wǎng)絡(luò)的組建

圖2 智能工廠物流系統(tǒng)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)

利用工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的組建如圖3所示。

圖3 智能工廠物流系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理架構(gòu)

想要實(shí)現(xiàn)上述功能，需要建立如圖3所示的工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)，此架構(gòu)主要采用西門子的產(chǎn)品。中央控制器采用西門子S7-300系列，可以選用旗下三種CPU的任意一種，S7-300通過以太網(wǎng)接口接入以太網(wǎng)。采用CP343-1高級以太網(wǎng)通信處理器將子站S7-300系統(tǒng)連接到以太網(wǎng)，可以在線性總線或環(huán)網(wǎng)中集成CP，具有自動(dòng)跨接、自動(dòng)協(xié)商和自動(dòng)檢測功能。采用STEP7編程組態(tài)軟件對PLC產(chǎn)品進(jìn)行編程。采用基于WinCC Flexible的可視觸摸，強(qiáng)大的透明性使操作員進(jìn)行作業(yè)非常方便；采用ET200S的分布式IO，PROFIBUS總線用于高速準(zhǔn)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸。

3.4 物流決策單元的組建

建立合理的決策標(biāo)準(zhǔn)和決策流程是智能工廠物流系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵，智能工廠決策單元結(jié)構(gòu)如圖4所示。

智能工廠物流系統(tǒng)在工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，大大提高了智能工廠物流管理信息化水平，很好地提高了物流信息的獲取、共享與傳輸效率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的定向收集、傳輸與處理，使企業(yè)及時(shí)了解物料的消耗與庫存，及時(shí)了解產(chǎn)品的配送情況，很好地解決了傳統(tǒng)企業(yè)物流信息獲取、傳輸?shù)乃俣嚷⑿实秃筒块T之間信息共享壁壘的問題，實(shí)現(xiàn)高效協(xié)同。

智能工廠物流系統(tǒng)信息分析與決策層可以按照一定的標(biāo)準(zhǔn)和算法對所收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、處理、優(yōu)化整合，然后物流管理人員對處理后的數(shù)據(jù)按照作業(yè)需求進(jìn)行分析，從而做出決策方案。

4 結(jié)論

在工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，物流系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)獲得各種數(shù)據(jù)，為智能工廠對快速變化的市場需求做出響應(yīng)做好前期準(zhǔn)備。同時(shí)，數(shù)據(jù)處理部門根據(jù)收集的數(shù)據(jù)按照一定的標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類、處理，物流管理部門根據(jù)自己的需求對處理過的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并通過一定的標(biāo)準(zhǔn)確定出合適的采購方案、生產(chǎn)計(jì)劃，并對物料進(jìn)行彈性配置，從而可以實(shí)現(xiàn)物流成本控制、提高生產(chǎn)效益、提高服務(wù)水平，實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)。

圖4 物流管理系統(tǒng)架構(gòu)

[1]段沛佑.我國工業(yè)物流發(fā)展模式創(chuàng)新研究[C]//中國軟科學(xué)研究會(huì)：第九屆中國軟科學(xué)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集（上冊），2013.

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The Ethernet-based Analysis and Design of Intelligent Factory Logistics System

(1.Zhejiang Wanli University,Ningbo 315100,China;2.Nanjing University,Nanjing 210093,China;3.Ningbo University of Technology,Ningbo 315211,China)

The paper mainly studies the application of the industrial Ethernet,i.e.,PROFINET,to intelligent factory logis－tics system.Through designing the network structure of the Ethernet of smart factory,it discusses how to reduce and logisticscostsand improve service level,thereby achieving needs of large-scale customization of smart factory.In addition,the research demonstrates how the four levels of the intelligent factory logistics system are realized in the PROFINET environment.Thereby,a preliminary exploration is made to the architecture of the intelligent factory logistics system.

industrial Ethernet profinet;intelligent factory logistics system;PROFINET

F253.9

A

1002-3100(2017)12-0017-05

2017-09-06

2015年度浙江省博士后科研項(xiàng)目擇優(yōu)資助項(xiàng)目，項(xiàng)目編號：BSH1502022；2016年度寧波市政府決策咨詢中心重點(diǎn)課題項(xiàng)目，項(xiàng)目編號：J16-C1；2017年度寧波市軟科學(xué)科技課題項(xiàng)目，項(xiàng)目編號：2017A10013。

鹿玉曼（1994-），女，山東魚臺人，浙江萬里學(xué)院電子與計(jì)算機(jī)學(xué)院碩士研究生，研究方向：物流工程、智能制造；郭 躍（1971-），男，江西九江人，南京大學(xué)商學(xué)院博士后，寧波工程學(xué)院經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，教授，博士，研究方向：供應(yīng)鏈管理、企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新。