龍罡，江濤，龔振宇，彭寧濤

（中機國際工程設(shè)計研究院有限責(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，結(jié)合企業(yè)的運營、研發(fā)、生產(chǎn)特點，推進智能化生產(chǎn)單元建設(shè)、實現(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)計階段進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)，更好地實現(xiàn)機器人、生產(chǎn)線和用戶3方面的交流，進行業(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)計的必要內(nèi)容。

1 設(shè)計原則

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)計一般按照整體規(guī)劃、分步實施、有序推進的設(shè)計思路進行，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、試驗和維保等特征作為設(shè)計輸入條件，充分體現(xiàn)工廠的生產(chǎn)特點進行個性化設(shè)計。整個系統(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)字化與智能化運作。

1.2 自主可控性

在制造設(shè)備、試驗設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、終端設(shè)備、軟件系統(tǒng)等5個方面進行設(shè)備選型時，選擇具有自主知識產(chǎn)權(quán)的控制系統(tǒng)為主，定制標準企業(yè)數(shù)據(jù)接口和生產(chǎn)標識體系；國外引進的成套設(shè)備，采用協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)對輸入輸出數(shù)據(jù)按標準企業(yè)數(shù)據(jù)格式進行重新編碼后應(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)先進性

在確保技術(shù)成熟可靠的基礎(chǔ)上，采用最先進的基于模型的企業(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)、云平臺等技術(shù)，實現(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)的運行效率，降低投入成本。

1.4 持續(xù)擴展性

定制企業(yè)標準的數(shù)據(jù)接口和系統(tǒng)界面，服務(wù)器通過虛擬化技術(shù)實現(xiàn)增量式擴展的能力，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，從規(guī)劃設(shè)計層面杜絕“信息孤島”的存在，實現(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

工廠整體構(gòu)架按照“1個平臺、5大系統(tǒng)、互聯(lián)互通”的思路進行設(shè)計，實現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期的數(shù)字化與智能化管理。即1個虛實一體化的物理信息系統(tǒng)平臺，集成智能研發(fā)系統(tǒng)、智能生產(chǎn)系統(tǒng)、智能運營系統(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)來實現(xiàn)整個園區(qū)的互聯(lián)互通。

3 智能制造體系設(shè)計

3.1 虛實一體化信息物理系統(tǒng)平臺的構(gòu)建

CPS系統(tǒng)是工業(yè)4．0的核心系統(tǒng)，在全面實現(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行信息物理系統(tǒng)的構(gòu)建，實現(xiàn)工廠虛實一體的數(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)字工廠中實時重現(xiàn)。同時，通過三維數(shù)字工廠仿真驗證的工藝方案、生產(chǎn)流程也能夠直接驅(qū)控物理工廠進行同步作業(yè)。

3.2 網(wǎng)絡(luò)拓撲設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)拓撲分為5個區(qū)域，包括外網(wǎng)接入?yún)^(qū)、安全管理區(qū)、機房應(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，并管理整個系統(tǒng)的負載平衡；安全管理區(qū)為整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供安全服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)行為控制；機房應(yīng)用區(qū)包括主機房和數(shù)據(jù)備份機房，主機房采用資源池虛擬化應(yīng)用技術(shù)將存儲資源、網(wǎng)絡(luò)資源、服務(wù)器資源進行整合,構(gòu)建了一個組織完善、可動態(tài)分配和管理的各項資源的資源池，既能夠靈活配置客戶機的資源，又能夠有效減低機房能耗，并通過B/S模式降低部署成本和維護成本，提高了系統(tǒng)的統(tǒng)一性；數(shù)據(jù)備份機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)有獨立機房，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)對實時性的要求，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，進行仿真分析、數(shù)字化工藝、尺寸檢驗和虛擬試驗。進行設(shè)計變更時，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)計效率。

完成產(chǎn)品設(shè)計后，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)工藝進行工裝管理。關(guān)鍵工裝采用RFID射頻標簽標識，進行出庫入庫、使用狀態(tài)、使用壽命等信息的自動管理，納入智能生產(chǎn)系統(tǒng)進行管理與分配。還可以進行產(chǎn)品的可視化虛擬加工、裝配，在生產(chǎn)前對產(chǎn)品工藝過程進行驗證與優(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)計技術(shù)將產(chǎn)品的工藝問題及時反饋到產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計部門，形成對產(chǎn)品的持續(xù)改進。

3.4 智能生產(chǎn)系統(tǒng)

智能生產(chǎn)系統(tǒng)是整個智能制造體系中最重要的系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)的實時性要求高，在車間設(shè)置單獨的機房，部署包括制造執(zhí)行、倉儲管理、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)接收來自智能運營系統(tǒng)的生產(chǎn)資源、生產(chǎn)體系、產(chǎn)品設(shè)計3類數(shù)據(jù)，通過企業(yè)標準數(shù)據(jù)接口分發(fā)到各子系統(tǒng)進行生產(chǎn)規(guī)劃，并下發(fā)到終端進行產(chǎn)品生產(chǎn)、質(zhì)量管控和試驗分析，整個智能生產(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 智能運營系統(tǒng)

智能運營系統(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)進度、產(chǎn)品售后、能源消耗進行后臺分析和匯總展示，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)的方式部署在主機房，通過B/S構(gòu)架可以方便的在廠內(nèi)任何1臺授權(quán)的終端上查看與控制。通過采用先進節(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)備的使用情況進行監(jiān)控和綜合控制，從而實現(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套獨立的服務(wù)器及存儲系統(tǒng)，由身份認證系統(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、集成報警等新技術(shù)，智能安防系統(tǒng)能夠提前或?qū)崟r發(fā)現(xiàn)安全隱患，并自動通知相關(guān)人員進行排查。

4 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計

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套獨立的物聯(lián)系統(tǒng)，資源信息可以通過核心交換機與其它各系統(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)進行試驗調(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)動安保系統(tǒng)，為零部件自動設(shè)定進場路線、檢驗地點、存放地點等信息，安保系統(tǒng)聯(lián)動為運送車輛設(shè)置權(quán)限，在園區(qū)內(nèi)的運輸和作業(yè)進行全流程追蹤。

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組合的形式進行構(gòu)建，通過部署在車間內(nèi)的工業(yè)AP實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。通過條碼和RFID射頻標簽的識別進行車間資源的自動識別、處理和記錄，實現(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，實現(xiàn)車間內(nèi)各種資源的倉儲與配送管理。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)計劃和物料需求計劃，進行工位缺料報警和庫存缺料報警，以及進行庫房統(tǒng)計分析和報表輸出。

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，具有很強的信號覆蓋能力，升級平滑、功耗低，適用于計量儀表等長時間在網(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，從設(shè)計階段消除“信息孤島”的隱患，制定可靠的智能工廠建設(shè)計劃，對于提升建廠后的運行效率和擴展能力具有重要意義。

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