王艷廣 宿春慧 高方方 鄭楊

摘 ?要：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是制造業(yè)企業(yè)實(shí)現(xiàn)智能制造的重要載體。面向航天系統(tǒng)復(fù)雜產(chǎn)品的智能制造，闡述了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的組成，基于平臺(tái)的企業(yè)業(yè)務(wù)數(shù)字化集成以及車間智能化改造方案。通過(guò)航天企業(yè)智能制造樣板間改造和建設(shè)，開(kāi)展了跨企業(yè)智能制造應(yīng)用。為企業(yè)開(kāi)展基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的智能制造提供了參考。

關(guān)鍵詞：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái);智能制造;樣板間

中圖分類號(hào)：TP393;TH166 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）16-0150-03

Abstract：Industrial internet platform is an important carrier for manufacturing enterprises to realize intelligent manufacturing. For intelligent manufacturing of complex aerospace products，the composition of industrial Internet platform，digital integration of enterprise business based on platform and intelligent transformation scheme of workshop were proposed. Through the construction of the model room of intelligent manufacturing of aerospace enterprises，the application of intelligent manufacturing across enterprises was carried out. It provides a reference for enterprises to develop intelligent manufacturing based on industrial internet platform.

Keywords：industrial internet platform;smart manufacturing;model room

0 ?引 ?言

德國(guó)工業(yè)4.0、美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、中國(guó)制造2025等先進(jìn)制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的相繼提出，加速了云計(jì)算，邊緣計(jì)算，物聯(lián)網(wǎng)，大數(shù)據(jù)及人工智能等新一代信息技術(shù)與傳統(tǒng)制造業(yè)的融合?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+制造”[1，2]、服務(wù)型制造[3，4]、云制造[5-7]等先進(jìn)制造模式逐步引領(lǐng)傳統(tǒng)制造業(yè)向數(shù)字化、智能化的階段發(fā)展。先進(jìn)制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的關(guān)鍵在于構(gòu)建賽博物理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)物理世界和信息世界之間的交互和共融，從而實(shí)現(xiàn)智能制造。

目前，制造業(yè)企業(yè)大部分仍處在建設(shè)數(shù)字化企業(yè)的階段，實(shí)現(xiàn)智能制造還需要解決以下問(wèn)題：首先，在企業(yè)層級(jí)業(yè)務(wù)流程方面缺少基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的數(shù)字化集成和支撐能力建設(shè);其次，在企業(yè)現(xiàn)有車間設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的改造升級(jí)方面缺少統(tǒng)一規(guī)劃;最后，缺少基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的智能制造應(yīng)用案例。針對(duì)上述問(wèn)題，從航天科工集團(tuán)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)INDICS出發(fā)，通過(guò)對(duì)平臺(tái)即服務(wù)，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)以及云端應(yīng)用等各層功能分析，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造，企業(yè)PDM、ERP、MES等業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)字化集成以及車間數(shù)字化改造方案進(jìn)行了闡述。最后，依托中德政府間合作項(xiàng)目，以航天科工集團(tuán)企業(yè)為原型建造了智能工廠樣板間，開(kāi)展了基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的航天產(chǎn)品跨企業(yè)智能制造應(yīng)用。

1 ?工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

近年來(lái)，國(guó)外企業(yè)在基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的智能制造實(shí)踐方面做出了很多有益的探索和實(shí)踐。2013年美國(guó)GE公司推出工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)Predix，提供面向航天、電力以及醫(yī)療領(lǐng)域的數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的數(shù)字孿生模型，支撐企業(yè)與智能制造相關(guān)的資產(chǎn)和系統(tǒng)優(yōu)化配置。2015年法國(guó)達(dá)索公司推出的3DEXPERIENCE體驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)化建模，數(shù)值模擬和性能可視化方面進(jìn)行完整的展現(xiàn)。2016年德國(guó)西門子公司推出工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)MindSphere，可快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工廠車間、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)和信息化系統(tǒng)的連接，支撐企業(yè)在工業(yè)技術(shù)知識(shí)方面的積累與復(fù)用。

國(guó)內(nèi)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)建設(shè)呈現(xiàn)多元化發(fā)展趨勢(shì)。制造業(yè)領(lǐng)域如航天科工INDICS平臺(tái)，海爾的COSMOPlat平臺(tái);信息通訊領(lǐng)域如華為OceanConnect平臺(tái)，以及互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域阿里巴巴supET平臺(tái)等。國(guó)內(nèi)主流工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)建設(shè)依據(jù)行業(yè)特色，涵蓋了設(shè)備接入/管理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)/處理/分析、軟件應(yīng)用管理、平臺(tái)應(yīng)用開(kāi)發(fā)、資源/能力整合集成以及平臺(tái)安全等功能。

目前，主流工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)初步具備為企業(yè)生產(chǎn)制造過(guò)程中各類要素信息智能感知、云端協(xié)同制造、高效分析和科學(xué)決策等提供服務(wù)的能力。可以預(yù)見(jiàn)，隨著技術(shù)的發(fā)展和服務(wù)能力的提升，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)將會(huì)成為制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，實(shí)現(xiàn)智能制造的有力支撐載體。

1.1 ?平臺(tái)組成

從國(guó)內(nèi)航天科工集團(tuán)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)INDICS出發(fā)，重點(diǎn)從平臺(tái)即服務(wù)層，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)層，以及應(yīng)用服務(wù)層出發(fā)，描述平臺(tái)用于支撐企業(yè)智能制造中產(chǎn)品全生命周期的研發(fā)、制造、智能協(xié)作等全產(chǎn)業(yè)鏈的能力，以及企業(yè)智慧化運(yùn)行以及企業(yè)間的信息互通、資源共享、能力協(xié)同實(shí)施途徑。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的PAAS層中仿真引擎可為產(chǎn)品多學(xué)科協(xié)同仿真、產(chǎn)線仿真提供高性能的運(yùn)行管理服務(wù);大數(shù)據(jù)分析引擎對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和服務(wù)不同階段生成的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行高效分析處理，為物理產(chǎn)品和虛擬模型間的信息互通共融提供實(shí)施途徑;軟件定義制造的流程引擎可為企業(yè)業(yè)務(wù)的數(shù)字化集成提供靈活的云端配置環(huán)境。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)層提供企業(yè)業(yè)務(wù)、產(chǎn)線設(shè)備的平臺(tái)接入服務(wù)?；谘邪l(fā)、生產(chǎn)、仿真試驗(yàn)的企業(yè)業(yè)務(wù)以及制造、加工、智能監(jiān)測(cè)等工業(yè)設(shè)備均可通過(guò)邊緣側(cè)智能網(wǎng)關(guān)接入云平臺(tái)。

應(yīng)用服務(wù)層利用云端部署的輕量化云制造應(yīng)用、云端企業(yè)資源協(xié)同管理和云制造運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)等工具，支撐云端跨企業(yè)智能排產(chǎn)，資源異地集成的企業(yè)間協(xié)同制造。

綜上所述，INDICS平臺(tái)可有效支撐企業(yè)智能制造、協(xié)同制造、云制造等制造模式的轉(zhuǎn)型發(fā)展需求。

1.2 ?基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的業(yè)務(wù)數(shù)字化集成

企業(yè)業(yè)務(wù)數(shù)字化集成包括了產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造模孿生型數(shù)據(jù)與PLM集成，企業(yè)層ERP、MES業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)間集成，以及企業(yè)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)階段與云制造應(yīng)用的協(xié)同集成。基于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)線/物流/裝配制造的企業(yè)業(yè)務(wù)集成。

設(shè)計(jì)制造階段與PLM的集成，以產(chǎn)品設(shè)計(jì)仿真、制造階段產(chǎn)線仿真、物流仿真等功能為載體，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品制造信息結(jié)構(gòu)化管理、仿真模型數(shù)據(jù)管理、BOM管理、工藝路線規(guī)劃以及虛擬化制造仿真等功能;企業(yè)業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)的PLM與ERP系統(tǒng)的雙向集成通過(guò)EBOM、PBOM、MBOM等信息和銷售訂單實(shí)現(xiàn);PLM與MES系統(tǒng)集成通過(guò)BOP過(guò)程清單和工藝反饋實(shí)現(xiàn);車間現(xiàn)場(chǎng)為MES系統(tǒng)提供執(zhí)行反饋及車間數(shù)據(jù)，MES系統(tǒng)為車間現(xiàn)場(chǎng)提供生產(chǎn)調(diào)度和資源管理等控制信息，實(shí)現(xiàn)企業(yè)資源動(dòng)態(tài)優(yōu)化配置和高效業(yè)務(wù)流程管理。

在產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中涉及的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)也將作為平臺(tái)接入對(duì)象被賦予標(biāo)識(shí)，經(jīng)過(guò)IIOT設(shè)備的處理并在平臺(tái)進(jìn)行存儲(chǔ)。通過(guò)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、服務(wù)各個(gè)環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、文件等進(jìn)行標(biāo)識(shí)和存儲(chǔ)后，通過(guò)平臺(tái)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)，用戶可以進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)用。

2 ?面向航天復(fù)雜產(chǎn)品的智能制造樣板間建設(shè)

以航天總體部、總裝廠、配套廠的三家企業(yè)型號(hào)產(chǎn)品研制流程為基礎(chǔ)，開(kāi)展基于航天云網(wǎng)INDICS工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的跨企業(yè)智能制造應(yīng)用。其中，航天總體部負(fù)責(zé)航天復(fù)雜產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)，總裝廠負(fù)責(zé)產(chǎn)品的關(guān)鍵部件生產(chǎn)、總裝和測(cè)試，配套廠負(fù)責(zé)產(chǎn)品外協(xié)零部件生產(chǎn)。其中，航天總體部與配套廠在云制造應(yīng)用cPDm中完成產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)與工藝協(xié)同設(shè)計(jì)。基于CRP配套廠實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部排產(chǎn)，以及與總裝廠跨企業(yè)云排產(chǎn)。同時(shí)，供應(yīng)鏈系統(tǒng)與云端CMOM系統(tǒng)高效協(xié)同，實(shí)現(xiàn)跨企業(yè)的物流、生產(chǎn)協(xié)同與對(duì)接。

2.1 ?車間智能化改造

以總裝廠和配套廠現(xiàn)有生產(chǎn)車間為基礎(chǔ)開(kāi)展智能樣板間建設(shè)，建設(shè)內(nèi)容涵蓋車間已有設(shè)備接入方式改造以及工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)和通信網(wǎng)絡(luò)升級(jí)兩部分。針對(duì)現(xiàn)有已經(jīng)接入車間現(xiàn)場(chǎng)總線的設(shè)備，通過(guò)工業(yè)網(wǎng)關(guān)（航天云網(wǎng)SMART IOT系列產(chǎn)品）實(shí)現(xiàn)設(shè)備與高性能網(wǎng)絡(luò)的連接;針對(duì)車間新增設(shè)備，如智能加工中心、車間自動(dòng)物流系統(tǒng)、自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)等，通過(guò)設(shè)備自有的以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)與高性能網(wǎng)絡(luò)的連接。在網(wǎng)絡(luò)升級(jí)方面，增加NB-IoT和WIA工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的部署，滿足車間移動(dòng)設(shè)備終端接入需求。支撐基于云制造平臺(tái)的“云基礎(chǔ)設(shè)施+終端連接+數(shù)據(jù)分析+應(yīng)用服務(wù)”的發(fā)展模式。

車間智能化改造后，形成智能數(shù)據(jù)采集與控制、現(xiàn)場(chǎng)管理、支撐生產(chǎn)單元以及生產(chǎn)輔助四個(gè)子系統(tǒng)。支撐現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、物料數(shù)據(jù)、場(chǎng)內(nèi)物流數(shù)據(jù)、倉(cāng)儲(chǔ)數(shù)據(jù)等接入INDICS工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。

智能數(shù)據(jù)采集與智能控制，包括工業(yè)控制系統(tǒng)、工業(yè)網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)采集器、網(wǎng)絡(luò)與通訊。通過(guò)智能數(shù)據(jù)采集與智能監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)車間工位、每臺(tái)設(shè)備之間的實(shí)時(shí)信息交互。

現(xiàn)場(chǎng)管理子系統(tǒng)，包括現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)和看板系統(tǒng)。利用信息化技術(shù)，開(kāi)展從生產(chǎn)計(jì)劃下達(dá)、物料齊套、生產(chǎn)節(jié)拍、完工確認(rèn)、生產(chǎn)進(jìn)度、標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)指導(dǎo)、質(zhì)量管理、工件條碼采集等過(guò)程進(jìn)行管控，并通過(guò)以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)信息及時(shí)準(zhǔn)確地傳達(dá)到生產(chǎn)管理者與決策者。

智能生產(chǎn)單元，包括智能加工設(shè)備、在線監(jiān)測(cè)、智能工位、報(bào)警安全設(shè)備和自動(dòng)上下料裝置。實(shí)現(xiàn)設(shè)備自身的狀態(tài)信息收集并上傳，控制系統(tǒng)將響應(yīng)的命令傳送到設(shè)備上，對(duì)設(shè)備生產(chǎn)加工參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

生產(chǎn)輔助系統(tǒng)，主要包括編碼系統(tǒng)、Andon系統(tǒng)。編碼系統(tǒng)對(duì)企業(yè)整個(gè)物品（原材料、成品、半成品等）進(jìn)行管

理，生成唯一的識(shí)別碼，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集的精準(zhǔn)化;Andon系統(tǒng)針對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的狀況、生產(chǎn)加工異常情況進(jìn)行報(bào)警或提示。

2.2 ?樣板間虛擬產(chǎn)線建模仿真

生產(chǎn)制造階段以平臺(tái)開(kāi)發(fā)的虛擬工廠模塊為依托，提供產(chǎn)線虛擬孿生模型建模和仿真環(huán)境，基于INDICS平臺(tái)的虛擬工廠應(yīng)用過(guò)程如下。

在工廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)獲取方面，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)側(cè)的智能網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行采集處理，實(shí)現(xiàn)與云端產(chǎn)線孿生模型的數(shù)據(jù)交互，生產(chǎn)階段數(shù)據(jù)使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式XML/JSON傳輸，生產(chǎn)階段數(shù)據(jù)涵蓋企業(yè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、物料數(shù)據(jù)、排產(chǎn)計(jì)劃等數(shù)據(jù);同時(shí)，企業(yè)業(yè)務(wù)打造數(shù)字化集成，實(shí)現(xiàn)與CPDM、CRP、CMOM等云制造應(yīng)用的互聯(lián)。

在虛擬產(chǎn)線孿生模型構(gòu)建方面，依據(jù)產(chǎn)線布局、設(shè)備利用率、生產(chǎn)能力、生產(chǎn)周期、企業(yè)內(nèi)物流配送等實(shí)際需求，基于平臺(tái)虛擬工廠已有的輕量化產(chǎn)線設(shè)備模型庫(kù)，快速搭建產(chǎn)線三維虛擬模型。同時(shí)，基于Unity 3D引擎開(kāi)發(fā)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基于虛擬產(chǎn)線的可視化監(jiān)控。基于生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，虛擬產(chǎn)線仿真模型進(jìn)行生產(chǎn)任務(wù)、生產(chǎn)過(guò)程、生產(chǎn)管控的仿真評(píng)估與優(yōu)化，指導(dǎo)物理產(chǎn)線生產(chǎn)計(jì)劃的制定與執(zhí)行，為企業(yè)提供生產(chǎn)智能化和精準(zhǔn)化服務(wù)。

3 ?航天復(fù)雜產(chǎn)品跨企業(yè)智能制造應(yīng)用

以航天液壓系統(tǒng)產(chǎn)品為對(duì)象，基于車間智能化改造，開(kāi)展面向航天總體設(shè)計(jì)部、總裝廠、配套廠的面向航天產(chǎn)品生命周期跨企業(yè)協(xié)同制造應(yīng)用。

航天總體部完成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、流體等單學(xué)科仿真，進(jìn)而通過(guò)仿真流程集成，完成系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)仿真。其中，仿真數(shù)據(jù)、模型文件的簽審、發(fā)布和版本控制由云端CPDM應(yīng)用統(tǒng)一管理。車間現(xiàn)場(chǎng)的邊緣側(cè)智能網(wǎng)關(guān)對(duì)樣板間產(chǎn)線設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，將用于生產(chǎn)決策的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接入INDICS平臺(tái)。

在總裝廠和配套廠車間數(shù)據(jù)集成方面，企業(yè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通過(guò)XML/JSON的兼容性格式使企業(yè)服務(wù)總線傳輸與云端輕量化云制造應(yīng)用集成，樣板間現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)OPC_UA協(xié)議進(jìn)行采集。實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)制造能力、資源的按需配置和跨企業(yè)的云端排產(chǎn)。

通過(guò)樣板間的初步應(yīng)用和實(shí)踐，企業(yè)的產(chǎn)品協(xié)同研發(fā)設(shè)計(jì)周期顯著縮短、資源有效利用率和生產(chǎn)效率均有大幅提升，產(chǎn)品質(zhì)量一致性得到改善。

4 ?結(jié) ?論

通過(guò)面向航天復(fù)雜產(chǎn)品開(kāi)展的跨企業(yè)智能制造應(yīng)用，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)為制造業(yè)企業(yè)實(shí)現(xiàn)智能制造提供了新的理念和技術(shù)實(shí)施途徑。在面向航天企業(yè)產(chǎn)品智能制造的實(shí)踐中，取得了初步應(yīng)用成效。

目前，基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的智能制造探索還處于起步階段，在設(shè)備上云、企業(yè)業(yè)務(wù)上云、云邊協(xié)同等方面實(shí)施過(guò)程中仍然需要完善和優(yōu)化，希望相關(guān)工作能為企業(yè)智能制造實(shí)踐提供參考。

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作者簡(jiǎn)介：王艷廣（1985.08-），男，漢族，河南濮陽(yáng)人，高級(jí)工程師，博士，主要研究方向：智能制造、云制造、數(shù)字孿生技術(shù)。