i5智能系統(tǒng)助力智能工廠新模式

王天宇+張金軍+柏杉

摘 要：隨著德國工業(yè)4.0、美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和中國制造2025計劃的提出，新一輪的工業(yè)改革拉開序幕。而傳統(tǒng)的生產(chǎn)企業(yè)正面臨各種的挑戰(zhàn)，高污染、高能耗、低效率的生產(chǎn)模式早已不適合現(xiàn)在的生產(chǎn)要求，傳統(tǒng)工廠升級為智能工廠成為未來的趨勢，通過對智能工廠的架構(gòu)分析與i5智能系統(tǒng)的說明，明確了i5智能系統(tǒng)對于智能工廠的搭建起到了促進(jìn)作用，并展望未來會有大量的搭載i5智能系統(tǒng)的智能工廠興起。

關(guān)鍵詞：智能工廠；i5智能系統(tǒng)；云制造

中圖分類號：TE96 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）10-0041-02

1 智能工廠的概念與新模式

1.1 建設(shè)智能工廠的戰(zhàn)略意義

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和移動應(yīng)用等新一輪信息技術(shù)的發(fā)展，全球化工業(yè)革命開始提上日程，工業(yè)轉(zhuǎn)型開始進(jìn)入實質(zhì)階段。推進(jìn)以智能制造為核心的智能工廠建設(shè)，既是全球制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢，也是實現(xiàn)“中國制造2025”發(fā)展目標(biāo)的主攻方向，是中國邁進(jìn)世界強(qiáng)國大門的金鑰匙。

而傳統(tǒng)的生產(chǎn)企業(yè)正面臨各種的挑戰(zhàn)，高污染、高能耗、低效率的生產(chǎn)模式早已不適合現(xiàn)在的生產(chǎn)要求，具體表現(xiàn)為：現(xiàn)場庫存居高不下，倉庫與生產(chǎn)現(xiàn)場脫節(jié)；無法實現(xiàn)訂單物料盤點；無法實現(xiàn)全面可追溯管理；工序流程無法實現(xiàn)防呆管控；人力成本過高，企業(yè)招工困難；設(shè)備生產(chǎn)咨詢無法即時分析、處理；ERP無法管控生產(chǎn)過程；常出現(xiàn)錯料重大品質(zhì)事故等等。

既然企業(yè)面臨諸多的困難和挑戰(zhàn)，是否有一種方式可以突破目前的生產(chǎn)瓶頸呢？為了解決這個問題，中國版的工業(yè)4.0“中國2025規(guī)劃”橫空出世，將制造業(yè)分三步走實現(xiàn)制造強(qiáng)國。第一步到2025年，中國制造業(yè)邁入制造強(qiáng)國的行列，第二步到2035年，中國制造業(yè)整體達(dá)到世界強(qiáng)國中等水平。第三步到2045年，到建國100周年時，中國制造業(yè)綜合實力邁入世界制造強(qiáng)國前列。要實現(xiàn)這一目標(biāo)，智能工廠在制造業(yè)中起著決定性的作用。

智能工廠是在數(shù)字化工廠的基礎(chǔ)上，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和監(jiān)控技術(shù)加強(qiáng)信息管理和服務(wù)，提高生產(chǎn)過程可控性、減少生產(chǎn)線人工干預(yù)，以及合理計劃排產(chǎn)。同時集智能手段和智能系統(tǒng)等新興技術(shù)于一體，構(gòu)建高效、節(jié)能、綠色、環(huán)保、舒適的人性化工廠。其本質(zhì)是人機(jī)有效交互，它把制造自動化的概念更新，擴(kuò)展到柔性化、智能化和高度集成化，從而為企業(yè)降低生產(chǎn)成本，縮短研制周期，實現(xiàn)批量定制化生產(chǎn)，其中包含了企業(yè)上層ERP資源計劃管理，SFC生產(chǎn)底層控制和MES生產(chǎn)過程執(zhí)行管理等。

1.2 智能工廠的系統(tǒng)架構(gòu)

智能制造包含智能制造技術(shù)和智能制造系統(tǒng)，智能制造系統(tǒng)不僅能夠在實踐中不斷地充實知識庫，具有自學(xué)習(xí)功能，還有搜集與理解環(huán)境信息和自身的信息，并進(jìn)行分析判斷和規(guī)劃自身行為的能力。

系統(tǒng)架構(gòu)自下向上分為五層，其中：

（1）設(shè)備層：包括傳感器、儀器儀表、條碼、射頻識別、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等感知和執(zhí)行單元；

（2）控制層：包括可編程邏輯控制器（PLC）、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA）、分布式控制系統(tǒng)（DCS）、工業(yè)無線控制系統(tǒng)（WIA）等；

（3）管理層：由控制車間/工廠進(jìn)行生產(chǎn)的系統(tǒng)所構(gòu)成，主要包括制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES），及產(chǎn)品生命周期管理軟件（PLM）等；

（4）企業(yè)層：由企業(yè)的生產(chǎn)計劃、采購管理、銷售管理、人員管理、財務(wù)管理等信息化系統(tǒng)所構(gòu)成，實現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)的整體管控，主要包括企業(yè)資源計劃（ERP）系統(tǒng)、供應(yīng)鏈管理（SCM）系統(tǒng)和客戶關(guān)系管理（CRM）系統(tǒng)等；

（5）網(wǎng)絡(luò)層：由產(chǎn)業(yè)鏈上不同企業(yè)通過互聯(lián)網(wǎng)共享信息實現(xiàn)協(xié)同研發(fā)、配套生產(chǎn)、物流配送、制造服務(wù)等。

1.3 智能工廠的搭建思路

將這五層系統(tǒng)架構(gòu)串起來，即是智能工廠。以數(shù)字化車間為方向的離散制造為例：在數(shù)字化車間中，車間/工廠總體設(shè)計、工藝流程及布局均已建立數(shù)字化模型，并進(jìn)行模擬仿真，實現(xiàn)規(guī)劃、生產(chǎn)、運營全流程數(shù)字化管理；采用三維計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）、計算機(jī)輔助工藝規(guī)劃（CAPP）、設(shè)計和工藝路線仿真、可靠性評價等先進(jìn)技術(shù)；產(chǎn)品信息能夠貫穿于設(shè)計、制造、質(zhì)量、物流等環(huán)節(jié)，實現(xiàn)產(chǎn)品的全生命周期管理（PLM）；建立了生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA），能充分采集生產(chǎn)現(xiàn)場信息，并與車間制造執(zhí)行系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)集成和分析；建立了制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES），實現(xiàn)全過程閉環(huán)管理，并與企業(yè)資源計劃管理系統(tǒng)（ERP）集成；建立了車間級的工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)。利用云計算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)，在保障信息安全的前提下，實現(xiàn)經(jīng)營、管理和決策的智能優(yōu)化。

了解了搭建智能工廠的大致步驟還不夠，一些基礎(chǔ)問題不能解決，還是不能實現(xiàn)真正的智能制造。而車間底層控制是智能工廠的基礎(chǔ)，如何將車間底層控制做好是搭建智能工廠的關(guān)鍵，這就要提到沈陽機(jī)床集團(tuán)自主研發(fā)的i5智能機(jī)床操作系統(tǒng)。

2 i5智能機(jī)床操作系統(tǒng)的優(yōu)勢

i5智能數(shù)控系統(tǒng)不僅是機(jī)床運動控制器，同時還是工廠網(wǎng)絡(luò)的智能終端。i5智能數(shù)控系統(tǒng)不僅包含工藝支持、特征編程、圖形診斷、在線加工過程仿真等智能化功能，同時還實現(xiàn)了操作智能化、編程智能化、維護(hù)智能化和管理智能化。如圖1所示。

2.1 i5系統(tǒng)的智能化優(yōu)勢

i5數(shù)控系統(tǒng)的智能化表現(xiàn)以下幾方面：

（1）操作智能化?？赏ㄟ^觸摸屏來操作整個系統(tǒng)，機(jī)床加工狀態(tài)時的數(shù)據(jù)能實時同步到手機(jī)或平板電腦，象征著用戶“指尖上的工廠”，不論用戶在哪里，一機(jī)在手即可對設(shè)備進(jìn)行操作、管理、監(jiān)控，實時傳遞和交換機(jī)床的加工信息。

（2）在線加工仿真。在線工藝仿真系統(tǒng)能夠?qū)崟r模擬機(jī)床的加工狀態(tài)，實現(xiàn)工藝經(jīng)驗的數(shù)據(jù)積累。進(jìn)一步可以快速響應(yīng)用戶的工藝支持請求，獲得來自互聯(lián)網(wǎng)上的“工藝大師”的經(jīng)驗支持。

（3）智能補(bǔ)償。集成有基于數(shù)學(xué)模型的螺距誤差補(bǔ)償技術(shù)，能使i5智能機(jī)床達(dá)到定位精度5μm，重復(fù)定位精度3 μm。

（4）智能診斷。傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)在診斷上反饋的是代碼，而i5數(shù)控系統(tǒng)反饋的是事件，它能夠替代人去查找代碼，幫助操作者判斷問題所在；可對電機(jī)電流進(jìn)行監(jiān)控，給維護(hù)人員提供數(shù)據(jù)進(jìn)行故障分析提供幫助。

（5）智能車間管理。i5數(shù)控系統(tǒng)與車間管理系統(tǒng)（WIS）高度集成，記錄機(jī)床運行的信息，包括使用時間、加工進(jìn)度、能源消耗等，給車間管理人員提供定單和計劃完成情況的分析；還可以把機(jī)床的物料消耗、人力成本通過財務(wù)體系融合進(jìn)來，及時歸集整個車間的運營成本。

2.2 i5系統(tǒng)的信息化、網(wǎng)絡(luò)化特點

在互聯(lián)網(wǎng)條件下，i5數(shù)控系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)床與機(jī)床的互聯(lián)，還是一個能夠生成車間管理數(shù)據(jù)、并與有關(guān)部門進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的網(wǎng)絡(luò)終端。通過制造過程的“數(shù)據(jù)透明”，實現(xiàn)制造過程和生產(chǎn)管理的無縫連接。這不僅為了方便加工零件，同時產(chǎn)生服務(wù)于管理、財務(wù)、生產(chǎn)、銷售的實時數(shù)據(jù)。實現(xiàn)了設(shè)備、生產(chǎn)計劃、設(shè)計、制造、供應(yīng)鏈、人力、財務(wù)、銷售、庫存等一系列生產(chǎn)和管理環(huán)節(jié)的資源整合與信息互聯(lián)，減少浪費，提高效率。

在數(shù)控系統(tǒng)提供“透明”數(shù)據(jù)的情況下，需要與商業(yè)模式相配合的云端平臺和云端應(yīng)用。以沈陽機(jī)床集團(tuán)旗下的iSESOL（i-Smart Engineering & Services On-line，是智能云科公司研發(fā)的云制造平臺）平臺為例，通過i5智能機(jī)床的在線信息，iSESOL打造了一套云端產(chǎn)能分享平臺（圖2），用戶可以將閑置產(chǎn)能公示于iSESOL產(chǎn)能平臺，有產(chǎn)能需求的用戶無需購買設(shè)備即可快速獲得制造能力，通過這種方式產(chǎn)能提供方可以利用閑置產(chǎn)能獲得收益，產(chǎn)能需求方可以以較低的成本獲得制造能力，雙方通過分享獲得利益最大化。這種制造能力的分享模式將會極大地改變制造業(yè)的組織形式，并且充分挖掘社會閑置制造資源，從閑置資源中獲得利益最大化。在這樣的模式推動下，傳統(tǒng)的買賣將會越來越少，甚至消失。不難看出，這一看似微小的變化將能夠引發(fā)整個制造方式的改變。無疑，這種模式將會成為制造業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+的一個重要形式。

2.3 基于iSESOL平臺的智能工廠應(yīng)用框架

基于iSESOL平臺的智能機(jī)床互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用框架（如圖3所示）。所有的i5智能設(shè)備通過iPort協(xié)議接入iSESOL網(wǎng)絡(luò)，非i5的設(shè)備（如OPC UA終端或者M(jìn)TConnect終端）可以通過iPort網(wǎng)關(guān)接人iSESOL網(wǎng)絡(luò)。類似ERP、MES、遠(yuǎn)程看板等云端的APP應(yīng)用通過iSESOL聚合的實時數(shù)據(jù)和訪問接口實現(xiàn)對遠(yuǎn)程設(shè)備的統(tǒng)一訪問。iSESOL提供針對不同設(shè)備的數(shù)據(jù)字典映射統(tǒng)一不同設(shè)備的訪問方式，云端APP只需通過標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)或者參數(shù)命名即可訂閱各類事件和數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)統(tǒng)一的設(shè)備訪問。最終用戶可以通過不同的終端安裝APP實現(xiàn)對設(shè)備的各類互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

3 結(jié)論與展望

通過前文的分析，不難看出，i5智能系統(tǒng)提供了整個車間底層控制的完整規(guī)劃，是實現(xiàn)智能工廠的基礎(chǔ)。它編織了車間網(wǎng)絡(luò)化管理平臺，將生產(chǎn)詳細(xì)信息資料集中管理保存，它整體化地跟蹤和管理生產(chǎn)人員所關(guān)心的主要生產(chǎn)過程，實時采集生產(chǎn)底層的各種加工數(shù)據(jù)并加以統(tǒng)計和分析。這一革命性的系統(tǒng)使得運行車間的工作變得更加簡單，有效和有力，并重新定義了整個生產(chǎn)車間的自動化。與數(shù)據(jù)分?jǐn)偸降陌胱詣踊到y(tǒng)對比起來，i5智能系統(tǒng)是完全的集成系統(tǒng)，它可以共享智能工廠的加工數(shù)據(jù)，為需要設(shè)備加工的每一個客戶提供了最新的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，相信不久以后，國內(nèi)就會建起幾十甚至上百個搭載i5智能系統(tǒng)的智能工廠。

參考文獻(xiàn)

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