基于智能工廠構建的信息化架構淺析

摘 ?要：“中國制造2025”戰(zhàn)略規(guī)劃的發(fā)布，促使中國企業(yè)自發(fā)性地加快生產(chǎn)模型的轉型。較多行業(yè)學者對于什么是智能工廠、如何構建智能工廠進行廣泛研究。從不同角度和維度去理解智能工廠的特征，發(fā)表了一些工廠特征、構建架構、理論。本文從類比人體結構的角度出發(fā)，同時結合工業(yè)4.0的技術內涵、技術特征，對智能工廠構建包含的元素進行闡述和分析，對構建智能工廠過程中涉及的內容和注意事項提出一些參考建議。

關鍵詞：智能工廠;網(wǎng)絡架構;信息技術

中圖分類號：TP18 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）16-0172-02

Abstract：With the launch of the “Made-in-China 2025”，building smart factories has become a boom in China’s manufacturing industry. Many scholars have carried out extensive research on what a smart factory is and how to build it. From different perspectives and dimensions，many frameworks and theories for understanding the characteristics of smart factory have been proposed. In this paper，from the perspective of the structure of human body，combined with the connotation and technical characteristics of Industrial 4.0，this paper expounds and analyzes the constitutive element of the smart factory，and puts forward some reference suggestions for the construction of the smart factory

Keywords：intelligent factory;network architecture;information technology

0 ?引 ?言

隨著“中國制造2025”戰(zhàn)略規(guī)劃的發(fā)布，中國興起智能工廠的構建熱潮，許多企業(yè)都希望在這次技術熱潮中進行企業(yè)自發(fā)性生產(chǎn)轉型和提高市場競爭力，許多制造型企業(yè)在構思和嘗試如何打造屬于自己的智能工廠，而現(xiàn)實中很多智能工廠的構建不盡人意。

1 ?內容

無論是信息化工廠、數(shù)字化工廠還是智能工廠，對于企業(yè)來說，基本目的都是提高產(chǎn)品品質、生產(chǎn)效率以及提升企業(yè)形象，而建立一個符合自己企業(yè)實際需求的工廠才是理性化智能工廠建設的基本原則。本文分析了為達到提效增質的目標，企業(yè)可以從哪些內容或方面來提高工廠智能化水平，以達到提效增質的效果。如從類比人類的結構來構思，如某個工站生產(chǎn)過程可以使用設備或工具取代人工作業(yè)，這個設備或工具就具備人在該工站發(fā)揮的作用和類似的智能功能。則需要研究按照人類來類比，智能工廠應該具備哪些內容，可以更好地理解智能工廠應該由哪些部分組成，并清楚從哪些環(huán)節(jié)著手實施以及如何實施。

1.1 ?智能工廠的組成架構

類比人體的運行機制，智能工廠的組成架構可以分為5層：設備層（骨骼）、傳感層（五官）、物流層（血管）、網(wǎng)絡層（神經(jīng)網(wǎng)絡）、信息層（大腦），各層次從下而上組成結構進行數(shù)據(jù)傳遞，從上而下進行數(shù)據(jù)反饋控制。

1.2 ?設備層

從最初的機械設備應用開發(fā)，就開始慢慢出現(xiàn)了可以完全代替人工某個作業(yè)內容的設備，如凸輪結構的沖壓設備、簡單的鏈條傳輸?shù)葌鹘y(tǒng)的機械設備，這種機械設備可以滿足一些簡單繁重的工作內容，而不具備感知功能，如無法根據(jù)產(chǎn)品材質自動調整壓力，或發(fā)生故障時無法進行感知和發(fā)出異常信息，對于設備機械結構的設計要求更復雜，同時設備兼容性可生產(chǎn)的產(chǎn)品較差，特別是很多設備還需要依靠人工干預才可以完成生產(chǎn)功能，而這些基礎機械部件是構成工廠智能化的關鍵硬件基礎，也是工業(yè)1.0的起步。

1.3 ?傳感層

隨著電子技術的發(fā)展，逐漸產(chǎn)生了很多類似人類感官的感知硬件，如安裝在氣缸上的磁感、用來感應物品的接近開關、探測加工溫度的溫度傳感器、實施檢測物品形變產(chǎn)生壓力的壓力傳感器、識別物品而進行的圖像采集與識別的視覺設備等，而這些基礎的傳感器可以收集到機械運動過程產(chǎn)線的一些基礎數(shù)據(jù)，如設備的加工產(chǎn)品的壓力、溫度、重量等特性數(shù)據(jù)，同時也可以代替人工進行一些簡單的邏輯判定，如顏色傳感器可以代替人工識別物品的顏色，代替人員判斷設備目前生產(chǎn)的產(chǎn)品顏色是否符合要求等，這些傳感器的誕生和應用，使得原本冷冰冰的機械設備初步具備了感知功能，為下一步的智能分析奠定了數(shù)據(jù)收集的基礎。

1.4 ?物流層

對于一個人來說，血液的流動給身體各機能器官帶來了動力和必要的成分，而血管的性能起到了至關重要的作用。同樣，一個工廠的運作是否流暢，其物流規(guī)劃至關重要。如今，如何快速分解物品，將物品以最快的方式進行分解入庫、出庫已經(jīng)影響到目前快速服務需求呈指數(shù)增長的快遞行業(yè)。從生產(chǎn)過程來看，應該是包括從銷售部門下訂單，生產(chǎn)部門接受訂單并轉為生產(chǎn)訂單，供應鏈采購、入庫、出庫，配送到現(xiàn)場產(chǎn)線、線邊倉，成品出入出庫、送貨過程。涉及的設備常規(guī)包括：倉庫（立庫）、RGV、AGV/叉車、滾筒線傳送、線邊倉、產(chǎn)線內部流轉線等，過程物流信息交互常用的硬件如：RFID、掃碼槍、標識牌等。

1.5 ?網(wǎng)絡層

如何收集大量分散的信號并實現(xiàn)互聯(lián)互通的效果，是工廠生產(chǎn)過程中的另一個問題。工廠網(wǎng)絡是信息傳遞的有力途徑，以往依靠人工傳遞信息或書面?zhèn)鬟f信息的過程往往都容易出現(xiàn)信息遺漏或錯誤，同時時效性較差。而隨著網(wǎng)絡發(fā)展，目前企業(yè)大量的信息在內部網(wǎng)絡進行傳輸，一個建設完備的網(wǎng)絡系統(tǒng)已成為公司正常運行的關鍵基礎設施。工廠的網(wǎng)絡建設需要考慮輸出數(shù)據(jù)內容和用途、用戶群體、網(wǎng)絡架構、網(wǎng)絡信息安全防護、日常運維內容等。以下是對車間網(wǎng)絡構建的幾個建議：

（1）智能工廠生產(chǎn)過程會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，并要求實時性較高，需要快速的網(wǎng)絡傳輸，建議內部網(wǎng)絡構建需要預留千兆點到點網(wǎng)絡容量;

（2）做好區(qū)域劃分，將生產(chǎn)與辦公網(wǎng)絡分開，避免交叉影響;

（3）建立專門的IT運維團隊，負責日常網(wǎng)絡的檢查與維護;

（4）建立足夠的安全措施，如殺毒軟件、防火墻、權限管控、日志審計、應急措施預案等;

（5）建立重要數(shù)據(jù)的雙機熱備和異地防災備份措施。

1.6 ?信息層

生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，基本源于各工站點數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)的匯總和分析所涉及的系統(tǒng)，其基礎數(shù)據(jù)來源于人工或設備錄入，而這些數(shù)據(jù)通常是由SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)）負責收集和基礎處理，再由各個工站點的SCADA上傳到MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）。

物料和物流管理主要由WMS（倉庫管理系統(tǒng)）負責倉庫管理，包括常規(guī)的出入庫管理，WCS（倉庫調度系統(tǒng)）負責物流調度管理，最終成品出貨流轉由TMS（運輸管理系統(tǒng)）負責管理。

從物料層面上，各系統(tǒng)的信息傳遞通常如下：

（1）接收到客戶的訂單后，營銷人員在CRM（客戶關系管理系統(tǒng)）創(chuàng)建銷售訂單并傳遞到ERP（企業(yè)資源規(guī)劃系統(tǒng)）形成內部生產(chǎn)訂單;

（2）ERP系統(tǒng)分解生產(chǎn)訂單，將設計任務下發(fā)到PLM（產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)），PLM系統(tǒng)進行產(chǎn)品BOM（物料清單）的組建，并將產(chǎn)品BOM下發(fā)給到ERP系統(tǒng);

（3）通過生產(chǎn)訂單和產(chǎn)品BOM清單，ERP系統(tǒng)形成PR訂單需求下發(fā)到SRM（供應商管理系統(tǒng)）形成采購訂單PO給供應商;

（4）SRM將采購訂單信息回傳到ERP系統(tǒng)形成入庫信息;

（5）ERP系統(tǒng)將生產(chǎn)訂單下發(fā)到MES系統(tǒng)轉為生產(chǎn)任務;

（6）WMS系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)任務下發(fā)物料出庫指令;

（7）WMS系統(tǒng)將出庫信息下發(fā)到WCS進行物流出庫調度;

（8）物料調度至生產(chǎn)現(xiàn)場的控制，由WCS系統(tǒng)進行集中調度控制;

（9）生產(chǎn)現(xiàn)場生成成品后，將入庫信息上傳到WMS系統(tǒng);

（10）CRM系統(tǒng)發(fā)出出貨請求，ERP系統(tǒng)形成出貨單，并傳遞到TMS系統(tǒng);

（11）TMS系統(tǒng)負責送貨物流的信息發(fā)起和過程信息跟蹤收集，將成品交付客戶，并將結果反饋到CRM系統(tǒng)和ERP系統(tǒng)完成訂單交付。

2 ?結 ?論

智能工廠構建是一個綜合性的工程，不是單單依靠大量的智能設備或信息化系統(tǒng)的對接就可以完成快速導入或構建。工廠的智能化發(fā)展需要依據(jù)企業(yè)的產(chǎn)品范圍和特性進行定制規(guī)劃，從企業(yè)精益化生產(chǎn)做起，打好企業(yè)管理和人員作業(yè)思維的基礎，接著引入自動化設備和對應的運維人員，再將各單元的自動化連接起來，形成初步的信息化系統(tǒng)，而這些信息化系統(tǒng)的運作，同樣需要專業(yè)的信息化團隊進行運維。最終利用這些基礎的數(shù)據(jù)進行大數(shù)據(jù)分析，反饋生產(chǎn)問題，形成成熟的數(shù)字化工廠，再根據(jù)具體節(jié)點進行智能化改造，逐步構建智能工廠。智能工廠的構建目標不是單純地追求智能和達到無人工廠水平，而是提效增質，提升企業(yè)的形象。

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作者簡介：陳錦忠（1988-），男，漢族，廣東汕頭人，軟件工程師，學士學位，研究方向：工廠智能制造。