面向中小企業(yè)上云啟賦云制造模式研究

張明建

（漳州職業(yè)技術學院 機械工程學院,福建 漳州 363000）

企業(yè)上云，是企業(yè)順應數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展潮流，加快數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化轉(zhuǎn)型，提高創(chuàng)新能力、業(yè)務實力和發(fā)展水平的重要路徑［1］.近年來，隨著“互聯(lián)網(wǎng)+先進制造技術”的融合發(fā)展，制造業(yè)呈現(xiàn)了由生產(chǎn)型制造向服務型制造轉(zhuǎn)型的變化趨勢，涌現(xiàn)了“制造+服務”“產(chǎn)品+服務”等新制造業(yè)態(tài)與模式，過去大批大量的生產(chǎn)制造模式已呈現(xiàn)不能適應客戶日趨多樣化、個性化的產(chǎn)品需求,轉(zhuǎn)型迫在眉睫.云制造（Cloud Manufacturing，CMfg）［2］作為一種服務化、敏捷化、智能化高效低耗的網(wǎng)絡化共享與協(xié)同制造新模式，支持制造資源與制造能力按需使用，為產(chǎn)品制造與服務全壽命周期整合社會存量制造資源和制造能力，提高其利用率，降低制造成本，整合產(chǎn)業(yè)鏈與價值鏈實現(xiàn)服務型制造提供了一條重要捷徑［3］.

2020 年初突如其來的新冠疫情導致傳統(tǒng)制造業(yè)被按了一下“暫停鍵”，而數(shù)字經(jīng)濟催生的“云經(jīng)濟”則按下了“快進鍵”，使工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)催生的云制造服務模式價值進一步凸顯.面對企業(yè)上云啟賦數(shù)字化轉(zhuǎn)型加持的數(shù)字經(jīng)濟紅利，我國就業(yè)主力量大面廣的中小企業(yè)卻躊躇不前，轉(zhuǎn)型能力不夠——“不會轉(zhuǎn)”、轉(zhuǎn)型成本偏高——“不能轉(zhuǎn)”、轉(zhuǎn)型陣痛期較長——“不敢轉(zhuǎn)”是其共性痛點［4］.為破解我國中小企業(yè)上云啟賦數(shù)字化轉(zhuǎn)型“不會轉(zhuǎn)、不能轉(zhuǎn)、不敢轉(zhuǎn)”痛點，2020 年4 月10 日國家發(fā)改委、中央網(wǎng)信辦聯(lián)合印發(fā)了《關于推進“上云用數(shù)賦智”行動培育新經(jīng)濟發(fā)展實施方案》，多措并舉破解中小企業(yè)“轉(zhuǎn)型是找死、不轉(zhuǎn)是等死”的轉(zhuǎn)型困境，聚力推進中小企業(yè)上云啟賦云制造模式實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型［5］.

1 云制造模式核心理念及其運維模式

云制造是一種基于知識以網(wǎng)絡為載體，面向服務的網(wǎng)絡化、智能化新制造業(yè)態(tài)、形態(tài)與模式［6］，其制造模式如圖1 所示.云制造模式融合了當今云計算、物聯(lián)網(wǎng)、新一代人工智能、高性能計算等新一代信息技術，將各種制造資源、制造能力虛擬化后封裝，匯聚成云制造資源池，由制造云運營商進行優(yōu)化、組合、調(diào)度與資源配置，賦能制造資源與制造能力像水、燃氣等生活資源一樣，注冊用戶可按需租賃使用與付費，從而解決企業(yè)內(nèi)部資源短缺、資源過剩等問題，進而實現(xiàn)產(chǎn)品設計、生產(chǎn)、制造、物流、管理與服務的全壽命周期管理［3］.其核心理念是將社會分散的制造資源和制造能力通過網(wǎng)絡匯聚起來，統(tǒng)一進行資源優(yōu)化配置，為不同區(qū)域的用戶提供制造服務，提高社會制造資源和制造能力的利用率，使產(chǎn)能不足、資源短缺的制造業(yè)企業(yè)獲得域內(nèi)、域外制造資源的加持服務，進而開啟協(xié)同制造；同時也為產(chǎn)能、資源過剩的制造業(yè)企業(yè)盤活存量，在制造云運營商的優(yōu)化、組合調(diào)度下，為產(chǎn)能、資源不足的企業(yè)提供協(xié)同制造服務，提高閑置資源利用率［7］，從而體現(xiàn)了李伯虎院士“分散資源集中使用，集中資源分散服務”［2］的“制造即服務”理念.這種理念不僅使域內(nèi)、域外分布式閑置的制造資源和制造能力獲得共享與協(xié)同，利于優(yōu)化配置存量社會資源，而且資源使用者足不出戶節(jié)省了尋求資源支持的時間和成本，較大提高效率并降低了生產(chǎn)制造成本，還可快速響應客戶個性化、多樣化的定制需求［8］.具體其運維模式如下.

圖1 云制造模式

資源提供者將適配契合產(chǎn)品全壽命周期管理過程的制造資源和制造能力（設備、物流、物料、人力、知識、軟件等資源）通過感知、虛擬化描述后接入制造云池，以服務的形式提供給制造云運營商；制造云運營商利用制造云平臺將資源提供者虛擬化描述的制造資源和制造能力封裝、服務化后進行高效管理與運營，根據(jù)資源使用者的需求，快速響應匹配、優(yōu)化、組合、動態(tài)地為資源使用者提供服務，高效進行資源配置；資源使用者在制造云服務平臺支持下，根據(jù)產(chǎn)品制造全壽命周期所需服務，動態(tài)按需自制造云服務平臺接出所需服務資源，制造云運營商優(yōu)化調(diào)度資源提供者以“一對一”或“多對一”的服務模式協(xié)同交互服務資源使用者，實現(xiàn)網(wǎng)絡化協(xié)同制造與服務［9］.在云制造協(xié)同制造與服務過程中，資源提供者與資源使用者角色并非固定，根據(jù)不同需求的資源配置角色可逆可轉(zhuǎn)換，其中知識為核心，知識不僅為制造資源和制造能力的虛擬化描述接入和服務化封裝提供支撐，還為制造云服務平臺的高效管理和智能化匹配、優(yōu)化、組合、調(diào)度等資源優(yōu)化配置提供支持［10］.

2 中小企業(yè)啟賦云制造模式實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的生態(tài)場景

由圖1 可知，啟賦云制造模式獲得產(chǎn)業(yè)鏈上域內(nèi)、域外制造資源和制造能力網(wǎng)絡化共享與協(xié)同按需使用服務的橋梁是制造云運營商.大型企業(yè)憑借自身雄厚的底蘊與資本可自建工業(yè)云平臺，而中小企業(yè)底子薄、實力有限，無法自建運營工業(yè)云平臺，需在相關上云業(yè)務經(jīng)云化改造實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動后，將全流程實時運維數(shù)據(jù)（如管理數(shù)據(jù)、設備數(shù)據(jù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)、檢測數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、物料數(shù)據(jù)、物流數(shù)據(jù)、工藝參數(shù)等）采集上云接入制造云運營商，利用運營商提供的服務啟賦云制造.因此，中小企業(yè)啟賦云制造模式實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型需要整個生態(tài)的參與和幫扶.在中小企業(yè)上云啟賦云制造模式進程中，企業(yè)上云相關業(yè)務全流程實時運維數(shù)據(jù)采集上云是關鍵環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)隨數(shù)據(jù)采集方法的差異懸殊很大.

為獲得經(jīng)濟適用的數(shù)據(jù)采集上云方法，蘇偉樂等［11］采用PLC、觸摸屏與物聯(lián)網(wǎng)關實現(xiàn)蔬菜切割機運維數(shù)據(jù)的采集上云和遠程監(jiān)控；王嘉煒等［12］基于用戶現(xiàn)場以太網(wǎng)，采用PLC、HMI（工控觸摸屏）與物聯(lián)網(wǎng)關實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場的遠程狀態(tài)監(jiān)控與運行程序/參數(shù)的修改；李建軍等［13］采用PLC、HMI、網(wǎng)絡模塊（網(wǎng)關）、GPS 模塊及與數(shù)據(jù)采集點適配的傳感器，改造圓草捆打捆機控制系統(tǒng)，實現(xiàn)該打捆機作業(yè)的遠程狀態(tài)監(jiān)控、定位和停機；謝仁栩等［14］利用工控機、PLC、物聯(lián)網(wǎng)關（支持4G、WiFi、以太網(wǎng)通訊）將個性化定制生產(chǎn)線（主機為機械臂）生產(chǎn)制造過程信息和工業(yè)云平臺、微信小程序互聯(lián)互通與集成，實現(xiàn)產(chǎn)品客制化生產(chǎn)；王巖等［15］將現(xiàn)場工控機、PLC+PMC、視頻采集終端基于工廠以太網(wǎng)，通過物聯(lián)網(wǎng)關（支持4G、WiFi 通訊）和工業(yè)云平臺信息互聯(lián)互通與集成，實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場遠程運維與監(jiān)控.中小企業(yè)規(guī)模較小，管理架構(gòu)相對簡單，上述的研究結(jié)果表明，基于工廠以太網(wǎng)，采用物聯(lián)數(shù)據(jù)采集器、PLC、HMI 和工業(yè)智能網(wǎng)關等很小投入，即可采集生產(chǎn)現(xiàn)場各終端的運維數(shù)據(jù)上云，啟賦云制造模式實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，賦能遠程運維與監(jiān)控，依據(jù)云制造域內(nèi)、域外制造資源和制造能力網(wǎng)絡化共享與協(xié)同按需使用運維模式，可達成如圖2所示的生態(tài)場景.

圖2 中小企業(yè)啟賦云制造模式實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的生態(tài)場景

各上云企業(yè)（資源提供者與使用者）在制造云運營商（如航天云網(wǎng)INDICS、優(yōu)刻得UCloud、華為云等）注冊登錄，在運營商協(xié)助下，將適配本企業(yè)上云業(yè)務產(chǎn)品全壽命周期管理的制造資源與制造能力（如設備、物料、人力、軟件等資源）通過感知、虛擬化描述后接入運營商制造云池.客戶注冊登錄運營商門戶網(wǎng)站，下單客制需求產(chǎn)品種類、數(shù)量、交貨期、特性/特質(zhì)及相關要求，運營商對客制產(chǎn)品需求按照匹配算法分解為子需求1、子需求2、…、子需求n,然后根據(jù)客制產(chǎn)品需求，按照質(zhì)量、成本、時間、信度、效度等各維度屬性、特質(zhì)與要素，在云制造資源池里由相應算法快速精準篩選、匹配、優(yōu)選、組合，經(jīng)精準優(yōu)化組合匹配成功承接客制需求或部分子需求的中小企業(yè)在運營商調(diào)度下，迅速進行承接的需求任務評估（含研發(fā)、生產(chǎn)/制造工藝、物料/物流需求、計劃排程等，也可與客戶直接交互，使客戶得到客制產(chǎn)品的研發(fā)與生產(chǎn)制造過程體驗，精準滿足客戶個性化需求）.

中小企業(yè)承接的需求任務制造資源與制造能力不足，與運營商動態(tài)交互提出協(xié)同服務需求，運營商對中小企業(yè)的服務需求快速響應，經(jīng)云制造資源池再快速精準進行資源配置，在運營商資源配置、調(diào)度下，協(xié)作企業(yè)（資源提供者）可以“一對一”或“多對一”的服務模式協(xié)同服務中小企業(yè)，進行網(wǎng)絡化協(xié)同設計、生產(chǎn)、制造、物流與服務.中小企業(yè)在承接的需求任務生產(chǎn)過程中，依托企業(yè)以太網(wǎng)，利用有序分布的下位機（物聯(lián)數(shù)據(jù)采集器）實時采集車間現(xiàn)場生產(chǎn)裝備（含儀器、儀表）的PLC、DNC、FCS、監(jiān)控、傳感數(shù)據(jù)和無線物聯(lián)數(shù)據(jù)，下位機將這些實時運維數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機（含無線通信終端的PLC 可編程控制器），其中重要運維數(shù)據(jù)實時顯示在車間層HMI 監(jiān)控界面上，上位機再將生產(chǎn)過程全要素實時運維數(shù)據(jù)通過工業(yè)智能網(wǎng)關發(fā)送給企業(yè)管理層、運營商和協(xié)同生產(chǎn)制造服務協(xié)作企業(yè)共享.運營商對中小企業(yè)承接的需求任務生產(chǎn)過程全要素實時運維數(shù)據(jù)經(jīng)分析、挖掘、評估、預測可視化后感知其態(tài)勢，進一步優(yōu)化資源配置與調(diào)度，將優(yōu)化結(jié)果分發(fā)中小企業(yè)及協(xié)同服務企業(yè)執(zhí)行，直至完成客制需求后，中小企業(yè)與協(xié)同服務企業(yè)在運營商平臺完成協(xié)同服務費用交割.

3 中小企業(yè)啟賦云制造模式經(jīng)濟適用的數(shù)據(jù)采集上云方案

基于企業(yè)以太網(wǎng)信息管理系統(tǒng)，采用工業(yè)智能網(wǎng)關+上位機+下位機+生產(chǎn)過程重要運維信息人機交互（HMI）實時監(jiān)控修正，實現(xiàn)中小企業(yè)生產(chǎn)過程人、機、料、法、環(huán)、測全要素實時運維數(shù)據(jù)采集上云，聚焦云制造模式經(jīng)濟適用的數(shù)據(jù)采集方案及其應用場景如圖3 所示.

圖3 中小企業(yè)啟賦云制造模式經(jīng)濟適用的數(shù)據(jù)采集上云方案

工業(yè)智能網(wǎng)關采用泓格UA-2241M，其內(nèi)建OPC UA Server、MQTT Broker 與Client 功能，可滿足連接MES、ERP、SCADA 和云端服務需求，通過Ethernet、RS-232、RS-485 通訊接口及MQTT、Modbus TCP/RTU/ASCII、EtherNet/IP 通訊協(xié)議，可存取、管控現(xiàn)場I/O 模塊與控制器，整合云端信息及現(xiàn)場設備，鏈接IT與OT，實現(xiàn)OT 與IT 的高度融合達成管控一體化.上位機采用西門子SIMATIC S7-200 SMART PLC可編程控制器+無線通信終端DTD433M，其不僅可低成本實現(xiàn)點對點及點對多點的無線PLC 通信，而且可與智能儀表及傳感器等設備組成無線PLC 測控系統(tǒng)，同時能與組態(tài)軟件、人機界面、觸摸屏、測控終端等工控產(chǎn)品實現(xiàn)中遠距離無線485 協(xié)議、Modbus 等協(xié)議的組態(tài).下位機采用圣世援L10X 物聯(lián)數(shù)據(jù)采集器，其可將生產(chǎn)現(xiàn)場有線、無線數(shù)據(jù)采集傳輸功能合為一體，可通過自帶I/O 連接傳感器采集生產(chǎn)現(xiàn)場信息，也可通過串口或以太網(wǎng)接收現(xiàn)場端數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)信息，最后通過無線GPRS 和以太網(wǎng)兩種方式將數(shù)據(jù)上傳上位機.車間層人機交互（HMI）采用深圳邁高達工控觸摸屏MTP133C301A_V1.0，用于實時監(jiān)控/修正重要生產(chǎn)過程運維信息.

至此，中小企業(yè)上云相關業(yè)務經(jīng)云化改造，利用上述經(jīng)濟適用數(shù)據(jù)采集上云方案，啟賦的云制造模式可實現(xiàn)如下場景：生產(chǎn)過程可視化運維監(jiān)控、制造資源和制造能力網(wǎng)絡化共享與協(xié)同、組態(tài)遠程運維與監(jiān)控、電腦PC 端監(jiān)控和手機移動端泛在監(jiān)控企業(yè)生產(chǎn)制造過程等.

4 應用實例

為啟賦企業(yè)新舊動能轉(zhuǎn)換賦能數(shù)字化轉(zhuǎn)型，推動企業(yè)由傳統(tǒng)制造模式向云制造模式演繹.XX 大米食味品質(zhì)定制企業(yè)大米分裝裝備基本為自動化裝備（如圖3 所示），在優(yōu)刻得科技股份有限公司幫助和加持下，對企業(yè)大米食味品質(zhì)分裝相關業(yè)務全流程進行整合、重構(gòu)與業(yè)務重塑，對企業(yè)原有的以太網(wǎng)信息管理系統(tǒng)加以適應性改造，打通企業(yè)大米食味品質(zhì)分裝相關業(yè)務及生產(chǎn)過程各環(huán)節(jié)之間信息的互聯(lián)互通，實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動.該企業(yè)完成大米食味品質(zhì)分裝相關業(yè)務全流程垂直集成與端對端集成后，將企業(yè)大米食味品質(zhì)分裝相關業(yè)務制造資源與制造能力經(jīng)感知、虛擬化描述后接入UCloud 工業(yè)云平臺，依據(jù)中小企業(yè)啟賦云制造模式生產(chǎn)制造過程全要素數(shù)據(jù)采集方案，對云端客制需求的食味品質(zhì)大米經(jīng)UCloud 工業(yè)云平臺篩選、優(yōu)選匹配成功后，該企業(yè)利用自主開發(fā)但人機交互及應用生態(tài)亟待完善的大米食味品質(zhì)分裝業(yè)務生產(chǎn)過程全要素運維數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（APP）和企業(yè)ERP 融合，對接UCloud 工業(yè)云平臺，目前已基本能將客制需求的食味品質(zhì)大米分裝業(yè)務生產(chǎn)過程全要素運維數(shù)據(jù)采集上云，在UCloud 工業(yè)云平臺賦能下，實現(xiàn)了大米食味品質(zhì)分裝業(yè)務生產(chǎn)要素運維過程的可視化動態(tài)監(jiān)控.具體如下.

在UCloud 工業(yè)云平臺調(diào)度下承接的客制食味品質(zhì)大米，企業(yè)管理層根據(jù)客戶需求，迅速研發(fā)擬定好生產(chǎn)工藝（來自不同原產(chǎn)地大米的配比），在自主開發(fā)的大米食味品質(zhì)分裝業(yè)務生產(chǎn)過程全要素運維數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控（APP）和企業(yè)ERP 融合的系統(tǒng)界面可精準掌控當前大米食味品質(zhì)分裝裝備是否完好，按生產(chǎn)工藝當前那些計量稱空閑、當前那些料倉有所需要的原產(chǎn)地大米.選好計量稱及料倉后，按生產(chǎn)工藝配比設置好瞬時生產(chǎn)流量及客制生產(chǎn)數(shù)量，提交生產(chǎn)，如圖4 所示.在生產(chǎn)過程中企業(yè)管理層及車間層均可實時監(jiān)控當前生產(chǎn)運維狀態(tài)，包括計量稱、料倉及生產(chǎn)裝備狀態(tài)，當前時刻瞬時流量、實時累計產(chǎn)量及至當前的累計產(chǎn)量等，出現(xiàn)異常情況車間層可停止、暫停及恢復生產(chǎn)，如圖5 和圖6 所示，手機移動端也可泛在監(jiān)控企業(yè)生產(chǎn)制造過程.

圖4 管理層生產(chǎn)運維排程

圖5 管理層生產(chǎn)運維監(jiān)控場景

圖6 車間層生產(chǎn)運維監(jiān)控場景

5 結(jié)語

中小企業(yè)底子薄、實力有限，上云啟賦云制造模式實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型需要整個生態(tài)的參與和幫扶.在其上云進程中，上云相關業(yè)務基于工廠以太網(wǎng)經(jīng)云化改造整合、流程重塑，實現(xiàn)生產(chǎn)制造過程全流程、全要素數(shù)據(jù)驅(qū)動后，在制造云運營商幫助和加持下，將制造資源與制造能力通過感知、虛擬化描述后接入制造云平臺.為得到產(chǎn)業(yè)鏈上制造資源和制造能力經(jīng)優(yōu)化配置后獲得網(wǎng)絡化共享與協(xié)同按需使用，上云相關業(yè)務生產(chǎn)制造過程全流程、全要素運維數(shù)據(jù)采集上云是關鍵環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)采用投入很小的工業(yè)智能網(wǎng)關+PLC+HMI+物聯(lián)數(shù)據(jù)采集器，實例應用佐證表明，在制造云平臺賦能下，可實現(xiàn)生產(chǎn)制造過程資源優(yōu)化配置與泛在遠程運維監(jiān)控，開啟“制造即服務”新模式，啟賦新舊動能轉(zhuǎn)換.