探讨“智慧工厂”的网络架构

摘要：随着工业自动化、管理信息化的发展，“智慧工厂”的创建得到越来越多化工企業的关注，本文针对“智慧工厂”的网络结构做了全面分析，并阐述各层网络中应用的系统及其主要功能。

关键词：生产控制、生产管理、企业管理、DCS、LIMS、MES、ERP

随着信息技术的迅速发展，市场环境发生了根本性的变化。对于化工企业而言，市场竞争的要素涉及到生产、质量、价格、服务和环境。面对严酷市场，企业的重要对策就是采用将制造技术与信息技术、自动化技术、现代管理技术和系统科学技术有机融合的新一代先进制造技术，为整个工厂提供一个安全、可靠、高效的生产检验环境以及科学、便捷、全面的办公管理平台。

1“智慧工厂”的优势

“智慧工厂”需要对整个工厂进行自动化、智能化、信息化的统一设计，消除系统内“孤岛”；建立标准数据高速公路，使得所有数据在一个平台上得到统一的应用，保证所有数据不落地；统一规划智能化弱电系统，在有效的系统复用基础上，做到功能上的逻辑划分，既有效保护投资又能合理经济地建设系统，以利于将来的系统扩容及升级。

为此可以将整个工厂的网络分为三层。第一层：独立的生产控制网，运行各过程控制系统（PCS），如DCS、PLC等；第二层：生产管理网，搭建数采系统、生产管理系统（如MES、LIMS）等；第三层：企业管理网，运行企业管理系统，如ERP和OA等。第一层与第二层通过数采网关与生产控制系统隔离；第二层与第三层通过防火墙隔离。

2 网络结构

2.1 生产控制网

在第一层网络中，分散控制系统（Distributed Control System ，简称DCS），作为PCS系统中一名重要的成员，是一个以通信网络为纽带，由过程控制级与过程监控级组成的多级计算机系统。[1]现场信号通过变送器从输入通道进入控制站，在控制站中进行运算处理，并将处理结果送到输出通道控制现场设备。控制站同时与操作站互通信息，操作站显示现场信号及设备状态，控制站接受来自操作站的操作指令[2]，并将采集到的数据传送到相应的第二层网络中进行统计管理。

DCS系统注重过程控制，主要以 PLC（Programmable Logical Controller）或 I/O 模块通过现场总线等方式对现场设备进行基本控制。同时，系统的参数显示、操作画面、报警提示、历史数据及系统自诊断功能高度集中在 LCD 上显示。

2.2 生产管理网

在第二层网络中，制造企业生产过程执行管理系统（Manufacturing Execution System，简称MES）是近10年来在国际上迅速发展的实时信息系统，作为企业资源计划系统（第三层）与过程控制系统（第一层）的桥梁，实现了实时数据库和关系性数据库的数据整合、消除了两者之间的数据断层；基于统一的企业核心生产数据模型，全面优化集成生产管理数据。为用户提供一个快速反应、有弹性、精细化的制造业环境，帮助企业降低成本、挖潜增效、提高产品质量和提升服务品质。MES涵盖了作业计划调整、资源分配和状态管理、过程管理、劳动力管理、质量管理、文档控制、产品追踪和产品清单管理、性能分析等生产管理的方方面面。其采用当前精准数据，对生产活动进行初始化，及时引导、响应和报告工厂的活动，对随时可能发生变化的生产状态和条件作出快速反应。如果想从根本上提高生产线上的劳动生产率，需要从MES系统着手，加快生产线运作流程。化工企业作为典型的流程工业，装置设备的自动化水平较高，生产要求“安、稳、长、满、优”，其MES的建设也具有显著的行业特色，生产管理的重点是生产调度、生产监控、物料移动、质量管理等，生产单元的分配和劳动力管理相对较弱。先进的化工企业通过实施集成的MES系统，全面支持生产运行管理与优化，从而改善生产执行层的信息交流以及工作效率，快速地应对市场的变化和各种困境。

对产品进行质量分析及检验是化工企业生产品控的重要环节，因此，可以通过运行实验室信息管理系统 （Laboratory Information Management System，简称LIMS）来实现。该应用系统通过对实验室的各种信息进行管理，采用科学的管理思想和先进的数据库技术，针对实验室的整体环境而设计，实现实验室人（人员）、机（仪器）、料（样品、材料）、法（方法、质量）、环（环境、通讯）全面资源规划，是一套完整的实验室综合管理和产品质量监控体系，既能满足日常管理要求，又保证实验室分析数据的严格管理和控制。完成 LIMS 与实时数据库、MES的信息整合，并传送到第三层网络进行分享，通过质量信息的及时传递，为企业的质量控制和生产优化提供及时可靠的支持。

2.3 企业管理网

在第三层网络中，通过企业资源计划系统（Enterprise Resource Planning，简称ERP）的建设，集成生产、销售、采购、仓库、财务、成本核算、通用报表等功能，帮助企业实现产供销一体化管理。而办公自动化（Office Automation，简称OA）是将现代化办公和计算机网络功能结合起来的一种新型办公方式。该系统提供多层组织在纵向与横向之间的各类公文的流转审批。同时又与个人的工作平台相联系，实现待审批任务的通知功能。企业中存在大量常用的需公司领导审批的业务流程，利用可配置化的流程设计器和标准通用的表单，以实现审批事务的网上申请、网上审批、网上监管功能。

3“智慧工厂”展望

“智慧工厂”通过构建自动化信息网络，连接厂区各功能区、中控室以及企业内外办公点，对各类信息进行综合分析、归类、处理和判断。在该系统网络的有效运转中，工厂的生产调度部门控制生产流程、质量检查部门采集分析数据、管理部门及时发现解决问题。销售与生产实现信息交换、有效管理提升行业竞争力。“智慧工厂”致力于实现生产自动化、决策科学化、办公无纸化，全面提高企业的生产管理水平。

参考文献

[1] 冯人为，阳宪惠.从信息集成看现场总线技术的发展 [J].冶金自动化. 2001（6）：22-27

[2] 李若明，王行愚，徐顺喜.电厂信息综合自动化的实现[J].电力系统自动化， 2004，28（20）： 80-83

作者简介：夏煜琳（1986.02 -），女，上海人，大学本科，工程师