工厂智能制造及物联网系统的规划设计研究

2018-01-30龙罡江涛龚振宇彭宁涛

中国设备工程 2018年7期

龙罡，江涛，龚振宇，彭宁涛

（中机国际工程设计研究院有限责任公司，湖南长沙 410021）

随着“中国制造2025”和“工业4．0”理念在制造业领域的不断深化，通过信息技术和制造技术的深度融合，搭建系统的软硬件平台，结合企业的运营、研发、生产特点，推进智能化生产单元建设、实现工厂万物互联，打造智能制造新模式工厂已成为当前工厂建设中的首要任务。在工厂工程设计阶段进行智能制造体系和物联网系统的顶层规划，加入互联网和智能制造技术，更好地实现机器人、生产线和用户3方面的交流，进行业务数据的集成共享，全面建成智能制造新模式工厂，正逐步成为当前工厂工程设计的必要内容。

1 设计原则

工厂智能制造体系及物联网系统的顶层规划设计一般按照整体规划、分步实施、有序推进的设计思路进行，应遵循以下原则。

1.1 系统适用性

以工厂产品的研发、制造、试验和维保等特征作为设计输入条件，充分体现工厂的生产特点进行个性化设计。整个系统覆盖产品的全生命周期的各环节，通过定制算法挖掘工厂各运营环节所需的核心数据，保证系统在各层级快速、稳定、高效的运行，为各层级使用者提供可靠的数据，支撑全工厂的数字化与智能化运作。

1.2 自主可控性

在制造设备、试验设备、网络设备、终端设备、软件系统等5个方面进行设备选型时，选择具有自主知识产权的控制系统为主，定制标准企业数据接口和生产标识体系；国外引进的成套设备，采用协议转换技术对输入输出数据按标准企业数据格式进行重新编码后应用，确保信息的安全可靠、生产系统的自主可控。

1.3 技术先进性

在确保技术成熟可靠的基础上，采用最先进的基于模型的企业（MBE）、信息物理系统（CPS）、窄带物联网（NB-IOT）、工业大数据、云平台等技术，实现企业智能制造体系和物联网系统的构建，提高系统的运行效率，降低投入成本。

1.4 持续扩展性

定制企业标准的数据接口和系统界面，服务器通过虚拟化技术实现增量式扩展的能力，所有设备与终端均预留通讯模块，选用的系统软件要充分考虑开放性、定制化和可扩展性，网络系统预留足够的冗余带宽，保证智能制造体系后期新增系统、设备和终端的需求。

1.5 系统集成性

建立统一的工厂级系统平台，从规划设计层面杜绝“信息孤岛”的存在，实现工厂内信息的互联互通，有效整合工厂的基础数据和制造资源，优化核心业务流程，并实现面向核心业务的一体化综合信息管理。

2 整体构架设计

工厂整体构架按照“1个平台、5大系统、互联互通”的思路进行设计，实现产品全生命周期的数字化与智能化管理。即1个虚实一体化的物理信息系统平台，集成智能研发系统、智能生产系统、智能运营系统、能源管理系统和智能安防系统的5大智能系统，通过园区资源定位系统、车间物联系统和基于窄带物联网的能源监控系统来实现整个园区的互联互通。

3 智能制造体系设计

3.1 虚实一体化信息物理系统平台的构建

CPS系统是工业4．0的核心系统，在全面实现数字化智能生产管控的基础上，结合工厂的三维模型进行信息物理系统的构建，实现工厂虚实一体的数字双生。在安全可控条件下开放设备及系统的控制权限，实现物理工厂和数字工厂的双向互联，物理工厂所有事件都将在三维数字工厂中实时重现。同时，通过三维数字工厂仿真验证的工艺方案、生产流程也能够直接驱控物理工厂进行同步作业。

3.2 网络拓扑设计

网络拓扑分为5个区域，包括外网接入区、安全管理区、机房应用区、生产应用区和办公应用区。外网接入区集成入侵检测与防火墙，并管理整个系统的负载平衡；安全管理区为整个网络系统提供安全服务和网络行为控制；机房应用区包括主机房和数据备份机房，主机房采用资源池虚拟化应用技术将存储资源、网络资源、服务器资源进行整合,构建了一个组织完善、可动态分配和管理的各项资源的资源池，既能够灵活配置客户机的资源，又能够有效减低机房能耗，并通过B/S模式降低部署成本和维护成本，提高了系统的统一性；数据备份机房采用异地双活磁盘阵列中心，用于数据备份；办公应用区部署云桌面，采用无线AP联接；生产应用区设有独立机房，架设服务器和磁盘阵列，用于部署生产管理系统、保存生产数据，确保生产系统对实时性的要求，生产数据通过数据挖掘后将关键数据接入机房。

3.3 智能研发系统

智能研发系统以产品生命周期管理为核心。采用全三维数字化协同设计技术，统一企业三维CAD数据接口，建立产品唯一三维主模型用于各研发部门，进行仿真分析、数字化工艺、尺寸检验和虚拟试验。进行设计变更时，主模型的更改直接向下传递到其他流程，保证数据的一致性，提高设计效率。

完成产品设计后，基于主模型建立三维数字化工艺指导生产，并根据工艺进行工装管理。关键工装采用RFID射频标签标识，进行出库入库、使用状态、使用寿命等信息的自动管理，纳入智能生产系统进行管理与分配。还可以进行产品的可视化虚拟加工、装配，在生产前对产品工艺过程进行验证与优化，提高生产效率和产品质量，并能通过协同设计技术将产品的工艺问题及时反馈到产品研发设计部门，形成对产品的持续改进。

3.4 智能生产系统

智能生产系统是整个智能制造体系中最重要的系统，对数据的实时性要求高，在车间设置单独的机房，部署包括制造执行、仓储管理、组态、物流等在内的多套生产应用系统。智能生产系统接收来自智能运营系统的生产资源、生产体系、产品设计3类数据，通过企业标准数据接口分发到各子系统进行生产规划，并下发到终端进行产品生产、质量管控和试验分析，整个智能生产系统的基础数据由车间物联系统获取并调用。

3.5 智能运营系统

智能运营系统以ERP、CRM、SCM、OA等4大系统为核心。通过工厂大数据的支撑，能够实时将订单、客户资源、人力资源、生产状况、库存资源、物料采购、生产进度、产品售后、能源消耗进行后台分析和汇总展示，供企业决策者使用。

3.6 能源管理系统

公用设备监控与能源系统的管理是智能制造体系中最重要的组成部分，能源管理系统采用云服务的方式部署在主机房，通过B/S构架可以方便的在厂内任何1台授权的终端上查看与控制。通过采用先进节能的NBIOT技术，使用智能仪表和部署组态系统对公用设备的使用情况进行监控和综合控制，从而实现工厂节能。

3.7 智能安防系统

智能安防系统采用1套独立的服务器及存储系统，由身份认证系统、带视觉识别的集成式视频监控系统、智能门禁系统、智能车辆管理系统等构成。通过引入人脸识别、集成报警等新技术，智能安防系统能够提前或实时发现安全隐患，并自动通知相关人员进行排查。

4 物联网系统设计

物联网系统包括园区资源物联系统、车间物联系统、基于NB-IOT的能源监控系统等3套独立的物联系统，资源信息可以通过核心交换机与其它各系统互联互通。

4.1 园区资源物联系统

园区资源物联系统主要用于企业园区大型外协外购零部件的全程追溯和成品、半成品在园区内进行试验调试的全流程追踪。通过安装RFID芯片和GPS系统，所有大型外协外购零部件根据芯片内的信息联动安保系统，为零部件自动设定进场路线、检验地点、存放地点等信息，安保系统联动为运送车辆设置权限，在园区内的运输和作业进行全流程追踪。

4.2 车间物联系统

车间物联系统用于车间内各种资源之间的互联互通，采用条码和RFID组合的形式进行构建，通过部署在车间内的工业AP实现数据通讯。通过条码和RFID射频标签的识别进行车间资源的自动识别、处理和记录，实现生产过程和物流信息采集的智能化，并采用智能化立体仓库、仓储管理系统（WMS）、AGV小车控制系统与物流仿真系统等技术手段，实现车间内各种资源的仓储与配送管理。车间物联系统还能将车间的各种资源智能匹配生产计划和物料需求计划，进行工位缺料报警和库存缺料报警，以及进行库房统计分析和报表输出。