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★菲尼克斯（南京）智能制造技術工程有限公司 付崗

1 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，而這一切的工業(yè)改革，其核心都是智能制造，企業(yè)如何面對智能化生產的變革，以及如何在這一變革中保持領先優(yōu)勢，是制造業(yè)面臨的一個機遇和挑戰(zhàn)。基于智能制造理念下的智能工廠建設，將成為中國工業(yè)企業(yè)自身發(fā)展的主旋律，并持續(xù)演進提升、不斷優(yōu)化，菲尼克斯電氣為客戶提供從規(guī)劃設計到運營實施的智能工廠建設數(shù)字工業(yè)解決方案。

2 智能工廠建設的總體情況

智能工廠的總體設計包括工廠的整體布局設計、實物流、信息流和工藝流的規(guī)劃設計。在充分考慮工藝與物流的合理分布的基礎上，采用最先進的智能工廠理念，從工廠整體布局總體設計著手，考慮多種智能設備產線、系統(tǒng)集成及互聯(lián)互通。同時，在整個系統(tǒng)設計中構建從ERP、MES、設備控制的縱向價值網(wǎng)絡的聯(lián)通，以及智慧化能源和環(huán)境監(jiān)控管理系統(tǒng)。

在智能工廠信息化建設過程中，充分借鑒工業(yè)4.0、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新技術，信息流總體方案如圖1所示。

圖1 工廠整體架構圖

設計研發(fā)端以PLM系統(tǒng)為核心，將產品的設計、驗證、仿真、工藝等研發(fā)工作集中管理，同時以嚴格的權限控制為基礎的信息共享，實現(xiàn)設計研發(fā)過程的數(shù)字化，實現(xiàn)以三維模型為中心的生產組織準備活動。

業(yè)務端以ERP系統(tǒng)為核心，前端與PLM系統(tǒng)進行集成，承接研發(fā)設計的生產制造數(shù)據(jù)；后端通過與APS系統(tǒng)、WMS系統(tǒng)、MES系統(tǒng)等系統(tǒng)集成，實現(xiàn)了與供應商、客戶、企業(yè)內部各部門的信息共享。

制造端以MES系統(tǒng)為核心，前端與ERP系統(tǒng)、PLM系統(tǒng)進行集成，承接ERP系統(tǒng)計劃數(shù)據(jù)、PLM系統(tǒng)工藝數(shù)據(jù)；MES系統(tǒng)對生產過程中的計劃、制造、物流、質量、資源等進行集中管理，覆蓋完整的生產制造過程管理；后端與底層設備進行集成，實現(xiàn)工藝參數(shù)、DNC文件、計劃的下達機臺和制造執(zhí)行參數(shù)的采集。

底層通過設備購置、改造、升級等，將未實現(xiàn)互通互聯(lián)的設備實現(xiàn)互通互聯(lián)，主要包括自動化產線、數(shù)字化機床、三坐標儀、視覺設備、計量設備等，并且數(shù)據(jù)可與MES系統(tǒng)進行集成，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

智能工廠通信系統(tǒng)采用PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)技術、安全橋SafetyBridge技術、工業(yè)無線WLAN技術（IEEE802.11n）等，通過開放的PLCnext平臺，實現(xiàn)機器人、AGV、自動化產線與信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫直接進行數(shù)據(jù)交互，可根據(jù)生產工藝的要求實現(xiàn)各單元之間協(xié)調控制，同時各單元系統(tǒng)還可獨立運行并實施控制。如圖2所示。

圖2 工廠設備互通互聯(lián)示意圖

3 智能工廠設備互聯(lián)與數(shù)據(jù)采集分析的特色

在智能工廠的架構中，系統(tǒng)將利用開放的PLCnext平臺，通過各類通訊協(xié)議從不同的設備中采集到相關的數(shù)據(jù)。并將采集到的生產、設備、各類工藝數(shù)據(jù)，分別與FMS（柔性制造系統(tǒng)）和MES系統(tǒng)等系統(tǒng)進行交互。在FMS系統(tǒng)中，系統(tǒng)將科學編排生產任務順序，實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的混線生產。同時，通過優(yōu)化調度策略拉動庫房配送，可以實現(xiàn)產線內物料高效轉運，滿足JIT需求。MES將生產訂單、生產工藝、物料等信息傳遞給制造設備、模具、檢測工具、AGV等。同時，系統(tǒng)也會將采集到的設備及生產過程數(shù)據(jù)反饋給MES中進行處理。最終，所有數(shù)據(jù)可以通過PLCnext平臺，直接上傳至Proficloud中，快速地實現(xiàn)遠程監(jiān)控和大數(shù)據(jù)分析。智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)圖如圖3所示。

圖3 智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)圖

工廠可采用MES系統(tǒng)實現(xiàn)生產過程數(shù)據(jù)采集和分析，對制造進度、現(xiàn)場操作、質量檢驗、設備狀態(tài)等生產現(xiàn)場信息進行采集和跟蹤，并對這些信息進行分析。

（1）注塑機數(shù)據(jù)采集硬件結構如圖4所示。

圖4 注塑機數(shù)據(jù)采集硬件結構

通過自主研發(fā)的智能連接箱完成設備數(shù)據(jù)、生產數(shù)據(jù)的采集并與MES系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的傳輸交換。

（2）自主開發(fā)的自動化產線數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)（如圖5所示）

圖5 智能產線數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)由控制器PLC和測量數(shù)據(jù)系統(tǒng)（MEASURINGDATA）、視覺測試系統(tǒng)（Camera）和載具數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)（DataManage）等組成。PLC與各數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)通過管道功能進行數(shù)據(jù)信息交換，并進行邏輯及設備的運動控制。

（3）故障報警

圖6 待料顯示

圖6表示設備當前的等待狀態(tài)，該圖說明該設備的壓夾供應較整體設備運行速度偏低，提醒操作人員進行加料處理，使設備處于高效運行狀態(tài)。

圖7 報警顯示

圖7表示設備處于報警等待，且顯示了具體故障的工位及具體的報警傳感器的信息，提醒操作人員盡快處理相應的故障，以使設備正常運行。

圖8 照相機檢測界面

圖8中相機檢測界面詳細地展示了對應檢測產品的具體檢測項目，包括具體的檢測子項，如尋找邊界、表面污跡或客體缺料等等。

（4）故障分析

如圖9所示，所有的報警數(shù)量及工位信息，通過排序，可以指導相應人員關注報警頻次較高的工位，進行有針對性的優(yōu)化，提高設備穩(wěn)定性。

圖9 故障分析

4 智能工廠設備互聯(lián)與數(shù)據(jù)采集成效分析

通過智能工廠建設，建設覆蓋全廠的MES生產管理系統(tǒng)，使得工廠能夠對整個生產工藝做出實時的檢測與規(guī)劃；工廠借助全廠網(wǎng)絡平臺實現(xiàn)機器、人員的互聯(lián)，實現(xiàn)生產數(shù)據(jù)與人員的無縫對接，生產管理人員可以借助系統(tǒng)采集來的數(shù)據(jù)，進行現(xiàn)場的感知和管控，實現(xiàn)生產數(shù)字化；智能工廠利用大數(shù)據(jù)對各應用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行集中存儲分析，協(xié)助公司領導層及時發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題，并提高能夠按生產的實際需求進行風險預警的能力，實現(xiàn)決策科學化；工廠建立信息化的管理平臺，向上層面的企業(yè)經營管理層的ERP系統(tǒng)和面向生產工廠實時數(shù)據(jù)高度集成化的MES系統(tǒng)，實現(xiàn)管理和生產數(shù)據(jù)相連接成一個整體，使得生產數(shù)據(jù)高度集成化和信息共享性。智能工廠設備互聯(lián)與數(shù)據(jù)采集分析將在以下方面帶來顯著的提升：

（1）減少/消除數(shù)據(jù)錄入時間30%～70%；

（2）數(shù)據(jù)完整性提高95%以上；

（3）減少生產數(shù)據(jù)統(tǒng)計工作80%的工作量；

（4）書面作業(yè)損失平均降低56%。

菲尼克斯電氣智能工廠建設數(shù)字工業(yè)解決方案能夠幫助客戶實現(xiàn)工廠智能化、數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡化，有效提高生產效率，確保全生命周期的安全可靠，為制造業(yè)注入新的活力，為中國智造增添新的助力。

精彩觀點

菲尼克斯（南京）智能制造技術工程有限公司ISS經理 付崗

智能工廠的興起承載了政府、企業(yè)對未來制造模式發(fā)展的無限想象和期待。它似乎應該是到處都布滿機器人和自動化設備，車間里沒有或很少有人在操作，所有的任務都是由機器自動完成的。但是目前有條件實現(xiàn)此目標的企業(yè)，還是相對較少的，它受所在行業(yè)、企業(yè)現(xiàn)狀，以及建設資金等因素所限制。但是要想建成理想中的智能工廠，以下三個階段是必須要經歷的：

（1）互聯(lián)化

萬物互聯(lián)，是我們對未來世界的一個基本設想，它是所有企業(yè)進一步發(fā)展的基礎。隨著企業(yè)單機數(shù)量以及自動化程度的不斷提升，造就了越來越多的自動化“孤島”。要想讓這些“啞設備”能真

正“開口講話”，除了它本身具備功能外，還需要將這些設備，以及與物料有機的聯(lián)接在一起，真正實現(xiàn)通訊。當通訊建立起來后，就可以展開設備與設備、設備與物料、人員與設備之間的各種協(xié)同，從而催生出更多創(chuàng)新的模式。

（2）數(shù)字化

數(shù)字化是通訊產生后的必然產物，它包含了自動化與信息化雙重含義。企業(yè)要實現(xiàn)數(shù)字化，需要完成信息數(shù)字化、流程數(shù)字化以及數(shù)字化轉型的過程。信息數(shù)字化就是將物理世界的信號轉化為數(shù)字世界數(shù)據(jù)的過程；流程數(shù)字化則更多的是指信息化，即將業(yè)務流程實現(xiàn)系統(tǒng)控制的過程；而數(shù)字化轉型則更多是關注企業(yè)戰(zhàn)略以及業(yè)務模式的轉變，從而為流程數(shù)字化和信息數(shù)字化提示未來的方向。數(shù)字化轉型的核心是基于業(yè)務轉型的流程重構，企業(yè)要避免進入以技術為核心的“誤區(qū)”中。

（3）智能化

談到智能化，機器人、大數(shù)據(jù)以及人工智能等已經成為了必不可少的關鍵要素。企業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化后，最大的變化在于企業(yè)將會產生大量的數(shù)據(jù)。而數(shù)據(jù)是所有智能化的基礎。一個企業(yè)有效利用數(shù)據(jù)的能力，決定了它真正實現(xiàn)智能化的高度。數(shù)據(jù)的利用包括了采集、存儲、處理和分析等領域。數(shù)采是實現(xiàn)智能化的第一步，也是當下許多企業(yè)面臨比較“頭痛”的問題之一。隨著支持多協(xié)議轉換設備的涌現(xiàn)，以及OPCUA的廣泛支持，這個問題終將得到解決。過去的系統(tǒng)只存儲結果數(shù)據(jù)，而未來將會更多的存儲過程數(shù)據(jù)，這會造成數(shù)據(jù)量百倍、千倍的增加，對存儲的技術和成本都會形成巨大的挑戰(zhàn)。企業(yè)數(shù)據(jù)治理戰(zhàn)略的逐步清晰，將會為此問題帶來最終的答案。數(shù)據(jù)的處理是挖掘數(shù)據(jù)價值的重要環(huán)節(jié)。通過實時的通訊，經過處理過的數(shù)據(jù)，可以自由流動到所需要的節(jié)點，完成相應的控制或操作，以實現(xiàn)設備的自主運行。隨著技術的發(fā)展，人工智能也越來越成為了企業(yè)進行“思考”和優(yōu)化的手段。可視化管理也是智能工廠的關鍵特征，通過各類業(yè)務場景的梳理，完成對數(shù)據(jù)的分析，再將數(shù)據(jù)以不同的形式發(fā)送到各種設備中，讓管理者對現(xiàn)場情況了然于胸。

智能工廠是一個不斷迭代的概念，在不同時期它會表現(xiàn)出不同的特征。隨著技術與業(yè)務的不斷發(fā)展，它也必然會得到不斷的充實。

摘自《自動化博覽》2022年7月刊