第三篇 智能制造关键技术 第二章 智能工厂及应用（李星）

第二章智能工厂及应用目录1智能工厂设计2智能工厂建造第一节智能工厂设计智能制造是基于物联网、互联网、大数据、云计算等新一代信息计算，贯穿于设计、生产、管理、服务等制造活动的各个环节，具有信息深度自感知、智慧优化自决策、精准控制自执行等功能的先进制造过程、系统与模式的总称。智能制造的实现主要依托两方面基础能力，一是工业制造技术，包括先进装备、先进材料和先进工艺等，是决定制造边界与制造能力的根本；二是工业互联网，包括智能传感控制软硬件、新型工业网络、工业大数据平台等综合信息技术要素，是充分发挥工业装备、工艺和材料潜能，提高生产效率、优化资源配置效率、创造差异化产品和实现服务增值的关键。智能制造的关键是实现贯穿企业设备层、单元层、车间层、企业层、网络层不同层面的纵向集成，跨资源要素、互联互通、融合共享、系统集成和新兴业态不同级别的横向集成，以及覆盖设计、生产、物流、销售、服务的端到端集成。Positive一、总体规划第一节智能工厂设计设备层级控制层级车间层级传感器仪器仪表条码射频识别机器人机械和装置等感知和执行单元。可编程逻辑控制器（PLC）数据采集与监视控制系统（SCADA）分布式控制系统（DCS）现场总线控制系统（FCS）工业无线控制系统（WIA）制造执行系统（MES）产品生命周期管理软件（PLM）。第一节智能工厂设计企业层级协调层级企业资源计划ERP系统供应链管理（SCM）系统客户关系管理（CRM）系统协调研发智能生产精准物流智能服务第一节智能工厂设计智能工厂是在数字化工厂的基础上，利用物联网、大数据、人工智能等新一代信息技术加强信息管理和服务，提高生产过程可控性、减少生产线人工干预，以及合理计划排程，同时集智能手段和智能系统等新兴技术于一体，构建高效、节能、绿色、环保、舒适的人性化工厂。智能工厂建设的基础就是现场数据（人、机、料、法、环、测）的采集和传输，数据信息使操作人员、管理人员、客户等都能够清晰的了解到工厂的实际状态，并形成决策依据。是基于新一代信息通信技术与先进制造技术深度融合，贯穿于设计、生产、管理、自执行、自适应等功能的新型生产方式，工业物联网的部署实施为智能制造提供基石。Positive二、工厂智能化系统设计第一节智能工厂设计工业物联网通过工业资源的网络互连、数据互通和系统互操作，实现制造原理的灵活配置、制造过程的按需执行、制造工艺的合理优化和制造环境的快速适应，达到资源的高效利用，从而构建服务驱动型的新工业生态体系。第一节智能工厂设计工业物联网参考体系架构第一节智能工厂设计目标对象域感知控制域服务提供域在制品、原料、机器、环境、作业工人等，这些对象被感知控制域的传感器、标签所感知、识别和控制，在其生产、加工、运输、流通、销售等各个环节的信息被获取。采集的数据最终通过工业物联网网关传送给服务提供域。通用使能平台、资源优化平台和资源配置平台，提供远程监控、能源管理、安全生产等服务。第一节智能工厂设计运维管控域资源交换域用户域系统运行技术性管理和法律法规符合性管理两大方面保证工业物联网其他域的稳定、可靠、安全运行等，主要包括工业安全监督管理平台和运行维护管理平台。根据工艺物联网系统与其他相关系统的应用服务需求，实现信息资源和市场资源的交换与共享功能。支撑用户接入工业物联网、适用物联网服务接口系统，具体包括产品供应商、制造商、解决方案供应商、客户和政府等。第一节智能工厂设计智能工厂的业务模式第一节智能工厂设计为实现智能工厂在运行过程中的工艺优化、协调设计、仿真分析等功能，需要一种能够将数据与指令集合，并对知识、经验、控制逻辑等进行固化封装的数字化（代码化）技术；从而实现工业领域中数据自动流动，并且是业务、流程、组织的赋能工具和载体，能够解决复杂制造系统的不确定性、多样性等问题。工业软件将作为一种工具、要素和载体，实现物质生产运行规律的模型化、代码化、软件化，使制造过程在虚拟世界实现快速迭代和持续优化，并不断优化物质世界的运行。其中产品设计和全生命周期管理软件（如CAX,PLM等）建立了高度集成的数字化模型以及研发工艺仿真体系；生产制造执行系统（MES）将使企业实现纵向整合的核心，打通设备、原料、订单、排产、配送等各主要生产环节和生产资源；企业管理系统（如ERP、WMS、CRM）将企业的业务活动进行科学管理，改变企业管理模式和管理理念。Positive三、系统建模第一节智能工厂设计嵌入式软件技术第一节智能工厂设计嵌入式软件技术主要通过把软件嵌入在工业装备或工业产品之中，这些软件可细分为操作系统、嵌入式数据库和开发工具、应用软件等，他们被植入硬件产品或生产设备的嵌入式系统之中，达到自动化、智能化的控制、监测、管理各种设备和系统运行的目的，应用于生产设备，体现采集、控制、通信、显示等功能。嵌入式软件技术是实现智能工厂功能的载体，紧密结合控制、通信、计算、感知等各个环节。MBD技术第一节智能工厂设计MBD（ModelBasedDefinition）技术采用一个集成的全三维数字化产品描述方法来完整地表达产品的结构信息、几何形状信息、三维尺寸标注和制造工艺信息等，将三维实体模型作为生产制造过程中的唯一依据，改变了传统以工程图纸为主，而以三维实体模型为辅的制造方法。通过MBD技术，支撑了智能工厂系统的产品数据在制造各环节的流动。CAX/MES/ERP软件技术第一节智能工厂设计CAX是CAD、CAM、CAE、CAPP、CAS、CAT、CAI等各项技术之综合叫法。CAX实际上是把多元化的计算机辅助技术集成起来复合和协调地进行工作，从产品研发、产品设计、产品生产、流通等各个环节对产品全生命周期进行管理，实现生产和管理过程的智能化、网络化管理和控制。通过CAX软件，智能工厂将从供应链管理、产品设计、生产管理、企业管理等多个维度，提升“物理世界”中的智能工厂/车间的生产效率，优化生产工程。制造执行系统第一节智能工厂设计MES能通过信息传递对从订单下达到产品完成的整个生产过程进行优化管理。当智能工厂发生实时事件时，MES能对此及时做出反应、报告，并用当前的准确数据对它们进行指导和处理。这种对状态变化的迅速响应使MES能够减少企业内部没有附加值的活动，有效地指导智能工厂的生产运作过程，从而使其既能提高智能工厂及时交货能力，改善物料的流通性能，又能提高生产回报率。MES还通过双向的直接通讯在企业内部和整个产品供应链中提供有关产品行为的关键任务信息，是满足大规模定制的需求实现柔性排程和调度的关键。以网络化和扁平化的形式对企业的生产计划进行“再计划”，“指令”生产设备“协同”或“同步”动作，对产品生产过程进行及时的响应，使用当前确的数据对生产过程进行及时调整、更改或干预等处理。形成智能工厂的业务数据，通过工业大数据的分析整合，使其全产业链可视化，达到使能后的企业生产最优化、流程最简化、效率最大化、成本最低化和质量最优化的目的。企业资源计划第一节智能工厂设计ERP是一种主要面向制造行业进行物质资源、资金资源和信息资源集成一体化管理的企业信息管理系统。ERP是一个以管理会计为核心可以提供跨地区、跨部门、甚至跨公司整合实时信息的企业管理软件。针对物资资源管理（物流）、人力资源管理（人流）、财务资源管理（财流）、信息资源管理（信息流）集成一体化的企业管理软件。以市场和客户需求为导向，以实行企业内外资源优化配置，消除生产经营过程中一切无效的劳动和资源，实现信息流、物流、资金流、价值流和业务流的有机集成和提高客户满意度为目标，以计划与控制为主线，以网络和信息技术为平台，集客户、市场、销售、采购、计划、生产、财务、质量、服务、信息集成和业务流程重组等功能为一体，面向供应链管理的现代企业管理思想和方法。Positive四、规划设计实施指南第一节智能工厂设计以智能工厂为方向的流程制造在智能工厂中，工厂总体设计、工程设计、工艺流程及布局均已建立了较完善的系统模型，并进行了模拟仿真、设计，相关的数据进入企业核心数据库；配置了符合设计要求的数据采集系统和先进控制系统；建立实时数据库平台，并与过程控制、生产管理系统实现互通集成，工厂生产实现基于工业互联网的信息共享及优化管理；建立制造执行系统（MES），并与企业资源计划管理系统（ERP）集成，实现生产模型化分析决策，过程的量化管理，成本和质量的动态跟踪；建立企业资源计划管理系统（ERP），在供应链管理中实现了原材料和产成品配送的管理与优化。Positive四、规划设计实施指南第一节智能工厂设计以数字化车间为方向的离散制造在数字化车间中，车间工厂总体设计、工艺流程及布局均已建立数字化模型，并进行模拟仿真，实现规划、生产、运营全流程数字化管理；采用三维计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工艺规划（CAPP）、设计和工艺路线仿真、可靠性评价等先进技术；产品信息能够贯穿于设计、制造、质量、物流等环节，实现产品的全生命周期管理（PLM）；建立生产过程数据采集和监视控制系统（SCADA），能充分采集生产现场信息，并与车间制造执行系统实现数据集成和分析；建立车间制造执行系统（MES），实现全过程闭环管理，并与企业资源计划管理系统（ERP）集成；建立了车间级的工业通信网络。利用云计算、大数据等新一代信息技术，在保障信息安全的前提下，实现经营、管理和决策的智能优化。Positive五、应用案例第一节智能工厂设计Positive五、应用案例第一节智能工厂设计与传统的企业体系相比，智能工厂主要包括以下技术1）全三维环境下的数字化工厂建模平台、工业设计软件，以及产品全生命周期管理系统的应用，实现数字化研发与协同；2）多车间协同制造环境下计划与执行一体化、物流配送敏捷化、质量管控协同化，实现混流生产与个性化产品制造，以及人、财、物、信息的集成管理；3）自动化立体库/AGV、自动上下料等智能装备的应用，以及设备的M2M智能化改造，实现物与物、人与物之间的互联互通与信息握手；4）基于物联网技术的多源异构数据采集和支持数字化车间全面集成的工业互联网络，驱动部门业务协同与各应用深度集成。THANKYOU!第二节智能工厂建造从工业2.0、工业3.0到工业4.0的发展进程来看，主要是关注提升制造业系统的自动化水平，并进一步完善MES、APS等信息化系统的建设，从而使得整个生产体系的数字化水平得到极大提升。智能工厂的建造，将使得生产设备、自动化系统、信息化系统中的数据提取成为可能，并能实现智能工厂中的人、机、料、法、环等生产过程关键要素进行定量刻画、分析；从而实现了整个生产过程的流程优化并能够使得智能工厂提质增效。也是智能制造从自动化、信息化走向智能化目标的过程，是经过数字化、网络化实现智能化的现实路径。工业革命的发展进程第二节智能工厂建造第一阶段：M2M第二阶段：B2B第三阶段：C2M工厂内系统、设备与机器间在物联网的基础上互联互通。逐步达到全企业内所有工厂间运营、监控和管理决策的完整联系。由此激发主要生产力的提升，并增强运营决策灵活性。实现企业全方位供应链的互联互通。包含上游所有各级供应商的相关系统（系统内包含相关设备的物联网信息）以及下游各渠道的系统终端或设备。以此增加生产力，提升效率与灵活性。此一阶段又称为“以软件定义产品与制造”阶段。在这阶段中，产品方面的需求、设计、测试、上市，以及制造方面的工厂、制造、物流、服务，都在企业安全的架构体系之下全面地在云端互联互通。从而产生新的商机、新的业务模式和新的盈利模型。第二节智能工厂建造垂直整合水平整合端到端价值链的数字化整合智能工厂中各机器及生产线的自控系统、制造执行系统（MES）、以及ERP等系统将完全整合，使得信息化系统与自动化系统完全融合，智能工厂与企业的生产制造能力将进一步优化。智能工厂中企业内部及跨企业边界的各业务系统之间将进一步整合，智能工厂的各种信息将共享、各种业务功能将重新组合，提升价值链的整体竞争力。实现“智能制造云”必经之路，只要用户提交需求，就能够获得所需的产品，以API的方式实现云端相关价值链各企业的制造与业务能力，并能进行快速柔性组合与安全调度执行，使得设计、制造、服务等多方面的生态系统的综合能力得到最大化发挥。第二节智能工厂建造智能工厂要具备智能化（Intelligent）能力，需要有足够量的数据，并通过对这些工业数据的展现、分析和利用，实现现有的生产体系更好地优化。通过对产品生产过程工艺数据和质量数据的关联分析，实现控制与工艺调整优化建议，提升工业产品合格率；通过对零配件仓储库存、订单计划与生产过程数据分析，实现更优的生产计划排程；通过对生产设备运行及使用数据的采集、分析和优化，实现智能工厂设备远程点检及智能化告警、智能健康检测；通过对耗能数据的监测、比对与分析，找到管理节能漏洞、优化生产计划，实现能源的高效使用等。工业数据的采集，是智能工厂建造过程中的首要任务，搭建优质、合理、高效的工业网络体系是智能工厂建造的重要工作。Positive一、建造过程的数据采集第二节智能工厂建造工业网络在智能制造系统架构中的位置第二节智能工厂建造工业网络体系，将连接对象延伸到工业全系统、全产业链、全价值链，实现人、物品、机器、车间、企业等全要素。其主要涵盖网络（整体网络架构规划和现场工业网络规划）、物理系统（装备智能化改造和构建柔性产线）、数据（信息纵横集成打通、建立虚拟工厂和工业大数据平台）、安全（网络、设备、控制、数据和应用安全）、应用（智能化生产、个性化定制、服务化延伸、网络化协调）。在智能工厂的建造过程中，通过引入工业物联网、工业大数据、人工智能等新兴技术，构建更精准、实时、高效的工业网络平台。同时将大量工业技术原理、行业知识、基础模型规则化、软件化、模块化，并封装为可重复使用和灵活调用的微服务，降低应用程序开发门槛和开发成本，提高开发、测试、部署效率，为智能制造的后续建设提供支撑和保障；最终形成资源富集、多方参与、合作共赢、协同演进的制造业生态。第二节智能工厂建造工业网络平台功能架构图第二节智能工厂建造最底层是边缘层中间层是平台层最上层是应用层通过大范围、深层次的数据采集，以及异构数据的协议转换与边缘处理，构建工业网络平台的数据基础。基于通用PaaS叠加大数据处理、工业数据分析、工业微服务等创新功能，构建可扩展的开放式云操作系统。形成满足智能工厂功能要求的工业SaaS和工业APP，形成工业网络平台的最终价值。一是提供了设计、生产、管理、服务等一系列创新性业务应用。二是构建了良好的工业APP创新环境，使智能工厂的开发者基于平台数据及微服务功能实现应用创新。第二节智能工厂建造智能工厂的网络建设，为人、机、物的全面互联提供基础设施，促进各种工业数据的充分流动和无缝集成，从而实现数据互操作与信息集成。为更好的实现智能制造体系网络互联机制，智能工厂的建造过程中，需要组建智能工厂的内网络和智能工厂的外网络。在智能工厂内网，工业企业部署支持OPCUA、MTConnect、MQTT等国际国内标准化数据协议的生产装备、监控采集设备、专用远程终端单元、数据服务器等，部署支持行业专有信息模型的数据中间件、应用系统等，实现跨厂家