基于智能工厂构建的信息化架构浅析

发布时间：2020-11-27 作者：陈锦忠

关键字：智能工厂信息化

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本文从类比人体结构的角度出发，同时结合工业的技术内涵、技术特征，对智能工厂构建包含的元素进行阐述和分析，对构智能工厂过程中涉及的内容和注意事项提出一些参考建议。

　　1.引言

　　随着“中国制造2025”战略规划的发布，中国兴起智能工厂的构建热潮，许多企业都希望在这次技术热潮中进行企业自发性生产转型和提高市场竞争力，许多制造型企业在构思和尝试如何打造属于自己的智能工厂，而现实中很多智能工厂的构建不尽人意。

　　2.智能工厂的组成架构

　　无论是信息化工厂、数字化工厂还是智能工厂，对于企业来说，基本目的都是提高产品品质、生产效率以及提升企业形象，而建立一个符合自己企业实际需求的工厂才是理性化智能工厂建设的基本原则。本文分析了为达到提效增质的目标，企业可以从哪些内容或方面来提高工厂智能化水平，以达到提效增质的效果。如从类比人类的结构来构思，如某个工站生产过程可以使用设备或工具取代人工作业，这个设备或工具就具备人在该工站发挥的作用和类似的智能功能，则需要研究按照人类来类比，智能工厂应该具备哪些内容，可以更好地理解智能工厂应该由哪些部分组成，并清楚从哪些环节着手实施以及如何实施。

　　2.1 智能工厂的组成架构

　　类比人体的运行机制，智能工厂的组成架构可以分为5层：设备层（骨骼）、传感层（五官）、物流层（血管）、网络层（神经网络）、信息层（大脑），各层次从下而上组成结构进行数据传递，从上而下进行数据反馈控制。

　　2.2 设备层

　　从最初的机械设备应用开发，就开始慢慢出现了可以完全代替人工某个作业内容的设备，如凸轮结构的冲压设备、简单的链条传输等传统的机械设备，这种机械设备可以满足一些简单繁重的工作内容，而不具备感知功能，如无法根据产品材质自动调整压力，或发生故障时无法进行感知和发出异常信息，对于设备机械结构的设计要求更复杂，同时设备兼容性可生产的产品较差，特别是很多设备还需要依靠人工干预才可以完成生产功能，而这些基础机械部件是构成工厂智能化的关键硬件基础，也是工业1.0的起步。

　　2.3 传感层

　　随着电子技术的发展，逐渐产生了很多类似人类感官的感知硬件，如安装在气缸上的磁感、用来感应物品的接近开关、探测加工温度的温度传感器、实施检测物品形变产生压力的压力传感器、识别物品而进行的图像采集与识别的视觉设备等，而这些基础的传感器可以收集到机械运动过程产线的一些基础数据，如设备的加工产品的压力、温度、重量等特性数据，同时也可以代替人工进行一些简单的逻辑判定，如颜色传感器可以代替人工识别物品的颜色，代替人员判断设备目前生产的产品颜色是否符合要求等，这些传感器的诞生和应用，使得原本冷冰冰的机械设备初步具备了感知功能，为下一步的智能分析奠定了数据收集的基础。

　　2.4 物流层

　　对于一个人来说，血液的流动给身体各机能器官带来了动力和必要的成分，而血管的性能起到了至关重要的作用。同样，一个工厂的运作是否流畅，其物流规划至关重要。如今，如何快速分解物品，将物品以最快的方式进行分解入库、出库已经影响到目前快速服务需求呈指数增长的快递行业。

　　从生产过程来看，应该是包括从销售部门下订单，生产部门接受订单并转为生产订单，供应链采购、入库、出库，配送到现场产线、线边仓，成品出入出库、送货过程。涉及的设备常规包括：仓库（立库）、RGV、AGV/叉车、滚筒线传送、线边仓、产线内部流转线等，过程物流信息交互常用的硬件如：RFID、扫码枪、标识牌等。

　　2.5 网络层

　　如何收集大量分散的信号并实现互联互通的效果，是工厂生产过程中的另一个问题。工厂网络是信息传递的有力途径，以往依靠人工传递信息或书面传递信息的过程往往都容易出现信息遗漏或错误，同时时效性较差。而随着网络发展，目前企业大量的信息在内部网络进行传输，一个建设完备的网络系统已成为公司正常运行的关键基础设施。工厂的网络建设需要考虑输出数据内容和用途、用户群体、网络架构、网络信息安全防护、日常运维内容等。以下是对车间网络构建的几个建议：

　　（1）智能工厂生产过程会产生大量的数据，并要求实时性较高，需要快速的网络传输，建议内部网络构建需要预留千兆点到点网络容量；

　　（2）做好区域划分，将生产与办公网络分开，避免交叉影响；

　　（3）建立专门的IT运维团队，负责日常网络的检查与维护；

　　（4）建立足够的安全措施，如杀毒软件、防火墙、权限管控、日志审计、应急措施预案等；

　　（5）建立重要数据的双机热备和异地防灾备份措施。

　　2.6 信息层

　　生产过程数据的产生，基本源于各工站点数据。这些数据的汇总和分析所涉及的系统，其基础数据来源于人工或设备录入，而这些数据通常是由SCADA（数据采集与监视控制系统）负责收集和基础处理，再由各个工站点的SCADA上传到MES（制造执行系统）。物料和物流管理主要由WMS（仓库管理系统）负责仓库管理，包括常规的出入库管理，WCS（仓库调度系统）负责物流调度管理，最终成品出货流转由TMS（运输管理系统）负责管理。从物料层面上，各系统的信息传递通常如下：

　　（1）接收到客户的订单后，营销人员在CRM（客户关系管理系统）创建销售订单并传递到 ERP（企业资源规划系统）形成内部生产订单；

　　（2）ERP系统分解生产订单，将设计任务下发到PLM（产品生命周期管理系统），PLM系统进行产品BOM（物料清单）的组建，并将产品BOM下发给到ERP系统；

　　（3）通过生产订单和产品BOM清单，ERP系统形成PR订单需求下发到SRM（供应商管理系统）形成采购订单PO给供应商；

　　（4）SRM将采购订单信息回传到ERP系统形成入库信息；

　　（5）ERP系统将生产订单下发到MES系统转为生产任务；

　　（6）WMS系统根据生产任务下发物料出库指令；

　　（7）WMS系统将出库信息下发到WCS进行物流出库调度；

　　（8）物料调度至生产现场的控制，由WCS系统进行集中调度控制；

　　（9）生产现场生成成品后，将入库信息上传到WMS系统；

　　（10）CRM系统发出出货请求，ERP系统形成出货单，并传递到TMS系统；

　　（11）TMS系统负责送货物流的信息发起和过程信息跟踪收集，将成品交付客户，并将结果反馈到CRM系统和ERP系统完成订单交付。

　　3.结论

　　智能工厂构建是一个综合性的工程，不是单单依靠大量的智能设备或信息化系统的对接就可以完成快速导入或构建。工厂的智能化发展需要依据企业的产品范围和特性进行定制规划，从企业精益化生产做起，打好企业管理和人员作业思维的基础，接着引入自动化设备和对应的运维人员，再将各单元的自动化连接起来，形成初步的信息化系统，而这些信息化系统的运作，同样需要专业的信息化团队进行运维。最终利用这些基础的数据进行大数据分析，反馈生产问题，形成成熟的数字化工厂，再根据具体节点进行智能化改造，逐步构建智能工厂。智能工厂的构建目标不是单纯地追求智能和达到无人工厂水平，而是提效增质，提升企业的形象。