清華同方數(shù)字城市工程中心 魏曉東
《工業(yè)4.0與兩化融合》講座
清華同方數(shù)字城市工程中心 魏曉東
第三講 工業(yè)4.0與兩化融合
我國工業(yè)進(jìn)入第三次革命應(yīng)在改革開放以后,可追溯到20世紀(jì)80年代初期,從國家大力推動(dòng)電子信息技術(shù)應(yīng)用開始。1986年3月,我國啟動(dòng)了國家高新技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃,即“863”計(jì)劃。該計(jì)劃投資100億元,其中,IT相關(guān)項(xiàng)目的投資約占投資總額的三分之二。至此,我國信息化建設(shè)推向了高潮,IT技術(shù)滲透到機(jī)械化與電氣化之中。
經(jīng)歷了“八五”、“九五”、“十五”、“十一五”和“十二五”信息化規(guī)劃,信息化開始與工業(yè)化齊頭并進(jìn),融合發(fā)展。近年提出的工業(yè)化與信息化兩化深度融合的工業(yè)發(fā)展方針是我國信息化與工業(yè)化經(jīng)歷了近二十多年的發(fā)展,幾經(jīng)挫折找到的一條正確發(fā)展道路,恰與德國工業(yè)4.0如出一轍,引領(lǐng)中國工業(yè)進(jìn)入第四次革命。
兩化融合是信息化和工業(yè)化的高層次的深度結(jié)合,是指以信息化帶動(dòng)工業(yè)化、以工業(yè)化促進(jìn)信息化,走新型工業(yè)化道路;兩化融合的核心就是信息化支撐,追求可持續(xù)發(fā)展模式。兩化融合是電子信息技術(shù)廣泛應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié),信息化成為工業(yè)企業(yè)經(jīng)營管理的常規(guī)手段。信息化進(jìn)程和工業(yè)化進(jìn)程不再相互獨(dú)立進(jìn)行,不再是單方的帶動(dòng)和促進(jìn)關(guān)系,而是兩者在技術(shù)、產(chǎn)品、管理等各個(gè)層面相互交融,彼此不可分割,并催生工業(yè)電子、工業(yè)軟件、工業(yè)信息服務(wù)業(yè)等新產(chǎn)業(yè)。兩化融合是工業(yè)化和信息化發(fā)展到一定階段的必然產(chǎn)物。信息化與工業(yè)化兩化融合包括技術(shù)融合、產(chǎn)品融合、業(yè)務(wù)融合、產(chǎn)業(yè)衍生四個(gè)方面。
兩化融合落地到企業(yè)之中實(shí)質(zhì)上就是要在工業(yè)企業(yè)構(gòu)建起信息化集成系統(tǒng)。企業(yè)信息化集成系統(tǒng)最早是我國863專家提出的概念。全國工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)與集成標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會(huì)(TC159)一直致力于企業(yè)信息化集成系統(tǒng)國家標(biāo)準(zhǔn)的制定。2010年元月,國家標(biāo)委會(huì)發(fā)布了《工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)規(guī)范(Standard of Industry Enterprise Information Integration System)》(GB/T 26335-2010)并于2010年6月開始實(shí)施。
此國家標(biāo)準(zhǔn)定義了工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng):“工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)(Industrial Enterprise Informationization Integrated System)是基于計(jì)算機(jī)環(huán)境和技術(shù),將工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)與經(jīng)營決策系統(tǒng)綜合集成,提高企業(yè)經(jīng)營效率、促進(jìn)企業(yè)戰(zhàn)略目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的大系統(tǒng)?!?/p>
標(biāo)準(zhǔn)在基本規(guī)定中特別強(qiáng)調(diào)了:“工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)應(yīng)建成從生產(chǎn)自動(dòng)化、生產(chǎn)管理到經(jīng)營決策的完整系統(tǒng);它將企業(yè)自動(dòng)化和信息化有機(jī)地融合在一起,使工業(yè)企業(yè)核心業(yè)務(wù)系統(tǒng)及相關(guān)聯(lián)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)有效集成,提高企業(yè)經(jīng)營的效率,為實(shí)現(xiàn)企業(yè)戰(zhàn)略目標(biāo)服務(wù)。”同時(shí)提出:“工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)對(duì)信息的集成應(yīng)以生產(chǎn)和制造過程緊密相關(guān)的底層信息為基礎(chǔ),圍繞企業(yè)核心業(yè)務(wù)進(jìn)行。企業(yè)信息化集成系統(tǒng)應(yīng)對(duì)企業(yè)信息進(jìn)行縱向集成與橫向集成,消除業(yè)務(wù)系統(tǒng)信息孤島,促進(jìn)自動(dòng)化與信息化融合?!?/p>
信息化集成系統(tǒng)將自動(dòng)化技術(shù)、信息化技術(shù)滲透到工業(yè)生產(chǎn)過程的每一個(gè)層次,每一個(gè)環(huán)節(jié);工業(yè)制造過程的各層次的信息又被集成起來為企業(yè)的根本目標(biāo)服務(wù);產(chǎn)品工廠的所有設(shè)備由工業(yè)企業(yè)的自動(dòng)化系統(tǒng)和信息化系統(tǒng)監(jiān)控管理;與制造相關(guān)的所有信息被遍布企業(yè)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)連接、實(shí)現(xiàn)全企業(yè)的信息集成。最終實(shí)現(xiàn)企業(yè)高效運(yùn)營,實(shí)現(xiàn)全企業(yè)智能化的戰(zhàn)略目標(biāo)。在工業(yè)4.0的背景下,工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)就是構(gòu)建企業(yè)的CPS系統(tǒng),在IoT&IoS支持下建成智能工廠,可在世界范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)智能生產(chǎn)。
具體到工業(yè)企業(yè)之中,企業(yè)信息化集成系統(tǒng)是通過計(jì)算機(jī)硬件、軟件,并綜合運(yùn)用現(xiàn)代管理技術(shù)、制造技術(shù)、信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、系統(tǒng)工程技術(shù),將企業(yè)生產(chǎn)全過程中有關(guān)人、物資、技術(shù)和經(jīng)營管理三要素及其信息流、物料流與資金流有機(jī)地集成并優(yōu)化運(yùn)行的一個(gè)復(fù)雜大系統(tǒng)。其核心是集成基礎(chǔ)設(shè)施/集成平臺(tái),為企業(yè)提供基礎(chǔ)的信息集成、應(yīng)用集成、過程集成和商業(yè)集成服務(wù)。通過這些集成服務(wù),企業(yè)不同單元的技術(shù)和系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行,形成集成化的企業(yè)信息化系統(tǒng),支持企業(yè)研發(fā)、生產(chǎn)和管理等業(yè)務(wù)活動(dòng)的高效運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)人/組織、技術(shù)、資源和經(jīng)營管理等企業(yè)要素的集成,如圖1所示。
工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)是從生產(chǎn)自動(dòng)化、生產(chǎn)管理到經(jīng)營決策的完整系統(tǒng);它將企業(yè)自動(dòng)化和信息化有機(jī)地融合在一起,使工業(yè)企業(yè)核心業(yè)務(wù)系統(tǒng)及相關(guān)聯(lián)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)有效集成,提高企業(yè)經(jīng)營的效率,為實(shí)現(xiàn)企業(yè)戰(zhàn)略目標(biāo)服務(wù)。工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)對(duì)信息的集成以生產(chǎn)和制造過程緊密相關(guān)的底層信息為基礎(chǔ),圍繞企業(yè)核心業(yè)務(wù)進(jìn)行,它是系統(tǒng)的基礎(chǔ)與根基,這與工業(yè)4.0的理念完全一致。
信息化集成系統(tǒng)分為兩大部分:控制系統(tǒng)(或稱控制制造系統(tǒng))與企業(yè)系統(tǒng)(或稱企業(yè)信息化系統(tǒng))。信息化集成系統(tǒng)則是這兩大部分的集成系統(tǒng)。
構(gòu)建工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)的關(guān)鍵是使工業(yè)企業(yè)的核心業(yè)務(wù)與相關(guān)業(yè)務(wù)有效集成。企業(yè)核心業(yè)務(wù)流程為全企業(yè)價(jià)值鏈業(yè)務(wù)流程,如圖2所示。
企業(yè)業(yè)務(wù)流程應(yīng)以核心業(yè)務(wù)活動(dòng)為主體,管控業(yè)務(wù)活動(dòng)與支撐業(yè)務(wù)活動(dòng)為兩翼,以價(jià)值鏈增值為目標(biāo)。
圖2 工業(yè)企業(yè)業(yè)務(wù)流程的集成架構(gòu)
企業(yè)信息化集成系統(tǒng)核心業(yè)務(wù)系統(tǒng)功能應(yīng)包含且不限于以下部分:
(1)生產(chǎn)過程控制
(2)實(shí)時(shí)監(jiān)控
(3)生產(chǎn)計(jì)劃
(4)生產(chǎn)調(diào)度
(5)生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)
(6)產(chǎn)品跟蹤
(7)質(zhì)量管理
(8)生產(chǎn)技術(shù)管理
(9)銷售管理
企業(yè)信息化集成系統(tǒng)管控業(yè)務(wù)系統(tǒng)功能包含且不限于以下部分:
(1)經(jīng)營計(jì)劃
(2)績效管理
(3)財(cái)務(wù)管理
(4)輔助決策
(5)應(yīng)急指揮
企業(yè)信息化集成系統(tǒng)支撐業(yè)務(wù)系統(tǒng)功能應(yīng)包含且以下部分:
(1)物資管理
(2)設(shè)備管理
(3)資產(chǎn)管理
(4)能源管理
(5)人力資源
(6)客戶關(guān)系管理
(7)安健環(huán)管理
(8)IT服務(wù)管理
工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)的典型架構(gòu)由三級(jí)構(gòu)成,它們是:
H1:廠級(jí)系統(tǒng)(廠級(jí)包括大、中、小型生產(chǎn)廠,生產(chǎn)基地等);
H2:公司級(jí)系統(tǒng)(公司級(jí)包括跨廠級(jí)聯(lián)合企業(yè)、大型聯(lián)合生產(chǎn)基地等);
H3:集團(tuán)公司級(jí)系統(tǒng)。
具體的工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)可能僅包含以上H1級(jí)或HI+H2或H1+H3或H1+H2+H3等,通過縱向集成使各級(jí)融為一體化系統(tǒng)。
(1)H1廠級(jí)系統(tǒng)
工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)廠級(jí)系統(tǒng)應(yīng)包括如圖3所示L1到L5五層,它們是:
L1:現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層;
L2:生產(chǎn)過程控制層;
L3:生產(chǎn)執(zhí)行層;
L4:經(jīng)營管理層;
L5:決策支持層。
通過5層的縱向集成與橫向集成實(shí)現(xiàn)從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、生產(chǎn)過程控制、生產(chǎn)執(zhí)行、指揮、經(jīng)營管理及戰(zhàn)略決策的應(yīng)用集成一體化,構(gòu)成完整的廠級(jí)系統(tǒng)。
其中,L1與L2構(gòu)成企業(yè)的生產(chǎn)自動(dòng)化基礎(chǔ)層,信息化集成系統(tǒng)核心業(yè)務(wù)的本源信息產(chǎn)生于此。
5層結(jié)構(gòu)稱為普度模型,是國際的一個(gè)通用規(guī)則。它是企業(yè)信息化集成系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)模型,L1-L5應(yīng)通過信息縱向集成構(gòu)成廠級(jí)信息化集成系統(tǒng)。
圖 3 工業(yè)企業(yè)廠級(jí)信息化集成系統(tǒng)分層模型
(2) H2公司級(jí)系統(tǒng)
此級(jí)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)分布的廠級(jí)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)集成構(gòu)建企業(yè)公司級(jí)的信息化集成系統(tǒng)。系統(tǒng)應(yīng)包括L3、L4、L5三層,但其結(jié)構(gòu)與功能不同于H1的相應(yīng)三層。應(yīng)通過縱向集成技術(shù)實(shí)現(xiàn)H2與H1的無縫接口,實(shí)現(xiàn)本級(jí)信息的貫通。一般H2分為三層結(jié)構(gòu)如圖4 所示。
圖4 公司級(jí)信息化集成系統(tǒng)
(3) H3集團(tuán)公司級(jí)系統(tǒng)
集團(tuán)公司級(jí)系統(tǒng)包括L3、L4、L5三層,但其結(jié)構(gòu)與功能不同于H1和H2的相應(yīng)三層。應(yīng)通過縱向集成技術(shù)實(shí)現(xiàn)級(jí)間、層間信息的貫通。結(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖5 集團(tuán)公司級(jí)信息化集成系統(tǒng)
工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)組成分為三個(gè)層級(jí)的系統(tǒng):
生產(chǎn)基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)(PAS):包括了廠級(jí)系統(tǒng)的L1+L2兩層,即現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的自動(dòng)化設(shè)備及其控制系統(tǒng),生產(chǎn)(制造)過程的綜合監(jiān)控系統(tǒng)或稱綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。其涵蓋范圍包括:適于連續(xù)制造的過程控制系統(tǒng),適于離散制造的單元控制系統(tǒng)和適于遠(yuǎn)動(dòng)控制的SCADA系統(tǒng)以及廠級(jí)的生產(chǎn)綜合監(jiān)控系統(tǒng)。
生產(chǎn)調(diào)度執(zhí)行系統(tǒng)(MES):H1、H2、H3的MES包括不同的子系統(tǒng)。H1的MES包括了與生產(chǎn)直接相關(guān)的子系統(tǒng),典型的子系統(tǒng)有:
(1)廠級(jí)生產(chǎn)計(jì)劃子系統(tǒng);
(2)廠級(jí)生產(chǎn)調(diào)度子系統(tǒng);
(3)廠級(jí)生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)子系統(tǒng);
(4)廠級(jí)生產(chǎn)監(jiān)控子系統(tǒng)。
也包括:廠級(jí)能源管理、質(zhì)量管理、物料管理、設(shè)備管理、績效管理、人力資源管理等子系統(tǒng)。
H2的MES層包括了跨廠級(jí)的公司級(jí)的生產(chǎn)執(zhí)行、生產(chǎn)運(yùn)營相關(guān)子系統(tǒng),除了上述的廠級(jí)子系統(tǒng)外,包括廠級(jí)輔助支持子系統(tǒng),運(yùn)輸管理子系統(tǒng)等。
H3的MES層包括了全集團(tuán)公司的與生產(chǎn)執(zhí)行、生產(chǎn)運(yùn)營相關(guān)的子系統(tǒng)。
經(jīng)營管理系統(tǒng)包括了L4、L5經(jīng)營管理和戰(zhàn)略決策兩層。H1、H2、H3的經(jīng)營管理系統(tǒng)包括內(nèi)涵不同的子系統(tǒng)。
H1的經(jīng)營管理系統(tǒng)是基礎(chǔ)經(jīng)營管理系統(tǒng),如果企業(yè)僅是一個(gè)廠級(jí)規(guī)模,H2、H3的功能也在此層實(shí)現(xiàn)。廠級(jí)經(jīng)營管理系統(tǒng)包括的典型子系統(tǒng)有:
(1)財(cái)務(wù)管理(包括財(cái)務(wù)會(huì)計(jì)、管理會(huì)計(jì)和資金管理)子系統(tǒng);
(2)物資管理子系統(tǒng);
(3)銷售管理子系統(tǒng);
(4)生產(chǎn)計(jì)劃管理子系統(tǒng);
(5)設(shè)備管理子系統(tǒng);
(6)質(zhì)量管理子系統(tǒng);
(7)項(xiàng)目管理子系統(tǒng);
(8)人力資源管理子系統(tǒng);
(9)健康、安全與環(huán)保管理子系統(tǒng);
(10)輔助支持子系統(tǒng);
(11)其他業(yè)務(wù)子系統(tǒng)。
H2的經(jīng)營管理系統(tǒng)是跨廠級(jí)公司層面的經(jīng)營管理系統(tǒng),它除了上述的廠級(jí)子系統(tǒng)外,還包括:
(1)應(yīng)急指揮子系統(tǒng);
(2)企業(yè)戰(zhàn)略分析決策子系統(tǒng);
(3)公司級(jí)其他子系統(tǒng)。
H3的經(jīng)營管理系統(tǒng)是全企業(yè)經(jīng)營管理系統(tǒng),除了包括上述的公司級(jí)子系統(tǒng)外,還包括:
(1)集團(tuán)公司資源分析管理子系統(tǒng);
(2)集團(tuán)公司企業(yè)戰(zhàn)略分析決策子系統(tǒng);
(3)集團(tuán)公司級(jí)其他業(yè)務(wù)子系統(tǒng)。
具體企業(yè)的信息化集成系統(tǒng)的子系統(tǒng)應(yīng)按照該企業(yè)業(yè)務(wù)需求建立。
以上是我國典型的大型工業(yè)企業(yè)的架構(gòu)組成。事實(shí)上,工業(yè)領(lǐng)域范圍很廣泛,每一領(lǐng)域又有其各自的特點(diǎn),其相應(yīng)的信息化集成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形態(tài)各種各樣,但無非是這些層、級(jí)的不同組態(tài)而已。欲對(duì)我國工業(yè)與信息化兩化融合的系統(tǒng)有本質(zhì)的分析與認(rèn)識(shí),就必須對(duì)以上信息化集成系統(tǒng)進(jìn)行深入的分析與研究。
工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng),按照工業(yè)4.0的觀點(diǎn)也是CPS系統(tǒng)。信息化集成的每一層都是由Physical和Cyber兩部分構(gòu)成,由物理實(shí)體與信息、網(wǎng)絡(luò)、軟件等構(gòu)成。整個(gè)信息化集成系統(tǒng)又是由生產(chǎn)實(shí)體系統(tǒng)與調(diào)度指揮、經(jīng)營管理與決策支持等“軟”系統(tǒng)融合而構(gòu)成。企業(yè)信息化集成系統(tǒng)就是一個(gè)全企業(yè)范圍的CPS系統(tǒng)。
在工業(yè)企業(yè)中,“信息物理系統(tǒng)”升級(jí)“智能工廠”中的“生產(chǎn)設(shè)備”(Physical),使生產(chǎn)設(shè)備因信息物理系統(tǒng)而獲得智能,使工廠成為一個(gè)實(shí)現(xiàn)自律分散型系統(tǒng)的“智能工廠”。實(shí)體設(shè)備、裝置的信息由網(wǎng)絡(luò)、由各層的功能軟件集成起來,實(shí)現(xiàn)賽博(Cyber)的總體功能。被集成的信息成為實(shí)體物理設(shè)備運(yùn)行的靈魂。
CPS最大的特點(diǎn)就在于它是由很多具有通信,計(jì)算和決策控制功能的設(shè)備組成的智能網(wǎng)絡(luò),這些設(shè)備可以通過相互作用使得整個(gè)系統(tǒng)處于最佳狀態(tài)。如交通系統(tǒng)中車輛之間通過通信和計(jì)算得出最佳行車路線,并避免各種交通事故;電力系統(tǒng)中各個(gè)站點(diǎn)通過信息傳遞從而動(dòng)態(tài)調(diào)整負(fù)荷,避免大規(guī)模級(jí)聯(lián)故障等。這正是信息化集成系統(tǒng)期待達(dá)到的目標(biāo)。
另一方面,CPS提升了企業(yè)信息化集成系統(tǒng)的能力與作用,延展了它的管控范圍。從20世紀(jì)40年代麻省理工學(xué)院發(fā)明數(shù)控技術(shù)到如今基于嵌入式計(jì)算系統(tǒng)的工業(yè)控制系統(tǒng)遍地開花,工業(yè)自動(dòng)化早已成熟,但是,這些控制系統(tǒng)基本是封閉的系統(tǒng),即便其中一些工控應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)也具有聯(lián)網(wǎng)和通信的功能,但其工控網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部總線大都使用的是工業(yè)控制總線,網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部各個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)或設(shè)備難以通過開放總線或者互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行互聯(lián),其通信距離很短,通信功能比較弱。而信息化集成系統(tǒng)的CPS則把通信放在與計(jì)算和控制同等地位上。CPS強(qiáng)調(diào)的分布式應(yīng)用系統(tǒng)中物理設(shè)備之間的協(xié)調(diào)是離不開通信的。CPS對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部設(shè)備的遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)能力、自治能力、控制對(duì)象的種類和數(shù)量,特別是網(wǎng)絡(luò)規(guī)模上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)有的工控網(wǎng)絡(luò)。CPS將讓整個(gè)世界互聯(lián)起來,如同互聯(lián)網(wǎng)改變了人與人的互動(dòng)一樣,CPS將會(huì)改變我們與物理世界的互動(dòng)。CPS給企業(yè)信息化集成系統(tǒng)插上了IoT和IoS兩個(gè)翅膀,信息化集成系統(tǒng)變成了世界范圍的大集成系統(tǒng)。
圖3 ET200M硬件組態(tài)
圖4 所示為DP從站的屬性,包括設(shè)置PROFIBUS地址為3。在分布式I/O系統(tǒng)中,IM 153-x的PROFIBUS地址遵守以下規(guī)則:允許的 PROFIBUS地址是1至125;每個(gè)PROFIBUS地址在總線上僅能分配一次。
圖4 DP從站的屬性
對(duì)于DP從站而言,它可以在任何時(shí)候更改 PROFIBUS地址,但是IM153-x僅在切斷/接通24VDC電源后才采用新的PROFIBUS地址。當(dāng)所有的硬件參數(shù)確定后,就可以保存并編譯組態(tài)。
隨著變頻技術(shù)的不斷發(fā)展,它在起重機(jī)行業(yè)以絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)超越了其他任何調(diào)速方案,其優(yōu)點(diǎn)數(shù)不勝數(shù),如零速抱閘,對(duì)制動(dòng)器無磨損;任意低的就位速度,可用于精確吊裝;速度的平滑過渡,對(duì)機(jī)構(gòu)和結(jié)構(gòu)件無沖擊,提高了起重機(jī)的運(yùn)行安全性等。
[1] 李方園. 變頻器控制技術(shù)(第2版) [M]. 北京:電子工業(yè)出版社,2015.
[2] 李方園. 變頻器應(yīng)用技術(shù)(第2版) [M]. 北京:科學(xué)出版社,2014.
李方園(1973-),男,浙江舟山人,高級(jí)工程師,畢業(yè)于浙江工業(yè)大學(xué)信息學(xué)院工程碩士專業(yè),長期從事于變頻器等現(xiàn)代工控產(chǎn)品的應(yīng)用與研究工作,現(xiàn)就職于浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院。