面向航天復雜產(chǎn)品的智能制造

王艷廣 宿春慧 高方方 鄭楊

摘 ?要：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺是制造業(yè)企業(yè)實現(xiàn)智能制造的重要載體。面向航天系統(tǒng)復雜產(chǎn)品的智能制造，闡述了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的組成，基于平臺的企業(yè)業(yè)務數(shù)字化集成以及車間智能化改造方案。通過航天企業(yè)智能制造樣板間改造和建設，開展了跨企業(yè)智能制造應用。為企業(yè)開展基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的智能制造提供了參考。

關(guān)鍵詞：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺;智能制造;樣板間

中圖分類號：TP393;TH166 ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）16-0150-03

Abstract：Industrial internet platform is an important carrier for manufacturing enterprises to realize intelligent manufacturing. For intelligent manufacturing of complex aerospace products，the composition of industrial Internet platform，digital integration of enterprise business based on platform and intelligent transformation scheme of workshop were proposed. Through the construction of the model room of intelligent manufacturing of aerospace enterprises，the application of intelligent manufacturing across enterprises was carried out. It provides a reference for enterprises to develop intelligent manufacturing based on industrial internet platform.

Keywords：industrial internet platform;smart manufacturing;model room

0 ?引 ?言

德國工業(yè)4.0、美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、中國制造2025等先進制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的相繼提出，加速了云計算，邊緣計算，物聯(lián)網(wǎng)，大數(shù)據(jù)及人工智能等新一代信息技術(shù)與傳統(tǒng)制造業(yè)的融合?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+制造”[1，2]、服務型制造[3，4]、云制造[5-7]等先進制造模式逐步引領(lǐng)傳統(tǒng)制造業(yè)向數(shù)字化、智能化的階段發(fā)展。先進制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的關(guān)鍵在于構(gòu)建賽博物理信息系統(tǒng)，實現(xiàn)物理世界和信息世界之間的交互和共融，從而實現(xiàn)智能制造。

目前，制造業(yè)企業(yè)大部分仍處在建設數(shù)字化企業(yè)的階段，實現(xiàn)智能制造還需要解決以下問題：首先，在企業(yè)層級業(yè)務流程方面缺少基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的數(shù)字化集成和支撐能力建設;其次，在企業(yè)現(xiàn)有車間設備和網(wǎng)絡的改造升級方面缺少統(tǒng)一規(guī)劃;最后，缺少基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的智能制造應用案例。針對上述問題，從航天科工集團工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺INDICS出發(fā)，通過對平臺即服務，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)以及云端應用等各層功能分析，對產(chǎn)品設計、生產(chǎn)制造，企業(yè)PDM、ERP、MES等業(yè)務系統(tǒng)數(shù)字化集成以及車間數(shù)字化改造方案進行了闡述。最后，依托中德政府間合作項目，以航天科工集團企業(yè)為原型建造了智能工廠樣板間，開展了基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的航天產(chǎn)品跨企業(yè)智能制造應用。

1 ?工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺

近年來，國外企業(yè)在基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的智能制造實踐方面做出了很多有益的探索和實踐。2013年美國GE公司推出工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺Predix，提供面向航天、電力以及醫(yī)療領(lǐng)域的數(shù)以百萬計的數(shù)字孿生模型，支撐企業(yè)與智能制造相關(guān)的資產(chǎn)和系統(tǒng)優(yōu)化配置。2015年法國達索公司推出的3DEXPERIENCE體驗平臺，對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)化建模，數(shù)值模擬和性能可視化方面進行完整的展現(xiàn)。2016年德國西門子公司推出工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)MindSphere，可快速實現(xiàn)產(chǎn)品設計、工廠車間、設備運行狀態(tài)參數(shù)和信息化系統(tǒng)的連接，支撐企業(yè)在工業(yè)技術(shù)知識方面的積累與復用。

國內(nèi)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺建設呈現(xiàn)多元化發(fā)展趨勢。制造業(yè)領(lǐng)域如航天科工INDICS平臺，海爾的COSMOPlat平臺;信息通訊領(lǐng)域如華為OceanConnect平臺，以及互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域阿里巴巴supET平臺等。國內(nèi)主流工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺建設依據(jù)行業(yè)特色，涵蓋了設備接入/管理、數(shù)據(jù)存儲/處理/分析、軟件應用管理、平臺應用開發(fā)、資源/能力整合集成以及平臺安全等功能。

目前，主流工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺初步具備為企業(yè)生產(chǎn)制造過程中各類要素信息智能感知、云端協(xié)同制造、高效分析和科學決策等提供服務的能力?？梢灶A見，隨著技術(shù)的發(fā)展和服務能力的提升，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺將會成為制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級，實現(xiàn)智能制造的有力支撐載體。

1.1 ?平臺組成

從國內(nèi)航天科工集團的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺INDICS出發(fā)，重點從平臺即服務層，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)層，以及應用服務層出發(fā)，描述平臺用于支撐企業(yè)智能制造中產(chǎn)品全生命周期的研發(fā)、制造、智能協(xié)作等全產(chǎn)業(yè)鏈的能力，以及企業(yè)智慧化運行以及企業(yè)間的信息互通、資源共享、能力協(xié)同實施途徑。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的PAAS層中仿真引擎可為產(chǎn)品多學科協(xié)同仿真、產(chǎn)線仿真提供高性能的運行管理服務;大數(shù)據(jù)分析引擎對產(chǎn)品設計、生產(chǎn)和服務不同階段生成的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進行高效分析處理，為物理產(chǎn)品和虛擬模型間的信息互通共融提供實施途徑;軟件定義制造的流程引擎可為企業(yè)業(yè)務的數(shù)字化集成提供靈活的云端配置環(huán)境。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)層提供企業(yè)業(yè)務、產(chǎn)線設備的平臺接入服務。基于研發(fā)、生產(chǎn)、仿真試驗的企業(yè)業(yè)務以及制造、加工、智能監(jiān)測等工業(yè)設備均可通過邊緣側(cè)智能網(wǎng)關(guān)接入云平臺。

應用服務層利用云端部署的輕量化云制造應用、云端企業(yè)資源協(xié)同管理和云制造運營管理系統(tǒng)等工具，支撐云端跨企業(yè)智能排產(chǎn)，資源異地集成的企業(yè)間協(xié)同制造。

綜上所述，INDICS平臺可有效支撐企業(yè)智能制造、協(xié)同制造、云制造等制造模式的轉(zhuǎn)型發(fā)展需求。

1.2 ?基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的業(yè)務數(shù)字化集成

企業(yè)業(yè)務數(shù)字化集成包括了產(chǎn)品設計制造模孿生型數(shù)據(jù)與PLM集成，企業(yè)層ERP、MES業(yè)務信息系統(tǒng)間集成，以及企業(yè)設計、生產(chǎn)階段與云制造應用的協(xié)同集成?；诋a(chǎn)品設計、產(chǎn)線/物流/裝配制造的企業(yè)業(yè)務集成。

設計制造階段與PLM的集成，以產(chǎn)品設計仿真、制造階段產(chǎn)線仿真、物流仿真等功能為載體，實現(xiàn)產(chǎn)品制造信息結(jié)構(gòu)化管理、仿真模型數(shù)據(jù)管理、BOM管理、工藝路線規(guī)劃以及虛擬化制造仿真等功能;企業(yè)業(yè)務信息系統(tǒng)的PLM與ERP系統(tǒng)的雙向集成通過EBOM、PBOM、MBOM等信息和銷售訂單實現(xiàn);PLM與MES系統(tǒng)集成通過BOP過程清單和工藝反饋實現(xiàn);車間現(xiàn)場為MES系統(tǒng)提供執(zhí)行反饋及車間數(shù)據(jù)，MES系統(tǒng)為車間現(xiàn)場提供生產(chǎn)調(diào)度和資源管理等控制信息，實現(xiàn)企業(yè)資源動態(tài)優(yōu)化配置和高效業(yè)務流程管理。

在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中涉及的業(yè)務數(shù)據(jù)也將作為平臺接入對象被賦予標識，經(jīng)過IIOT設備的處理并在平臺進行存儲。通過對產(chǎn)品設計、生產(chǎn)制造、服務各個環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、文件等進行標識和存儲后，通過平臺統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，用戶可以進行數(shù)據(jù)調(diào)用。

2 ?面向航天復雜產(chǎn)品的智能制造樣板間建設

以航天總體部、總裝廠、配套廠的三家企業(yè)型號產(chǎn)品研制流程為基礎，開展基于航天云網(wǎng)INDICS工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的跨企業(yè)智能制造應用。其中，航天總體部負責航天復雜產(chǎn)品總體設計，總裝廠負責產(chǎn)品的關(guān)鍵部件生產(chǎn)、總裝和測試，配套廠負責產(chǎn)品外協(xié)零部件生產(chǎn)。其中，航天總體部與配套廠在云制造應用cPDm中完成產(chǎn)品協(xié)同設計與工藝協(xié)同設計?；贑RP配套廠實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部排產(chǎn)，以及與總裝廠跨企業(yè)云排產(chǎn)。同時，供應鏈系統(tǒng)與云端CMOM系統(tǒng)高效協(xié)同，實現(xiàn)跨企業(yè)的物流、生產(chǎn)協(xié)同與對接。

2.1 ?車間智能化改造

以總裝廠和配套廠現(xiàn)有生產(chǎn)車間為基礎開展智能樣板間建設，建設內(nèi)容涵蓋車間已有設備接入方式改造以及工業(yè)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡和通信網(wǎng)絡升級兩部分。針對現(xiàn)有已經(jīng)接入車間現(xiàn)場總線的設備，通過工業(yè)網(wǎng)關(guān)（航天云網(wǎng)SMART IOT系列產(chǎn)品）實現(xiàn)設備與高性能網(wǎng)絡的連接;針對車間新增設備，如智能加工中心、車間自動物流系統(tǒng)、自動化倉庫等，通過設備自有的以太網(wǎng)接口實現(xiàn)與高性能網(wǎng)絡的連接。在網(wǎng)絡升級方面，增加NB-IoT和WIA工業(yè)無線網(wǎng)絡的部署，滿足車間移動設備終端接入需求。支撐基于云制造平臺的“云基礎設施+終端連接+數(shù)據(jù)分析+應用服務”的發(fā)展模式。

車間智能化改造后，形成智能數(shù)據(jù)采集與控制、現(xiàn)場管理、支撐生產(chǎn)單元以及生產(chǎn)輔助四個子系統(tǒng)。支撐現(xiàn)場設備數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、物料數(shù)據(jù)、場內(nèi)物流數(shù)據(jù)、倉儲數(shù)據(jù)等接入INDICS工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺。

智能數(shù)據(jù)采集與智能控制，包括工業(yè)控制系統(tǒng)、工業(yè)網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)采集器、網(wǎng)絡與通訊。通過智能數(shù)據(jù)采集與智能監(jiān)控，實現(xiàn)車間工位、每臺設備之間的實時信息交互。

現(xiàn)場管理子系統(tǒng)，包括現(xiàn)場調(diào)度系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)和看板系統(tǒng)。利用信息化技術(shù)，開展從生產(chǎn)計劃下達、物料齊套、生產(chǎn)節(jié)拍、完工確認、生產(chǎn)進度、標準作業(yè)指導、質(zhì)量管理、工件條碼采集等過程進行管控，并通過以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線實時將現(xiàn)場信息及時準確地傳達到生產(chǎn)管理者與決策者。

智能生產(chǎn)單元，包括智能加工設備、在線監(jiān)測、智能工位、報警安全設備和自動上下料裝置。實現(xiàn)設備自身的狀態(tài)信息收集并上傳，控制系統(tǒng)將響應的命令傳送到設備上，對設備生產(chǎn)加工參數(shù)進行調(diào)整。

生產(chǎn)輔助系統(tǒng)，主要包括編碼系統(tǒng)、Andon系統(tǒng)。編碼系統(tǒng)對企業(yè)整個物品（原材料、成品、半成品等）進行管

理，生成唯一的識別碼，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集的精準化;Andon系統(tǒng)針對生產(chǎn)設備的狀況、生產(chǎn)加工異常情況進行報警或提示。

2.2 ?樣板間虛擬產(chǎn)線建模仿真

生產(chǎn)制造階段以平臺開發(fā)的虛擬工廠模塊為依托，提供產(chǎn)線虛擬孿生模型建模和仿真環(huán)境，基于INDICS平臺的虛擬工廠應用過程如下。

在工廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)獲取方面，通過現(xiàn)場側(cè)的智能網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品進行采集處理，實現(xiàn)與云端產(chǎn)線孿生模型的數(shù)據(jù)交互，生產(chǎn)階段數(shù)據(jù)使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式XML/JSON傳輸，生產(chǎn)階段數(shù)據(jù)涵蓋企業(yè)業(yè)務數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、物料數(shù)據(jù)、排產(chǎn)計劃等數(shù)據(jù);同時，企業(yè)業(yè)務打造數(shù)字化集成，實現(xiàn)與CPDM、CRP、CMOM等云制造應用的互聯(lián)。

在虛擬產(chǎn)線孿生模型構(gòu)建方面，依據(jù)產(chǎn)線布局、設備利用率、生產(chǎn)能力、生產(chǎn)周期、企業(yè)內(nèi)物流配送等實際需求，基于平臺虛擬工廠已有的輕量化產(chǎn)線設備模型庫，快速搭建產(chǎn)線三維虛擬模型。同時，基于Unity 3D引擎開發(fā)的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，實現(xiàn)基于虛擬產(chǎn)線的可視化監(jiān)控?；谏a(chǎn)實時數(shù)據(jù)，虛擬產(chǎn)線仿真模型進行生產(chǎn)任務、生產(chǎn)過程、生產(chǎn)管控的仿真評估與優(yōu)化，指導物理產(chǎn)線生產(chǎn)計劃的制定與執(zhí)行，為企業(yè)提供生產(chǎn)智能化和精準化服務。

3 ?航天復雜產(chǎn)品跨企業(yè)智能制造應用

以航天液壓系統(tǒng)產(chǎn)品為對象，基于車間智能化改造，開展面向航天總體設計部、總裝廠、配套廠的面向航天產(chǎn)品生命周期跨企業(yè)協(xié)同制造應用。

航天總體部完成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、流體等單學科仿真，進而通過仿真流程集成，完成系統(tǒng)級設計仿真。其中，仿真數(shù)據(jù)、模型文件的簽審、發(fā)布和版本控制由云端CPDM應用統(tǒng)一管理。車間現(xiàn)場的邊緣側(cè)智能網(wǎng)關(guān)對樣板間產(chǎn)線設備運行數(shù)據(jù)，生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)及業(yè)務數(shù)據(jù)進行預處理，將用于生產(chǎn)決策的數(shù)據(jù)實時接入INDICS平臺。

在總裝廠和配套廠車間數(shù)據(jù)集成方面，企業(yè)業(yè)務數(shù)據(jù)通過XML/JSON的兼容性格式使企業(yè)服務總線傳輸與云端輕量化云制造應用集成，樣板間現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)通過OPC_UA協(xié)議進行采集。實現(xiàn)對生產(chǎn)現(xiàn)場制造能力、資源的按需配置和跨企業(yè)的云端排產(chǎn)。

通過樣板間的初步應用和實踐，企業(yè)的產(chǎn)品協(xié)同研發(fā)設計周期顯著縮短、資源有效利用率和生產(chǎn)效率均有大幅提升，產(chǎn)品質(zhì)量一致性得到改善。

4 ?結(jié) ?論

通過面向航天復雜產(chǎn)品開展的跨企業(yè)智能制造應用，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺為制造業(yè)企業(yè)實現(xiàn)智能制造提供了新的理念和技術(shù)實施途徑。在面向航天企業(yè)產(chǎn)品智能制造的實踐中，取得了初步應用成效。

目前，基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的智能制造探索還處于起步階段，在設備上云、企業(yè)業(yè)務上云、云邊協(xié)同等方面實施過程中仍然需要完善和優(yōu)化，希望相關(guān)工作能為企業(yè)智能制造實踐提供參考。

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作者簡介：王艷廣（1985.08-），男，漢族，河南濮陽人，高級工程師，博士，主要研究方向：智能制造、云制造、數(shù)字孿生技術(shù)。