智能化生产的参考架构

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：智能化生产架构通过生命周期、系统层级和智能功能三个维度构建完成，主要解决智能制造标准体系结构和框架的建模研究；如图3-1所示。生命周期维度图3-1智能制造系统架构生命周期层是由设计、生产、物流、销售、服务等一系列相互联系的价值创造活动组成的链式集合。通过管理产品生命周期，使企业能够有效地控制所有与产品有关的活动。

智能化生产架构通过生命周期、系统层级和智能功能三个维度构建完成，主要解决智能制造标准体系结构和框架的建模研究；如图3-1所示。

（1）生命周期维度

pagenumber_ebook=76,pagenumber_book=60

图3-1　智能制造系统架构

生命周期层是由设计、生产、物流、销售、服务等一系列相互联系的价值创造活动组成的链式集合。生命周期中各项活动相互关联、相互影响。不同行业的生命周期构成不尽相同。在产品生命周期早期阶段，通过对市场和客户需求进行调查分析，确定产品发展战略，形成产品概念设计；通过讨论确定产品定义及详细设计，进行产品工程设计，完成产品的设计定型；接下来，采购生产产品所需的原材料、设备等，并根据产品设计规格进行生产制造；在生产过程中需要对产品进行全程质量控制，保证产品的质量以提高产品的客户满意度；在工厂内还需要通过高效率的办法对相关的原材料和商品进行运输或保存；进行市场推广将产品销售给客户并提供优质的售后服务，对客户意见进行收集并反馈给市场需求分析人员，有助于新产品的概念设计。通过管理产品生命周期，使企业能够有效地控制所有与产品有关的活动。

当传统的产品变成智能产品以后，它不仅体现在消费者使用时的智能性，也体现在生命周期中。比如用贯穿生命周期的物联网技术来记录产品从设计到服务整个过程的信息，既可以扩容传统条形码的信息存储量，加快信息存储速度，加速物流商品信息传递，还能够通过网络自动跟踪每一件货物的去向，方便了物流仓储和配送的监督和管理，让产品追溯更便捷。

（2）系统层级维度

系统层自下而上共五层，分别为设备层、控制层、车间层、企业层和协同层。智能制造的系统层级体现了装备的智能化和互联网协议（internet protocol，IP）化，以及网络的扁平化趋势。

①设备层级包括传感器、仪器仪表、条码、射频识别、机器、机械和装置等，是企业进行生产活动的物质技术基础。

②控制层级包括可编程逻辑控制器（programmable logic controller，PLC）、数据采集与监视控制系统（supervisory control and data acquisition，SCADA）、分布式控制系统（distributed control system，DCS）和现场总线控制系统（fieldbus control system，FCS）等。

PLC是一种可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程的控制设备。从实质上来看，PLC是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构与微型计算机基本相同。

SCADA是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统，它可以对现场的运行设备进行监视和控制。SCADA系统涉及组态软件、数据传输链路（如数传电台等）、工业隔离安全网关，其中工业隔离安全网关用于保证工业信息网络的安全，防止病毒入侵，以保证工业数据、信息的安全。

DCS是由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机（computer）、通信（communication）、显示（cathode ray tube，CRT）和控制（control）4C技术，其基本设计思路是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。DCS主要由现场控制站（I/O站）、数据通信系统、人机接口单元、操作员站、工程师站、机柜、电源等组成。系统具备开放的体系结构，可以提供多层开放数据接口。

现场总线是将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时控制通信网络，遵循ISO的OSI开放系统互连参考模型的全部或部分通信协议。FCS则是用开放的现场总线控制通信网络将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时网络控制系统。

③车间层级体现了面向工厂和车间的生产管理，它包括制造执行系统等。制造执行系统又进一步包括工厂信息管理系统、先进控制系统、历史数据库、计划排产、仓储管理等。

制造执行系统是位于上层的计划管理系统与底层的工业控制之间的面向车间层的管理信息系统，它为操作人员/管理人员提供计划的执行、跟踪以及所有资源（人、设备、物料、客户需求等）的当前状态。制造执行系统将车间作业现场控制的各种工具与手段（包括PLC、数据采集器、条形码、各种计量及检测仪器、机械手臂等）联系起来，提供与工作订单、商品接收、运输、质量控制、维护、排程和其他相关任务的一个或多个接口的控制系统，旨在加强制造资源计划的执行功能。

④企业层级是面向企业的经营管理，包括企业资源计划系统、产品生命周期管理、供应链管理系统和客户关系管理系统等。其中，企业资源计划系统是指建立在信息技术基础上，以系统化的管理思想，为企业决策层及员工提供决策运行手段的管理平台。

⑤协同层是智能制造相对传统制造的一个新的特点，它体现了企业之间的协作过程，它是由产业链上不同企业通过互联网络共享信息，实现协同研发、智能生产、精准物流和智能服务等。协同层超出了传统企业的范畴，包括产业链上下游，以及大型企业的不同子公司等，通过互联网进行全方位的协同和信息分享。

（3）智能功能维度

智能功能包括资源要素、系统集成、互联互通、信息融合和新兴业态共五层。

①资源要素包括设计施工图纸、产品工艺文件、原材料、制造设备、生产车间和工厂等物理实体，也包括电力、燃气等能源。此外，人员也可视为资源的一个组成部分。

②系统集成是指通过二维码、射频识别、软件等信息技术集成原材料、零部件、能源、设备等各种制造资源，由小到大实现从智能装备到智能生产单元、智能生产线、数字化车间、智能工厂，乃至智能制造系统的集成。

③互联互通是指通过有线、无线等通信技术，实现机器之间、机器与控制系统之间、企业之间的互联互通。

制造业正逐渐进入物联网时代，大量具备嵌入式技术的设备可被管理、无缝互联，通过网络安全地进行互动。工业物联网实现了机器与机器之间的通信，以及机器与其他实体、环境和基础设施之间的互动和通信。通信过程中产生的大量数据，还可以进一步通过处理和分析后，为企业的管理和控制提供即时决策的依据。

④信息融合是指在系统集成和通信的基础上，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，实现信息协同共享。

随着工业化与信息化的深度融合，信息技术逐渐深入到企业的各个环节。特别是二维码、射频识别、传感器、工业物联网等技术在制造企业中的广泛使用产生了大量数据，为大数据在工业领域的应用提供了数据来源。目前，我国正在开展工业大数据在工业产品、研发设计、生产过程、生产性服务等方面相关标准的研制。

⑤新兴业态包括个性化定制、远程运维和工业云等服务型制造模式。

智能化生产的参考架构

相关推荐