工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)同化制造體系應(yīng)用發(fā)展研究

1、 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)同化制造體系應(yīng)用發(fā)展研究 導(dǎo)讀本文有針對(duì)性地選擇工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟(IIC)的智能工廠網(wǎng)絡(luò)測(cè)試床開展研究，通過梳理分析智能工廠網(wǎng)絡(luò)測(cè)試床的基本構(gòu)成、適用場(chǎng)景、實(shí)施過程、場(chǎng)景演示與實(shí)施案例，總結(jié)提煉智能工廠網(wǎng)絡(luò)的先進(jìn)性，并結(jié)合我國實(shí)際情況給出針對(duì)性的推進(jìn)建議。1 引言當(dāng)前，制造企業(yè)面臨著越來越復(fù)雜多變的市場(chǎng)環(huán)境，在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的巨大壓力之下，如何在訂單激增并已經(jīng)超過自身產(chǎn)能的情況下，仍能有效滿足制造需求，或是在訂單不足時(shí)將自身能力向社會(huì)開放以提高產(chǎn)能利用率，是所有制造企業(yè)都需要應(yīng)對(duì)的關(guān)鍵問題。對(duì)此，美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟于2016年建立了智能工廠網(wǎng)絡(luò)測(cè)試床，通過連接各個(gè)工廠的產(chǎn)能并在某種程度上

2、形成了一個(gè)企業(yè)制造能力交易的“ 市場(chǎng)”，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)活動(dòng)的靈活組織和動(dòng)態(tài)調(diào)整，有效提升了供應(yīng)鏈彈性組織能力和產(chǎn)能利用水平1 。目前，該測(cè)試床在技術(shù)驗(yàn)證、標(biāo)準(zhǔn)推廣和應(yīng)用實(shí)踐等方面都取得了一系列重要成果，具有重要的參考借鑒意義。2 智能工廠網(wǎng)絡(luò)2.1 適用場(chǎng)景與工廠構(gòu)成智能工廠網(wǎng)絡(luò)(SFW) 測(cè)試床由德國弗勞恩霍夫研究院與韓國電子技術(shù)研究院共同發(fā)起，韓國貿(mào)易、工業(yè)和能源部資助，主要圍繞個(gè)性化程度高、市場(chǎng)需求多變的小批量生產(chǎn)場(chǎng)景需求，通過打造一個(gè)由眾多智能工廠組成的制造網(wǎng)絡(luò)，探索“訂單驅(qū)動(dòng)的適應(yīng)性生產(chǎn)”新型制造模式，實(shí)現(xiàn)企業(yè)制造能力與生產(chǎn)需求的匹配，以及企業(yè)內(nèi)部制造資源和生產(chǎn)流程的重組，從而提高訂單

3、的執(zhí)行能力和生產(chǎn)效率2-3 。測(cè)試床具體由兩大發(fā)起機(jī)構(gòu)運(yùn)營、4個(gè)模型工廠構(gòu)成。德國的弗勞恩霍夫研究院主要提供工業(yè)自動(dòng)化、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和安全相關(guān)的工具，其運(yùn)營的兩家模型工廠圍繞散裝貨物生產(chǎn)、灌裝、倉儲(chǔ)和運(yùn)輸?shù)葓?chǎng)景，開展訂單協(xié)同、生產(chǎn)協(xié)作等能力的測(cè)試。韓國電子技術(shù)研究院主要提供工業(yè)云平臺(tái)部署與應(yīng)用的相關(guān)工具，其運(yùn)營的兩家模型工廠主要負(fù)責(zé)設(shè)備即插即用、柔性生產(chǎn)和質(zhì)量檢驗(yàn)系統(tǒng)的試點(diǎn)。企業(yè)參與SFW測(cè)試床的積極性不斷提高。2018年，微軟與SAP兩大巨頭加入到測(cè)試床運(yùn)營的隊(duì)伍中，分別提供Azure云平臺(tái)和相關(guān)軟件產(chǎn)品，提升生產(chǎn)流程數(shù)據(jù)可視化等應(yīng)用服務(wù)能力。同時(shí)，越來越多的工廠加入智能工廠網(wǎng)絡(luò)，截至目前，已有

4、近70家工廠在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行了注冊(cè)，涵蓋汽車、石油、糖業(yè)、礦產(chǎn)、電子元件等多個(gè)行業(yè)，其中歐洲最為密集，亞非及南美地區(qū)也有相對(duì)廣泛的分布。2.2 整體推進(jìn)計(jì)劃按照IIC的統(tǒng)一部署，SFW測(cè)試床由5個(gè)推進(jìn)階段組成，包括對(duì)工廠資產(chǎn)的數(shù)字化建模并建立統(tǒng)一門戶、實(shí)現(xiàn)工廠資產(chǎn)的“ 即插即用”、基于云平臺(tái)的數(shù)據(jù)集成和資源配置，并最終形成跨工廠的協(xié)作和生態(tài)構(gòu)建等。(1) 階段1(2016年4月-2017年2月)：工廠建模與注冊(cè)，基于統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)對(duì)工廠所在位置、設(shè)備資產(chǎn)數(shù)量與能力進(jìn)行描述，并統(tǒng)一注冊(cè)到SFW門戶中，實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)站的“可查可見”。(2) 階段2(2016年9月-2018年4月)：資產(chǎn)“ 即插即用”測(cè)試，即生產(chǎn)

5、系統(tǒng)將能夠自動(dòng)發(fā)現(xiàn)新增設(shè)備，并根據(jù)已有規(guī)則，自動(dòng)對(duì)控制器、軟件系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。(3) 階段3(2017年6月-2018年6月)：數(shù)據(jù)和服務(wù)集成，基于云平臺(tái)采集匯聚生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)工廠設(shè)備資產(chǎn)的狀態(tài)監(jiān)控和生產(chǎn)過程可視化。(4) 階段4(2018年6月至今)：跨工廠協(xié)作，在平臺(tái)上部署各類數(shù)據(jù)分析、流程管理等應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)不同工廠間應(yīng)用程序的共享和軟件模塊的“即插即用”。(5) 階段5(2019年至今)：生態(tài)構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟數(shù)字孿生測(cè)試床、工業(yè) 4.0參考架構(gòu)模型及工業(yè)數(shù)據(jù)空間等技術(shù)架構(gòu)的融合對(duì)接，構(gòu)成協(xié)同互通的技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)。截至目前，前3個(gè)階段已經(jīng)測(cè)試通過并基本完成，第4、5階段涉及

6、軟件系統(tǒng)和體系架構(gòu)層面的協(xié)作，難度較高、工作量大，目前還處于規(guī)劃與測(cè)試推進(jìn)過程中。本文將主要對(duì)當(dāng)前已完成的技術(shù)測(cè)試與應(yīng)用情況進(jìn)行分析。3 智能工廠網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前技術(shù)應(yīng)用進(jìn)展3.1 實(shí)施流程智能工廠網(wǎng)絡(luò)實(shí)施包括5個(gè)核心環(huán)節(jié)。第一步各協(xié)作工廠通過使用規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行描述，并在SFW統(tǒng)一的門戶網(wǎng)站中完成注冊(cè)。第二步對(duì)新訂單進(jìn)行產(chǎn)能分解和優(yōu)化配置，若某工廠已經(jīng)滿負(fù)荷生產(chǎn)，則在SFW門戶中查找并向具備生產(chǎn)條件的其他工廠并發(fā)送訂單請(qǐng)求。第三步是產(chǎn)線智能化調(diào)整，其他接單工廠基于“ 即插即用”技術(shù)，將所需的生產(chǎn)設(shè)備直接集成到正在運(yùn)行的生產(chǎn)過程中，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線的靈活調(diào)整以滿足訂單。第四步是訂單執(zhí)行并基于平臺(tái)進(jìn)行全流程監(jiān)

7、控，實(shí)現(xiàn)對(duì)資產(chǎn)、生產(chǎn)過程的監(jiān)控等服務(wù)。第五步訂單完成，將產(chǎn)品提交給訂單發(fā)起方。3.2 技術(shù)支撐工廠建模與信息交互是SFW實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，需要3類核心技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行支撐。一是通過工程數(shù)據(jù)交換格式AutomationML(AML)實(shí)現(xiàn)物理設(shè)備、任務(wù)系統(tǒng)、人員等工廠能力的建模與可視化。如設(shè)備模型需要具備生產(chǎn)什么( 如寶馬汽車車門) 及如何生產(chǎn)( 如用激光從平板金屬板上切割)等核心信息。同時(shí)，為了便于不同國家間模型的自動(dòng)化交換，弗勞恩霍夫研究院開發(fā)了多語言的AML模型工具，使對(duì)象屬性可基于多種語言注釋。二是結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)化的通信協(xié)議OPC UA實(shí)現(xiàn)工廠內(nèi)部及工廠間信息的交換。一方面，能實(shí)現(xiàn)各工廠之間、工廠內(nèi)自動(dòng)化

8、設(shè)備之間、IIC不同測(cè)試床間的數(shù)據(jù)傳輸；另一方面，與 AutomationML共同作用實(shí)現(xiàn)工廠與SFW門戶間的集成通信。三是通過開放地理空間聯(lián)盟(OGC)提供的統(tǒng)一語義框架SensorThings API 實(shí)現(xiàn)工廠與平臺(tái)間的通信?？梢员憬莸貙⒃O(shè)備、傳感器數(shù)據(jù)、應(yīng)用程序等集成到云平臺(tái)中。3.3 場(chǎng)景演示與實(shí)踐案例3.3.1 玩具協(xié)同化生產(chǎn)德國弗勞恩霍夫研究院在漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上進(jìn)行了SFW的模擬與展示。以3個(gè)不同展位代表不同的智能工廠A、B、C，每個(gè)展位都有一條生產(chǎn)線，3家工廠都已在SFW門戶進(jìn)行了注冊(cè)。客戶通過智能工廠網(wǎng)絡(luò)門戶發(fā)布定制化訂單(樂高玩具)后，由3家工廠實(shí)施分布式制造。其中，智能工

9、廠A可以實(shí)現(xiàn)3D打印、手動(dòng)組裝等工序，負(fù)責(zé)打印定制化的配件(如樂高蜻蜓的翅膀)，并將其組裝；智能工廠B主要負(fù)責(zé)玩具產(chǎn)品整體制造，還可將客戶提供的文字信息刻在樂高玩具上，滿足其定制化需求；智能工廠C負(fù)責(zé)根據(jù)客戶選擇生產(chǎn)相應(yīng)尺寸的包裝材料。訪客可以使用智能手機(jī)訂購樂高玩具，并觀看全部生產(chǎn)流程。3.3.2 德國戈帕巧克力供應(yīng)鏈管理SFW還可作用在包括供應(yīng)鏈管理在內(nèi)的制造場(chǎng)景，提升供應(yīng)信息的透明化和風(fēng)險(xiǎn)管控能力。德國戈帕巧克力摒棄了原有的供應(yīng)商，基于SFW門戶在近70家工廠內(nèi)選取了秘魯、菲律賓等世界各地的優(yōu)質(zhì)原材料供應(yīng)商，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)成本的最優(yōu)化和供應(yīng)鏈透明化管理。4 啟示與建議智能工廠網(wǎng)絡(luò)具有以下幾方

10、面先進(jìn)性。一是開展先進(jìn)制造模式的探索與嘗試。通過創(chuàng)建測(cè)試床，對(duì)新的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、生產(chǎn)制造與商業(yè)模式進(jìn)行驗(yàn)證，為中小企業(yè)利用智能工廠網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)能力交易，推動(dòng)生產(chǎn)資源的柔性化配置奠定基礎(chǔ)。二是降低IT系統(tǒng)的集成和安裝成本。通過資產(chǎn)注冊(cè)共享、即插即用等方式，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)能力與資產(chǎn)的合理利用，有效降低企業(yè)的改造成本。三是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)運(yùn)營管理優(yōu)化。SFW運(yùn)營商通過數(shù)據(jù)分析服務(wù)和模擬等方式，能夠從全工廠視角有效管理各工廠資源。四是打造統(tǒng)一協(xié)作的標(biāo)準(zhǔn)生態(tài)。將SFW測(cè)試床與工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型、工業(yè)數(shù)據(jù)空間等實(shí)現(xiàn)對(duì)接，有望構(gòu)建統(tǒng)一的架構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)體系。我國擁有量大面廣的中小制造企業(yè)，具有工廠互聯(lián)、資源共享、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的迫切需求

11、，但至今尚未出現(xiàn)類似嘗試，基于此提出以下建議。一是加強(qiáng)底層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研制與國際對(duì)接。加快發(fā)展推進(jìn)以AutomationML和OPC UA為代表的底層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，打破設(shè)備、工廠間通信的鴻溝，提升工業(yè)設(shè)備系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸、通信與互操作性。同時(shí)，積極與國外前沿技術(shù)、領(lǐng)先機(jī)構(gòu)開展交流與對(duì)接。二是加快推動(dòng)工業(yè)企業(yè)上云。鼓勵(lì)產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)上云，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全流程可視化與云端模型、信息和應(yīng)用程序的合理管控。三是積極開展測(cè)試推廣。集中力量建立若干智能工廠網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)測(cè)試床，以測(cè)促用，探索先進(jìn)的制造模式，形成測(cè)試-驗(yàn)證-應(yīng)用-推廣的良性循環(huán)。5 結(jié)束語本文有針對(duì)性地選擇工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟的智能工廠網(wǎng)絡(luò)測(cè)試床開展研究，通過梳理分析智能工廠網(wǎng)絡(luò)測(cè)試床的基本構(gòu)成、適用場(chǎng)景、實(shí)施過程、場(chǎng)景演示與實(shí)施案例，總結(jié)提煉智能工廠網(wǎng)絡(luò)的先進(jìn)性，并結(jié)合我國實(shí)際情況給出針對(duì)性的推進(jìn)建議，為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)落地實(shí)踐提供參考。參考文獻(xiàn)1 Industrial Internet Consortium.Usage of standards in thesmart factory web testbedR,2020.2 Industrial Internet Consortiu