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基于层次化的智能协同制造平台框架

2018/2/5    来源:互联网    作者:丁涛  闫光荣  刘爱军      
关键字:智能协同制造  层次化  硬件协同  制造协同  价值链协同  
为了满足企业灵活组织内部资源,快速响应个性化定制的需求,自底向上分析企业制造资源生产组织方式,构建了基于层次化的智能协同制造平台框架。框架从硬件物联、数据贯通、云端协同三个层面分析制造资源,并提出框架的三个子平台,即基于工业物联的硬件协同平台、基于PLM的生产制造协同平台和基于工业云的价值链协同平台。从协同框架和架构内容两方面分别对框架子平台进行描述,探讨了平台涉及到的核心关键技术。三个层次内部横向集成,层间纵向贯通,从而构成基于层次化的智能协同制造平台框架。

0 引言

    随着用户需求的个性化程度越来越高,工业生产的组织方式也从以前的大规模批量化生产往多品种个性化定制方向转变,制造需求的多样化和生产周期的缩短给传统的生产制造模式提出新的挑战。为了满足市场的个性化需求,不少学者提出很多新的生产模式,比如并行工程、敏捷制造、网格制造等,在一定程度上提升了生产效率和制造资源利用率,但由于缺少生产全生命周期统一的协同架构平台,这些新的生产模式并没有带来根本性的变革。

    随着信息技术和互联网技术的发展,以智能协同制造为代表的新一轮产业革命逐渐兴起,数字化、网络化、智能化日益成为制造业发展的方向。智能协同制造模式下,制造企业将不再自上而下地集中控制生产,不再从事单独的设计与研发环节,或者单独的生产与制造环节,或者单独的营销与服务环节。而是从顾客需求开始,到接受产品订单、寻求合作生产、采购原材料或零部件、共同进行产品设计、生产组装,整个环节都通过智能协同方式联接起来并进行实时通信,从而确保最终产品满足大规模客户的个性化定制需求。

    制定统一的框架平台是智能协同制造的关键。为了更好的实现企业智能协同制造各个环节的数据集成和流程贯通,本文自底向上分析制造生产组织方式,提出基于层次化的智能协同制造平台框架,将生产制造过程划分为硬件物联、数据流程贯通、云端协同三个层面进行讨论,分别构建了基于工业物联的硬件协同平台、基于PLM的生产制造协同平和基于工业云的价值链协同平台,三个层次平台内部横向集成,层间纵向贯通,从而为企业构建灵活组织和快速响应的智能协同制造平台提供借鉴意义。

1 基于层次化的智能协同制造平台框架模型

    分析企业生产制造组织方式及数据流向,可以将企业的生产制造过程分为三个层次:硬件物联、数据贯通和云端协同。最底层的制造设备及相关硬件是生产具体的执行单元,底层的生产过程通过产品全生命周期(设计、工艺、生产、物流、销售)的数据贯通与企业内其他环节实现互联互通,近年来随着互联网的发展,云制造逐渐成为一种新的生产组织模式,企业内的制造资源和制造能力通过发布到云端,形成服务于制造需求的基础公共服务和功能服务,从而实现制造企业之间及企业与用户之间的云端协同。

    针对生成制造过程的三个层次,本文提出基于层次化的智能协同制造平台总体框架,如图1所示。总体框架包含三个层次的子框架平台:1)基于工业物联的硬件协同平台;2)基于PLM的生产制造协同平台;3)基于工业云的价值链协同平台。三个层次平台内容如下:

    1

    图1 智能化协同制造技术与应用平台

    1)基于工业物联的硬件协同平台。构建基于OPC、OPC-UA等标准的交互式生产技术联网和基于MODBUS、RS232等协议的数据通信联网条件,为数控机床、工业机器人、智能传感器、DCS、PLC等硬件提供互联的协同平台。

    2)基于PLM的生产制造协同平台。搭建基于产品全生命周期(设计、工艺、生产、物流、销售、服务)的系统集成和数据贯通,制定企业内部数据接口标准和规范,实现企业内部各生产管理环节的横向集成和互联互通。

    3)基于工业云的价值链协同平台。基于工业云、云存储和移动互联网等技术,构建企业制造能力共享和企业间制造协同的生态服务平台,将企业内部的制造资源和能力价值通过云端服务延伸到用户和其他企业之间,构建价值链协同平台。

    基于层次化的智能协同制造平台总体框架,实现了企业内部生产制造横向集成和纵向贯通,并通过工业云将制造资源和制造能力价值链延伸到用户及其他企业,针对行业形成服务于行业应用的公共基础服务和功能服务,从而形成智能化协同制造生态,提升企业生产响应效率和协作能力。下面对总体框架涉及的层次子框架及关键技术进行详细描述。

2 智能协同制造平台关键技术

    本节对总体框架涉及到的三个层次子框架及各自的关键技术进行详细描述,从生产组织的硬件物联、数据贯通、云端协同三个层面阐述协同制造平台构建过程中的关键技术。

2.1 构建基于工业物联的硬件协同平台

    基于工业物联的硬件协同是指制造过程的数控机床、工业机器人和其他自动化设备在OPC、OPC-UA的采集标准和MODBUS、RS232通信协议的支撑下,实现设备物联和数据通信,在硬件层下达和反馈制造信息,形成硬件互联互通的协同平台,实现硬件层的协同效率倍增效应。基于工业物联的硬件平台层次架构如图2所示。

    2

    图2 硬件平台协同框架

    图中硬件控制系统包括PLC、驱动器、机器人、电机、传感器、网关、通信服务器等,采集标准包括OPC、OPC-UA等,通信标准包括MODBUS、TCP等。图中以红色框内的部分是为对硬件采集通信数据的后续处理。该平台框架按对象化、层次化的结构设计,关键技术包含设备接入与数据交互、数据管理与基础服务、设备间协同控制、可视化展示和与第三方软件数据接口等五个方面。

    1)设备接入与数据交互

    框架底层部分为弹性的接口框架,可以开发插件式驱动程序,以适配不同的接口协议和数据格式,从而与不同类型的设备进行数据交互。数据交互的内容包括设备自身信息、生产统计类信息、生产工艺参数实际值、质量类信息、生产设备状态、报警类信息、可视化信息、维保类信息、核心部件类信息、能耗类信息、生产工单、换型指令、生产工艺参数、设备工作模式、对时信息、信息安全、设备专用的数据信息等。

    2)数据管理与基础服务

    数据管理与基础服务是框架底层平台的核心,包括内容实时数据库、历史数据库、设备数据库、产品数据库、设备信息模型、产品信息模型、报警&事件服务、协同控制服务、脚本引擎服务、日志服务、权限服务、时钟同步服务、可视化展示服务、报表管理服务、打印管理服务、信息安全服务等。

    3)设备间协同控制

    在单体设备管控的基础上,对由多台相关设备、传感器、仪器仪表、识别设备等组成的单一或多条相关生产线,以及分属不同系统的相关仪表和设备进行联动控制等。

责任编辑:张纯子
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