i5智能系統助力智能工廠新模式

王天宇+張金軍+柏杉

摘 要：隨著德國工業4.0、美國工業互聯網和中國制造2025計劃的提出，新一輪的工業改革拉開序幕。而傳統的生產企業正面臨各種的挑戰，高污染、高能耗、低效率的生產模式早已不適合現在的生產要求，傳統工廠升級為智能工廠成為未來的趨勢，通過對智能工廠的架構分析與i5智能系統的說明，明確了i5智能系統對于智能工廠的搭建起到了促進作用，并展望未來會有大量的搭載i5智能系統的智能工廠興起。

關鍵詞：智能工廠；i5智能系統；云制造

中圖分類號：TE96 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）10-0041-02

1 智能工廠的概念與新模式

1.1 建設智能工廠的戰略意義

隨著物聯網、大數據和移動應用等新一輪信息技術的發展，全球化工業革命開始提上日程，工業轉型開始進入實質階段。推進以智能制造為核心的智能工廠建設，既是全球制造業發展的必然趨勢，也是實現“中國制造2025”發展目標的主攻方向，是中國邁進世界強國大門的金鑰匙。

而傳統的生產企業正面臨各種的挑戰，高污染、高能耗、低效率的生產模式早已不適合現在的生產要求，具體表現為：現場庫存居高不下，倉庫與生產現場脫節；無法實現訂單物料盤點；無法實現全面可追溯管理；工序流程無法實現防呆管控；人力成本過高，企業招工困難；設備生產咨詢無法即時分析、處理；ERP無法管控生產過程；常出現錯料重大品質事故等等。

既然企業面臨諸多的困難和挑戰，是否有一種方式可以突破目前的生產瓶頸呢？為了解決這個問題，中國版的工業4.0“中國2025規劃”橫空出世，將制造業分三步走實現制造強國。第一步到2025年，中國制造業邁入制造強國的行列，第二步到2035年，中國制造業整體達到世界強國中等水平。第三步到2045年，到建國100周年時，中國制造業綜合實力邁入世界制造強國前列。要實現這一目標，智能工廠在制造業中起著決定性的作用。

智能工廠是在數字化工廠的基礎上，利用物聯網技術和監控技術加強信息管理和服務，提高生產過程可控性、減少生產線人工干預，以及合理計劃排產。同時集智能手段和智能系統等新興技術于一體，構建高效、節能、綠色、環保、舒適的人性化工廠。其本質是人機有效交互，它把制造自動化的概念更新，擴展到柔性化、智能化和高度集成化，從而為企業降低生產成本，縮短研制周期，實現批量定制化生產，其中包含了企業上層ERP資源計劃管理，SFC生產底層控制和MES生產過程執行管理等。

1.2 智能工廠的系統架構

智能制造包含智能制造技術和智能制造系統，智能制造系統不僅能夠在實踐中不斷地充實知識庫，具有自學習功能，還有搜集與理解環境信息和自身的信息，并進行分析判斷和規劃自身行為的能力。

系統架構自下向上分為五層，其中：

（1）設備層：包括傳感器、儀器儀表、條碼、射頻識別、數控機床、機器人等感知和執行單元；

（2）控制層：包括可編程邏輯控制器（PLC）、數據采集與監視控制系統（SCADA）、分布式控制系統（DCS）、工業無線控制系統（WIA）等；

（3）管理層：由控制車間/工廠進行生產的系統所構成，主要包括制造執行系統（MES），及產品生命周期管理軟件（PLM）等；

（4）企業層：由企業的生產計劃、采購管理、銷售管理、人員管理、財務管理等信息化系統所構成，實現企業生產的整體管控，主要包括企業資源計劃（ERP）系統、供應鏈管理（SCM）系統和客戶關系管理（CRM）系統等；

（5）網絡層：由產業鏈上不同企業通過互聯網共享信息實現協同研發、配套生產、物流配送、制造服務等。

1.3 智能工廠的搭建思路

將這五層系統架構串起來，即是智能工廠。以數字化車間為方向的離散制造為例：在數字化車間中，車間/工廠總體設計、工藝流程及布局均已建立數字化模型，并進行模擬仿真，實現規劃、生產、運營全流程數字化管理；采用三維計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助工藝規劃（CAPP）、設計和工藝路線仿真、可靠性評價等先進技術；產品信息能夠貫穿于設計、制造、質量、物流等環節，實現產品的全生命周期管理（PLM）；建立了生產過程數據采集和監視控制系統（SCADA），能充分采集生產現場信息，并與車間制造執行系統實現數據集成和分析；建立了制造執行系統（MES），實現全過程閉環管理，并與企業資源計劃管理系統（ERP）集成；建立了車間級的工業通信網絡。利用云計算、大數據等新一代信息技術，在保障信息安全的前提下，實現經營、管理和決策的智能優化。

了解了搭建智能工廠的大致步驟還不夠，一些基礎問題不能解決，還是不能實現真正的智能制造。而車間底層控制是智能工廠的基礎，如何將車間底層控制做好是搭建智能工廠的關鍵，這就要提到沈陽機床集團自主研發的i5智能機床操作系統。

2 i5智能機床操作系統的優勢

i5智能數控系統不僅是機床運動控制器，同時還是工廠網絡的智能終端。i5智能數控系統不僅包含工藝支持、特征編程、圖形診斷、在線加工過程仿真等智能化功能，同時還實現了操作智能化、編程智能化、維護智能化和管理智能化。如圖1所示。

2.1 i5系統的智能化優勢

i5數控系統的智能化表現以下幾方面：

（1）操作智能化。可通過觸摸屏來操作整個系統，機床加工狀態時的數據能實時同步到手機或平板電腦，象征著用戶“指尖上的工廠”，不論用戶在哪里，一機在手即可對設備進行操作、管理、監控，實時傳遞和交換機床的加工信息。

（2）在線加工仿真。在線工藝仿真系統能夠實時模擬機床的加工狀態，實現工藝經驗的數據積累。進一步可以快速響應用戶的工藝支持請求，獲得來自互聯網上的“工藝大師”的經驗支持。

（3）智能補償。集成有基于數學模型的螺距誤差補償技術，能使i5智能機床達到定位精度5μm，重復定位精度3 μm。

（4）智能診斷。傳統數控系統在診斷上反饋的是代碼，而i5數控系統反饋的是事件，它能夠替代人去查找代碼，幫助操作者判斷問題所在；可對電機電流進行監控，給維護人員提供數據進行故障分析提供幫助。

（5）智能車間管理。i5數控系統與車間管理系統（WIS）高度集成，記錄機床運行的信息，包括使用時間、加工進度、能源消耗等，給車間管理人員提供定單和計劃完成情況的分析；還可以把機床的物料消耗、人力成本通過財務體系融合進來，及時歸集整個車間的運營成本。

2.2 i5系統的信息化、網絡化特點

在互聯網條件下，i5數控系統不僅能夠實現機床與機床的互聯，還是一個能夠生成車間管理數據、并與有關部門進行數據交換的網絡終端。通過制造過程的“數據透明”，實現制造過程和生產管理的無縫連接。這不僅為了方便加工零件，同時產生服務于管理、財務、生產、銷售的實時數據。實現了設備、生產計劃、設計、制造、供應鏈、人力、財務、銷售、庫存等一系列生產和管理環節的資源整合與信息互聯，減少浪費，提高效率。

在數控系統提供“透明”數據的情況下，需要與商業模式相配合的云端平臺和云端應用。以沈陽機床集團旗下的iSESOL（i-Smart Engineering & Services On-line，是智能云科公司研發的云制造平臺）平臺為例，通過i5智能機床的在線信息，iSESOL打造了一套云端產能分享平臺（圖2），用戶可以將閑置產能公示于iSESOL產能平臺，有產能需求的用戶無需購買設備即可快速獲得制造能力，通過這種方式產能提供方可以利用閑置產能獲得收益，產能需求方可以以較低的成本獲得制造能力，雙方通過分享獲得利益最大化。這種制造能力的分享模式將會極大地改變制造業的組織形式，并且充分挖掘社會閑置制造資源，從閑置資源中獲得利益最大化。在這樣的模式推動下，傳統的買賣將會越來越少，甚至消失。不難看出，這一看似微小的變化將能夠引發整個制造方式的改變。無疑，這種模式將會成為制造業互聯網+的一個重要形式。

2.3 基于iSESOL平臺的智能工廠應用框架

基于iSESOL平臺的智能機床互聯網應用框架（如圖3所示）。所有的i5智能設備通過iPort協議接入iSESOL網絡，非i5的設備（如OPC UA終端或者MTConnect終端）可以通過iPort網關接人iSESOL網絡。類似ERP、MES、遠程看板等云端的APP應用通過iSESOL聚合的實時數據和訪問接口實現對遠程設備的統一訪問。iSESOL提供針對不同設備的數據字典映射統一不同設備的訪問方式，云端APP只需通過標準的服務或者參數命名即可訂閱各類事件和數據信息，實現統一的設備訪問。最終用戶可以通過不同的終端安裝APP實現對設備的各類互聯網應用。

3 結論與展望

通過前文的分析，不難看出，i5智能系統提供了整個車間底層控制的完整規劃，是實現智能工廠的基礎。它編織了車間網絡化管理平臺，將生產詳細信息資料集中管理保存，它整體化地跟蹤和管理生產人員所關心的主要生產過程，實時采集生產底層的各種加工數據并加以統計和分析。這一革命性的系統使得運行車間的工作變得更加簡單，有效和有力，并重新定義了整個生產車間的自動化。與數據分攤式的半自動化系統對比起來，i5智能系統是完全的集成系統，它可以共享智能工廠的加工數據，為需要設備加工的每一個客戶提供了最新的生產數據，相信不久以后，國內就會建起幾十甚至上百個搭載i5智能系統的智能工廠。

參考文獻

[1]黃云鷹，朱志浩，樊留群.“互聯網+”背景下數控系統發展的新趨勢[J].制造技術與機床，2016（10）：49-52，57.

[2]張曙.智能制造與i5智能機床[D].上海：同濟大學，2017.