電機智能制造信息化平臺

閻 閱, 尤 德, 馬四松

[1. 上海電器科學研究院，上海 200063；2. 上海電器科學研究所(集團)有限公司，上海 200063;3. 許昌市質量技術監督檢驗測試中心,河南 許昌 461000]

電機智能制造信息化平臺

閻 閱1, 尤 德2, 馬四松3

[1. 上海電器科學研究院，上海 200063；2. 上海電器科學研究所(集團)有限公司，上海 200063;3. 許昌市質量技術監督檢驗測試中心,河南 許昌 461000]

通過對電機制造工藝的分析，以及實地調研電機生產企業運行現狀的基礎上，針對電機制造工藝復雜、人工依賴大等特點提出了一種電機智能制造信息化平臺建設方案。就整體信息系統提出了基于電機行業的工廠模型建立以及系統集成的建議，為電機行業建設智能制造工廠、優化生產管理提供參考。

智能制造;電機制造平臺;制造執行系統;企業資源管理;產品生命周期管理

0 引 言

隨著網絡和信息技術的應用深化，制造業中產品的設計與生產逐漸向按需生產與及時生產轉型，追求產品創新、低成本制造、更好地響應用戶需求、產能優化、智能系統建設。

工業4.0的概念與網絡化嵌入式系統、智慧工廠、物聯網(Internet of Things，IoT)、務聯網(Internet of Services，IoS)、設備預測性維護等等一系列的技術緊密相關。

1 工業4.0和智能制造

1. 1 工業4.0

在數字化技術和網絡技術的助力之下，智能制造和智慧工廠已經逐步變成現實。在智能制造的環境下，物理世界中的制造業價值鏈，將與在虛擬的信息系統和物聯網中的價值鏈結合，有機地嵌入務聯網中。

德國政府于2013年在推廣其“高科技戰略2020行動計劃”(High-Tech Strategy 2020 Action Plan)提前提出了工業4.0的概念，作為未來第四次工業革命的指導思想。

第四次工業革命代表了顛覆制造業發展至今的生產邏輯，從“中心化”到“去中心化”生產的轉型。工業4.0中的各個元素的設計原則如表1所示[1]。

表1 工業4.0各組成部分的設計原則

前三場工業革命由生產的中心化引起,而現今企業將其倉儲系統和生產設備整合到一個全球化的網絡，也就是信息物理系統中，其中的智能化生產設備、智能化倉儲等都各自具備自動進行信息交互、觸發行動和互相控制的能力。

1. 2 信息物理一體化

信息系統和現實世界的結合有助于通過新產品的設計，重用封裝在舊有模型中的方法和工具，縮短產品開發周期。信息物理系統集成的難點在于各種元件的異質性，這種異質性導致了對產品建模以及物理世界和信息網絡間跨領域互聯的要求，也就要求人們對設計流當中各個異質抽象層級的影響有深刻的理解。

系統集成涉及多方面、不同層級上的集成工作，如：物理世界維度、通信維度和計算維度上的集成；面向對象的方法的集成；不同設計理念的集成；用以描述和實現系統需求的方法的集成；用以支持相關方法的工具的集成；物理元件和信息元件的集成等[2]。

1. 3 中國制造2025

繼德國《德國工業4.0實施戰略》，法國《“新工業法國”戰略》，日本《日本制造業白皮書》，英國《英國制造業2050》后，我國國務院于2015年正式印發了《中國制造2025》，以推進中國制造業創新發展，提質增效，完成從制造大國向制造強國的轉變。我國經過新中國成立以來60多年的發展，在制造業方面取得了巨大的成就，產品體系已經相對健全，但相比于先進國家，我國制造業仍然存在自主創新能力弱、產品檔次不高、資源能源利用效率低下、產業結構不合理，高端裝備制造業和生產性服務業發展滯后、信息化程度相對欠缺，與工業化融合深度不夠、產業全球化程度不高等問題。

針對這些問題，《中國制造2050》旨在推進中國制造業轉型，堅持創新驅動、智能轉型、強化基礎、綠色發展，完成提高國家制造業創新能力、推進信息化與工業化深度融合、強化工業基礎能力、加強質量品牌建設、全面推行綠色制造、大力推動重點領域突破發展、深入推進制造業結構調整、積極發展服務型制造和生產性服務業、提高制造業國際化發展水平的任務。

2 電機制造業的特點與現狀

電機制造是典型的離散型制造，包含金加工、電加工、沖壓、組裝等一系列工藝。隨著電機行業的不斷發展，電機產品的外延和內涵也不斷拓展，電機產品廣泛應用于冶金、電力、石化、煤炭、礦山、建材、造紙、市政、水利、造船、港口裝卸等各個領域。電機的通用性逐漸向專用性方向發展，打破了過去同樣的電機分別用于不同負載類型、不同使用場合的局面，電機正向專用性、特殊性、個性化方向發展。目前，電機行業市場化程度高，電機企業數量眾多，整個行業處于整合、優化的變革過程。

電機是各行各業的核心設備之一，是名副其實的國之重器，但是其效率低下，使中國制造的整體效率水平低下，其大而不強的特征，也成為中國工業的典型。

我國制造業的規模已躍居世界第一，擁有世界上最為完整的工業體系，成為全球價值鏈的重要參與者。然而，近些年，中國制造業受到了各種沖擊。隨著美國的“制造業回流”，美國很多公司已經開始著手大范圍應用機器人技術以應對勞工成本高和勞動人口減少的危機，并保證美國的企業具備高水平的生產效率；另一方面，東南亞國家更為低廉的人力成本對中國制造業生存所依靠的低勞動力成本優勢造成了沖擊。

電機作為傳統制造業的一員，也受到了來自各種外部壓力和內部因素的影響。目前國內電機企業自動化程度并不是很高，電機制造的大部分企業仍處于人工密集型流水線生產方式，工序環節多、效率低、人工成本高、質量一致性難以控制，無法滿足微電機市量需求高速增加的需求量，也無法滿足產品質量的高要求。雖然電機行業中已有很多企業在進行生產活動時會采用自動化生產來取代人工生產，但還是會因為生產工藝的落后、自動化設備的質量低、設備非柔性化、零部件一致性難以管控等因素，產生性價比不能令人滿意的狀況。

3 電機智能制造信息平臺

本文中討論的電機智能制造信息平臺意在通過建立融合產品生命周期管理(Product Lifecycle Management,PLM)、制造執行系統(Manufacturing Execution System,MES)、企業資源管理(Enterprise Resource Planning,ERP)等系統的電機生產信息系統，打通各生產、管理系統之間的數據通路，搭建綜合管理平臺，提高電機生產效率，降低生產成本，及時反映市場和用戶的需求，提升電機行業柔性生產能力和信息化水平。

3. 1 數字工廠

3. 1. 1 綜述

數字工廠是一種綜合性的數字模型、方法和工具的網絡——包含建模、仿真和3D可視化設計。

企業進入市場時面對諸多挑戰，需提供有競爭力的產品、售后服務、保證產品質量并且控制價格等，以滿足客戶對產品的預期。為了維持企業競爭力、保證可持續發展，制造業應當對產品附加值和附加服務、新的商業模型、新的制造工藝、新興科技、相關科研教育機構等予以高度關注。

工業轉型模型如圖1所示，可以認為虛擬工廠屬于其中的第3組，也即先進制造工藝。

圖1 工業轉型模型

制造型企業需對其組織結構進行重構，使其在市場和制造工藝不斷變動發展的過程中，能實現主動、預測性的產品結構調整。未來工廠的規劃和優化必須把產品的從設計階段到回收/廢棄階段的全生命周期考慮在內。

未來的生產中，仿真技術和3D/虛擬現實模型將變得至關重要。數字工廠的實施有諸多優勢[2-3]：

(1) 同個項目處在不同地理位置的人可以實現相互協作。

(2) 通過對新產品的仿真減少在更改產品設計時產生的時間與材料的浪費，實現無損耗、互動式的產品決策和創新。

(3) 知識庫可作為過往設計材料的儲備，供相關人員查閱。

(4) 處在產品生產鏈上不同位置的人員能夠實現遠程協作。

(5) 通過在虛擬生產線、虛擬設備上的訓練學習，工人能夠更為熟練地進行生產、應對緊急情況。

為了實現以上這些目標，工廠的運作和其對應的生產過程必須要依托仿真技術，應用新型的方法與技術持續不斷地進行優化。從過去到未來的工廠規劃演化過程如圖2所示。

圖2 工廠規劃演化

3. 1. 2 電機數字化工廠生產要素模型

電機數字化工廠，由于電機生產工序復雜、部分工序(如嵌線)人工依賴重、自生產和外協相結合的生產模式，存在工人技能熟練程度不同、零部件或半成品供應商資質參差不齊等問題，為保證其產品性能和品質的一致性，電機數字化工廠的信息系統建設強調對生產人員、生產設備、生產物料、生產工藝、質量檢測等生產要素的建模。各生產要素所包含的信息如表2所示。

表2 生產要表所包含的信息

3. 2 子系統

電機數字化車間的信息系統架構，由下而上分為設備層、控制層、管理層、企業層，如圖3所示。

圖3 電機數字化工廠體系架構

設備層包括數控機床、機器人、AGV小車、傳感器、儀器儀表等感知及執行單元；控制層包括可編程控制系統、數據采集與監控系統、機器人控制系統和其他控制系統，負責生產線的控制和底層設備與信息系統的通信、指令下達、數據采集等；管理層由物流管理、制造執行、產品生命周期管理等位于車間層面的管理系統組成；企業層則包含經營管理層級的ERP等信息系統。

ERP的核心思想是實現對整個供應鏈的有效管理，主要體現在對整個供應鏈資源進行管理、精益生產、同步工程和敏捷制造、事先計劃與事中控制的思想[4]。

PLM是覆蓋了從產品誕生到消亡的產品生命周期全過程的、開放的、互操作的一整套應用方案，包含產品數據管理(PDM)、計算機輔助設計(CAD)、計算機輔助工程(CAE)、計算機輔助制造(CAM)、計算機輔助工藝(CAPP)[5]。

MES系統是一套面向制造企業車間執行層的生產信息化管理系統。MES可以為企業提供包括制造數據管理、計劃排程管理、生產調度管理、庫存管理、質量管理、人力資源管理、工作中心/設備管理、工具工裝管理、采購管理、成本管理、項目看板管理、生產過程控制、底層數據集成分析、上層數據集成分解等管理模塊[6]。

WMS是對物料存放空間進行管理的軟件，區別于庫存管理。其功能主要有兩方面，一是通過在系統中設定一定的倉庫結構對物料具體空間位置進行定位，二是通過在系統中設定一些策略對物料入庫、出庫、庫內等作業流程進行指導，有利于倉庫資源使用。

各子系統進行集成后將為整個信息管理平臺提供一個統一的門戶，在其他子系統的基礎上，通過集中與分散監控結合，利用可視化大屏實現生產信息的實時共享與監控。

3. 3 系統集成

3. 3. 1 系統集成的需求與挑戰

一個典型的電機制造工廠，乃至任何一個較為成熟的制造型企業的信息系統，通常都是由多個用戶自建、第三方承擔、從原有信息系統中保留下來的應用(例如典型的具有一定信息化基礎的電機制造廠通常具有的ERP系統、PDM系統、CAD軟件等)，或是上述幾者所共同構成的。同一個部門中，這些應用的運行平臺各不相同，而不同部門或不同子公司所采取的信息化解決方案也不盡相同。

造成這一現狀的原因如下。

(1) 由于開發企業管理軟件的復雜程度，導致通過一個統一、龐大的單一應用來管理整條產品供應鏈難度極大。盡管某些ERP的開發商曾經成功開發出了規模較大的商務軟件，然而事實上，即便是重量級的軟件開發商(例如SAP、Oracle)也僅實現了典型企業管理軟件的某些功能模塊。

(2) 將功能模塊分散到不同的子系統中，有利于企業靈活搭建最符合自身生產管理需求的管理系統，因此傳統系統實施商也致力于提供具有某些特定功能的專有應用。然而隨著對系統功能要求的日益增強，一些企業現有的系統架構功能拓展已經達到了飽和乃至于溢出,例如一些計費系統開始納入客戶關系管理和會計管理功能，而另一方面，原本的客戶關系管理軟件也逐步做出調整，加入了簡單的計費功能。這樣的背景給定義清晰的系統邊界造成了困難。

用戶使用中對子系統的邊界并不敏感，事實上在大多數企業中，單一的用戶請求可能涉及到多個子系統，如訂單的下達，從客戶的角度僅是完成了一次交易，在企業信息系統中，卻包含用戶權限驗證、確認庫存、完成訂單、給出物流編碼、計算稅收等一系列涉及多個子系統的流程。

為了支持常用的生產和商務流程，各個應用之間需要可靠、高效、安全的集成方式來支持數據與信息的交互。

進行系統集成的主要原則也是主要挑戰如下。

(1) 應用耦合。為不影響應用各自的升級，各集成的子系統間應當盡量以松耦合的方式集成。

(2) 集成簡化。集成時應當盡量減少應用二次開發的工作量，除了必要的變更與新功能的增加外，應最小化集成工具本身所需的開發量。

(3) 數據格式。各子系統之間交互的數據格式必須統一，或有翻譯器以統一數據格式。此外，數據格式的演化和拓展應如何實現，以及這些變更將如何影響信息系統運作的問題亦隨之而來。

(4) 數據時效。數據的高頻、小批量交互限制了子系統之間數據傳輸的時間，系統的集成應盡量減少數據傳輸的時延，保證數據的時效性。

(5) 異步處理。不同于傳統的計算機處理進程的方式，工廠信息系統的任務要求系統集成后具有異步處理請求的能力以充分提高系統可用性。

3. 3. 2 集成方式

系統集成的實現方法多種多樣，每種方法都各有其優缺點,歸納來說，基本可以將之劃分為文件傳輸、共享數據庫、遠程過程調用和報文發送四大類。

文件傳輸指由各應用發出共享文件數據供其他消費者程序消費；共享數據庫則是令各個子系統將所需的數據存儲在一個共同的數據庫中，以便其他子系統調?。焕眠h程過程調用進行系統集成意味著各子系統的部分功能將支持遠程喚醒，以便外部應用進行調用，實現某些功能或進行數據傳輸；報文發送這一方式將所有子系統連接到統一的消息系統上，利用消息報文傳輸數據。

3. 3. 3 交互內容

(1) ERP與PLM的集成。為了滿足企業需求，企業信息系統集成的必要性逐步得到了重視。舉例來講，控制產品生產的信息系統MES的開發，催生了ISA 95-IEC 62264 標準對MES系統功能，以及ERP與MES之間數據結構的交換進行規范[7]。

PLM與ERP間主要交互以下關鍵信息：開發，包括開發指令、開發合同、產品需求等；物料信息，PLM從ERP取得現有的物料信息，從而形成產品BOM信息和工藝流程，回傳給ERP，在具體生產時，ERP會將這些信息再傳給MES系統；產品成本信息，PLM會將當前產品所用的產品BOM、工藝等發送給ERP，ERP會根據這些信息進行成本核算，計算出一個基礎成本信息。

制造業企業的ERP的成功運行，需要依賴準確性、一致性達到比較高的產品數據，而通過PLM將產品研發過程及產品數據管理好，將為ERP的實施和成功應用奠定良好的基礎，為ERP運行提供準確、受控的產品數據如物料、產品結構、工藝等。

同時，PLM能從ERP中獲取有關基礎信息，在產品開發設計中能夠與生產管理等活動緊密聯系起來，可以提高企業的設計水平和反應速度。

(2) MES與PLM的集成。整個產品制造過程的數據分為CAD模型、物料清單(BOM)、制造流程、作業指導和設備設置。這些數據將由PLM經由ERP傳給MES系統。另一方面，MES應當能夠與PLM交流，報告檢測到與這些數據相關的問題，將生產情況反饋給PLM系統，以實現對生產過程的優化。

(3) ERP與MES的集成。ERP和MES兩者間主要存在如下接口。

① 從ERP到MES接口。這個接口需要從ERP中將物料基本信息、工單、工單用料、BOM等信息導入到MES系統，工單包含以下信息：生產日期、時間、生產線、產品、工藝路線等。生產完畢后還應傳遞出貨信息，滿足后續物流的要求。

原料物料編碼：在MES系統中，需對原料和物料的基礎信息進行維護。因此，ERP系統中的原料物料編碼與MES系統中原料物料編碼應具有一致性。

這個接口的解決方法是，從ERP中將初始原料物料編碼導人MES系統中，當ERP中增加原料和物料的時候，同步MES中的原料物料庫。

工單信息：ERP在整個數字化車間系統中處于企業層，客戶下達訂單后首先在ERP中制定生產計劃，然后通過接口傳送給MES系統，在MES系統中執行詳細的生產排程和工序調度。

② 從MES到ERP的接口。工單實際產量信息：因為MES處于車間執行層，使其可以從車間自動化系統中采集匯總實時的半成品和成品的產量信息，通過本接口，將實際的產量信息傳送到ERP工單中。工單原料物料消耗：因為MES處于車間執行層，使其可以從車間自動化系統中采集匯總每種原料和物料的使用量信息，通過本接口，將實際的原料物料使用量傳送到ERP工單中。工單資源消耗信息：因為MES處于車間執行層，使其可以從車間自動化系統中采集匯總資源的使用量信息，通過本接口，將實際的資源使用量傳送到ERPI單中。

(4) 與控制層的集成。MES與PCS系統的集成，主要通過MES系統與PCS系統中DNC模塊的集成實現。當MES系統下達日生產計劃時，對應的NC程序下達到車間現場的DNC管理模塊，由DNC管理模塊進行具體的NC程序下達。

MES-PCS集成系統應用流程圖如圖4所示。

圖4 MES-PCS集成系統應用流程圖

MES-DNC集成系統的主要內容包括：MES系統下發生產計劃，DNC系統根據MES系統下發的工藝規程、工序號、生產車間、設備號等信息篩選出對應的NC程序，然后將對應的NC程序下發到對應的設備上。同時DNC系統將工序對應的NC程序列表回傳給MES系統，以方便車間現場調用NC程序。當車間現場完成NC程序的加工、計劃更改、計劃取消等情況時，根據計劃情況和工藝規程、工序號、設備號、車間號等信息刪除設備樹上對應的NC程序，保證計劃完成或取消的時候，車間現場一定調用不到NC程序。當車間現場開始生產加工時，網絡DNC系統采集模塊將生產加工信息性添加到數據采集中間表中，通過基礎數據處理模塊將數據采集中間表中零散的機床加工數據和設備運行數據進行處理，使MES系統能夠直接調用數據，了解當前車間現場加工情況和設備運行狀況。

(5) PLM與DNC的集成。網絡DNC系統不僅是一個通信系統，同時也是一個管理系統，是對研發設計到生產制造落地的必要過程管理。

根據企業數字化發展現狀，設計數據的技術狀態管理在PLM系統中實現，按照數據信息的共享、傳遞原則，需要將PLM系統中有效數據通過集成的方式，將設計數據作為NC代碼的輸入依據，在DNC系統中編程員需要根據有效的產品模型和對應的工藝要求編制NC程序，同時產品設計人員和工藝人員也需要知道NC程序的相應信息。PLM與DNC的集成流程圖如圖5所示。

圖5 PLM與DNC的集成流程圖

綜上所述：DNC系統需要與PLM系統集成在一起。相應的DNC系統與PLM系統集成主要包括三部分：首先，當PLM中啟動數控程序下發流程時，將項目號、圖號及版本號傳遞給DNC系統，在DNC系統中根據項目號、圖號及版本號生成結構樹。其次，PLM系統將產品對應的需要數控加工的數據模型信息和工藝信息傳遞給DNC系統，在DNC系統內可以瀏覽從PLM系統中獲得的工藝信息和數據模型信息。最后，在DNC系統中，編程員在產品結構樹下根據工藝信息和數據模型信息編制NC程序，完成流程管理，當NC程序歸檔時，根據NC程序對應項目號、圖號及版本號反傳回PLM系統，PLM系統根據這些信息將數據存儲在對應的位置。

4 結 語

本文提出的電機智能制造信息化平臺，已在臥龍電機和大中電機開始實施運行。運行完成時其有效性將得到進一步驗證。

平臺搭建完成之后，為了對產品銷售鏈的生產數據、質量數據、市場需求、用戶反饋等進行處理分析，基于車間上傳數據量龐大、數據來源種類繁多、網絡連接穩定性不足和系統建設成本等考慮，將采取Hadoop架構進行大數據分析。

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ElectricMachineIntelligentManufacturingInformationPlatform

YANYue1,YOUDe2,MASisong3

[1. Shanghai Electrical Apparatus Research Institute, Shianghai 200063, China;2. Shanghai Electrical Apparatus Research Institute (GROUP) Co., Ltd., Shanghai 200063, China;3. Quality and Technique Supervision, Inspection and Testing Center of Xuchang City, Xuchang 461000, China]

A highly integrated comprehensive management platform for the smart manufacturing of electric machines was proposed , the industry of which had been commercialized for long but yet in a phase of transitioning and rapid evolution due to the impact of the 4th industry revolution. With a review of electric machine manufacturing process and investigation of operation of motor manufacturers, suggestions are made on the modelling and system integration of electric machine smart manufacturing. The platform presented was intended for the reference of the development of electric motor digital factory and the optimization of its management.

intelligentmanufacturing;electricmachinemanufacturingplatform;manufacturingexecutionsystem(MES);enterpriseresourceplanning(ERP);productlifecyclemanagement(PLM)

閻 閱(1992—)，女，碩士研究生，助理工程師，研究方向為離散制造業智能制造及數字化工廠信息模型。

尤 德(1989—)，男，本科，助理工程師，研究方向為工業自動化控制。

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1673-6540(2017)12- 0119- 07

2017 -03 -02