面向航天復雜產品的智能制造

王艷廣 宿春慧 高方方 鄭楊

摘 ?要：工業互聯網平臺是制造業企業實現智能制造的重要載體。面向航天系統復雜產品的智能制造，闡述了工業互聯網平臺的組成，基于平臺的企業業務數字化集成以及車間智能化改造方案。通過航天企業智能制造樣板間改造和建設，開展了跨企業智能制造應用。為企業開展基于工業互聯網平臺的智能制造提供了參考。

關鍵詞：工業互聯網平臺;智能制造;樣板間

中圖分類號：TP393;TH166 ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）16-0150-03

Abstract：Industrial internet platform is an important carrier for manufacturing enterprises to realize intelligent manufacturing. For intelligent manufacturing of complex aerospace products，the composition of industrial Internet platform，digital integration of enterprise business based on platform and intelligent transformation scheme of workshop were proposed. Through the construction of the model room of intelligent manufacturing of aerospace enterprises，the application of intelligent manufacturing across enterprises was carried out. It provides a reference for enterprises to develop intelligent manufacturing based on industrial internet platform.

Keywords：industrial internet platform;smart manufacturing;model room

0 ?引 ?言

德國工業4.0、美國工業互聯網、中國制造2025等先進制造業發展戰略的相繼提出，加速了云計算，邊緣計算，物聯網，大數據及人工智能等新一代信息技術與傳統制造業的融合。“互聯網+制造”[1，2]、服務型制造[3，4]、云制造[5-7]等先進制造模式逐步引領傳統制造業向數字化、智能化的階段發展。先進制造業發展戰略的關鍵在于構建賽博物理信息系統，實現物理世界和信息世界之間的交互和共融，從而實現智能制造。

目前，制造業企業大部分仍處在建設數字化企業的階段，實現智能制造還需要解決以下問題：首先，在企業層級業務流程方面缺少基于工業互聯網平臺的數字化集成和支撐能力建設;其次，在企業現有車間設備和網絡的改造升級方面缺少統一規劃;最后，缺少基于工業互聯網平臺的智能制造應用案例。針對上述問題，從航天科工集團工業互聯網平臺INDICS出發，通過對平臺即服務，工業物聯網智能網關以及云端應用等各層功能分析，對產品設計、生產制造，企業PDM、ERP、MES等業務系統數字化集成以及車間數字化改造方案進行了闡述。最后，依托中德政府間合作項目，以航天科工集團企業為原型建造了智能工廠樣板間，開展了基于工業互聯網平臺的航天產品跨企業智能制造應用。

1 ?工業互聯網平臺

近年來，國外企業在基于工業互聯網平臺的智能制造實踐方面做出了很多有益的探索和實踐。2013年美國GE公司推出工業互聯網平臺Predix，提供面向航天、電力以及醫療領域的數以百萬計的數字孿生模型，支撐企業與智能制造相關的資產和系統優化配置。2015年法國達索公司推出的3DEXPERIENCE體驗平臺，對產品的結構化建模，數值模擬和性能可視化方面進行完整的展現。2016年德國西門子公司推出工業互聯網操作系統MindSphere，可快速實現產品設計、工廠車間、設備運行狀態參數和信息化系統的連接，支撐企業在工業技術知識方面的積累與復用。

國內工業互聯網平臺建設呈現多元化發展趨勢。制造業領域如航天科工INDICS平臺，海爾的COSMOPlat平臺;信息通訊領域如華為OceanConnect平臺，以及互聯網領域阿里巴巴supET平臺等。國內主流工業互聯網平臺建設依據行業特色，涵蓋了設備接入/管理、數據存儲/處理/分析、軟件應用管理、平臺應用開發、資源/能力整合集成以及平臺安全等功能。

目前，主流工業互聯網平臺初步具備為企業生產制造過程中各類要素信息智能感知、云端協同制造、高效分析和科學決策等提供服務的能力。可以預見，隨著技術的發展和服務能力的提升，工業互聯網平臺將會成為制造業轉型升級，實現智能制造的有力支撐載體。

1.1 ?平臺組成

從國內航天科工集團的工業互聯網平臺INDICS出發，重點從平臺即服務層，工業物聯網網關層，以及應用服務層出發，描述平臺用于支撐企業智能制造中產品全生命周期的研發、制造、智能協作等全產業鏈的能力，以及企業智慧化運行以及企業間的信息互通、資源共享、能力協同實施途徑。

工業互聯網的PAAS層中仿真引擎可為產品多學科協同仿真、產線仿真提供高性能的運行管理服務;大數據分析引擎對產品設計、生產和服務不同階段生成的多源異構數據進行高效分析處理，為物理產品和虛擬模型間的信息互通共融提供實施途徑;軟件定義制造的流程引擎可為企業業務的數字化集成提供靈活的云端配置環境。

工業互聯網網關層提供企業業務、產線設備的平臺接入服務。基于研發、生產、仿真試驗的企業業務以及制造、加工、智能監測等工業設備均可通過邊緣側智能網關接入云平臺。

應用服務層利用云端部署的輕量化云制造應用、云端企業資源協同管理和云制造運營管理系統等工具，支撐云端跨企業智能排產，資源異地集成的企業間協同制造。

綜上所述，INDICS平臺可有效支撐企業智能制造、協同制造、云制造等制造模式的轉型發展需求。

1.2 ?基于工業互聯網平臺的業務數字化集成

企業業務數字化集成包括了產品設計制造模孿生型數據與PLM集成，企業層ERP、MES業務信息系統間集成，以及企業設計、生產階段與云制造應用的協同集成。基于產品設計、產線/物流/裝配制造的企業業務集成。

設計制造階段與PLM的集成，以產品設計仿真、制造階段產線仿真、物流仿真等功能為載體，實現產品制造信息結構化管理、仿真模型數據管理、BOM管理、工藝路線規劃以及虛擬化制造仿真等功能;企業業務信息系統的PLM與ERP系統的雙向集成通過EBOM、PBOM、MBOM等信息和銷售訂單實現;PLM與MES系統集成通過BOP過程清單和工藝反饋實現;車間現場為MES系統提供執行反饋及車間數據，MES系統為車間現場提供生產調度和資源管理等控制信息，實現企業資源動態優化配置和高效業務流程管理。

在產品生產過程中涉及的業務數據也將作為平臺接入對象被賦予標識，經過IIOT設備的處理并在平臺進行存儲。通過對產品設計、生產制造、服務各個環節中產生的數據、文件等進行標識和存儲后，通過平臺統一的數據庫，用戶可以進行數據調用。

2 ?面向航天復雜產品的智能制造樣板間建設

以航天總體部、總裝廠、配套廠的三家企業型號產品研制流程為基礎，開展基于航天云網INDICS工業互聯網平臺的跨企業智能制造應用。其中，航天總體部負責航天復雜產品總體設計，總裝廠負責產品的關鍵部件生產、總裝和測試，配套廠負責產品外協零部件生產。其中，航天總體部與配套廠在云制造應用cPDm中完成產品協同設計與工藝協同設計。基于CRP配套廠實現企業內部排產，以及與總裝廠跨企業云排產。同時，供應鏈系統與云端CMOM系統高效協同，實現跨企業的物流、生產協同與對接。

2.1 ?車間智能化改造

以總裝廠和配套廠現有生產車間為基礎開展智能樣板間建設，建設內容涵蓋車間已有設備接入方式改造以及工業現場總線網絡和通信網絡升級兩部分。針對現有已經接入車間現場總線的設備，通過工業網關（航天云網SMART IOT系列產品）實現設備與高性能網絡的連接;針對車間新增設備，如智能加工中心、車間自動物流系統、自動化倉庫等，通過設備自有的以太網接口實現與高性能網絡的連接。在網絡升級方面，增加NB-IoT和WIA工業無線網絡的部署，滿足車間移動設備終端接入需求。支撐基于云制造平臺的“云基礎設施+終端連接+數據分析+應用服務”的發展模式。

車間智能化改造后，形成智能數據采集與控制、現場管理、支撐生產單元以及生產輔助四個子系統。支撐現場設備數據、生產數據、物料數據、場內物流數據、倉儲數據等接入INDICS工業互聯網平臺。

智能數據采集與智能控制，包括工業控制系統、工業網關、數據采集器、網絡與通訊。通過智能數據采集與智能監控，實現車間工位、每臺設備之間的實時信息交互。

現場管理子系統，包括現場調度系統、視頻監控系統和看板系統。利用信息化技術，開展從生產計劃下達、物料齊套、生產節拍、完工確認、生產進度、標準作業指導、質量管理、工件條碼采集等過程進行管控，并通過以太網和現場總線實時將現場信息及時準確地傳達到生產管理者與決策者。

智能生產單元，包括智能加工設備、在線監測、智能工位、報警安全設備和自動上下料裝置。實現設備自身的狀態信息收集并上傳，控制系統將響應的命令傳送到設備上，對設備生產加工參數進行調整。

生產輔助系統，主要包括編碼系統、Andon系統。編碼系統對企業整個物品（原材料、成品、半成品等）進行管

理，生成唯一的識別碼，實現對數據采集的精準化;Andon系統針對生產設備的狀況、生產加工異常情況進行報警或提示。

2.2 ?樣板間虛擬產線建模仿真

生產制造階段以平臺開發的虛擬工廠模塊為依托，提供產線虛擬孿生模型建模和仿真環境，基于INDICS平臺的虛擬工廠應用過程如下。

在工廠生產數據獲取方面，通過現場側的智能網關產品進行采集處理，實現與云端產線孿生模型的數據交互，生產階段數據使用統一的數據格式XML/JSON傳輸，生產階段數據涵蓋企業業務數據、工藝數據、物料數據、排產計劃等數據;同時，企業業務打造數字化集成，實現與CPDM、CRP、CMOM等云制造應用的互聯。

在虛擬產線孿生模型構建方面，依據產線布局、設備利用率、生產能力、生產周期、企業內物流配送等實際需求，基于平臺虛擬工廠已有的輕量化產線設備模型庫，快速搭建產線三維虛擬模型。同時，基于Unity 3D引擎開發的虛擬現實系統，實現基于虛擬產線的可視化監控。基于生產實時數據，虛擬產線仿真模型進行生產任務、生產過程、生產管控的仿真評估與優化，指導物理產線生產計劃的制定與執行，為企業提供生產智能化和精準化服務。

3 ?航天復雜產品跨企業智能制造應用

以航天液壓系統產品為對象，基于車間智能化改造，開展面向航天總體設計部、總裝廠、配套廠的面向航天產品生命周期跨企業協同制造應用。

航天總體部完成產品結構、流體等單學科仿真，進而通過仿真流程集成，完成系統級設計仿真。其中，仿真數據、模型文件的簽審、發布和版本控制由云端CPDM應用統一管理。車間現場的邊緣側智能網關對樣板間產線設備運行數據，生產過程數據及業務數據進行預處理，將用于生產決策的數據實時接入INDICS平臺。

在總裝廠和配套廠車間數據集成方面，企業業務數據通過XML/JSON的兼容性格式使企業服務總線傳輸與云端輕量化云制造應用集成，樣板間現場實時數據通過OPC_UA協議進行采集。實現對生產現場制造能力、資源的按需配置和跨企業的云端排產。

通過樣板間的初步應用和實踐，企業的產品協同研發設計周期顯著縮短、資源有效利用率和生產效率均有大幅提升，產品質量一致性得到改善。

4 ?結 ?論

通過面向航天復雜產品開展的跨企業智能制造應用，工業互聯網平臺為制造業企業實現智能制造提供了新的理念和技術實施途徑。在面向航天企業產品智能制造的實踐中，取得了初步應用成效。

目前，基于工業互聯網平臺的智能制造探索還處于起步階段，在設備上云、企業業務上云、云邊協同等方面實施過程中仍然需要完善和優化，希望相關工作能為企業智能制造實踐提供參考。

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作者簡介：王艷廣（1985.08-），男，漢族，河南濮陽人，高級工程師，博士，主要研究方向：智能制造、云制造、數字孿生技術。