智能制造系统架构和标准体系结构
导读:智能制造是基于先进制造技术与新一代信息技术深度融合,贯穿于设计、生产、管理、服务等产品全生命周期,具有自感知、自决策、自执行、自适应、自学习等特征,旨在提高制造业质量、效率效益和柔性的先进生产方式。一、智能制造系统架构智能制造是基于先进制造技术与新一代信息技术深度融合,贯穿于设计、生产、管理、服务等产品全生命周期,具有自感知、自决策、自执行、自适应、自学习等特征,旨在提高制造业质量、效率效益和柔性的先进生产方式。智能制造系统架构从生命周期、系统层级和智能特征等3个维度对智能制造所涉及的要素、装备、活动等内容进行描述,主要用于明确智能制造的标准化对象和范围。智能制造系统架构如图1所示。1.生命周期生命周期涵盖从产品原型研发到产品回收再制造的各个阶段,包括设计、生产、物流、销售、服务等一系列相互联系的价值创造活动。生命周期的各项活动可进行迭代优化,具有可持续性发展等特点,不同行业的生命周期构成和时间顺序不尽相同。(1)设计是指根据企业的所有约束条件以及所选择的技术来对需求进行实现和优化的过程;(2)生产是指将物料进行加工、运送、装配、检验等活动创造产品的过程;(3)物流是指物品从供应地向接收地的实体流动过程;(4)销售是指产品或商品等从企业转移到客户手中的经营活动;(5)服务是指产品提供者与客户接触过程中所产生的一系列活动的过程及其结果。2.系统层级系统层级是指与企业生产活动相关的组织结构的层级划分,包括设备层、单元层、车间层、企业层和协同层。(1)设备层是指企业利用传感器、仪器仪表、机器、装置等,实现实际物理流程并感知和操控物理流程的层级;(2)单元层是指用于企业内处理信息、实现监测和控制物理流程的层级;(3)车间层是实现面向工厂或车间的生产管理的层级;(4)企业层是实现面向企业经营管理的层级;(5)协同层是企业实现其内部和外部信息互联和共享,实现跨企业间业务协同的层级。3.智能特征智能特征是指制造活动具有的自感知、自决策、自执行、自学习、自适应之类功能的表征,包括资源要素、互联互通、融合共享、系统集成和新兴业态等5层智能化要求。(1)资源要素是指企业从事生产时所需要使用的资源或工具及其数字化模型所在的层级;(2)互联互通是指通过有线或无线网络、通信协议与接口,实现资源要素之间的数据传递与参数语义交换的层级;(3)融合共享是指在互联互通的基础上,利用云计算、大数据等新一代信息通信技术,实现信息协同共享的层级;(4)系统集成是指企业实现智能制造过程中的装备、生产单元、生产线、数字化车间、智能工厂之间,以及智能制造系统之间的数据交换和功能互连的层级;(5)新兴业态是指基于物理空间不同层级资源要素和数字空间集成与融合的数据、模型及系统,建立的涵盖了认知、诊断、预测及决策等功能,且支持虚实迭代优化的层级。二、智能制造标准体系结构智能制造标准体系结构包括“A基础共性”、“B关键技术”、“C行业应用”等3个部分,主要反映标准体系各部分的组成关系。智能制造标准体系结构图如图2所示具体而言,A基础共性标准包括通用、安全、可靠性、检测、评价、人员能力等6大类,位于智能制造标准体系结构图的最底层,是B关键技术标准和C行业应用标准的支撑。B关键技术标准是智能制造系统架构智能特征维度在生命周期维度和系统层级维度所组成的制造平面的投影,其中BA智能装备标准主要聚焦于智能特征维度的资源要素,BB智能工厂标准主要聚焦于智能特征维度的资源要素和系统集成,BC智慧供应链对应智能特征维度互联互通、融合共享和系统集成,BD智能服务对应智能特征维度的新兴业态,BE智能赋能技术对应智能特征维度的资源要素、互联互通、融合共享、系统集成和新兴业态,BF工业网络对应智能特征维度的互联互通和系统集成。C行业应用标准位于智能制造标准体系结构图的最顶层,面向行业具体需求,对A基础共性标准和B关键技术标准进行细化和落地,指导各行业推进智能制造。互联互通社区互联互通社区专注于IT互联网交流与学习,旨在打造最具价值的IT互联网智库中心,关注公众号:互联互通社区,每日获取最新报告并附带专题内容辅助学习。方案咨询、架构设计、数字化转型、中台建设、前沿技术培训与交流,合作请+微信:hulianhutongshequ小白聊智慧制造之二:智能制造的体系架构
上篇聊的是信息物理系统(CPS),CPS是工业4.0的核心。如果你对上篇的文章内容还有疑问,那我再打一个简单的比方。比如一个人,体型、外表可以看着是个物理系统,而大脑是信息系统,如果仅仅只有物理特性的人,那就是个废人,你可以看到大街上目光呆滞的有着严重智障的病患者,就是因为大脑和机体联系关系之间某个方面出了问题。而连接大脑和身体的是人的神经系统,连接这个物理和信息系统的神经系统可以看做我们所说的物联网。
01 互联、感知是智慧制造系统的先决条件
在我们了解了信息物理系统(CPS)之后,我们来探讨下,智慧制造系统是如何实现的。
实体的物理系统是客观存在这个世界上的,从某种意义上来讲,这些物理系统每时每刻都在产生出大量的数据,但这些数据不能为人的视觉、听觉、嗅觉和触觉等感官系统感受得到。对于制造业来说,我们看到的是一台机器停止了工作,但这台机器一直不停地告诉人们它磨损地的情况,但我们人类却熟视无睹,因为我们无法读懂机器所发出的信息。
工业互联网的出现,解决了这个问题,让万物互联,并深刻感知。在物联网的技术架构中,传感器技术、射频识别标签以及嵌入式系统技术是三大关键技术。
--传感器技术:是物联网应用中最关键的技术,也是计算机应用中的关键技术。通过传感器将模拟信号经过物联网网关转换成数字信号,这样计算机就可以识别这些信号。目前传感器种类众多,如:温度、压力、位移、速度、湿度、光线、气体等传感器。
--射频识别标签也属于一种传感器技术,因为射频识别技术是融合了无线射频技术和嵌入式技术为一体的综合性技术。在自动识别、原料入库、产品出库和物流管理等领域,射频识别技术都有着广阔的应用前景。
--嵌入式系统技术是一种复杂的技术,因为它融合了计算机软硬件、传感器技术、集成电路技术、电子应用技术等多项技术。具有嵌入式系统特征的大大小小的智能终端正改变着人们的生活,推动着工业生产以及国防工业的发展。
终端设备和传感器,通过Ethernet(工业以太网)、Wi-Fi、RFID、NFC(近距离无线通信)、LPWAN, 6LoWPAN(IPV6低速无线版本)、Bluetooth、GSM、GPRS、GPS、3G/4G/5G等网络遵循一定的通讯协议和传输协议将上述三项技术获得的信息传输到传输到云端或物联网网关,成为计算机可识别的数字信号,再进行相应的分析和处理。
02 智慧制造的体系架构
智慧制造系统架构层级自下而上共五层,分别为设备层、网络层、平台层、应用层和协同层。智能制造的系统层级体现了装备的智能化和互联网协议(IP)化,以及网络的扁平化趋势。具体包括:
---设备层级包括传感器、仪器仪表、条码、射频识别、机器、机械和装置等,是企业进行生产活动的物质技术基础;
---网络层包括控制网络(包括可编程逻辑控制器PLC、数据采集与监视控制系统SCADA、分布式控制系统DCS和现场总线控制系统FCS等)、工业物联网、互联网、各种私有网络、互联网、有线和无线通信网、网络管理系统等;
---平台层级包括的是大数据平台、云平台;数据处理中心。
---应用层包括各种企业应用,如企业资源计划系统(ERP)、产品生命周期管理(PLM)、供应链管理系统(SCM)和客户关系管理系统(CRM)等;
---创新层,这个层级是企业在物联网、互联网、人工智能等基础之上,结合行业及企业的需求,实现的在原有的应用之上的智能应用。
03 智能制造的五个特征
智能工厂及其部分主要特征:互联、优化、透明、前瞻和敏捷。这些特征均有助于进行科学决策,并协助企业改进生产流程。
--互联:互联是智慧制造最重要的特征,同时也是其最大的价值所在。智慧制造须确保基本流程与物料的互联互通,获取实时决策所需的各项数据。在真正意义的智能工厂中,传感器遍布工厂的设备和产线,因此系统可不断抓取数据集,确保数据持续更新,实时并真实反映当前情况。
--优化:通过整合来自产品全生命周期各个环节的数据,优化工厂实现高度可靠的运转,最大程度上降低人工干预。智能工厂具备自动化工作流程,可同步了解资产状况,同时优化了追踪系统与进度计划,能源消耗亦更加合理,可有效提高产量、运行时间以及质量,并降低成本、避免浪费。
--透明:通过产品全生命周期实时数据可视化,通过云计算处理并可视化输出,从而协助人工以及自动化决策流程。透明化网络还将进一步扩大对设备情况的认识,并通过基于角色的观点、实时警告与通知以及实时追踪与监控等手段,确保企业决策更加精准。
--前瞻:智慧制造能够基于历史与实时数据,预测何时发生及发生何种状况,从而提高正常运行时间、产量与质量,同时预防安全问题。在一个前瞻型体系中,员工与系统可预见即将出现的问题或挑战,并提前予以应对,还可以设置好预案,由机器自响应。前瞻和预案还包括识别异常情况,储备并补充库存,发现并提前解决质量问题,以及监控安全与维修问题。在智慧制造的生态系统之下,通过学习能力,会增强预测能力及预测的准确性。
--灵活:智慧制造具备敏捷的灵活性,可快速适应进度以及产品变更,并将其影响降至最低。可根据正在生产的产品以及进度变更,自动配置设备与物料流程,进而实时掌控这些变更所造成的影响。此外,灵活性还促使智能工厂在进度与产品发生变更时,最大程度上降低调整幅度,从而提高运行时间与产量并确保灵活的进度安排。
值得注意的是,世界上没有两个一模一样的智能工厂,制造企业可依据其特定需求,重点发展智能工厂的不同领域和特征。这也是工业互联网和商业互联网的最大的不同点。
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中国智能制造标准体系
在研究完各类智能制造应用系统,提取其共性抽象特征,输出系统架构后,对智能制造标准体系结构分解细化,进而建立智能制造标准体系框架。智能制造标准体系结构包括“A基础共性”、“B关键技术”、“C行业应用”等三个部分,主要反映标准体系各部分的组成关系,智能制造标准体系结构图如下:基础共性标准用于统一智能制造相关概念,解决智能制造基础共性关键问题,主要包括通用、安全、可靠性、检测、评价、人员能力等6个部分,位于智能制造标准体系结构图的最底层。关键技术指标主要包括智能装备、智能工厂、智慧供应链、智能服务、智能赋能技术和工业网络等6个部分。行业应用标准主要发挥基础共性标准和关键技术标准在行业标准制定中的指导和支撑作用,注重行业标准与国家标准间的协调配套,结合行业特点,重点制定规范、规程和指南类应用标准,进一步推进或完善行业智能制造标准体系;分析轻工、食品行业、农业机械、工程机械、核能、民爆等智能制造标准化重点方向。主要包括船舶与海洋工程装备、建材、石化、纺织、钢铁、轨道交通、航空航天、汽车、有色金属、电子信息、电力装备及其他等12个部分。智能制造标准体系结构中A基础共性及C行业应用涉及到整个智能制造系统架构,B关键技术与智能制造系统架构的映射如下图:对于上述A、B、C三部分,国家对部分内容已出台明确GB标准文件,有需要的可自行下载学习。智能制造系统架构和标准体系结构
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作为智能制造标准体系框架的研究基础,数字化工业标准体系深度融合信息化与工业化,实现武器装备协同论证、协同设计、协同制造、协同试验、协同服务保障。围绕航天武器装备研制需求,提升面向虚拟样机的智能研发能力、基于模型的智能制造能力、智能化协同管控能力、面向资源和能力的军工集团智慧云服务能力、智慧军工条件下的信息安全能力等5项核心能力,为科工集团装备智能制造标准体系框架建设奠定坚实的基础。数字化工业标准体系顶层框架如图1中所示。
图1数字化工业标准体系和智能制造标准体系
2.2继承关系
科工集团装备智能制造标准体系框架用以统筹标准资源、优化标准结构,以满足智能制造发展需求为目标,界定智能制造标准化的内涵和外延,识别智能制造现有和缺失的标准,认清与现有数字化工业标准体系间的交叉迭代关系,在数字化工业标准体系的基础上完成一次进阶,从数字化制造上升到智能化制造的新高度。
目前的数字化工业标准体系主要围绕产品生命周期集成过程的数字化开展标准化工作,而智能制造带来了新的挑战。我们提出了以建设智慧企业为目标的科工集团装备智能制造标准体系框架。在深入分析数字化工业标准体系原有8大类标准化需求的基础上,提出了由“基础共性”、“关键技术”、“智能设计”等7部分构成的科工集团装备智能制造标准体系框架,两者之间的继承关系如图1所示。
2.3科工集团装备智能制造系统架构
科工集团装备智能制造需要实现跨企业的价值网络横向集成,贯穿企业设备层、控制层、管理层的纵向集成,以及从航天产品设计开发、生产计划到售后服务的生命周期集成,是一个互联、互通、互操作、多系统集成的复杂系统。
按照国家智能制造标准体系建设指南的指导思路,通过研究科工集团装备智能制造基础和发展前景,提取其共性抽象特征,构建由过程维度、层级维度和智能维度组成的三维智能制造系统架构,从而界定科工集团装备智能制造标准化的内涵和外延,识别现有和缺失的标准,认知现有标准间的交叉重叠关系,开展科工集团装备智能制造标准体系结构和框架的建模研究。
航天智能制造装备产业相关标准的建立对于提高装备质量,提高零部件及组件、软件系统的互换性具有重要意义。在深入分析标准化需求的基础上,综合航天智能制造系统架构各维度逻辑关系,智能制造系统架构的过程维度以科工集团装备产品生命周期为主线,形成4类关键标准:设计、生产、试验和综保。层级维度按照航天系统组织架构,自下而上共分4级:车间处室级、厂所级、院级和集团级。智能维度自下而上分为4层:智能基础、单元级智能、多单元协同智能、集群级智能,对智能功能结构分解细化,如图2所示。
图2科工集团装备智能制造系统架构
2.4科工集团装备智能制造标准体系结构
科工集团装备智能制造标准体系结构包括7个部分:基础共性、关键技术、智能设计、智能生产、智能试验、智能综保和智能管控,主要反映标准体系框架各部分的组成关系,如图3所示。
图3科工集团装备智能制造标准体系结构图
●基础共性标准和关键技术标准位于结构图的左、右两侧,对应系统架构的智能维度;共性技术标准作为其研制的基础,是整个体系的支柱。
●智能设计标准、智能生产标准、智能试验标准和智能综保标准位于结构图中央,是标准体系的核心内容,对应系统架构的过程维度,囊括了科工集团装备智能制造全生命周期中遵守的设计、生产、试验和综保要求,是科工集团装备智能制造建设的依据和准则。
●智能管控标准位于结构图最顶层,保证装备在设计、生产、试验和综保的全过程中受到及时有效地管理与控制,并能依据现场变化动态调整。
2.5科工集团装备智能制造标准体系框架
从智能装备/单元、智能生产线、智能工厂到智慧云制造等不同层面,研究科工集团装备智能制造标准体系、业务模式、服务模式、运营模式、商业模式等顶层设计内容,向基于航天武器装备智能制造的基础共性标准、关键技术标准、智能设计标准、智能生产标准、智能试验标准、智能综保标准、智能管控标准领域延伸。如图4所示。
图4科工集团装备智能制造标准体系框架
●基础共性标准主要用于规范统一科工集团装备智能制造相关概念,是顶层标准,为其他各部分标准提供支撑,主要包括通用标准、安全标准、集成标准、可靠性标准等。
●关键技术标准基于智能化专业能力,结合云平台的建设,构建武器系统和分系统多级虚拟样机,并行协同开展作战需求分析、系统概念设计、多学科设计分析与综合优化、作战效能评估,主要包括云制造、智能虚拟样机、系统和产品生命周期管理、工业互联网等。
●智能设计标准基于智能制造的思想和要求构建智能化产品数据源和设计与分析规则,确保研制活动并行过程中的数据一致性,以支撑航天武器装备的研制、生产、保障的协同与综合设计,来提高产品质量和缩短研制周期。主要包括智能设计与仿真、工艺设计与仿真、设计资源库和智能设计优化等。
●智能生产标准实现基于产品制造基线的技术状态管理、智能化生产技术准备与过程控制、生产管理与控制、生产质量管理与控制等核心业务的综合管理,实现对物料清单、工艺、计划、资源设备、物料、质量数据的集成管理和共享。研究基于MBD数据源的工艺、计划、质量、生产、物流等5大核心业务的企业级智能化协同制造运行模式,制定基于MBD的工艺协同设计系统、基于MBD的工艺仿真系统、车间制造执行系统、数字化生产线、生产物流数字化系统、数字化检测与质量、制造设备物联环境等7个方向的标准。主要分为智能设备、智能车间和智能工厂。
●智能试验标准支撑模装试验、环境试验、仿真实验、性能试验、可靠性工程试验、试验管理和检测评价等智能试验体系建立,将实物样机的试验验证和虚拟样机的仿真验证有机结合,实现对试验的智能化分析应用。主要围绕复杂战场环境下智能化靶场、试验智能化管理和公用智能化试验验证系统所涉及的试验对象、环境、过程、结果和管理等几个方面进行。
●智能综保标准以航天武器装备全生命周期保障需求为牵引,以智能化手段提升航天武器装备的综合保障能力。主要包括综合保障设计及评价、个性化定制、远程运维和配套服务等所涉及的智能化综合保障标准。
●智能管控决策标准围绕企业战略、企业经营和型号业务等3个层次集中开展管控和决策支持,实现管理业务之间及其与工程的集成与协同,将各种管理活动信息化,从而规范各项管理业务、提高管理效率。主要围绕工业大数据、业务流程体系、信息化应用建设和信息化应用运行等几个方面开展规划和建设。
2.6成果及应用
在科工集团“五个新一代”(指新一代武器装备技术、新一代航天发射与应用技术、新一代自主可控信息技术、新一代装备制造技术、新一代材料与工艺技术)和“四项基础技术”(指微系统基础技术、自主可控信息安全基础技术、智能制造基础技术、智慧产业基础技术)发展中均已明确智能制造技术及应用相关内容。实施智能制造将有力推动“制造与服务相结合、线上与线下相结合、创新与创业相结合”新业态体系的构建与完善。科工集团在数字化、网络化、智能化方面开展了大量关键技术攻关工作,建立了一批国家级、省市级技术和工程中心、重点实验室。依托复杂产品智能制造系统技术国家重点实验室、航天产品智慧云制造试点示范项目、精密电子元器件智能制造新模式应用项目、云制造技术研发中心、“三哑”(哑设备、哑岗位、哑企业)改造等相关技术研究与实践,目前已发布《云制造术语》、《云制造服务平台体系架构要求》、《云制造服务平台信息安全防护体系管理要求》等标准,拥有相关专利463个,荣获多项国家、部级科技进步奖。
科工集团结合行业特点,强化标准在推进科工集团装备智能制造发展中的牵引作用,聚焦最佳技术研究与实践,优先形成标准。按照“边应用边建设”的原则开展重点应用领域的标准编制工作,下一阶段拟制定如下专业标准。
a)云仿真服务分类、云仿真服务描述与封装、云仿真服务组合与协同及云仿真服务共享、应用模式。
b)面向离散制造业的数字化车间服务模型,包括数字化车间的术语和定义、数字化车间模型结构和建模方法、设备层数字化要求、工艺设计数字化要求、车间信息交互、制造运行管理数字化要求等。
c)面向离散制造业的车间CPS(信息物理系统)体系架构,包括车间CPS系统模型、虚拟车间建模仿真要求、虚拟车间模型校验要求、车间CPS系统管理过程要求等。
d)云制造资源、能力服务管理要求,包括云制造资源/能力服务构建、运行、评估等方面的管理要求,适用于全系统、全生命周期各层次、各阶段的云制造资源、能力服务管理的方案论证、设计开发、建设实施、系统运营等。
e)面向离散制造业的工业大数据服务模型,包括工业大数据服务体系、工业大数据治理要求、工业大数据分类体系、工业大数据应用体系等。
初步建立面向航天领域的装备智能制造标准体系框架及其相关标准,突破共性关键技术与工程化、产业化瓶颈,推动产业升级关键技术标准研制,助推智能制造、绿色制造,提高创新发展能力和竞争力,为尽快实现装备智能制造工厂这一典型科工集团装备智能制造场景的标准化、规范化建设及应用打开局面。
3前景展望
装备智能制造标准体系框架建设强化标准在推进科工集团装备智能制造发展中的牵引作用,聚焦最佳技术实践,优先形成标准,统筹标准资源,优化标准结构。突出科工集团装备智能制造标准体系框架与航天产品数字化工业标准体系的融合贯通,视其成熟度等级分步推进。充分结合我国装备制造业和智能制造技术的总体发展布局,适时制修订符合我国国情的智能制造标准,为科工集团装备产业发展提供支撑。建立科工集团装备智能制造标准准入原则,形成动态更新完善机制,随着智能制造发展的不同阶段,紧密结合智能制造技术研究成果,充分考虑标准的适用性,推动装备智能制造标准建设,逐步形成兼容性好、开放性强的科工集团智能制造标准体系。
科工集团装备智能制造标准体系框架通过对标《国家智能制造标准体系建设指南》,分解细化形成,有利于加强标准的统筹规划与宏观指导,牵引科工集团装备智能制造标准体系建设及相关标准立项工作,构建相互衔接、协调配套的标准体系,可用以指导未来一段时期内航天领域智能制造国家标准和行业标准立项及制修订工作,并成为科学管理的根本依据。
参考文献
[1]辛国斌主编.国家智能制造标准体系建设指南(2015年版)解读[M].电子工业出版社,2016.
[2]辛国斌主编.智能制造标准案例集[M].电子工业出版社,2016.
[3]国家智能制造标准化总体组主编.智能制造基础共性标准研究成果[M].电子工业出版社,2018.
[4]李海花.工业互联网和工业大数据[J].科技中国,2016(7).
作者简介:
丁熙(1972年—),女,高级工程师,现从事仿真和信息化工作。返回搜狐,查看更多