厂内智能制造解决方案
1. 背景概述
自从“中国制造2025”计划颁布实施以来，“智能制造”浪潮方兴未艾，并一步步从概念落实到一个个具体的案例，从“示范工程”由点及面转变为企业的自主行动，正在并持续改变中国传统制造技术、产业和模式，塑造中国制造的未来。
在此过程中，众多专家、研究机构、企业从不同的维度提出了各种概念、定义、模型、范式、构架等，不一而足。但所谓“知易行难”，将各种纷繁复杂的框图转化为逻辑流程图、数据流程图，进而落地到具体的软件系统、集成为系统的系统是一件非常困难的事，是一个大的系统工程。
鼎格工业软件一直专注于“工厂内部”智能制造解决方案的研发和实际生产应用项目的实施。2016年即承担工业物联网平台在个落地项目的实施，该系统一直在被充分使用。2017年又承担了大型重工企业“中国制造2025”示范项目的软件系统开发和系统集成等一系列智能制造相关项目的实施，涉及汽车、工程机械、重型装备、新能源、半导体装备、电力电子等行业。在此过程中推陈出新、不断改进，逐步形成了围绕工厂内部生产制造核心环节的智能制造综合解决方案。
2. 鼎格工业软件厂内智能制造综合解决方案
2.1 总体方案
综合解决方案由既相互独立又可彼此集成的三个软件产品组成：符合德国工业4.0关于制造执行系统（MES）标准即VDI5600标准的鼎力智造执行平台Dlims（以下简称Dlims）、满足“批量为1”全自动化制造现场控制需求的极力数字化生产线系统DigiPL（以下简称DigiPL）、面向工业设备的格易工业设备互联网平台GringIIoD（以下简称GringIIoD）。如图1所示。
图1 厂内智能制造综合解决方案
2.2 鼎力智造执行平台Dlims
Dlims是在鼎格工业软件已有MES产品的基础上遵循德国VDI5600标准而*重构开发的制造执行系统（MES）产品。德国提出的“工业4.0”战略旨在通过充分利用信息通讯技术和网络空间虚拟系统——信息物理系统（Cyber-Physical System，CPS）相结合的手段，将制造业向智能化转型，而MES系统是智能制造的核心。VDI(德国工程师协会)发布的针对MES系统的5600准则，详细描述了MES系统必须要有的功能和特性，在范围广泛的各种功能之外，还明确指出应该包括“横向集成”和“实时性能”，从而使MES系统在实现工业4.0的具体实践中起到关键作用。
Dlims通过了上海市计算机软件评测重点实验室的评估测试，获得上海市软件行业协会的《软件产品证书》。
Dlims系统架构设计如图2所示。
图2 Dlims系统架构设计
Dlims支持CS、BS、PDA三种形式的终端应用。在这三种形式终端上体现的典型功能如下：
• CS端功能：系统管理、进退货管理、工单管理、发料管理、报表管理、库存管理、排产管理、盘点管理、条码管理、质量管理。
• BS端功能：系统管理、基础通用操作、基础数据管理、工单维护、排产管理、仓库储运管理、报表管理、协作平台、定时作业、看板管理、日志查询、SAP离线功能。
• PDA功能：进货流程、退货流程、发料管理、工单管理、物料查询、内仓库存转移、物料盘点、物料调出、销售发货、成本中心发料、161退货、外仓库存转移、日计划报工。
2.3 极力数字化生产线系统DigiPL
DigiPL支持“批量为1”的生产需求。该系统的实现基于多状态机控制、以订单和工艺驱动两个核心设计原则，使其在全自动化的前提下满足柔性化、离散化的生产组织要求。
DigiPL的架构如图3。
图3 DigiPL系统架构
DigiPL系统的主要功能包括：
• 与MES系统对接：派工、报工；
• 与PLM系统对接：获取图纸信息；
• 数控系统对接：远程对机床进行控制加工；
• 与PLC和传感器互通：远程对机床进行控制加工；
• BS客户端：在办公室进行工艺配置、刀具管理，生产数据的追踪；
• CS客户端：在中控室操作整条产线，如：初始化、终止、暂停、继续、异常监控和处理；
• 看板：动态实时显示物料的位置和状态，显示生产订单、生产计划；统计显示产线效率和能耗等信息；各个设备的状态以及加工实况。
DigiPL系统特点如下：
• 自动化：在无人干预的情况下，产线按给出的计划、工艺数据进行自动操作和控制加工过程，完成工件的生产。
• 信息化：通过与MES系统的信息交互获取派工单和计划数据，从PLM系统获取加工图纸，结合来料信息，进行分析，组织生产，并将生产数据实时上报信息系统。
• 柔性化：针对加工对象的变换，产线根据加工工艺和图纸的不同，自动选择相适应的设备完成不同的工件加工。
• 流水化：按照工艺流程，前一个工序为下一个工序的前提，每一个工序可以与其他工序同时进行。实现多个对象同时加工，提高产能。
• 可视化：
➢ 产品追溯：通过产线采集的数据进行追溯。可查询到产线的生产记录、对应批次产品等信息，从而达到追溯产品质量，精确协调生产的目的。
➢ 看板：将生产中工件的流动、工件设备状态、以及生产计划、生产订单、生产效能与生产的潜在问题可视化呈现，帮助用户找出原因与趋势预测，实现问题早发现、早分析、早解决、早预防。
2.4 格易工业设备互联网平台GringIIoD
GringIIoD是面向工厂内部生产加工、检测设备互联的软件平台，具有强实时、高可靠、大数据量的特点，是实现智能制造的基础性平台，它分为设备连接平台（Equipment Automation Programming，EAP）和企业大数据中心（Enterprise Data Warehouse，EDW）两个部分。GringIIoD建立设备连接平台，将所有相关设备和系统都连接到该平台，采集所有设备上的各种数据并存储，所有应用从该平台进行访问。
图4 工业设备互联网平台
GringIIoD既可以作为MES与设备之间的中间连接层，也可以单独部署以作为设备监控等应用的平台。采用*的“设备模型”和分类通信处理模式，既可采集海量数据、又具有强实时高可靠地传输设备控制命令的能力，有效解决工厂加工、检测设备的控制与大数据采集问题。
图5 GringIIoD工业设备互联网平台结构
GringIIoD的核心是设备模型（Device Model），通过定义设备的属性（Attribute）、状态变量（State Variable）、命令字（Commａnd Variable）、数据变量（Data Variable）、事件变量（Event Variable）、报警信息（Alarm）等，并分类采用不同的通信处理机制，满足设备控制命令实时性和海量数据及时采集的要求。实现工业设备真正的“数字孪生”。
对于制造工厂用户，可以在设备模型的基础上制定自己企业统一的设备连接标准，进而作为对设备供应商的技术要求，从根本上解决设备软件接口非常杂乱的困局。
GringIIoD的价值在于既可以解决厂内设备“万物互联”的痛点，又可以解决上层业务系统和设备通讯交互的难点，同时还可以解决设备上的人、机、料等大数据采集存储问题，为数据分析、挖掘、可视化、商业智能提供数据积累。
GringIIoD通过了上海市计算机软件评测重点实验室的评估测试，获得上海市软件行业协会的《软件产品证书》。
3. 结论
制造执行系统、数字化生产线系统、工业设备互联网系统是“加工制造”这个核心环节的软件系统，是“智能制造”是否能真正落地的关键。
• 设备连接平台（GringIIoD-EAP）提供了面向设备的平台、标准、开发包，解决工厂内部设备的“万物互联”这个关键也是痛点问题。
• 数字化生产线系统（DigiPL）实现了全自动无人化的车间/生产线，在此基础上可实现机器换人、减员增效，支持“批量为1”的柔性生产，同时也减少了人为干预，提高产品生产的一致性和质量。
• 制造执行系统（Dlims）以订单和工艺驱动生产过程，是对ERP过程的细化，使生产进度和状态尽在掌握。
• 大数据中心（GringIIoD-EDW）从EAP、DigiPL、Dlims以及其它管理系统如ERP、PLM、WMS、CRM、SRM等获取数据，使用大数据技术对结构化数据、非结构化数据以及实时数据等原始数据进行存储，然后对原始数据进行自动化的提取、整理、清洗、合并、分类，将各种应用所需的数据存储到数据仓库中。这些数据是企业运营的全息记录，是企业宝贵的数据资产，也是企业从制造型向服务型企业转型的重要基础，其价值的挖掘是一个持续的过程。
• 各种工业化应用（APP）、BI、AI运行在大数据中心之上，以看板、报表等各种形式辅助工厂运营决策，比如对历史问题的追查分析、对当前生产状态的实时监控、对未来生产要素的趋势分析等。
针对不同的软硬件基础条件、生产及工艺需求、投资规模等，Dlims、DigiPL、GringIIoD既可以三个系统集成部署、也可以两个系统集成部署、还可以只部署一个系统，以满足不同的生产场景情况。
