基于物联网技术的智能工厂应用示范

1、    基于物联网技术的智能工厂应用示范    戴勇摘要：文章以智能工厂项目为抓手进行了近5年的研究与实践，在感知和传感技术、软件与系统技术、网络技术等三者融合方面进行了研究与实践，初步建成了针对中小企业的智能制造服务平台，并形成了阶段性成果。关键词：物联网；智能工厂；系统技术；应用示范当前制造环境正朝全球化、精益化、专业化、服务化、绿色化、智能化方向发展，面对国际竞争日趋激烈的形势，我国将物联网技术在工业领域中的应用作为制造型企业实现两化融合、产业升级、技术创新的重要突破方向。工信部物联网“十二五”发展规划（2011年）江苏省国民经济和社会发展第十二个

2、五年规划纲要（2011年）江苏省物联网产业发展规划纲要（2010年）江苏省“十二五”科技发展规划（2012年）无锡市信息化“十二五规划”（2011年）无锡市物联网产业发展规划纲要（2010年）等发展规划中明确提出重点支持物联网技术在工业领域的应用示范，将“生产过程控制、生产环境监测、制造供应链跟踪、产品全生命周期监测、促进安全生产和节能减排”的感知工业作为重点领域应用示范工程。无锡职业技术学院本着服务区域经济社会发展和培养机电类技术技能型人才的办学宗旨，根据学校多年来形成的技术积淀，从2010年开始着手展开项目调研和准备，在2012年-2014年间对无锡机械行业6个具有代表性的企业进行了基于推

3、进两化融合的专项调研，本着问题导向和系统研究的思路，在省市有关部门和无锡机械工业联合会的支持下，开展了“基于物联网技术的智能工厂应用示范”课题研究，在项目领域取得了一定的成绩，也发现了一些需要改进和值得思考的问题。1无锡机械行业六企业关于推进两化融合的调研作为机械工业大市，无锡机械行业在推进两化融合方面进行了积极的探索，着眼企业转型升级，需要总结经验分析得失，有利于今后开展工作。1.1调研目的通过调研分析企业信息化的发展历程、阶段和特征，可以判断无锡机械行业企业在两化融合方面处在起步建设、单项覆盖、集成提升、创新突破的阶段性现状。1.2调研方案为了了解无锡市企业机械行业两化融合现状，选择基本能

4、代表无锡市机械行业较高水平的6家大中型企业为调研对象，进行问卷调查，该问卷调查以电子邮件的形式发于各企业中高层领导进行填写，以得到最真实的第一手信息。1.3评分规则参照机械行业两化融合发展水平评估指标体系及制造业企业两化融合评估指标体系构建论文，设计了无锡机械行业两化融合调研问卷，并选取行业典型企业进行了问卷调查。因问卷中的样本数据可能存在缺失或填报不规范，在进行指标评分前需要对样本数据进行预处理，并统一到可比较的同一数值层面。样本数据预处理遵循以下原则：（1）样本数据完备性：样本数据完整，不存在缺失。（2）样本数据的规范性：统一样本数据格式。（3）数据合理性：识别异常数据，根据评分方法确定相

5、应处理方式。1.3.1评估指标权重设置基本原则（1）一级指标的权重与其他行业保持一致，二级指标的权重借鉴其他行业的设置，三级指标的权重按照机械行业企业的特色和需求分别进行设置。（2）指标对落实行业企业战略、支撑业务发展的相对重要程度。（3）指标与机械行业企业两化融合水平与能力、效能与效益的基本现状，未来发展重点和引导方向的关联和匹配程度。1.3.2评分原则（1）基于评估数据进行底层指标评分，按照一定规则将具有不同计量单位和方式的定量或定性评估数据转化为能够进行加权计算的分值，并将其限定在0，100区间范围内。（2）定性数据和定量数据分别设计评分方法。1.3.3计算方法在底层指标评分基础上，底层

6、指标以上各级指标的得分通过加权求和计算得出，各上级指标得分由其各子指标得分加权求和得出。1.4评分等级划分标准为客观评价机械行业两化融合发展水平，将企业两化融合发展水平划分为起步阶段、单项覆盖阶段、集成提升阶段和创新突破阶段4个阶段。（1）起步建设阶段：企业着重关注信息化和工业自动化基础设施建设和环境营造。（2）单项覆盖阶段：信息通信技术应用到企业各关键业务环节，并逐步实现对单项业务环节的全面覆盖。（3）集成提升阶段：企业从某一关键环节切入进行深入渗透，实现关键业务环节应用系统之间的协同和集成，开展系统集成基础上的业务应用。（4）创新突破阶段：工业领域信息技术应用朝着综合集成的方向发展，开始突

7、破企业边界，实现面向市场和客户的业务流程和生产、经营模式的变革，支持形成新的工业能力。根据两化融合发展阶段的界定，结合本次评估具体情况，制定上述6家机械企业两化融合发展阶段划分标准，具体标准如表1所示。1.5问卷情况该项调研问卷共有5张表格，共计31项二级指标、77项三级指标，涵盖了基础建设水平与能力、单项应用水平与能力、综合集成水平与能力、协同创新水平与能力、竞争力与经济社会效益水平等方面。1.6调研统计分析1.6.1基础建设水平与能力评估指标基础建设水平与能力主要衡量两化融合的基础，即两化融合需具备的基本条件和支撑环境，包括“资金投入”“组织和规划”“设备设施”“信息资源”和“信息安全”5

8、个方面。1.6.2单项应用水平与能力评估指标单项应用水平与能力主要从研发设计、产品设计、工艺设计、生产管理、生产制造、采购管理、销售管理、财务管理、质量与计量管理、能源与环保管理、安全管理、项目管理和其他业务管理等11个方面的信息化应用程度来反映企业两化融合对单一业务的支撑水平。1.6.3综合集成水平与能力评估指标 企业综合集成水平与能力主要考察企业在产品设计与制造集成、管理与控制集成、产供销集成、财务与业务集成、决策支持等跨部门、跨业务环节的集成现状以及支撑业务集成优化和战略发展的情况。1.6.4协同创新水平和能力评估指标协同创新水平和能力主要衡量企业创新水平的高低，反映企业的协同创新能力对

9、两化融合进程的作用，包括“产品全生命周期协同创新和绿色发展”与“产业链协同”2个方面。1.6.5竞争力与经济社会效益水平评估指标竞争力与经济社会效益水平主要衡量企业经济效益，用企业的经济社会效益水平反映企业在行业内的竞争力强弱。本模块包括“产品质量合格客户满意度”“业务效率”“财务优化”“创新能力”“经济效益”和“社会效益”6个方面。1.7调研结论通过对上述6家企业问卷调查情况的分析得出的综合指标如图1所示。依照评分等级划分标准，各单位评分等级如表2所示。两化融合是我国信息化建设的重要方向，是实现机械企业转型升级的重要途径。如何更好地推进两化融合，对机械企业持续、健康、快速发展至关重要。由“无

10、锡机械行业两化融合调研分析”问卷得出：参加调研的6家企业均处于两化融合的单项覆盖阶段。该分析结果一方面说明无锡机械行业正处于一个较高速发展期，另一方面也说明无锡机械行业企业在推进两化融合过程中，对提升企业运营效率、降低企业经营成本、增强企业核心竞争力等方面均具有较大的促进作用。2企业存在主要问题的原因分析2.1机械行业企业的特点对信息化建设的影响从国内、外机械行业发展趋势来看，随着工业化和信息化的深度融合，信息技术的广泛运用，机械行业将进一步向制造技术的智能化、柔性化、网络化、精密化、绿色化，生产组织形式的全球化，经营的规模化及服务的个性化方向发展。企业信息化建设极大地缩短了新产品研发周期，也

11、极大地加强了企业适应市场变化的能力，全球化采购和销售越来越普通。在国内，由于产品需求情况的变化，国内竞争形势的加剧，机械行业企业正在面临前所未有的挑战。逐渐由大批量的生产规模，向单位的小批量生产方式递进，产品按订单生产。企业需要合理优化排产，控制交货期，提高订单的履约率。如何将生产信息传达到车间，实现对物流的整体控制是整个信息化建设的关键问题。产品结构复杂、零部件多而且外协、自制兼有，对于仓库物料的管理变得十分复杂。特别是对于零部件，不但种类繁多而且很多外形功能相似。如标准件，外形相似者多，非常容易混淆。单件产品制造时间周期长、价值高、投入大、bom层次复杂，企业对其生产过程进行跟踪，并对产品

12、成本进行实时的归类、控制和分析比较困难。正是由于以上这些机械行业的特点，导致机械行业企业在实施企业信息化的过程中，必须更多地考虑自身的特定要求设计，一般的通用软件很难简单满足企业的需要，往往要通过定制式二次开发才能构成企业的信息化应用体系。同时，非标准化的信息化应用和建设，又增加了企业实施信息化的成本和难度。2.2企业信息化应用集成和协同水平提高还需作出较大努力本次调查情况显示，在无锡机械行业企业中，企业已经越过了信息化起步阶段，处于两化融合的单项覆盖阶段；企业f已经进入企业信息化深层次的集成应用b级阶段，但是所有企业在信息技术的协同应用方面都是欠缺的，主要存在“信息孤岛”“应用孤岛”和“资源

13、孤岛”3大难题。由于信息系统集成水平不高而导致集成和协同滞后。此次6家重点企业调研发现，由于企业没有采用mes，erp与pcs间缺少信息流沟通，与生产制造环节的集成情况不甚理想；企业应用了仿真分析，但大多停留在部件级仿真，实现产品级仿真分析的比例还很低，更谈不上网络化协同设计；管控衔接是信息技术综合集成应用的短板，管理系统与制造执行系统数据自动交换、产品设计与工艺设计数据自动交换、设计物料清单与制造物料清单间数据自动交换很低等。2.3信息化人才成为制约信息化发展重要瓶颈本次调查过程中，机械行业企业普遍反映了企业信息化实施中遇到的一个挑战和重要瓶颈，就是企业在推进两化深度融合过程中，缺乏从理解机

14、械行业到懂业务、懂管理、懂信息化的复合型人才。企业实施信息化进程首先需要在管理层特别是在业务领导和业务骨干中进一步提升信息化认识和能力，才能在企业变革过程中有效利用信息化手段提升效能，使一些业务变革与信息系统建设的效果达到更匹配的理想效果。其次，企业信息化实施后真正应用的工作是落实到企业每一个相关的工作流程和人员，由于机械制造行业是劳动力密集的行业，基层从业人员的总体素质不高，企业信息化管理意识及it基础比较薄弱。2.4投入不足制约企业信息化的推广应用虽然机械企业近年来比较重视企业的信息化工作，但是总体看，投入不足的问题还是制约着企业信息化的推广应用。企业在信息化建设方面造成投入不足问题的原因

15、有很多，大概有以下几个主要原因。（1）资金缺乏是企业面临的主要难题。机械行业企业实施信息化受企业自身实力和发展状况影响，资金预算上不一定能满足信息化投入的需要。（2）企业在实施信息化过程中，资金投入的结构也有不合理的因素，存在重网络基础建设，轻运维管理；重硬件投入，轻软件系统；重技术及研发投入，轻管理系统和各系统集成效果；重一般事务处理的应用和简单信息管理系统，轻对信息系统、信息资源开发利用之间的效率和协调发展。面对这样的投资结构，难以保证企业整体信息化规划实施、各信息化系统、应用和信息系统集成效果。（3）机械行业企业信息化投入不足的另一个原因为信息化与企业经济效益的关系不是简单的随动关系。企

16、业信息化工作在企业的投入上很容易量化测算，但其信息化应用的效果却很难单独量化测算，甚至有时很难评估，往往成功了归功于业务，失败了归罪于信息化，需要较多资金投入时说服力不足。所以，目前机械行业企业信息化投入的问题，要结合自身业务的发展和目前的信息化应用水平，综合考虑信息化标准化和个性化的投入，是机械行业企业进行信息化投入的出发点。 2.5中小机械企业急需信息化技术指导与公共服务本次调查发现，随着机械行业的不断发展，机械行业的中小型企业认识到仅凭企业过去的能力和经营方式已经不能适应现代先进制造企业的运作要求，借助先进的信息化应用和管理系统提升整体水平就成了必然选择。越来越多的中小企业都建立了自己的

17、各种管理信息模块，包括财务管理、oa、cad等等，中小机械制造企业在受到其上下游及同行大型企业的影响下，也在逐步部署自己的生产管理系统、erp系统。在调查中发现有以下问题制约企业信息化应用水平的提高：（1）对使用信息技术，中小企业有很多困惑和疑虑，因为要把更多的资源用在企业的主营业务上，如果在信息化方面投资巨大就会面临很大风险。（2）业务层人员素质较低，企业很难招聘到it专业人员或者出于经营成本压力，无法建立专业的信息化部门，导致实施和直接使用中存在着一些问题。（3）由于it成长速度快，业务流程、管理范围和方式都发生变化，需求不确定性大，导致整个应用的问题。（4）对信息化建设的认识不足，对于信

18、息化建设带来企业管理的变化没有准备，在这方面没有得到及时的培训及来自供应商的支持。（5）管理基础相对薄弱，业务数据混乱、缺失，但是信息化要求却非常高，这样就会产生实际和理想之间的巨大落差。3无锡职业技术学院服务技改的实践智能制造是机械行业两化融合的抓手。机械行业企业需要非常稳定、安全的产品，其希望降低信息化投资的风险，限于其自身条件，企业希望用可以接受的价格来享受企业信息化技术的最新成果，希望在获得后期服务上能够省钱、省心、省力。对于机械行业的企业而言，这些信息化实施问题不能缓解和解决，从短期来讲是发展问题，而从长远来看，已经成为生存问题。然而，由于其本身资源有限，在资金、人力、管理水平上都受

19、到一定限制，所以企业在信息化的过程中还面临着很多的困难，其成果也是参差不齐，整体上还处于比较初级的阶段。解决机械行业企业信息化面临的问题，不能仅仅依靠企业自身，需要政府和行业组织针对性地提供技术指导和服务，构建完善的公共服务体系，整体提高机械行业企业信息化水平。学校主体专业设置为机电类，服务机械行业已有50多年的历史，在技术开发、应用推广方面应该承担责任。智能制造（intelligent manufacturing，im）是机械行业21世纪重点发展的领域之一，将制造自动化的概念更新，扩展到柔性化、智能化和高度集成化，能实现各种制造过程自动化、智能化、精益化、绿色化，带动装备制造业整体技术水平的

20、提升，是制造技术发展，特别是制造信息技术发展的必然，是自动化和集成技术向纵深发展的结果。智能装备和工业机器人是智能制造的重要载体，因其精准度高、速度快、工作时间长、解放劳动力及低成本运转等特性越来越受到制造业的欢迎，在机械行业的企业中被广泛应用于零部件加工、焊接、码垛、分拣及高危工作环境中。智能制造是柔性制造和集成自动化的新发展和重要组成部分，其基础是信息化建设，在机械行业是cad/cam，capp，fms，erp等及其延伸的人工智能专家系统的建设。两化融合是个过程，智能制造应该是两化融合的突破口和抓手。而智能制造又需要“pcs/mes/erp三集成”。在企业调研访问中，企业反映信息孤岛使企业

21、内部采购信息、生产信息、销售信息、库存信息、财务信息等各为一体，互不相通，这使企业难以对生产经营活动进行有效的监控和管理，形成制约企业加速发展的瓶颈，因而使企业逐渐认识到走信息集成化道路的重要性。为此，掘弃信息孤岛，实施信息集成化技术，实现pcs/mes/erp三层架构，已成为企业信息化建设发展的一种必然选择。3.1项目目标在无锡市经济和信息化委员会和科技局的指导下，无锡职业技术学院投资3500万建设智慧工业领域的集政产学研于一体的实体运营工厂基于物联网技术的智能工厂应用示范项目。根据离散型机械加工行业两化融合的特点，本项目以汽车零部件设计与加工为生产载体，以物联网技术为基础，从企业资源计划e

22、rp（计划层）、制造执行系统mes（制造执行层）、过程控制系统pcs（作业层）三层进行一体化建设，通过rfid和现场传感器实现现场设备参数、人员、物料、加工工艺等数据的实时采集，通过系统集成技术将机械制造企业两化融合建设的关键对象模块（包括数控机床设备、工业机器人、立体仓库、车间精准配送系统、制造执行系统mes、企业资源计划erp、andon系统、自动化控制系统等）实现无缝集成，并在智能生产管控中心实现集中监控。根据智慧工厂体系建设的要求，项目还集成自动化立体仓库、rfid单体追溯自动加工线、网络化数控机床管理系统、rfid电动搬运车车间精准配送系统、生产现场rfid采集系统和工位andon系

23、统、看板系统、广播系统、视频监控系统等，希望实现工厂生产过程的信息化、自动化、精益化目标。项目新建厂房5000m2。厂区整合精益生产，扁平化管理理念与物联网技术重点建设3种生产模式的机械加工生产单元（全自动生产单元、产量柔性精益生产单元、自组织多品种单元式柔性生产单元）和rfid仓储单元，实现“工厂数字化、透明化、设备智能化、流程自动化、管理扁平化”。智能工厂建设的主要工作包括：车间物流规划、设备的选型采购、工厂信息化的整体规划、产品工艺设计、集成平台的研发及应用系统的二次开发等。本项目子项目包括：企业资源计划erp、制造执行系统mes、过程控制系统pcs、自动化立体仓库、rfid单体追溯自动

24、加工线、网络化数控机床管理系统、rfid电动搬运车车间精准配送系统、生产现场rfid采集系统和工位andon系统、看板系统、广播系统、视频监控系统等，项目的网络架构如图2所示。主厂区设主监控室与教学区，建立现场教学系统与远程实景教学系统相结合的物联网技术、企业信息化运营维护人才培养基地。本项目的建设范围如图3所示。 3.2技术架构3.2.1系统技术架构建立从pcs（作业层），mes（执行层）到erp（计划层）3个层次一体化的智能工厂整体解决方案（见图4）。建立完善的管控一体化网络，实现各层次信息的有机集成，使各方面资源充分调配、平衡和控制，最大限度地发挥其能力；实现企业生产制造资源与其他资源管

25、理的一体化集成；实现生产制造数据实时过程管理，推进生产、管理和组织架构的优化，促进精益生产模式的实现。系统建设目标：（1）实时感知：使用各类传感器对人、机、料、法、环进行实时感测。（2）过程追溯：利用条形码或rfid电子标签，构建完整产品信息链，实现产品全程追溯。（3）可视生产：简洁界面和电子看板实现可视化的排程、工序、监测和管理。（4）质量控制：通过spc、das等对产品测量值、设备工艺参数、缺陷信息进行统计与分析，深入调查异常产生的影响因素，从而根除质量隐患。（5）远程互动：构建社会化生产与供应链信息化体系基础。（6）开放平台：构建一个开放、易扩展的信息化平台，支持个性化增值开发与扩展。3

26、.2.2pcs系统技术方案pcs（process control system）系统主要包括电气控制系统、andon管理系统、rfid识别系统、视频监控系统、车间广播系统、环境监测系统方案等。3.2.3mes系统技术方案提高车间生产过程中高度灵活的排产、准确及时的产品交付能力、强有力的质量保障体系和快捷的新品开发能力；为企业内部物流、生产体系、品质管控提供统一的基础平台，通过现场数据的同步采集实现物流的全新追踪、制造工程配置、品质过程控制，为计划系统的再调整、制造环节的透明度、产品品质的持续改进提供可以信赖的支撑基础软件，为最终实现jit拉动模式、lean精益方法、全面质量管理tqm、敏捷制造

27、am打下基础。根据项目建设目标与工厂运营的要求，智能工厂在建设初期就引进rfid技术、云计算技术、it信息化系统、开放式soa架构，提出了适合中小企业的集群式精益生产理念。3.2.4erp系统技术方案本项目erp软件系统业务功能管理范围包括：基本信息及管理维护系统、电子签核系统（oa系统）、销售管理系统、存货管理系统、采购管理系统、产品结构管理系统、工单与委外管理系统、工艺管理系统、mps+mrp、生产排程系统、会计总账管理系统、自动分录管理系统、应收应付管理系统、成本管理系统、客户关系管理系统、人力资源管理、设备管理等系统。3.2.5全自动立体仓库解决方案该项目将建成为集生产、教学、科研等功

28、能于一体的，应用物联网技术实现“工厂数字化、透明化、装备智能化、流程自动化、管理扁平化”的全息智能工厂体现工业化与信息化两化融合，实现生产过程信息化目标。3.2.6系统集成方案本智能工厂建设的子系统包括：企业资源计划erp、制造执行系统mes、自动立体仓库系统iwms、现场pcs控制系统、数控设备、工业机器人、自动化生产线、rfid采集系统、看板系统、广播系统、andon系统、车间电动物流小车、现场各种打标系统及信息终端等，如何保证各子系统间无缝集成，实现信息互通是本项目成功的关键（见图5）。项目摒弃了传统中间数据表交互的系统集成模式，各异构系统间的集成，是以组件模式开发的“生产制造实时数据集

29、中管控平台中间件（系统集成服务器）”实现，集成过程通过可视化配置方式完成，在集成需求方案确认的过程中完成异构系统间的集成工作，集成难度降低，集成周期缩短，集成工作量减少，同时具有很好的可扩展性与开放性。3.3项目成效项目从2010年启动，2012年正式进入实操阶段。在江苏省教育厅、无锡市人民政府和无锡地区机械行业、企业的支持下，智能工厂项目在体制机制创新、支撑人才培养模式改革、设备与资源建设、提升科技服务能力、师资队伍建设和完善项目管理等方面取得了显著成效，全面完成了建设任务。根据服务区域经济发展需要和学校科技开发工作的需要，从有利于校内管理的考虑，智能工厂项目归入学校“智能制造工程中心”，以

30、物化项目成果：项目成果形成的主要横向课题（见表3）。项目成果形成的主要纵向课题（见表4）。2012-2015年项目成果统计（见表5）。4推进智能制造需要政策支持贯彻问题导向，使市场在资源配置中起决定性作用，更好地发挥政府作用，推进智能制造需要政策支持。在梳理机械行业企业在智能制造方面需要政府和行业支持的领域，提出如下4个方面的建议。4.1推进智能制造需要项目带动项目带动的示范意义已形成共识。推动智能制造，很重要的一点就是要开展项目建设。（1）通过项目带动形成有效生产能力，促进企业发展。（2）是借鉴项目管理理念和方法，提高工作的有效性，推动智能制造落地。（3）进行项目实时跟踪，不断补充完善项目建

31、设，并形成新的项目需求，逐步形成智能制造项目库。建议在无锡机械行业至少选择2个智能制造试点项目。第1个试点项目应选择拥有拳头产品、需要以产业链方式进行合作生产制造的大企业。通过与产业链相关的企业集群共同开展智能制造试点，形成龙头企业的示范作用。第2个试点项目应选择年销售额在420亿元的成长型企业。通过开展智能制造试点，探索在这一类企业如何有效进行设计数字化、装备智能化、生产自动化、管理网络中化、销售电子化推进工作。以上这2类试点企业具有一定的投资能力，创新能力较强，行业影响力和示范效应明显，政府为此作推进工作相对容易些。4.2推进智能制造需要技术带动要实现一个生产系统的智能制造，必须在信息实时

32、自动化识别处理、无线传感器网络、信息物理融合系统、网络安全等方面有所突破，这其中涉及智能制造的关键技术。基于无锡机械行业智能制造的实际，建议在以下方面组织突破： （1）射频识别技术。射频识别（radio frequency identification，rfid）技术又称为无线射频识别，是一种自动识别技术，它使提供精确、自动、快速的记录和收集目标成为可能。随着射频识别技术的不断进步，rfid成为业务流程精益化的基本使能器，可以减少生产库存，提高生产效率和质量，从而提高制造企业的竞争力。无锡作为全国物联网产业基地，在锡企业率先采用该项技术理应鼓励与引导。（2）智能装备关键信息物理融合技术（中间件

33、）。信息物理融合系统（cyber-physical system，cps）也称为“虚拟网络-实体物理”生产系统，通过数字化逐步升级现有生产设施，使生产系统可以实现全新的体系结构。无锡机械行业企业从自动化生产线改造、构建，到智能物流平台构建、实施，从小型mes系统设计到数字化企业设计与实施，由于设备异构（如协议不一致、数据链不完整等）问题的存在，导致企业信息化或进行车间级乃至工厂级的集成综合应用时，基础数据的采集成为一个必须攻克的瓶颈。因此这是一个共性技术问题，必须开发智能装备关键信息物理融合技术（中间件）。（3）工业机器人应用技术。以工业机器人（industrialrobot）为代表的智能装备，正为传统的装备制造以及物流等相关行业的生产方式带来了革命性的产业变革，支