基于层次化的智能协同制造平台框架

0 引言

    随着用户需求的个性化程度越来越高，工业生产的组织方式也从以前的大规模批量化生产往多品种个性化定制方向转变，制造需求的多样化和生产周期的缩短给传统的生产制造模式提出新的挑战。为了满足市场的个性化需求，不少学者提出很多新的生产模式，比如并行工程、敏捷制造、网格制造等，在一定程度上提升了生产效率和制造资源利用率，但由于缺少生产全生命周期统一的协同架构平台，这些新的生产模式并没有带来根本性的变革。

    随着信息技术和互联网技术的发展，以智能协同制造为代表的新一轮产业革命逐渐兴起，数字化、网络化、智能化日益成为制造业发展的方向。智能协同制造模式下，制造企业将不再自上而下地集中控制生产，不再从事单独的设计与研发环节，或者单独的生产与制造环节，或者单独的营销与服务环节。而是从顾客需求开始，到接受产品订单、寻求合作生产、采购原材料或零部件、共同进行产品设计、生产组装，整个环节都通过智能协同方式联接起来并进行实时通信，从而确保最终产品满足大规模客户的个性化定制需求。

    制定统一的框架平台是智能协同制造的关键。为了更好的实现企业智能协同制造各个环节的数据集成和流程贯通，本文自底向上分析制造生产组织方式，提出基于层次化的智能协同制造平台框架，将生产制造过程划分为硬件物联、数据流程贯通、云端协同三个层面进行讨论，分别构建了基于工业物联的硬件协同平台、基于PLM的生产制造协同平和基于工业云的价值链协同平台，三个层次平台内部横向集成，层间纵向贯通，从而为企业构建灵活组织和快速响应的智能协同制造平台提供借鉴意义。

1 基于层次化的智能协同制造平台框架模型

    分析企业生产制造组织方式及数据流向，可以将企业的生产制造过程分为三个层次：硬件物联、数据贯通和云端协同。最底层的制造设备及相关硬件是生产具体的执行单元，底层的生产过程通过产品全生命周期（设计、工艺、生产、物流、销售）的数据贯通与企业内其他环节实现互联互通，近年来随着互联网的发展，云制造逐渐成为一种新的生产组织模式，企业内的制造资源和制造能力通过发布到云端，形成服务于制造需求的基础公共服务和功能服务，从而实现制造企业之间及企业与用户之间的云端协同。

    针对生成制造过程的三个层次，本文提出基于层次化的智能协同制造平台总体框架，如图1所示。总体框架包含三个层次的子框架平台：1）基于工业物联的硬件协同平台；2）基于PLM的生产制造协同平台；3）基于工业云的价值链协同平台。三个层次平台内容如下：

  图1 智能化协同制造技术与应用平台

    1）基于工业物联的硬件协同平台。构建基于OPC、OPC-UA等标准的交互式生产技术联网和基于MODBUS、RS232等协议的数据通信联网条件，为数控机床、工业机器人、智能传感器、DCS、PLC等硬件提供互联的协同平台。

    2）基于PLM的生产制造协同平台。搭建基于产品全生命周期（设计、工艺、生产、物流、销售、服务）的系统集成和数据贯通，制定企业内部数据接口标准和规范，实现企业内部各生产管理环节的横向集成和互联互通。

    3）基于工业云的价值链协同平台。基于工业云、云存储和移动互联网等技术，构建企业制造能力共享和企业间制造协同的生态服务平台，将企业内部的制造资源和能力价值通过云端服务延伸到用户和其他企业之间，构建价值链协同平台。

    基于层次化的智能协同制造平台总体框架，实现了企业内部生产制造横向集成和纵向贯通，并通过工业云将制造资源和制造能力价值链延伸到用户及其他企业，针对行业形成服务于行业应用的公共基础服务和功能服务，从而形成智能化协同制造生态，提升企业生产响应效率和协作能力。下面对总体框架涉及的层次子框架及关键技术进行详细描述。

2 智能协同制造平台关键技术

    本节对总体框架涉及到的三个层次子框架及各自的关键技术进行详细描述，从生产组织的硬件物联、数据贯通、云端协同三个层面阐述协同制造平台构建过程中的关键技术。

2.1 构建基于工业物联的硬件协同平台

    基于工业物联的硬件协同是指制造过程的数控机床、工业机器人和其他自动化设备在OPC、OPC-UA的采集标准和MODBUS、RS232通信协议的支撑下，实现设备物联和数据通信，在硬件层下达和反馈制造信息，形成硬件互联互通的协同平台，实现硬件层的协同效率倍增效应。基于工业物联的硬件平台层次架构如图2所示。

   

    图2 硬件平台协同框架

    图中硬件控制系统包括PLC、驱动器、机器人、电机、传感器、网关、通信服务器等，采集标准包括OPC、OPC-UA等，通信标准包括MODBUS、TCP等。图中以红色框内的部分是为对硬件采集通信数据的后续处理。该平台框架按对象化、层次化的结构设计，关键技术包含设备接入与数据交互、数据管理与基础服务、设备间协同控制、可视化展示和与第三方软件数据接口等五个方面。

    1）设备接入与数据交互

    框架底层部分为弹性的接口框架，可以开发插件式驱动程序，以适配不同的接口协议和数据格式，从而与不同类型的设备进行数据交互。数据交互的内容包括设备自身信息、生产统计类信息、生产工艺参数实际值、质量类信息、生产设备状态、报警类信息、可视化信息、维保类信息、核心部件类信息、能耗类信息、生产工单、换型指令、生产工艺参数、设备工作模式、对时信息、信息安全、设备专用的数据信息等。

    2）数据管理与基础服务

    数据管理与基础服务是框架底层平台的核心，包括内容实时数据库、历史数据库、设备数据库、产品数据库、设备信息模型、产品信息模型、报警&事件服务、协同控制服务、脚本引擎服务、日志服务、权限服务、时钟同步服务、可视化展示服务、报表管理服务、打印管理服务、信息安全服务等。

    3）设备间协同控制

    在单体设备管控的基础上，对由多台相关设备、传感器、仪器仪表、识别设备等组成的单一或多条相关生产线，以及分属不同系统的相关仪表和设备进行联动控制等。

    4）可视化展示

    在设备数据统一管理的基础上，根据需求对各个层次的对象进行统一的可视化展示。包括工厂、产线、设备、人员、楼宇、工业视频。除了常规的大屏、操作终端电脑屏幕、语音/广播等方式外，也可以通过邮件、短信息、Web服务等支持移动端设备。

    5）与第三方软件数据接口

    软件平台要与第三方MES、WMS、PDM之间存在数据接口，数据集成的方式主要有两种：中间数据库和基于SOA的服务集成，从而使设备相关数据能及时与其他系统进行交互。

2.2 构建基于PLM的生产制造协同平台

    在基于PLM的生产制造协同平台上提供了设计工具（CAD、PDM）、工艺管理（CAPP、CAM、PDM）、数字制造（DNC、MES）等产品，平台不仅实现企业内不同产品间的数据集成和数据协同，还实现与异构CAD、PDM、ERP、MES等系统的集成接口，以及与3D扫描、3D打印及其他企业数控设备之间的互联互通，协同平台框架如图3所示。  

    图3 基于PLM的生产制造协同架构

    本层次平台框架的关键技术包括：1）基于PLM的接口标准，规范PLM和CAD、CAPP、CAM、MES、ERP、网络DNC的集成方式和内容，规范PLM、ERP、网络DNC、数控设备等与MES的集成方式和内容；2）在标准规范支持下实现全生命周期里的软件之间、软件和硬件之间的互联互通和融合创新；3）面向行业的知识管理，实现基于协同架构的产品生产知识管理。关键技术详述如下：

    1）基于PLM的接口标准

    规范产品全生命周期内的软件之间及软硬件之间的数据交换接口，软件之间统一通过数据库和SOA的方式进行数据集成，软硬件之间的接口标准，应先对硬件的数控系统接口程序进行升级，并按照平台架构的设计进行组装，实现各种接口可按插件形式配置，实现软硬件之间的接口标准采用统一的规范。

    2）标准规范下的软件及软硬件间的互联互通和融合创新

    在设计工具（CAD、PDM）、工艺管理（CAPP、CAM、PDM）、数字制造（DNC、MES）等产品中支持数据互联互通，并支持按照标准规范要求以中间数据格式或服务的形式与第三方公司的产品软件进行数据集成，并实现软件与数控设备之间的数据互联。

    3）基于协同架构的产品知识管理

    构建基于协同架构的统一知识管理工具，实现产品制造过程的知识管理和积累。在设计工具（CAD、PDM）、工艺管理（CAPP、CAM、PDM）、数字制造（DNC、MES）各阶段增加对产品知识的调用，如提供在线的设计/工艺/制造手册，提供设计/工艺/制造知识库，标准件库、零件库、设计模块库、产品色彩方案库，材料、材质、设备、工装、工具等资源库等，支持设计生产流程导航，支持基于典型工艺的工艺设计和智能生产等。

2.3 构建基于工业云的价值链协同平台

    基于云制造、云存储和移动互联网等技术，构建以制造资源共享和企业间制造协同的融合创新云服务平台。价值链协同平台基于个性化定制、柔性制造和服务模式，分为服务运营、云服务平台、数据中心、用户终端和行业应用五个部分，数据中心完成云端数据的存储和计算，云服务平台提供云端服务的载体平台，服务运营对云端的服务进行综合管理，协同平台的运行情况通过用户终端与用户进行交互，协同平台架构如图4所示。

    图4 基于工业云价值链协同平台

    基于工业云的价值链协同平台将企业的制造资源价值延伸到云端，企业及相关应用开通企业库，在平台上展现设计、制造、检测、工程服务等能力，信息聚合后即可呈现为整个行业的综合能力，同时制造企业之间可以通过工业云进行制造过程协作，通过用户终端承接个性化定制的订单和需求，在平台上完成需求与能力的对接，服务或产品交付后，需求方可以进行服务评价，并持续向企业反馈意见，从而将资源和能力价值发挥到最大。

    构建基于工业云的价值链协同平台的关键技术包含云服务框架、资源库建设、软件服务和平台安全体系建设。以下对涉及到的四个关键技术进行详细描述。

    1）协同制造平台云服务框架

    平台基于底层弹性云基础设施，以虚拟化技术为主要支撑、对平台的软硬件及虚拟机等各类资源进行服务化管理，满足灵活管理和高效利用资源的需要。

    基于IaaS平台，实现资源虚拟化、动态规模扩展、自动化部署、负载管理、数据管理、性能故障管理、配置管理等服务，构建PaaS层，实现中间件层面统一，支持SaaS应用层面扩展。部署统一模型服务、文仓服务、工作流服务、会话服务、认证授权服务、测试服务、部署服务等。重点建设行业能力供应平台，包括企业库能力呈现与搜索、交易机制，构建创新设计与协同制造云服务模式、体系架构、标准规范等。

    2）资源库建设

    资源服务围绕行业，建设包括2D/3D设计零部件库、专业应用构件库、产品模型库、设计标准和手册、工艺知识库、制造资源库、行业应用模板等。

    资源库建设本着资源共享、有效利用的原则，在现有资源基础上进行“填平补齐”，建立一个丰富的软硬件资源体系，建设一个能有效支持异地协作的网络环境，同时根据行业共性需求特点，建设若干设计数据库以及协同工具，实现平台内部的资源共享和设计信息互通。主要建设策略为：规划平台的资源布局，填平补齐软硬件工具，建设专业设计资源库。

    3）SaaS软件和服务

    SaaS应用层面，包括软件和能力交易平台，提供工业设计工具和软件，资源库，3D打印，数控编程，仿真分析等工程服务，以及交易对接服务、对接后的供应链协作项目管理服务。具体的，云平台主要有以下十方面的建设内容，包括软件服务系统、设计资料库系统、培训和社区交流服务系统、搜索服务系统、项目管理服务系统、交易服务系统、认证服务系统、广服务系统、定制服务系统、产品数据呈现服务。

    4）平台安全体系建设

    为有效保障云计算应用的安全，针对平台SaaS应用安全层、PaaS网络安全层、PaaS系统安全层、IaaS基础设施安全层、管理安全层五个层次，从安全接入、权限管理、安全存储、安全传输、安全审计、服务安全六个方面保障云服务平台的安全。

3 结束语

    用户需求个性化定制程度的提高给传统的生产组织模式带来挑战，随着信息技术和互联网技术的发展，智能协同制造模式逐渐成为制造业发展的方向。本文从硬件物联、数据贯通、云端协同三个层面分析了制造企业的生产组织方式，并构建了基于层次化的智能协同制造平台框架。自底向上提出支持平台架构的三个子平台框架，即基于工业物联的硬件协同平台、基于PLM的生产制造协同平台和基于工业云的价值链协同平台，文中详细探讨了平台涉及到的核心关键技术，三个层次内部向集成，层间纵向贯通，从而构成基于层次化的智能协同制造平台框架，为企业构建灵活高效的生产组织模式提供了有益的参考。