智能工厂的系统构成和优化方案

基于当下信息技术的状态和管理思路，企业可构建的智能工厂整体结构如图6-3所示。按照公司业务管理层级的传统，铺设的信息系统分为4层；第一顶层是企业的基于企业资源规划和管理及业务决策的需求，铺设的集成资金流、物流和作业流管理，以及人力资源和资产管理的ERP系统；第二层是工厂级制造中的计划排产、订单执行监控、物流、人员管理、质量、设备工装工具和事件管理的MES系统；第三层是由PLC和EtherCAT等控制器构成，从MES系统接受作业指令传递给设备的执行器，并从敏感器接受各种物流、作业中的信号上传MES系统，被称为现场控制层；第四层是敏感元件、执行器和设备构成的设备层。

图6-3 智能工厂的结构

4个层面的信息集成是构建智能工厂的难点，既有各个技术专业的集成，也有从决策层、执行层到作业层的业务管理集成。ERP层和MES层的信息通信和业务集成主要由软件接口通过网络连接。MES层和控制层的通信是比较复杂的，不同的厂商有不同的通信协议和通信方式。现在，工业4.0的重点任务之一就是要建立这一层的世界级的统一标准，让这层通信能达到低成本、高安全性，并能够满足越来越复杂的自动化控制需求。MES层和控制层的通信通过PLC开发的协议或通过OPCUA（Object Linking and Embedding Process Control Unified Architecture）来完成数据的传递。控制层和设备层的通信通过Profinet、EtherCAT等方式达成。

未来的智能工厂将与现在的智能工厂结构有着巨大的差别，下面4个因素将引起这个变化。

第一，随着物联网技术的发展，为了让设备能够感知所处的场景，需要大量安装各类传感器，自动化和智能化的需求让设备层安装了大量执行器，在接到控制层的指令后，自动执行作业。随着现场设备智能程度的不断提高，自动化控制系统的分散程度也越来越高。工业控制系统正由分散式自动化向分布式自动化演进。因此，基于组件的自动化（Component Based Automation，CBA）成为新兴的趋势。工厂中相关机械部件、电气电子部件和应用软件等具有独立工作能力的工艺模块被抽象成为一个封装好的组件，各组件间使用PROFINET连接。EtherCAT（以太网控制自动化技术）是一个以以太网为基础的开放架构的现场总线系统，EtherCAT名称中的CAT为Control Automation Technology（控制自动化技术）首字母的缩写，最初由德国倍福自动化有限公司（Beckhoff Automation GmbH）研发。EtherCAT为系统的实时性能和拓扑的灵活性树立了新的标准，同时，它还符合甚至降低了现场总线的使用成本。EtherCAT的特点还包括高精度设备同步、可选线缆冗余和功能性安全协议（SIL3）。(www.xing528.com)

第二，智能化设备可以提供越来越丰富的分布式控制。分布式控制大幅减少控制层和MES/ERP通信的需求。现在，很多的作业决策已经由设备层完成。设备厂商对客户需求的理解越来越深入，将综合的业务知识体现在设备的设计和管理上。设备供应商对用户的需求理解越来越到位，把众多的功能集成，并把设备的功能模块化、参数化。友好、方便、简洁的超控界面，各种标准的通信方式，使设备层可以直接和业务层进行集成。设备厂商基于物联网和互联网构建设备云，并为客户提供低成本、专业、高性价比的增值服务。设备的维护越来越专业，购买设备厂商的服务是用户的最佳选择。一个最典型的例子就是，现在集成的加工中心已经成为机械行业的标配，能够快速地把设计转化为精准的加工工艺指令，高效地与设计集成，从而提供精准快速的机加作业。机加中心的服务一定离不开供应商的服务。

第三，现在的信息技术给企业提供了横向及纵向集成技术的基础。正是由于技术的发展，企业的组织层级越来越扁平化、流程化。信息技术构建也不再是明显的层级划分，CRM、PLM、SLM、ERP、MES五大系统集成程度都将越来越高，越来越像一个系统的不同模块。基于统一的数据库，各个业务的管理应用程序化是企业IT基础构架的未来。未来的智能工厂的结构如图6-4所示。SAP公司是世界上排名第一的ERP系统提供商，基于未来业务的需要，SAP通过并购把自己的业务扩展到同SAPME推出MES服务，发布自己的PLM系统，发布SAP HANA进入大数据领域。HANA高效地将来自ERP、MES、PLM等业务层中的各种数据进行数据存储和挖掘，企业可以利用它即时掌握业务运营情况，从而对所有可用的数据进行分析，并对快速变化的业务环境做出迅速响应。西门子数字化工厂解决方案已经可以提供管理创新的PLM产品TEAMCENTER、SEMATIC IT MES系统、全自动化解决方案TIA。其PLM系统可以直接把CAE设计和CAM验证过的工艺文件传递给现场的数控设备，体现了基于技术的业务高度集成。

第四，云是企业信息化的必然选择。工业4.0在设备、业务、产品设计、售后服务的多个维度产生的海量数据，以及对数据共享的海量需求，再加上开放环境下对信息安全的需求，让企业只能选择云技术。中小公司大量使用公有云服务、大公司打造私有云，是未来必然的趋势。

图6-4 未来智能工厂结构