移動終端智能工廠集成

趙宏軍，王 嘯，孫嘉玉

（1.北京機械工業自動化研究所，北京 100120；2.中國信息安全研究院有限公司，北京 102200）

移動終端智能工廠集成

趙宏軍1，王 嘯2，孫嘉玉1

（1.北京機械工業自動化研究所，北京 100120；2.中國信息安全研究院有限公司，北京 102200）

智能工廠是在數字化工廠的基礎上，利用物聯網技術和監控技術加強信息管理服務，提高生產

過程可控性、減少生產線人工干預，以及合理計劃排程。其中，集成是實現智能工廠的重點也是難點。將圍繞移動終端行業智能工廠的集成進行研究，主要包括：智能設計集成、智能經營集成與智能生產集成。通過對設計管理系統、經營管理系統、生產設備及相關信息管理系統等的集成，使人與人、人與機器、機器與機器以及服務與服務之間能夠互聯，從而實現橫向、縱向和端對端的高度集成。

智能工廠；系統集成；數據接口

1 智能工廠集成的必要性

1）智能制造與快速反應

第一，可以用信息實現多方的協同工作。一條新的信息可能涉及到多個部門的工作（如產品設計的改動）。如果可以共享信息，就可以把串行工作變成并行并減少協同中的差錯。

第二，可以實現知識的復用。一個人發現的知識（包括產品部件的設計），可以被其他人、被后繼者重用，省下了不必要的開發。

第三，物質資源的共享（分享經濟），減少了獲得資源的時間。

第四，縮短了決策周期。把信息全面集成起來，就可以讓計算機做出科學的決策、而不是人去控制或團隊開會決策，縮短從信息感知到執行的時間。

第五，提高工作效率的工具。計算機仿真、CAD等手段，使得人們可以在數字世界里做試驗，從而以提高效率。

2）智能化與自動化

我們認為智能化是自動化的延伸和發展。其中一個重要差別是：信息的來源和協同的范圍擴張了。過去的自動化主要針對批量生產。在智能制造的時代，產品更新換代速度快、批量小，甚至可能要在流水線上生產個性化定制的產品。與大批量生產相比，生產組織高度復雜、質量控制難度大增、成本和能耗可能會顯著升高，采購和供貨的壓力大。這些相關的新問題必須被迅速感知、及時處理。從技術上看，在過去的自動化產線上，人們一般試圖把生產的“邊界”盡量固定下來、通過抑制干擾來保證質量、成本和效率；在智能化產線上，更強調出現問題及時應對這些干擾。

這時，智能制造的相關技術，如大數據監控、信息集成就成了“雪中送炭”。從而生產管理才能盡可能簡單、盡可能高效。

3）智能化與代替人

智能化的首要目標往往是快速反應，而不是代替人。但是，代替人確實也是目的之一、甚至是非常重要的目標。其實，讓機器代替人進行決策和執行，有利于快速反應并取得更好的控制效果。

要實現快速反應，除了ICT技術，還要配套其他的東西。首先，從信息感知的角度看，有些信息的獲取，不是僅憑ICT技術就能解決的。比如，要快速響應，可能需要獲得用戶和供應商的信息。但這要有商業模式和法規的支撐才行。其次，從決策的角度看，在可以預見的未來，人類會在很多方面作為主要的決策者，而這就要有組織模式的支持。第三，決策的執行往往需要有物理設備的支持。

因此，智能工廠的集成有必要性又有可行性。

2 智能工廠集成范圍

2.1 縱向集成

在智能工廠內部，通過縱向集成，把傳感器、各層次智能機器、工業機器人、智能車間與產品有機的整合在一起，同時確保這些信息能夠傳輸到ERP系統中，對橫向集成、以及端到端的價值鏈集成提供支持。這種縱向集成構成了工廠內部的網絡化制造體系，這個網絡化制造體系有很多的模塊組成，這些模塊包括模型、數據、通信、算法等等所有必要的需求。在不同過的產品生產過程中，模塊化的網絡制造體系可以根據需要對模塊的拓撲結構進行重組，從而可以很好地滿足個性化產品生產的需求。

縱向集成主要解決企業內部的集成，即解決信息孤島的問題，解決信息網絡與物理設備之間的聯通問題。

2.2 橫向集成

橫向集成是企業之間通過價值鏈以及信息網絡所實現的一種資源整合，為實現各企業間的無縫合作，提供實時產品與服務，推動企業間研產供銷、經營管理與生產控制、業務與財務全流程的無縫銜接和綜合集成，實現產品開發、生產制造、經營管理等在不同的企業間的信息共享和業務協同。

橫向集成通過互聯網、物聯網、云計算、大數據、移動通信等等全新技術手段，對分布式的智能生產資源進行高度的整合，從而構建起在網絡基礎上的智能工廠間的集成。

2.3 端到端集成

在C2B模式下，需要用戶參與到產品的設計和生產中來，制造企業需要用戶把他們的需求更直接的輸入到產品設計的各個階段，為用戶帶來更多的最佳體驗。為了實現這個目的，企業必須通過互聯網來實現與用戶的互動；也必須通過更好的的產品生命周期管理流程來管理產品的設計過程；在這個過程中，通過虛擬的設計、虛擬評估和虛擬的制造更好地把從用戶到需求到制造完美的結合在一起。

在這樣的模式下，工廠本身將對面對個性化、定制化的訂單和新產品的快速導入。這就要求工廠是非要地柔性和靈活，同時又必須要保證運營的的高效率。實現柔性、靈活與高效率的統一，實際上最終要去實現的就是大規模定制的模式。從需求產生到滿足需求，企業又必須建立起一套端對端的集成式的拉動式生產模式，也就是按需求生產的模式。為了更好的去支撐這樣的模式，信息必須可以實現快速、準確、完整地流轉。

3 移動終端智能工廠集成

3.1 集成技術要求

3.1.1 信息數據接口要求

結合移動終端企業信息系統的實際情況，利用WIFI、WAPI、4G等無線或有線技術實現物理連接，再此基礎上實現智能設計、智能生產和智能經營涉及到的信息系統應進行數據交換，一般的信息系統應包括：

經營管理信息系統，含企業資源計劃系統、客戶關系管理系統、供應鏈管理等；

研發工藝管理信息系統，含產品生命周期管理系統、虛擬設計系統、虛擬仿真系統、實驗室管理系統等；

生產管控系統，含制造執行管理系統、質量檢測系統；

工廠物流系統，含原料庫、成品庫、配送系統等；

裝備管理系統，貼片機、波峰焊、SPI、AOI等設備以及管理系統。

3.1.2 信息流主要數據對象

數據交換信息流圖如圖1所示。

圖1 數據交換信息流圖

主要數據對象如表1所示。

3.1.3 接口技術要求

移動終端智能工廠內外部進行數據交換時應采用：

1）OPC規范

2）企業服務總線技術

其中，OPC規范為自動化控制與過程控制系統進行實時數據交換時采用的接口規范，包括數據訪問服務器接口規范、歷史數據訪問服務器接口規范、事件與報警服務器接口規范、批處理服務器接口規范、OPCDA服務器接口規范和XML DA服務器接口規范等。

企業服務總線為服務提供者和消費者之間提供中介服務，為參與集成的各方屏蔽了硬件平臺、軟件、網絡和物理位置上的差異，有效地對服務進行管理并且降低服務之間的依賴關系，提高服務調用在多變的企業應用集成場景中的靈活性。包括消息傳輸、消息路由、消息轉換、消息驗證等核心功能，服務質量管理、服務監控、日志管理等管理功能和服務安全管理功能。

表1 主要數據對象

圖2 企業服務總線功能圖

企業服務總線主要內容包括：

（1）消息傳輸：服務總線應支持各種消息服務協議的支持，以及提供開放的服務協議定制化開發功能，允許客戶拓展服務總線的支持范圍。

（2）消息路由：部分完成消息路由的選擇，也就是利用路由標記中的信息，為信令消息選擇一條信令鏈路，以使信令消息能傳送到目的信令點。

（3）消息轉換：根據目標服務的調用方式和所處位置，作相應的消息轉換和處理。

（4）消息驗證：確定消息是否有效，保證進出的消息符合目的地服務使用者或提供者期望的格式并對驗證失敗的消息進行報錯處理。

（5）服務質量管理：應有服務質量保證管理機制，保證服務的性能和可靠性，并得到服務提供和用戶的認可。

（6）服務監控：服務總線應提供服務監控功能，使服務總線處于可監控可管理的狀態，并能夠支持將出現問題的業務服務通過郵件或外部接口及時通知相關管理員。

（7）服務異常管理：服務總線應提供異常處理功能，當運行時出現異常應捕獲、記錄異常信息，并提供用于異常處理的接口，以便異常得到正確的處理，保證服務總線自身的健壯性。

（8）服務安全管理：應具有服務自身安全管理功能，運行用戶自定義安全策略，對服務的安全進行控制。

企業服務總線應支持間接集成、直接集成和封裝調用集成三種模式接口信息傳遞，集成接口方式如圖3所示。

圖3 集成接口方式圖

接口方式主要內容：

（1）間接集成：主要包括通過中間文件、中間數據庫以及XML數據流等來實現系統的集成。如：通過中間文件實現信息集成；通過中間數據庫集成；基于XML的集成等。

（2）直接集成：當需集成的系統均為關系型數據庫，可直接對各自數據庫進行操作，并交換數據，實現兩個系統的數據庫的真正共享。

（3）封裝調用集成：通過操作集來描述可見的模塊外部接口，保證對象的界面獨立于對象的內部表達，接口作用于對象的操作集上是對象唯一可見部分。通過調用方式使用對象。封裝以后通過接口調用就可以有效實現系統集成。如：基于API的函數調用方法；JDBC/ODBC方法等。

3.2 智能設計

3.2.1 智能設計主要內容

移動終端設計業務包括工業設計、結構設計、硬件設計、軟件設計四大設計內容。工藝流程有焊接/印刷、芯片貼裝、自動光學檢測、回流焊、軟件下載、測試、包裝等。在智能設計、工藝工具的支撐下，運用CAX、CAPP等，通過PLM系統管理所有產品信息，實現產品設計、工藝、采購、生產、物流、服務全過程管理。完成新技術、新物料、新平臺信息的收集、設計研發，并生成指導銷售、生產的產品信息。

實現設計信息系統和與企業資源計劃系統、制造執行系統等整個生命周期的全面集成。

3.2.2 智能設計集成要素

智能設計中的產品信息規定了制造產品所必須的信息和產品生產規則。產品信息應包括產品設計信息、產品工藝信息、質量檢測標準、數控程序等。

智能設計集成模型如圖4所示。

圖4 智能設計集成模型圖

3.3 智能經營

3.3.1 智能經營主要內容

智能經營主要活動包括：

1）市場信息收集與分析、簽訂訂單、跟蹤訂單執行相關采購和生產活動、客戶產品的交付等業務活動。

2）根據訂單編制生產計劃、物料的需求計劃，生成任務信息下達到采購和生產部門，監控根據訂單變化、生產狀況并及時調整計劃。

3）采購活動，采購部門根據物料需求編制采購計劃，根據計劃執行采購，包括采購的簽訂、執行、到貨接收、檢驗入庫采購活動。同時采購部門需根據內外因素及時調整采購計劃和訂單，確保采購計劃和訂單高效完成。

4）企業設計、采購、產品的制造過程、售后服務過程中的質量標準制定、質量追蹤、分析和改善活動。

3.3.2 智能經營集成要素

智能經營與制造執行的接口信息主要體現在基礎信息和計劃相關信息，智能經營中根據訂單編制生產計劃，生產計劃將生產任務信息傳遞給制造執行。與智能物流的接口信息主要包括采購到貨信息、銷售提貨信息。

智能經營集成模型圖如圖5所示。

圖5 智能經營集成模型圖

3.4 智能生產

3.4.1 制造執行主要內容

制造執行管理應包括作業計劃編排以及制程管控，具體應包括產品信息管理、生產準備、生產制造管理、統計分析、質量控制等活動。

作業計劃通過對ERP系統的生產任務再分解，形成車間SMT、組裝、總裝工序的作業計劃，跟據作業計劃合理安排生產，主要活動包括：

1）根據上層信息系統（如ERP系統）的生產任務，對生產任務進行詳細排產，形成指導工序生產的生產工單；

2）生產工單并發布后，應形成原料的備料計劃，為生產工單的準確執行創造條件。根據移動終端生產安排，詳細排產還應生成鋼網、錫膏、夾具、測量設備等生產必須生產資源的準備計劃。

制程管控根據生產、質量和設備的動態信息，實時掌控生產節奏，協同各部門各作業單元高效有序生產，保障完成車間作業計劃的執行，主要內容包括：

1）在生產計劃的基礎上，對投入、貼裝、組裝、試驗、包裝等工序制造過程進行管理；

2）在生產過程中跟蹤、記錄、分析各工序執行進度、產品狀態、物料消耗情況、設備運轉等信息；

圖6 制造執行管理過程

3）根據生產狀態信息，并結合產品的生產規范要求，處理異常情況，調度各生產單元有序協同工作；

4）手機產品生產過程中，應自動下載和寫入串號，即IMEI；

5）生產過程的質量控制，包括檢驗、試驗活動以及相關的數據分析。

制造執行管理過程圖如圖6所示。

3.4.2 生產準備集成要素

生產準備為了完成移動終端產品的生產而必須的資源的準備過程，包括人員、物料、設備、技術文件（工藝文件）、環境（溫度、濕度、無塵要求）、質量標準等。生產準備集成模型圖如圖7所示。

圖7 生產準備集成模型

3.4.3 生產制造集成要素

生產制造過程包括作業計劃編制、作業計劃調整、計劃執行與跟蹤、目視化管理。為了滿足生產要求進行的生產行程安排，包括對人員、設備等資源的最佳利用；根據此安排分派人員、設備開展生產活動，合理安排產品的生產次序，同時采用目視化管理方式對產品生產過程中人員、設備使用情況、物料消耗、生產質量等活動進行跟蹤，依據跟蹤結果調整作業計劃。生產制造集成模型圖如圖8所示。

圖8 生產制造集成模型

3.4.4 質量檢測與控制集成要素

質量管理內容包括質量計劃、測試數據、來料檢驗、過程質量控制、成品檢驗、質量分析、根據AQL計算抽檢數量確定抽檢計劃。通過智能音頻檢測、智能視頻檢測、智能老化設備等自動檢測設備（ATE）和測試系統協同，實現質量檢測智能化。

質量檢測與控制集成模型圖如圖9所示。

質量管理集成應建立在手機生產數據標準化的基礎上，應已實現生產信息的統一編碼和管理，包括測試計劃、測試裝備、測試項、測試配置的標準化。集成要素應包括過程工藝監視、過程質量檢驗管理、生產試驗、在制品質量異常處理和質量統計。

3.4.5 智能物流主要內容

智能物流管理智能工廠物料轉移相關的管理活動，主要內容包括：

1）根據智能設計對產品和物料的定義，統一管理和跟蹤產品和物料的庫存；

2）根據智能生產管理要求，將特定的物料按時、按量轉移到特定的位置；

3）物料轉移過程中，協調和控制物料移動中的人員和設備，依托二維碼技術和RFID射頻識別技術獲取入庫、檢驗、出庫、倉位、包裝、裝卸搬運、工位配送運輸、和自制件加工流轉各個環節的物料信息，根據識別信息按照生產需求調配；

4）根據智能生產要求向智能裝備、制造執行、智能經營相關提供必要的物料的存量、效率、成本、質量、位置信息；

5）存貯、運輸工具應具有自動感知功能，感知物料消耗情況，根據消耗自主完成物資配送，具有感知功能的設備主要為托盤和AGV。

供應商可通過互聯網獲知物料使用情況，并按配送要求的品種、時間、地點等條件送貨。

3.4.6 智能物流集成要素

智能物流的集成要素包括：

1）物流相關定義信息，包括物料信息、存儲以及轉移的規則和信息等；

2）物料轉移和存儲的能力信息，例如庫房的容積、貨架和貨位狀態、運輸工具的容積、運送能力等；

3）物流特定信息，包括材料存儲的溫度、濕度要求；物料重量、位置等信息；

4）物流資源的管理與調配信息，物流資源包括人員、倉儲設施、運輸設備、轉運方式，以及資源的狀態。

物流物料需求、反饋集成信息屬性應符合制造執行部分物料需求屬性表的要求。

智能物流集成模型圖如圖10所示。

圖10 智能物流集成模型

3.4.7 智能裝備主要內容

智能裝備的主要內容包括智能工廠中設備的協調、維護、跟蹤和數據采集，設備的協調、維護和跟蹤活動主要包括：

1）設備的故障的維護；

2）制定設備維護計劃，并按計劃開展預防性維護；

3）對裝備進行在線檢測，提供裝備的實時狀態數據，根據狀態監測數據開展預測性維護工作；

4）軟件下發管理：生產測試的遠程配置、檢查、自動管理；

5）接收制造執行系統指令，根據智能設計系統、智能物流系統傳遞的信息，開展制造相關活動，收集、監測生產狀態、生產績效和質量信息，反饋信息到相關系統；

6）貼片前自動比對料站。

智能裝備的采集活動包括：

1）生產數據采集：通過與通訊控制、插件管理接口來實現對手機生產測試過程中產生的數據和各項測試數據進行統一收集、分析、管理；

2）數據質量校驗：實現入庫數據規范性校驗，提供準確、完整的測試數據；

3）手機生產測試站管理：R&R分析、自動點檢、測試站異常自動報警；

4）車間生產環境數據采集：溫度、濕度、塵埃顆粒度等；

5）借助二維碼和RFID射頻標簽實現物料流轉過程中數據采集；

6）借助CPS實時采集物料、設備、工具、人員的位置信息。

3.4.8 智能裝備集成要素

在CPS集成的基礎上，智能裝備的信息集成應包括以下內容：

1）獲取智能設計系統、制造執行系統的生產指令、物料的信息、參數、工藝要求等；

2）將生產過程中獲取的物料數據、狀態數據、檢測數據、生產績效數據反饋給相應的處理系統；

3）智能測試設備、實驗設備應能實時連接制造執行系統，及時反饋測試物料的物料信息、批次號、測試問題、位號（元器件）等；

4）接收智能物流系統的物料需求種類、數量、時間、位置信息，并根據監測結果反饋給智能物流系統；

5）應根據設備維護的計劃、請求，將設備的維護信息傳遞給制造執行系統；

6）應根據智能裝備監測結果，將設備的健康狀態數據傳遞給制造執行系統。

應根據作業計劃，自動選擇NC程序，并確定NC程序的切換時間。

智能裝備集成要素應符合制造執行過程數據要求。

智能裝備集成模型圖如圖11所示。

4 結束語

智能工廠各信息系統之間通過接口標準進行數據交互與信息集成（如設備現場總線技術、企業服務總線ESB等）。企業智能工廠包括設計管理系統（如PLM、CAPP、CAD/EDA、CAE/CAT、CAM等）、經營管理與物流管理系統（如ERP、CRM、SRM、OA等）、車間制造執行系統（MES）、自動化控制管理系統（如DNC、FMS、PLC、自動化立體庫等）。自動化控制管理系統使用現場總線技術通過環形工業以太網將感知層物理屬性轉化后的信息集成到互聯網上；設計管理系統、經營管理與物流管理系統、車間制造執行系統通過對感知層反饋信息的分析與計算，形成決策信息后，再通過自動化控制管理系統發布控制指令，從而實現對底層物理設備“感”、“聯”、“知”、“控”的閉環管理。

圖11 智能裝備集成模型

[1] 徐海,徐慶波.智能工廠集成方法研究[J].電子測試,2016(Z1):154-157.

[2] 劉磊.智能工廠建設理論與實踐探索[J].科技經濟導刊,2016(16).

兩化融合評估標準正式通過國際標準立項

信息化和工業化融合是我國加快建設制造強國的重要戰略，兩化融合標準化工作大力推動了我國信息化和工業化領域的協同發展。為提升兩化融合工作的國際影響力，在兩化融合相關國家標準研制和宣傳貫徹的同時，國家標準化管理委員會會同工業和信息化部開展了兩化融合國際標準的研制和立項組織工作。

自2013年起，全國自動化系統與集成標準化技術委員會（SAC/TC159）在兩部委的指導下開展了大量兩化融合標準化成果的國際宣傳和交流活動，為后續的國際標準立項奠定了基礎。SAC/TC159秘書處單位北京機械工業自動化研究所于2014年12月1日向國家標準委提交了兩化融合國際標準草案，國家標準委國際合作部審查后向ISO/TC184/SC5提出了兩化融合國際標準提案，并于2015年3月成立兩化融合國際標準研究組ISO/TC184/SC5/A3ISG，由我國專家浙江大學蘇宏業教授擔任組長和項目負責人。經過兩年努力，在2017年2月發出國際標準提案投票，ISO 22549-1 Assessment on convergence of informatization and industrialization for industrial enterprises -- Part 1: Principles and framework，中文名稱為《工業企業工業化和信息化融合評估——第一部分：總則和框架》。此次投票于2017年4月28日結束，參與ISO 22549-1投票的國家成員體共15個，其中，7個國家成員體同意立項、6個國家成員體棄權、2個國家成員體反對，中國、韓國、瑞典和以色列指派了專家參與標準制定，投票結果符合ISO國際標準立項要求，經ISO/TC184/SC5秘書處和ISO中央秘書處確認通過立項。

ISO 22549規范化了兩化融合評估的模型、指標和過程，是我國在兩化融合領域的第一個走向國際的工作提案，也是該領域第一個被國際標準化組織認可的工作提案，它引起了國際上對兩化融合的關注，是我國在兩化融合領域標準化工作的一個重要里程碑。

TC159標委會 中國機電一體化協會

Mobile terminal intelligent factory integration

ZHAO Hong-jun1, WANG Xiao2, SUN Jia-yu1

TP29

：A

1009-0134(2017)06-0125-07

2017-04-26

趙宏軍（1976 -），男，河南人，本科，主要從事企業管理咨詢、兩化融合咨詢、企業信息化項目管理、智能制造方案咨詢及智能制造相關標準的研究。