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智能工厂信息化标准体系架构研究

2021-01-21 11:36:53 dms@root 51

导读

本文通过分析智能工厂信息化关键技术,围绕智能工厂价值链的全生命周期,从现场层、管控层、企业层、平台层以及协同层五个维度搭建了智能工厂信息化架构。通过调研国际国内智能工厂信息化标准现状,建立了适合我国国情的智能工厂信息化标准体系架构,同时针对我国智能工厂信息化标准的研制工作提出了意见建议。

01 引言

智能工厂信息化指的是将先进的管理思想与技术手段相结合,以工厂信息基础设施互联互通为基础,将企业内部与外部的信息资源进行汇聚与整合,实现研发、采购、生产、销售等各个环节的信息集成与共享,为企业管理提供决策依据,提高决策的准确度和有效性,从而提升企业的管理效率和管理水平。智能工厂信息化包含信息收集、信息交互、信息存储、信息应用、信息系统维护等内容。标准贯穿于智能工厂信息化建设与实施的整个过程,是信息化建设与实施的依据和准绳。一方面,标准能够为企业开展智能工厂信息化建设活动提供指导、指明路径,避免各企业各行其是而走了弯路;另一方面,标准能够为企业开展智能工厂信息化建设活动提供规范和准则,保证企业的信息安全和信息系统的可靠性等。

自“中国制造2025”战略提出以来,我国开展了各项智能制造标准化工作,工信部、国标委联合发布了《国家智能制造标准体系建设指南》,提出了智能制造标准体系。但当前智能工厂标准化工作仍处于“摸着石头过河”的状态,无法有计划、有重点地开展工作。我国制定了系统集成、互联互通等一系列与智能工厂信息化相关的标准,但目前还没有完整意义上可以借鉴的智能工厂信息化标准体系,导致这些标准仍处于“孤立”状态,标准协调性不足。此外,企业对智能工厂信息化的认知程度不同,都以各自的理解开展智能工厂信息化建设活动,建设水平参差不齐。因此,急需开展智能工厂信息化标准体系研究,为智能工厂信息化标准的研究与制定提供指导,更好地发挥标准在推进智能工厂信息化建设中的基础性和引导性作用。

02 智能工厂信息化架构

通过分析智能工厂信息化关键技术,围绕智能工厂价值链的全生命周期,搭建了“现场层—管控层—企业层—平台层—协同层”的智能工厂信息化架构,如图1所示,每层分工不同,但紧密联系、上下交互,通过应用各类智能工厂信息化技术、标准与规范,实现智能工厂的全面信息化管理。智能工厂的全面信息化管理集中体现在人机料法环五个方面,“人”指制造产品的人员,“机”指制造产品所用的设备,“料”指制造产品所使用的材料,“法”指制造产品所使用的方法,“环”指产品制造过程中所处的环境。

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图1 智能工厂信息化架构

1)现场层。通过网络服务器、网络通信链路等基础设施实现车间网络布局,进而支持现场设备的通讯功能。现场工控设备与系统包含DCS(集散控制系统)、PLC(可编程逻辑控制器)、SCADA(数据采集与监视控制系统)、AGV(自动导引运输车)、传感器、数控机床、智能仪表、工业机器人等。现场数据采集与显示设备包含移动终端(手机、平板电脑等)、条码扫描枪、FRID采集机、电子看板(机台看板、产线看板、车间看板)、大屏监控中心等。

2)管控层。利用MES(制造执行系统)、PLM(产品全生命周期管理)、WMS(仓储管理系统)等信息系统,加强对车间信息的智能管控,连接现场层和企业层两个层级,实现整体架构的互联互通。该层级主要包含工厂建模、生产物流管理和仓储管理等内容,其中,工厂建模包含流水线、流转卡、工序工步、设备机台、工艺参数、工装模具等信息;生产物流管理包含监控物流运行状况、规划运输路线、集货拣货等;仓储管理包含货位编码、精确定位、流转标签、储区规划、货品上架、货品出库等。

3)企业层。整合企业信息管理系统,利用ERP(企业资源计划)、CRM(客户关系管理)、SCM(供应链管理)、CAD(计算机辅助设计)、CAE(计算机辅助工程)、CAM(计算机辅助制造)、CAPP(计算机辅助工艺过程设计)、OA(办公自动化)等软件系统,加强对技术、采购、销售、人员、资金的管理,同时,实现企业各部门间的协同办公。其中,技术管理包含对设计图纸、工艺文件、标准规范等方面的管理;采购管理包含供应链管理、制定采购计划、订货管理等;销售管理包含客户管理、制定销售计划、订单管理等;人员管理包含对人员资质、绩效考核、岗位职责等方面的管理;资金管理包含预算管理、应收应付账单管理、成本核算等;协同办公包含工作流引擎、流转审批、电子文控等。

4)平台层。平台层主要指利用云计算、大数据等信息化技术,构建云平台、大数据分析平台、电子商务平台等网络平台,加强企业信息化管理的集中性、灵活性和同一性,提高企业整体运作效率,帮助企业快速掌握市场需求、加快产品更新速率,加强企业与用户之间的商业联系,提升企业创新能力和服务水平。

5)协同层。打通供应商、客户、经销商、外协加工商、第三方物流公司间的信息化渠道,优化配置产业链中不同环节的资源要素,加强供应链协同、研发协同、生产协同和服务协同,在产业链中的上下游间形成提质、增效、降本的多赢局面。

03 国内外智能工厂信息化标准研制现状

3.1 国际智能工厂信息化标准研制现状

在国际标准化组织(ISO)中,智能工厂信息化相关标准主要由自动化系统和集成技术委员会(ISO/TC184)、技术产品文件技术委员会(ISO/TC10)、产品几何技术规范(ISO/TC213)等研究制定,涉及基础共性、技术产品文件、信息系统与自动化系统集成等领域。截止目前,ISO已制定了ISO 15746《自动化系统和集成制造系统的高级过程控制和优化能力的集成》、ISO16300《自动化系统和集成制造应用解决方案的能力单元的互操作性》等系列标准。近几年,ISO在信息技术评价、企业评估、新一代信息技术等方面,研制了一批标准,如ISO/IEC/IEEE 42030-2019《软件、系统和企业架构评估框架》标准、ISO/IEC TR 20547《信息技术大数据参考架构》系列标准、ISO/DIS 22549《自动化系统和集成工业企业信息化和工业化融合的评估》系列标准、ISO/CD 23247《数字孪生制造框架》系列标准。

在国际电工委员会(IEC)中,智能工厂信息化相关标准主要由工业过程测量、控制和自动化技术委员会(IEC/TC65)、无线电通信传输设备技术委员会(IEC/TC103)、音频/视频、信息技术和通信技术电子设备安全技术委员会(IEC/TC108)等研究制定,涉及工业网络、工业过程测量和控制、系统和产品的生命周期管理等领域。此外,IEC于2015年成立了信息安全咨询委员会(IEC/ACSEC),主要开展智能制造在内的信息安全、数据隐私保护等领域的国际标准化工作,协调与信息安全、数据保护相关的活动。IEC早在2012年就发布了IEC TR 62794-2013《工业过程测量控制和自动化生产过程表示用参考模型(数字工厂)》标准,这也是IEC已发布的工业4.0的核心标准(现已被IEC/TS 62832-1-2016替代)。目前,IEC正在研制IEC 62541ED3《OPC统一架构》、IEC 62769 ED2《现场设备集成(FDI)》等系列标准。

ISO和IEC联合的信息技术委员会(ISO/IEC JTC1),主要开展信息技术领域的国际标准化工作,包括信息采集、标识、处理、安全、传输、交换、显示、管理、组织、存储和检索技术,以及系统及工具规范方面的国际标准化。IEC/TC65与ISO/TC184于2017年联合成立了“智能制造参考模型”联合工作组(JWG21),旨在制定在世界范围内推行的智能制造统一参考模型。

在国际电信联盟(ITU)中,智能工厂信息化相关标准主要由信令要求、协议和测试规范研究组(ITU-TSG11)、包括移动和下一代网络(NGN)在内的未来网络研究组(ITU-TSG13)、安全研究组(ITU-TSG17)等研究制定,涉及网络安全、通信协议等领域。

3.2 我国智能工厂信息化标准研制现状

在国家标准化管理委员会中,智能工厂信息化相关标准主要由全国信息技术标准化技术委员会(SAC/TC 28)、全国工业过程测量和控制标准化技术委员会(SAC/TC 124)、全国技术产品文件标准化技术委员会(SAC/TC 146)、全国自动化系统与集成标准化技术委员会(SAC/TC 159)、全国信息安全标准化技术委员会(SAC/TC 260)、全国通信标准化技术委员会(SAC/TC 485)等研究制定。

在2010年之前,我国在开展智能工厂信息化相关标准研制过程中,较多地是将国际标准转化为国家标准,之后,我国自主研制的相关标准比重逐渐增加。《国家智能制造标准体系建设指南(2015年版)》的实施,推进了智能制造标准化工作的有序开展,提升了我国相关标准的研制水平,推动了我国智能工厂信息化建设进程。同时,我国抓住了新一代信息技术的发展机遇,研制了GB/T 37700-2019《信息技术工业云参考模型》、GB/T 34068-2017《物联网总体技术智能传感器接口规范》、20182047-T-339《智能制造虚拟工厂信息模型》(研制中)等一批先进适用的标准,并努力将部分国家标准上升为国际标准,大幅提升了我国国际标准竞争力。此外,我国相关标准化组织根据智能工厂定制化特点,结合行业需求,制定了SJ/T 11666.9-2016《制造执行系统(MES)规范第9部分:机械加工行业制造执行系统软件功能》、YD/T 3597-2019《支持石化行业智能工厂的移动网络技术要求》等行业标准,为不同行业智能工厂信息化建设提供了规范和指导。

04 智能工厂信息化标准体系架构

4.1 智能工厂信息化标准体系架构建设原则

基于智能工厂信息化架构,结合智能工厂相关标准研制现状,提出适用于我国的智能工厂信息化标准体系架构,并遵循以下原则:

1)与国际接轨

标准体系架构构建过程中应具有国际视角,充分吸取与借鉴国际相关标准的成果与经验,积极采用国际标准,实现国内标准与国际标准接轨。

2)适度前瞻

智能工厂信息化标准体系架构应能反映信息化技术的发展水平,在包容智能工厂信息化技术应用现状的基础上,采用适度前瞻的思路,充分考虑智能工厂信息化技术发展趋势,在为我国步入智能工厂信息化建设的企业提供实施指南的同时,为我国智能工厂信息化程度较高的企业提出发展方向。

3)要素齐全

充分考虑智能工厂信息化建设中的各有关环节,全面涵盖设计、生产、物流等过程中涉及的信息要素,提升智能工厂信息化标准的协调统一性。

4)动态管理

智能工厂信息化技术发展迅速,提出的标准体系架构应体现开放性,采取动态管理的方式,持续优化完善体系结构,保证标准体系与智能工厂信息化技术发展相协调。

4.2 智能工厂信息化标准体系架构及组成说明

如图2所示,智能工厂信息化标准体系架构由基础共性、关键技术和行业应用三部分组成。

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图2 智能工厂信息化标准体系架构

1)基础共性标准

基础共性标准包括术语和定义、符号和编码、参考模型、指标体系和实施指南等标准,用于解决智能工厂信息化相关的基础共性关键问题。术语和定义标准用于统一智能工厂信息化相关概念,为其他各部分标准的研制提供支撑;符号和编码标准用于规范智能工厂生产和管理各环节的产品表达,为智能工厂的数据集成、交互共享等奠定基础;参考模型标准用于帮助各方认识和理解智能工厂信息化的标准化对象、边界、各部分的层级关系和内在联系;指标体系标准用于针对各行业、企业和项目等开展智能工厂信息化方面的评估;实施指南标准为企业开展各项智能工厂信息化建设活动提供指导建议。

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图3 关键技术标准子体系

2)关键技术标准

如图3所示,关键技术标准包括智能设计、智能生产、智能物流、硬件系统集成、工业软件与APP、工业互联网、工业大数据、工业云、商务服务等标准。

智能设计标准包括产品设计与仿真标准、工艺设计与仿真标准和试验仿真标准,用于规范产品和工艺的设计、仿真、优化等方面的技术要求,确保产品设计全过程的标准化管理。

智能生产标准包括生产计划标准、生产执行标准、质量管控标准和设备运维标准,用于规定智能工厂生产过程中应满足的要求,确保制造过程的智能化、柔性化和敏捷化。生产计划标准包括计划协同、计划排产、优化调度等标准;生产执行标准包括协同生产、生产过程监视、生产过程优化、生产绩效分析等标准;质量管控标准包括质量监控、质量判定、质量追溯、质量优化等标准;设备运维标准包括设备运行、设备监控、设备维护等标准。

智能物流标准包括智能仓储标准和智能配送标准,用于指导智能工厂内部物流系统的设计、建设与管理。智能仓储标准包括物料标识、储位编码、出库入库等标准,确保仓储物流的高效管控;智能配送标准包括配送路径规划、配送设备监控、配送状态跟踪等标准,确保运输物流的精益化管控。

硬件系统集成标准包括识别与传感设备集成标准、数控机床与设备集成标准、人机交互设备集成标准、工业机器人集成标准和控制系统集成标准等。硬件系统集成标准用于规范工厂的硬件设备及相应控制系统的集成与互操作性要求,符合通用接口中特定的功能关系,确保硬件系统间的信息共享与交互。

工业软件与APP标准包括产品与系统开发标准、系统集成标准、服务与管理标准、测试与评价标准等。产品与系统开发标准用于规范软件功能、软件性能、软件开发环境等要求;系统集成标准用于规范软件与硬件之间、软件与软件之间的集成与互操作性要求,确保智能工厂不同层级的信息交互;服务与管理标准用于规范软件供应商的服务要求,并指导软件应用企业进行工业软件的选型与管理;测试与评价标准用于规范智能工厂相关软件的测试和评价过程,指导相关方开展软件测试和评价流程。

工业互联网标准包括网络互联标准、标识解析标准、网络设备标准、网络安全标准、测试与评价标准等,用于指导企业进行网络环境的搭建与运维。网络互联标准用于规范企业内外网络互联涉及的协议、接口等要求;标识解析标准用于规范标识数据采集、解析、存储等方面的要求;网络设备标准用于规范企业内部网络设备(如工业网关、工业交换机、工业路由器等)的功能、性能和管理等方面的要求;网络安全标准用于规范智能工厂的通信网络和标识解析系统的安全监控、防护、检测等方面的技术要求,以及相关网络安全产品的技术要求;测试与评价标准为工业互联网的测试和评价过程提供指导和依据。

工业大数据标准包括数据采集标准、数据处理标准、数据服务与管理标准、数据安全标准,用于规范产品全生命周期各个环节所产生的各类数据的获取、处理和应用过程。数据采集标准用于规范数据采集范围、流程、信息载体等要求;数据处理标准包括数据预处理、数据分析、数据挖掘等标准;数据服务与管理标准包括数据存储、数据可视化、数据访问等标准;数据安全标准用于规范数据采集、处理、管理过程中采用的安全保护技术,防止数据遭到破坏、恶意更改和泄露。

工业云标准包括资源标准和服务标准,用于指导工业云平台的设计、搭建与运维,规范工业云服务的部署、供应和管理等方面的要求。资源标准包括工业云平台建设、运行与维护等标准;服务标准包括工业云服务要求、工业云服务评估等标准。

商务服务标准包括电子商务标准、物流服务标准和评价标准,保障制造企业的服务质量。电子商务标准用于规范利用电子信息技术开展商务活动的过程;物流服务标准用于规范制造企业与客户之间利用信息化技术开展商品流通的过程,这里要和智能物标准流予以区分,智能物流标准侧重于企业内部材料、产品等的流通;评价标准用于规范制造企业利用信息化技术开展商务服务的过程,指导相关方开展服务评价活动。

3)行业应用标准

行业应用标准包括机械行业标准、航空行业标准、航天行业标准、石化行业标准、汽车行业标准、电子行业标准和其他。该部分标准主要指针对不同行业专门制定的智能工厂信息化标准,这些标准不具有通用性,只适合在特定行业中应用。

05 结束语
智能工厂信息化标准研制工作涉及的标准化组织较多,建议在国家层面成立智能制造信息化标准联合工作组,整合标准资源,统筹协调相关工作,加强跨组织、跨地区之间的合作,加快建立具有科学性、系统性、适用性和前瞻性的智能工厂信息化标准体系,确保标准体系与国际对接,按照“统筹规划、分步实施”的原则,推进标准体系实施,避免相关标准的重复、交叉、滞后,保证相关标准化工作的有序开展,提升相关标准的有效供给。此外,我国要积极参与相关国际标准化工作,将更多的我国标准提交为国际标准提案,深度参与智能工厂信息化国际标准的研制,进一步提升我国在国际标准化领域的话语权和竞争力。

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