面向航天复杂产品的智能制造

摘  要：工业互联网平台是制造业企业实现智能制造的重要载体。面向航天系统复杂产品的智能制造，阐述了工业互联网平台的组成，基于平台的企业业务数字化集成以及车间智能化改造方案。通过航天企业智能制造样板间改造和建设，开展了跨企业智能制造应用。为企业开展基于工业互联网平台的智能制造提供了参考。

关键词：工业互联网平台;智能制造;样板间

中图分类号：TP393;TH166     文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）16-0150-03

Abstract：Industrial internet platform is an important carrier for manufacturing enterprises to realize intelligent manufacturing. For intelligent manufacturing of complex aerospace products，the composition of industrial Internet platform，digital integration of enterprise business based on platform and intelligent transformation scheme of workshop were proposed. Through the construction of the model room of intelligent manufacturing of aerospace enterprises，the application of intelligent manufacturing across enterprises was carried out. It provides a reference for enterprises to develop intelligent manufacturing based on industrial internet platform.

Keywords：industrial internet platform;smart manufacturing;model room

0  引  言

德國工业4.0、美国工业互联网、中国制造2025等先进制造业发展战略的相继提出，加速了云计算，边缘计算，物联网，大数据及人工智能等新一代信息技术与传统制造业的融合。“互联网+制造”[1，2]、服务型制造[3，4]、云制造[5-7]等先进制造模式逐步引领传统制造业向数字化、智能化的阶段发展。先进制造业发展战略的关键在于构建赛博物理信息系统，实现物理世界和信息世界之间的交互和共融，从而实现智能制造。

目前，制造业企业大部分仍处在建设数字化企业的阶段，实现智能制造还需要解决以下问题：首先，在企业层级业务流程方面缺少基于工业互联网平台的数字化集成和支撑能力建设;其次，在企业现有车间设备和网络的改造升级方面缺少统一规划;最后，缺少基于工业互联网平台的智能制造应用案例。针对上述问题，从航天科工集团工业互联网平台INDICS出发，通过对平台即服务，工业物联网智能网关以及云端应用等各层功能分析，对产品设计、生产制造，企业PDM、ERP、MES等业务系统数字化集成以及车间数字化改造方案进行了阐述。最后，依托中德政府间合作项目，以航天科工集团企业为原型建造了智能工厂样板间，开展了基于工业互联网平台的航天产品跨企业智能制造应用。

1  工业互联网平台

近年来，国外企业在基于工业互联网平台的智能制造实践方面做出了很多有益的探索和实践。2013年美国GE公司推出工业互联网平台Predix，提供面向航天、电力以及医疗领域的数以百万计的数字孪生模型，支撑企业与智能制造相关的资产和系统优化配置。2015年法国达索公司推出的3DEXPERIENCE体验平台，对产品的结构化建模，数值模拟和性能可视化方面进行完整的展现。2016年德国西门子公司推出工业互联网操作系统MindSphere，可快速实现产品设计、工厂车间、设备运行状态参数和信息化系统的连接，支撑企业在工业技术知识方面的积累与复用。

国内工业互联网平台建设呈现多元化发展趋势。制造业领域如航天科工INDICS平台，海尔的COSMOPlat平台;信息通讯领域如华为OceanConnect平台，以及互联网领域阿里巴巴supET平台等。国内主流工业互联网平台建设依据行业特色，涵盖了设备接入/管理、数据存储/处理/分析、软件应用管理、平台应用开发、资源/能力整合集成以及平台安全等功能。

目前，主流工业互联网平台初步具备为企业生产制造过程中各类要素信息智能感知、云端协同制造、高效分析和科学决策等提供服务的能力。可以预见，随着技术的发展和服务能力的提升，工业互联网平台将会成为制造业转型升级，实现智能制造的有力支撑载体。

1.1  平台组成

从国内航天科工集团的工业互联网平台INDICS出发，重点从平台即服务层，工业物联网网关层，以及应用服务层出发，描述平台用于支撑企业智能制造中产品全生命周期的研发、制造、智能协作等全产业链的能力，以及企业智慧化运行以及企业间的信息互通、资源共享、能力协同实施途径。

工业互联网的PAAS层中仿真引擎可为产品多学科协同仿真、产线仿真提供高性能的运行管理服务;大数据分析引擎对产品设计、生产和服务不同阶段生成的多源异构数据进行高效分析处理，为物理产品和虚拟模型间的信息互通共融提供实施途径;软件定义制造的流程引擎可为企业业务的数字化集成提供灵活的云端配置环境。

工业互联网网关层提供企业业务、产线设备的平台接入服务。基于研发、生产、仿真试验的企业业务以及制造、加工、智能监测等工业设备均可通过边缘侧智能网关接入云平台。

应用服务层利用云端部署的轻量化云制造应用、云端企业资源协同管理和云制造运营管理系统等工具，支撑云端跨企业智能排产，资源异地集成的企业间协同制造。

综上所述，INDICS平台可有效支撑企业智能制造、协同制造、云制造等制造模式的转型发展需求。

1.2  基于工业互联网平台的业务数字化集成

企业业务数字化集成包括了产品设计制造模孪生型数据与PLM集成，企业层ERP、MES业务信息系统间集成，以及企业设计、生产阶段与云制造应用的协同集成。基于产品设计、产线/物流/装配制造的企业业务集成。

设计制造阶段与PLM的集成，以产品设计仿真、制造阶段产线仿真、物流仿真等功能为载体，实现产品制造信息结构化管理、仿真模型数据管理、BOM管理、工艺路线规划以及虚拟化制造仿真等功能;企业业务信息系統的PLM与ERP系统的双向集成通过EBOM、PBOM、MBOM等信息和销售订单实现;PLM与MES系统集成通过BOP过程清单和工艺反馈实现;车间现场为MES系统提供执行反馈及车间数据，MES系统为车间现场提供生产调度和资源管理等控制信息，实现企业资源动态优化配置和高效业务流程管理。

在产品生产过程中涉及的业务数据也将作为平台接入对象被赋予标识，经过IIOT设备的处理并在平台进行存储。通过对产品设计、生产制造、服务各个环节中产生的数据、文件等进行标识和存储后，通过平台统一的数据库，用户可以进行数据调用。

2  面向航天复杂产品的智能制造样板间建设

以航天总体部、总装厂、配套厂的三家企业型号产品研制流程为基础，开展基于航天云网INDICS工业互联网平台的跨企业智能制造应用。其中，航天总体部负责航天复杂产品总体设计，总装厂负责产品的关键部件生产、总装和测试，配套厂负责产品外协零部件生产。其中，航天总体部与配套厂在云制造应用cPDm中完成产品协同设计与工艺协同设计。基于CRP配套厂实现企业内部排产，以及与总装厂跨企业云排产。同时，供应链系统与云端CMOM系统高效协同，实现跨企业的物流、生产协同与对接。

2.1  车间智能化改造

以总装厂和配套厂现有生产车间为基础开展智能样板间建设，建设内容涵盖车间已有设备接入方式改造以及工业现场总线网络和通信网络升级两部分。针对现有已经接入车间现场总线的设备，通过工业网关（航天云网SMART IOT系列产品）实现设备与高性能网络的连接;针对车间新增设备，如智能加工中心、车间自动物流系统、自动化仓库等，通过设备自有的以太网接口实现与高性能网络的连接。在网络升级方面，增加NB-IoT和WIA工业无线网络的部署，满足车间移动设备终端接入需求。支撑基于云制造平台的“云基础设施+终端连接+数据分析+应用服务”的发展模式。

车间智能化改造后，形成智能数据采集与控制、现场管理、支撑生产单元以及生产辅助四个子系统。支撑现场设备数据、生产数据、物料数据、场内物流数据、仓储数据等接入INDICS工业互联网平台。

智能数据采集与智能控制，包括工业控制系统、工业网关、数据采集器、网络与通讯。通过智能数据采集与智能监控，实现车间工位、每台设备之间的实时信息交互。

现场管理子系统，包括现场调度系统、视频监控系统和看板系统。利用信息化技术，开展从生产计划下达、物料齐套、生产节拍、完工确认、生产进度、标准作业指导、质量管理、工件条码采集等过程进行管控，并通过以太网和现场总线实时将现场信息及时准确地传达到生产管理者与决策者。

智能生产单元，包括智能加工设备、在线监测、智能工位、报警安全设备和自动上下料装置。实现设备自身的状态信息收集并上传，控制系统将响应的命令传送到设备上，对设备生产加工参数进行调整。

生产辅助系统，主要包括编码系统、Andon系统。编码系统对企业整个物品（原材料、成品、半成品等）进行管

理，生成唯一的识别码，实现对数据采集的精准化;Andon系统针对生产设备的状况、生产加工异常情况进行报警或提示。

2.2  样板间虚拟产线建模仿真

生产制造阶段以平台开发的虚拟工厂模块为依托，提供产线虚拟孪生模型建模和仿真环境，基于INDICS平台的虚拟工厂应用过程如下。

在工厂生产数据获取方面，通过现场侧的智能网关产品进行采集处理，实现与云端产线孪生模型的数据交互，生产阶段数据使用统一的数据格式XML/JSON传输，生产阶段数据涵盖企业业务数据、工艺数据、物料数据、排产计划等数据;同时，企业业务打造数字化集成，实现与CPDM、CRP、CMOM等云制造应用的互联。

在虚拟产线孪生模型构建方面，依据产线布局、设备利用率、生产能力、生产周期、企业内物流配送等实际需求，基于平台虚拟工厂已有的轻量化产线设备模型库，快速搭建产线三维虚拟模型。同时，基于Unity 3D引擎开发的虚拟现实系统，实现基于虚拟产线的可视化监控。基于生产实时数据，虚拟产线仿真模型进行生产任务、生产过程、生产管控的仿真评估与优化，指导物理产线生产计划的制定与执行，为企业提供生产智能化和精准化服务。

3  航天复杂产品跨企业智能制造应用

以航天液压系统产品为对象，基于车间智能化改造，开展面向航天总体设计部、总装厂、配套厂的面向航天产品生命周期跨企业协同制造应用。

航天总体部完成产品结构、流体等单学科仿真，进而通过仿真流程集成，完成系统级设计仿真。其中，仿真数据、模型文件的签审、发布和版本控制由云端CPDM应用统一管理。车间现场的边缘侧智能网关对样板间产线设备运行数据，生产过程数据及业务数据进行预处理，将用于生产决策的数据实时接入INDICS平台。

在总装厂和配套厂车间数据集成方面，企业业务数据通过XML/JSON的兼容性格式使企业服务总线传输与云端轻量化云制造应用集成，样板间现场实时数据通过OPC_UA协议进行采集。实现对生产现场制造能力、资源的按需配置和跨企业的云端排产。

通过样板间的初步应用和实践，企业的产品协同研发设计周期显著缩短、资源有效利用率和生产效率均有大幅提升，产品质量一致性得到改善。

4  结  论

通过面向航天复杂产品开展的跨企业智能制造应用，工业互联网平台为制造业企业实现智能制造提供了新的理念和技术实施途径。在面向航天企业产品智能制造的实践中，取得了初步应用成效。

目前，基于工業互联网平台的智能制造探索还处于起步阶段，在设备上云、企业业务上云、云边协同等方面实施过程中仍然需要完善和优化，希望相关工作能为企业智能制造实践提供参考。

参考文献：

[1] Yanhong Z，Baicun W.Toward New-Generation Intelligent Manufacturing [J].Engineering，2018，4（1）：11-20.

[2] Kumar K，Zindani D，Davim J P.Virtual Manufacturing：Scope，Socio-economic Aspects and Future Trends [M].Cham：Springer International Publishing，2018：195-201.

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[5] 李伯虎，张霖，王时龙，等.云制造——面向服务的网络化制造新模式 [J].计算机集成制造系统，2010，16（1）：1-7+16.

[6] 陶飞，张霖，郭华，等.云制造特征及云服务组合关键问题研究 [J].计算机集成制造系统，2011，17（3）：477-486.

[7] LI B H，ZHANG L，REN L，et al.Typical characteristics，technologies and applications of cloud manufacturing [J].Jisuanji Jicheng Zhizao Xitong/Computer Integrated Manufacturing Systems，CIMS，2012，18（7）：1345-1356.

作者简介：王艳广（1985.08-），男，汉族，河南濮阳人，高级工程师，博士，主要研究方向：智能制造、云制造、数字孪生技术。

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