一、 企業(yè)物聯(lián)網應用總體架構

如圖1所示，智能工廠整體業(yè)務模型自底向上包括設備層、集成層、核心業(yè)務層、透視層。設備層是基礎，包括生產加工、物料配送質量檢測等設備；集成層主要指系統(tǒng)集成和數(shù)據(jù)集成，系統(tǒng)包括企業(yè)資源計劃（enterprise resource planning，ERP）、目標管理（management by objectives，MBO）、制造執(zhí)行系統(tǒng)（manufacturing execution system，MES）、統(tǒng)計過程控制（statistical process control，SPC）、模塊控制（block control，BC）、物料控制系統(tǒng)（material control system，MCS）等，數(shù)據(jù)集成包括虛擬產品、虛擬產線、虛擬設計、虛擬制造等來源數(shù)據(jù)；核心業(yè)務層主要包括生產管控、質量管控、物流管控、計劃管控；透視層包括設備可視化、工序可視化、車間可視化、工廠可視化、企業(yè)可視化。

圖1 智能工廠的總體架構

二、 物聯(lián)網應用層次結構

1.設備層級物聯(lián)網應用

（1）數(shù)據(jù)采集與分析：通過物聯(lián)網技術，實時采集物料信息，包括物料編碼、物料的位置、物料的狀態(tài)、庫存信息、各批次物料的使用狀態(tài)與加工狀況、缺料信息等。這些信息被采集后，由物流管控系統(tǒng)對其進行處理和分析，實現(xiàn)對物料的高效調度，降低物流成本。并在此基礎上對物料在生產過程中使用的數(shù)量和質量進行準確的統(tǒng)計分析，從而得出不同物料的最佳使用數(shù)量，生產管理系統(tǒng)通過與ERP系統(tǒng)進行對接與數(shù)據(jù)共享，即可為物料的采購計劃提供科學依據(jù)。

（2）設備互聯(lián)互通：智能化的生產設備需要主動地感知生產環(huán)境的變化，主動采取相應控制策略進行自我調整、自我學習，實現(xiàn)生產過程的穩(wěn)定運行；智能化的生產設備將相關的信息通過工業(yè)數(shù)據(jù)總線或物聯(lián)網及時、準確、完整地傳遞到其他設備和系統(tǒng)，不但實現(xiàn)單個設備的智能化，而且實現(xiàn)整套生產工藝設備的互聯(lián)互通，確保整個生產工藝過程處于優(yōu)化運行狀態(tài)，降低物料和能源的消耗，提高產品的質量；智能化的生產設備具有強大的自診斷能力，在實現(xiàn)有效的設備資產管理的同時，能夠借助大數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)生產設備的預測性維護，降低非計劃停機的可能性。從底至上從設備層到控制層再到車間管理層，最后到企業(yè)層全部互聯(lián)互通。

（3）智能化設備維護與故障預警：如圖2所示，智能化設備維護與故障預警系統(tǒng)包括：通訊控制器、驅動控制、設備上位機、報警燈、報警看板、郵件、短信。設備I/O板連接上下游設備，實現(xiàn)整條線的連接，設備的PLC與整條線的PLC進行連接，實時監(jiān)控設備狀態(tài)。設備的運行狀態(tài)，報警信息，產品信息都可實施上報系統(tǒng)。設備上人機界面便于對設備的單機操作，設備的PC單元用于記錄設備的運行狀態(tài)，并與服務器連接，實施上報生產數(shù)據(jù)，便于追溯跟蹤。

圖2 智能化設備維護與故障預警系統(tǒng)架構圖

SPM—智能流程管理；oracle—關系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

2.產線層級物聯(lián)網應用

（1）生產過程監(jiān)控：根據(jù)事先約定的編碼及讀碼原則為每種/每件/每框產品生產二維碼。每種/每件/每框產品有唯一一個ID，此ID其代表產品始終，一直可追溯到客戶端。可將VCR裝置安裝于每條產線上，用于讀取產品二維碼來識別產品信息。每臺讀碼器要有可識別的ID，用于工作狀態(tài)的監(jiān)控。實時將數(shù)據(jù)上報給MES。整個生產過程監(jiān)控的的技術架構體系如圖3所示。

圖3 生產過程監(jiān)控的技術架構

（2）生產過程智能優(yōu)化控制：SPC的作用在于通過收集制造過程中的檢驗數(shù)據(jù)，依據(jù)統(tǒng)計原理建立制程管制程序及方法，以改善制程能力及提高產品質量、良率。SPC系統(tǒng)架構如圖4所示。主要是通過SPC系統(tǒng)實時傳遞數(shù)據(jù)，通過互聯(lián)網實現(xiàn)了數(shù)據(jù)收集、實時控制、異常處理、報表生成、統(tǒng)計分析與查詢，且在同一頁面可以監(jiān)控一個控制特性的過程狀態(tài)，數(shù)據(jù)表和不同的控制圖表。

圖4 SPC系統(tǒng)架構

EDC—電子數(shù)據(jù)捕獲系統(tǒng)；BRM—企業(yè)商務資源管理系統(tǒng)

（3）產線互聯(lián)：光纖網，光纖網是設備和設備之間連接的網絡，通過可編程控制器（PLC）在設備之間傳輸信號；無線物聯(lián)網，無線物聯(lián)網（IOTs）通過射頻接受裝置采集設備端使用的能源數(shù)據(jù)，以自動組網的方式通過Gateway將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭蕴W上；以太網，車間控制系統(tǒng)位于無塵室外面的服務器機房，通過以太網與產線控制系統(tǒng)連接；通過將各種信息系統(tǒng)（MES，ERP，QMS，EMS）的相關信息（能耗、生產，質量，設備、成本）集成起來，實現(xiàn)互聯(lián)互通。

3.車間層級物聯(lián)網應用

（1）智能在線檢測：在線自動檢測設備（AOI）（圖5）對產品進行CCD圖像傳感器攝取成像，提交給影像處理卡進行處理，處理后交由主控制電腦進行分析，根據(jù)設定數(shù)據(jù)模型演算，并輸出結果。系統(tǒng)包括：光源、CCD影像采集處理裝置。CCD影像采集處理裝置主要由影像采集卡、影像處理器、主電腦、PLC控制運輸系統(tǒng)和輸出裝置組成。

圖5 在線檢查機AOI的硬件結構

（2）數(shù)字化物流跟蹤：車間物料跟蹤系統(tǒng)包括倉庫管理過程監(jiān)控、物料狀態(tài)監(jiān)控、配送作業(yè)監(jiān)控、運輸工具監(jiān)控以及線邊庫存監(jiān)控。通過物聯(lián)網技術實現(xiàn)對物料和物料運輸工具的實時定位、追蹤與監(jiān)控，獲取物料和運輸工具的狀態(tài)和位置等信息，并可以通過對這些信息的分析實現(xiàn)對物料的高效調度。

（3）車間互聯(lián)：智能制造的首要任務是信息的處理與優(yōu)化，車間內各層網絡的互聯(lián)互通則是其基礎與前提。無論是工業(yè)云，還是工業(yè)大數(shù)都需要車間工廠的互聯(lián)互通和數(shù)據(jù)采集與交互來支持?？梢酝ㄟ^無線物聯(lián)網和互聯(lián)網，將車間層管理系統(tǒng)與企業(yè)層管理系統(tǒng)連接起來，實現(xiàn)車間互聯(lián)。在建立各業(yè)務領域的信息化基礎平臺的基礎上（如MES，生產計劃、ERP，QMS，EMS）實現(xiàn)各種資源的互聯(lián)互通。實現(xiàn)車間互聯(lián)能夠將實物在車間中的全生命流程通過信息化透明的展現(xiàn)。使實物的數(shù)量，狀態(tài)，位置清晰的體現(xiàn)，使用戶能夠更好地掌握車間情況。通過打通從車間領料到成品下線的全業(yè)務流程，將物料的信息相互串聯(lián)，更好的進行追溯管理。通過數(shù)據(jù)采集和分析，也可為管理層的決策提供了準確的依據(jù)。

4.工廠層級物聯(lián)網應用

工廠互聯(lián)是順應全球新工業(yè)革命以及互聯(lián)網時代的潮流，對大規(guī)模生產轉型大規(guī)模定制的創(chuàng)新性探索，是互聯(lián)網轉型的重要組成部分。與傳統(tǒng)工廠不同，互聯(lián)工廠實現(xiàn)了與用戶相連，目標是從“產銷分離”到“產消合一”，滿足用戶無縫化、透明化、可視化的最佳體驗。通過建立起互聯(lián)工廠體系，打造互聯(lián)工廠的引領樣板，可實時、同步響應企業(yè)全球用戶需求，并快速交付智慧化、個性化的方案。

通過工廠互聯(lián)可以將工廠的各方面能力清楚地反應，達到對工廠生產作業(yè)的管控目的。通過系統(tǒng)中的實時監(jiān)控，使用戶能夠清晰了解對應計劃的施行狀態(tài)與流程進度。在生產過程中或生產結束后對于產品存在爭議時，也能更好的追溯，及時查到問題所在。

從底至上從設備層到控制層再到車間管理層，最后到企業(yè)層全部互聯(lián)互通。設備層包括自動化設備和智能設備，自動化設備內部包括驅動器、傳感器、模擬量I/O、執(zhí)行器。設備與設備之間通過設備的現(xiàn)場總線設備進行I/O（Handshake）、I/O（Grass data）互聯(lián)互通。

工廠設備層與控制層BC產線控制之間的互聯(lián)互通是通過Master PLC來實現(xiàn)?？刂茖优c車間管理層的MES、SPC的互聯(lián)互通使通過以太網實現(xiàn)。最后是車間管理層與企業(yè)層的ERP、SPM、MBO、EMS。

工廠可視化。在生產第一線提升生產率、效率化、提高品質、削減成本、降低能耗，是制造業(yè)一直不斷改進完善的課題。實施建立工廠可視化系統(tǒng)，可實時追蹤生產現(xiàn)場的生產運轉情況、品質信息、能源消耗量等數(shù)據(jù)，通過在信息系統(tǒng)靈活運用生產現(xiàn)場的可視化信息，可大大提高工廠的效率和生產率。

同時，部署可視化監(jiān)控中心和電子看板，可以對生產過程實時可視化監(jiān)控，使得生產情況一目了然，對在制品過庫存或庫存不足、生產進度與計劃差異、庫存周轉速度、產品質量等，進行監(jiān)督和管理。集成監(jiān)控信息，綜合應用電子化看板、移動終端等，查詢、監(jiān)控跨地域的生產、工時、質量、物料等信息。監(jiān)督和控制生產現(xiàn)場的制造執(zhí)行和協(xié)同作業(yè)，提高傳遞效率，提高執(zhí)行力。

5.決策層級物聯(lián)網應用

決策可視化的內容包括：工廠的銷售狀況，訂單執(zhí)行狀況；整體的能耗狀況；工廠整體的庫存狀況以及庫存周轉率；工廠整體的設備管理效率的各項KPI；工廠整體的各項成本，財務KPI；工廠整體的環(huán)境狀況等?；诳梢暬闹悄軟Q策如圖6所示。

圖6 基于可視化的智能決策

三、關鍵核心技術

1.面向設備/工序/現(xiàn)場/工廠的可視化技術

面向設備、工序、現(xiàn)場、工廠的可視化技術可視化技術具體包括設備可視化、工序可視化、現(xiàn)場可視化、全工廠可視化，如圖7所示。

圖7 智能制造工廠可視化通用技術

通過可視化，將不明狀況數(shù)字化，通過關鍵KPI的展示。實現(xiàn)工廠整體的可視化并以此為視角展開工廠整體的透明化，通過洞察力促進工廠發(fā)現(xiàn)問題,并改善問題。

2.互聯(lián)互通技術

以無線物聯(lián)網（IOTs）技術對自動化設備和智能設備能源消耗量采集改造，建立能源消耗的固定能源、變動能源和與生產相關聯(lián)的能源三段式管理。通過現(xiàn)場IOTs技術的應用將4M+E（人、機、料、法、環(huán)）數(shù)據(jù)化，同時建立實際數(shù)據(jù)在虛擬工廠中的現(xiàn)象路徑。

在建立各業(yè)務領域的信息化基礎平臺的基礎上（如MES，生產計劃、ERP，QMS，EMS）實現(xiàn)各種資源的互聯(lián)互通，通過對各業(yè)務系統(tǒng)數(shù)據(jù)的關聯(lián)實時分析建立模型，實現(xiàn)生產模型化分析決策、過程量化管理、成本和質量動態(tài)跟蹤以及從原材料到產成品的一體化協(xié)同優(yōu)化。

通過智能感知接口標準，完成制造裝備間的互聯(lián)互通，工序的互聯(lián)互通，車間的互聯(lián)互通、工廠的互聯(lián)互通和企業(yè)的互聯(lián)互通?；ヂ?lián)思想是從互聯(lián)互通視覺展開，包括設備互聯(lián)、產線互聯(lián)、車間互聯(lián)、工廠互聯(lián)，最后形成決策云。

3.基于制造物聯(lián)的生產過程精益管控技術

通過協(xié)同制造環(huán)境支撐關鍵技術，包括傳感器組網與優(yōu)化配路技術、多源數(shù)據(jù)感知和多網傳輸技術、數(shù)據(jù)匯聚與服務技術、全生命周期信息動態(tài)管理技術，為制造協(xié)同技術推廣奠定應用基礎。

（1）設備管控：生產設備作為一個公司最重要的資產之一，通過提高設備的利用率及產能，降低設備發(fā)生故障的機率，是幫助“3C”企業(yè)提高利潤、降低成本的一個重要途徑，全面實現(xiàn)設備效率、異常信息反饋及維護保養(yǎng)的電子化、網絡化、智能化，同時實現(xiàn)設備狀態(tài)的實時集中監(jiān)控、實時報警，使每臺設備都成為一個子智能中心，各子智能中心共同組成一個智能網絡，為管理層提供實時的數(shù)據(jù)信息，全面提升企業(yè)的管理能力。

（2）產線管控：對于生產線工序、人員、設備等做產線平衡分析，對生產的全部工序進行平均化，調整作業(yè)負荷，以使各作業(yè)時間盡可能相近。消除作業(yè)間不平衡的效率損失以及生產過剩。公司綜合運用生產線管理理論，包括生產線平衡、改善七大手段、魚刺因果分析、生產線改善原則和方法、生產線的生產過程可視化等精益生產技術。

（3）車間管控：健全車間生產組織，合理組織生產。加強勞動組織、加強工藝紀律、建立車間指標體系。根據(jù)廠部下達的計劃任務，為車間各工段安排生產和工作任務，組織均衡生產，使人、財、物能夠得到有效地運轉，取得最優(yōu)的經濟效益。完善車間管理制度。車間在貫徹企業(yè)各項規(guī)章制度的前提下，要結合自身的特點，按照經濟責任制的原則，制定各項管理制度以及車間內部職能組、工段、班組等各項組織和車間主任、職能組長、工段長、班組長、技術人員、工人等各類人員的工作職責、工作標準。

（4）工廠管控：利用計劃、組織、用人、指導、控制等活動，對生產過程和生產者進行管理，包括工廠可視化管理、工廠物流管理、倉儲管理等模式。

（5）決策管控：站在企業(yè)的戰(zhàn)略決策視角，主要分析在今天這個急劇變化的市場上，高效的業(yè)務決策管理可以帶來重要的競爭優(yōu)勢。包括戰(zhàn)略目標、戰(zhàn)略規(guī)劃、產品市場分析、相關利益方分析、企業(yè)之間的橫向集成、大數(shù)據(jù)分析決策等。

4.基于制造物聯(lián)的生產過程多信息資源集成

在產品制造過程中，將物聯(lián)網技術與制造技術有機融合，實現(xiàn)生產現(xiàn)場設備信息集成、多信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成、智能產品信息集成、供應鏈物流信息集成以及倉儲信息集成技術等多信息資源有效集成，完成多源信息技術的融合，開創(chuàng)新型生產制造模式與管控模式。

5.制造過程信息實時跟蹤與追溯技術

采用面向質量目標的在線質量監(jiān)測與控制技術，實現(xiàn)對車間生產過程的質量監(jiān)控，將最新的在線測量和現(xiàn)代質量控制技術相結合，以最低制造成本實現(xiàn)最佳的配合質量和預期的質量目標，實現(xiàn)制造過程的質量監(jiān)測與控制，保持制造過程產品質量的穩(wěn)定性，為系統(tǒng)提供真實、有效、充足、實時的制造質量信息。

可通過條碼、設備參數(shù)等手段，采集物料信息、質量特性，建立采購生產制造銷售全過程跟蹤和管理。實時跟蹤與反饋制造過程信息，提升對制造過程的掌控、調度能力，實現(xiàn)敏捷制造；整合采購、制造、銷售全過程物料信息，形成從原材料到成品的多維度產品追溯，提升產品質量追溯能力。構建物聯(lián)網，同時實現(xiàn)MES系統(tǒng)與關鍵質量控制點的檢測設備的集成，可直接讀取設備中的質量檢測數(shù)據(jù)與MES系統(tǒng)實時集成，通過前后關聯(lián)與驗證功能，能夠提高生產過程的防錯能力，降低質量不良損失。通過對制造過程信息進行采集，以及制造過程信息統(tǒng)計分析與關聯(lián)集成技術，建立制造過程的關鍵節(jié)點與關鍵路徑，實現(xiàn)制造過程信息的正向跟蹤與產品質量的反向追溯，以及因訂單執(zhí)行異常、產品質量異常等事件的分析與預警。

四、效益分析

1.經濟效益

通過實現(xiàn)智能設備互聯(lián)、信息系統(tǒng)的構建和集成和供應鏈的信息集成，可以提高智能制造能力，更快速、敏捷地對應客戶需求，提高供應鏈效率，降低制造成本，提升企業(yè)核心競爭力。同時，通過對“3C”行業(yè)智能制造智能化車間的改造，以及對工業(yè)互聯(lián)網的融合應用，可以實現(xiàn)產能的提升，縮短產品的研發(fā)周期，提高產品效率，降低整體運營成本和不良品率，以及整體安全性的提升有顯著作用。

2.社會效益

（1）促進我國傳統(tǒng)制造系統(tǒng)的管理模式向精益制造模式發(fā)展；

（2）促進數(shù)字化技術在制造領域的深化應用與牽引示范；

（3）促進物聯(lián)網技術在制造領域的深化應用與牽引示范。