一、 企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用總體架構(gòu)

如圖1所示，智能工廠整體業(yè)務(wù)模型自底向上包括設(shè)備層、集成層、核心業(yè)務(wù)層、透視層。設(shè)備層是基礎(chǔ)，包括生產(chǎn)加工、物料配送質(zhì)量檢測等設(shè)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(chǎn)品、虛擬產(chǎn)線、虛擬設(shè)計、虛擬制造等來源數(shù)據(jù)；核心業(yè)務(wù)層主要包括生產(chǎn)管控、質(zhì)量管控、物流管控、計劃管控；透視層包括設(shè)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(gòu)

二、 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層次結(jié)構(gòu)

1.設(shè)備層級物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

（1）數(shù)據(jù)采集與分析：通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，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(diào)度，降低物流成本。并在此基礎(chǔ)上對物料在生產(chǎn)過程中使用的數(shù)量和質(zhì)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(chǎn)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(shè)備互聯(lián)互通：智能化的生產(chǎn)設(shè)備需要主動地感知生產(chǎn)環(huán)境的變化，主動采取相應(yīng)控制策略進行自我調(diào)整、自我學習，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的穩(wěn)定運行；智能化的生產(chǎn)設(shè)備將相關(guān)的信息通過工業(yè)數(shù)據(jù)總線或物聯(lián)網(wǎng)及時、準確、完整地傳遞到其他設(shè)備和系統(tǒng)，不但實現(xiàn)單個設(shè)備的智能化，而且實現(xiàn)整套生產(chǎn)工藝設(shè)備的互聯(lián)互通，確保整個生產(chǎn)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(chǎn)品的質(zhì)量；智能化的生產(chǎn)設(shè)備具有強大的自診斷能力，在實現(xiàn)有效的設(shè)備資產(chǎn)管理的同時，能夠借助大數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備的預測性維護，降低非計劃停機的可能性。從底至上從設(shè)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(shè)備維護與故障預警：如圖2所示，智能化設(shè)備維護與故障預警系統(tǒng)包括：通訊控制器、驅(qū)動控制、設(shè)備上位機、報警燈、報警看板、郵件、短信。設(shè)備I/O板連接上下游設(shè)備，實現(xiàn)整條線的連接，設(shè)備的PLC與整條線的PLC進行連接，實時監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)。設(shè)備的運行狀態(tài)，報警信息，產(chǎn)品信息都可實施上報系統(tǒng)。設(shè)備上人機界面便于對設(shè)備的單機操作，設(shè)備的PC單元用于記錄設(shè)備的運行狀態(tài)，并與服務(wù)器連接，實施上報生產(chǎn)數(shù)據(jù)，便于追溯跟蹤。

圖2 智能化設(shè)備維護與故障預警系統(tǒng)架構(gòu)圖

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

2.產(chǎn)線層級物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

（1）生產(chǎn)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(chǎn)品生產(chǎn)二維碼。每種/每件/每框產(chǎn)品有唯一一個ID，此ID其代表產(chǎn)品始終，一直可追溯到客戶端?？蓪CR裝置安裝于每條產(chǎn)線上，用于讀取產(chǎn)品二維碼來識別產(chǎn)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(chǎn)過程監(jiān)控的的技術(shù)架構(gòu)體系如圖3所示。

圖3 生產(chǎn)過程監(jiān)控的技術(shù)架構(gòu)

（2）生產(chǎn)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(chǎn)品質(zhì)量、良率。SPC系統(tǒng)架構(gòu)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(wǎng)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(gòu)

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

（3）產(chǎn)線互聯(lián)：光纖網(wǎng)，光纖網(wǎng)是設(shè)備和設(shè)備之間連接的網(wǎng)絡(luò)，通過可編程控制器（PLC）在設(shè)備之間傳輸信號；無線物聯(lián)網(wǎng)，無線物聯(lián)網(wǎng)（IOTs）通過射頻接受裝置采集設(shè)備端使用的能源數(shù)據(jù)，以自動組網(wǎng)的方式通過Gateway將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭蕴W(wǎng)上；以太網(wǎng)，車間控制系統(tǒng)位于無塵室外面的服務(wù)器機房，通過以太網(wǎng)與產(chǎn)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(guān)信息（能耗、生產(chǎn)，質(zhì)量，設(shè)備、成本）集成起來，實現(xiàn)互聯(lián)互通。

3.車間層級物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

（1）智能在線檢測：在線自動檢測設(shè)備（AOI）（圖5）對產(chǎn)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(shè)定數(shù)據(jù)模型演算，并輸出結(jié)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(jié)構(gòu)

（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(wǎng)技術(shù)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(diào)度。

（3）車間互聯(lián)：智能制造的首要任務(wù)是信息的處理與優(yōu)化，車間內(nèi)各層網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通則是其基礎(chǔ)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。可以通過無線物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)，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(wù)領(lǐng)域的信息化基礎(chǔ)平臺的基礎(chǔ)上（如MES，生產(chǎn)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?qū)嵨镌谲囬g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(lǐng)料到成品下線的全業(yè)務(wù)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(wǎng)應(yīng)用

工廠互聯(lián)是順應(yīng)全球新工業(yè)革命以及互聯(lián)網(wǎng)時代的潮流，對大規(guī)模生產(chǎn)轉(zhuǎn)型大規(guī)模定制的創(chuàng)新性探索，是互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)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(chǎn)銷分離”到“產(chǎn)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(lǐng)樣板，可實時、同步響應(yīng)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(yīng)，達到對工廠生產(chǎn)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(yīng)計劃的施行狀態(tài)與流程進度。在生產(chǎn)過程中或生產(chǎn)結(jié)束后對于產(chǎn)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(shè)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(shè)備層包括自動化設(shè)備和智能設(shè)備，自動化設(shè)備內(nèi)部包括驅(qū)動器、傳感器、模擬量I/O、執(zhí)行器。設(shè)備與設(shè)備之間通過設(shè)備的現(xiàn)場總線設(shè)備進行I/O（Handshake）、I/O（Grass data）互聯(lián)互通。

工廠設(shè)備層與控制層BC產(chǎn)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(wǎng)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(chǎn)第一線提升生產(chǎn)率、效率化、提高品質(zhì)、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(chǎn)現(xiàn)場的生產(chǎn)運轉(zhuǎn)情況、品質(zhì)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(chǎn)現(xiàn)場的可視化信息，可大大提高工廠的效率和生產(chǎn)率。

同時，部署可視化監(jiān)控中心和電子看板，可以對生產(chǎn)過程實時可視化監(jiān)控，使得生產(chǎn)情況一目了然，對在制品過庫存或庫存不足、生產(chǎn)進度與計劃差異、庫存周轉(zhuǎn)速度、產(chǎn)品質(zhì)量等，進行監(jiān)督和管理。集成監(jiān)控信息，綜合應(yīng)用電子化看板、移動終端等，查詢、監(jiān)控跨地域的生產(chǎn)、工時、質(zhì)量、物料等信息。監(jiān)督和控制生產(chǎn)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(wǎng)應(yīng)用

決策可視化的內(nèi)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(zhuǎn)率；工廠整體的設(shè)備管理效率的各項KPI；工廠整體的各項成本，財務(wù)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(guān)鍵核心技術(shù)

1.面向設(shè)備/工序/現(xiàn)場/工廠的可視化技術(shù)

面向設(shè)備、工序、現(xiàn)場、工廠的可視化技術(shù)可視化技術(shù)具體包括設(shè)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(shù)

通過可視化，將不明狀況數(shù)字化，通過關(guān)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(shù)

以無線物聯(lián)網(wǎng)（IOTs）技術(shù)對自動化設(shè)備和智能設(shè)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(chǎn)相關(guān)聯(lián)的能源三段式管理。通過現(xiàn)場IOTs技術(shù)的應(yīng)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(wù)領(lǐng)域的信息化基礎(chǔ)平臺的基礎(chǔ)上（如MES，生產(chǎn)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(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)實時分析建立模型，實現(xiàn)生產(chǎn)模型化分析決策、過程量化管理、成本和質(zhì)量動態(tài)跟蹤以及從原材料到產(chǎn)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(shè)備互聯(lián)、產(chǎn)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(chǎn)過程精益管控技術(shù)

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

（1）設(shè)備管控：生產(chǎn)設(shè)備作為一個公司最重要的資產(chǎn)之一，通過提高設(shè)備的利用率及產(chǎn)能，降低設(shè)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(shè)備效率、異常信息反饋及維護保養(yǎng)的電子化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，同時實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的實時集中監(jiān)控、實時報警，使每臺設(shè)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(wǎng)絡(luò)，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(chǎn)線管控：對于生產(chǎn)線工序、人員、設(shè)備等做產(chǎn)線平衡分析，對生產(chǎn)的全部工序進行平均化，調(diào)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(chǎn)過剩。公司綜合運用生產(chǎn)線管理理論，包括生產(chǎn)線平衡、改善七大手段、魚刺因果分析、生產(chǎn)線改善原則和方法、生產(chǎn)線的生產(chǎn)過程可視化等精益生產(chǎn)技術(shù)。

（3）車間管控：健全車間生產(chǎn)組織，合理組織生產(chǎn)。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(wù)，為車間各工段安排生產(chǎn)和工作任務(wù)，組織均衡生產(chǎn)，使人、財、物能夠得到有效地運轉(zhuǎn)，取得最優(yōu)的經(jīng)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(jié)合自身的特點，按照經(jīng)濟責任制的原則，制定各項管理制度以及車間內(nèi)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(shù)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(chǎn)過程和生產(chǎn)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(wù)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(chǎn)品市場分析、相關(guān)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(chǎn)過程多信息資源集成

在產(chǎn)品制造過程中，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與制造技術(shù)有機融合，實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備信息集成、多信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成、智能產(chǎn)品信息集成、供應(yīng)鏈物流信息集成以及倉儲信息集成技術(shù)等多信息資源有效集成，完成多源信息技術(shù)的融合，開創(chuàng)新型生產(chǎn)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(shù)

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

可通過條碼、設(shè)備參數(shù)等手段，采集物料信息、質(zhì)量特性，建立采購生產(chǎn)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(diào)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(chǎn)品追溯，提升產(chǎn)品質(zhì)量追溯能力。構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)，同時實現(xiàn)MES系統(tǒng)與關(guān)鍵質(zhì)量控制點的檢測設(shè)備的集成，可直接讀取設(shè)備中的質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)與MES系統(tǒng)實時集成，通過前后關(guān)聯(lián)與驗證功能，能夠提高生產(chǎn)過程的防錯能力，降低質(zhì)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(guān)聯(lián)集成技術(shù)，建立制造過程的關(guān)鍵節(jié)點與關(guān)鍵路徑，實現(xiàn)制造過程信息的正向跟蹤與產(chǎn)品質(zhì)量的反向追溯，以及因訂單執(zhí)行異常、產(chǎn)品質(zhì)量異常等事件的分析與預警。

四、效益分析

1.經(jīng)濟效益

通過實現(xiàn)智能設(shè)備互聯(lián)、信息系統(tǒng)的構(gòu)建和集成和供應(yīng)鏈的信息集成，可以提高智能制造能力，更快速、敏捷地對應(yīng)客戶需求，提高供應(yīng)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(wǎng)的融合應(yīng)用，可以實現(xiàn)產(chǎn)能的提升，縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，提高產(chǎn)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(shù)在制造領(lǐng)域的深化應(yīng)用與牽引示范；

（3）促進物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在制造領(lǐng)域的深化應(yīng)用與牽引示范。