大數(shù)據(jù)與云計算在智慧工廠中應(yīng)用

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摘要：對大數(shù)據(jù)與云計算的基本概念、特征以及對智慧工廠的特征和技術(shù)框架建設(shè)進行分析，針對制造企業(yè)的特點以及對信息系統(tǒng)深度應(yīng)用的需求，通過實際的應(yīng)用實踐場景來闡述云計算和大數(shù)據(jù)如何在智慧工廠落地應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：云計算；大數(shù)據(jù)；智慧工廠

隨著新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展，大數(shù)據(jù)和云計算成為各行業(yè)關(guān)注的重點并得到廣泛應(yīng)用。目前，如何構(gòu)建智能制造的體系，實現(xiàn)智慧工廠成為企業(yè)的數(shù)字化藍(lán)圖和實施路線。制造業(yè)通過引入自動化、AI、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計算等新興技術(shù)，實現(xiàn)制造過程的透明化、智能化和信息化，進而促進生產(chǎn)、管理的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，應(yīng)對全球化、信息化、智慧化和綠色化的發(fā)展趨勢，提升企業(yè)的競爭力。應(yīng)用大數(shù)據(jù)和云計算可以幫助企業(yè)從工業(yè)數(shù)據(jù)中挖掘知識來指導(dǎo)生產(chǎn)優(yōu)化，這也成為廣大業(yè)界專家的重點關(guān)注問題?；谠朴嬎慵夹g(shù)有媒體云、云存儲、云轉(zhuǎn)碼等，但云計算在實際應(yīng)用中還處于初期階段，沒有形成行業(yè)生態(tài)鏈。大數(shù)據(jù)和云計算技術(shù)如何更好地應(yīng)用于智慧工廠也成為業(yè)內(nèi)主要研究的課題。江蘇新安電器股份有限公司被評定為“江蘇省智能工廠”、“江蘇省工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)桿工廠”、“工信部制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展試點示范項目”、“江蘇省四星級上云企業(yè)”，本文將結(jié)合智慧工廠建設(shè)的實踐，分析智慧工廠的技術(shù)體系和關(guān)鍵技術(shù)，闡述大數(shù)據(jù)和云計算在智慧工廠中的實際應(yīng)用。

1大數(shù)據(jù)和云計算

1．1大數(shù)據(jù)的特征

大數(shù)據(jù)（BigData）也叫海量數(shù)據(jù)集合，是一種信息收集、深度分析技術(shù)，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)高效組合和輸出。它具有四個特征：①大量：數(shù)據(jù)發(fā)展迅速的原因是大數(shù)據(jù)技術(shù)升級了數(shù)據(jù)級的規(guī)格，由TB升級至PB、EB或ZB的級別，數(shù)據(jù)容量更大；②快速性：實時快速地對制造過程中的數(shù)據(jù)采集、處理；③多樣性：數(shù)據(jù)的來源廣泛和種類多樣，可以是表格、圖像、音視頻等；④價值：在海量的數(shù)據(jù)中要剖析出有價值的內(nèi)容，因為數(shù)據(jù)總量大，挖掘有價值的數(shù)據(jù)具有一定的挑戰(zhàn)性。在制造過程中的大數(shù)據(jù)收集和存儲基本已經(jīng)實現(xiàn)，最難也是最關(guān)鍵的是從大量的數(shù)據(jù)中建立數(shù)據(jù)模型，對數(shù)據(jù)精準(zhǔn)分析，從中找出有價值的內(nèi)容。對于企業(yè)來說大數(shù)據(jù)的核心價值在于從數(shù)據(jù)分析作出預(yù)判，幫助企業(yè)用全方位的方法和手段處理數(shù)據(jù)，挖掘業(yè)務(wù)模式，實現(xiàn)運營決策。

1．2云計算的含義和特征

云計算技術(shù)是一種提供資源的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，對數(shù)據(jù)的存儲的整合。按照目前最常用的定義云計算分為公共云、私有云和混合云。云計算主要有三個特點：第一是規(guī)模比較大，云計算的運營商都擁有數(shù)以萬計的大規(guī)模服務(wù)器，用于為用戶提供龐大的數(shù)據(jù)技術(shù)服務(wù)；第二是虛擬化，用戶不需要了解硬件就可以通過互聯(lián)網(wǎng)直接獲取相關(guān)的應(yīng)用和服務(wù)；第三是按需分配，云計算接近無限存儲空間，根據(jù)用戶需求和響應(yīng)規(guī)模進行資源的分配和收費，有效避免資源浪費，節(jié)省成本。

1．3大數(shù)據(jù)和云計算的關(guān)系

在應(yīng)用層方面，大數(shù)據(jù)和云計算的作用和目標(biāo)相同，都是為了高效的處理大量數(shù)據(jù)信息，通過深度分析為企業(yè)提供具有商業(yè)價值的信息。這兩者之間也有一些區(qū)別，云計算主要強調(diào)的是計算的過程，大數(shù)據(jù)則強調(diào)的是計算對象。大數(shù)據(jù)側(cè)重于對數(shù)據(jù)的采集和精準(zhǔn)分析，對有價值信息的提取和存儲。云計算技術(shù)側(cè)重于對信息數(shù)據(jù)儲存的管理，優(yōu)化資源的利用率。

2智慧工廠的特征和架構(gòu)

美國國家基金會科學(xué)家HelenGill在2006年提出網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)（Cyber－PhysicalSystem，簡稱CSP）概念，將網(wǎng)路化的世界與智能化物理世界融合起來。德國工業(yè)4．0將CSP運用到制造和物流，通過與物聯(lián)網(wǎng)及服務(wù)聯(lián)網(wǎng)的融合，進而產(chǎn)生了創(chuàng)新的智慧工廠（SmartFactory）系統(tǒng)?？梢哉fCSP是工業(yè)4．0的關(guān)鍵標(biāo)志性技術(shù)。智慧工廠的架構(gòu)模型如圖1所示：智慧工廠也稱為數(shù)字化工廠，它主要是以產(chǎn)品生命周期（PLM）為基礎(chǔ)，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)工廠的設(shè)備互聯(lián)，并且和控制層的數(shù)據(jù)(如MES)與企業(yè)信息系統(tǒng)(ERP)相融合，收集生產(chǎn)的大數(shù)據(jù)，傳到云計算數(shù)據(jù)中心進行存儲和分析，預(yù)警和決策并反過來指導(dǎo)生產(chǎn)。從而在設(shè)計研發(fā)、工藝開發(fā)、生產(chǎn)制造、管理、服務(wù)等全生命周期實行全面數(shù)字化和智慧控制，具有信息深度自感知、數(shù)據(jù)優(yōu)化的自決策、精準(zhǔn)控制自執(zhí)行、智慧系統(tǒng)自適應(yīng)等功能的先進制造過程、系統(tǒng)和模式的新型制造生態(tài)系統(tǒng)。智慧工廠促進企業(yè)實現(xiàn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和應(yīng)用服務(wù)聯(lián)網(wǎng)的深度融合，更好地滿足客戶大規(guī)模個性化定制?？梢赃M一步提升數(shù)據(jù)的實時采集，對大數(shù)據(jù)進項分析，提升管理的效率和能力，通過對數(shù)據(jù)的實時分析進而預(yù)警，通知相關(guān)的人員，甚至可以做到對聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的自動調(diào)節(jié)，進而提升產(chǎn)品的質(zhì)量?？偟膩碇v可以全面提升全要素運營效率。智慧工廠的三個特征是透明化制造、智慧化管控和智慧化協(xié)同。智慧工廠的技術(shù)框架如圖2所示。分為三個層級：智能互聯(lián)、智能制造執(zhí)行和制造協(xié)同。依據(jù)技術(shù)框架建設(shè)智慧工廠分為三個階段：第一階段建立智能互聯(lián)，借助于4G／5G技術(shù)建立企業(yè)內(nèi)部的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)，采用無線網(wǎng)、工業(yè)現(xiàn)場總線、RFID、藍(lán)牙、紅外等技術(shù)，實現(xiàn)工廠內(nèi)生產(chǎn)設(shè)備、控制系統(tǒng)與管理系統(tǒng)的物與物互聯(lián)。利用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)實現(xiàn)工廠內(nèi)網(wǎng)、外網(wǎng)以及設(shè)計、生產(chǎn)、管理、服務(wù)各環(huán)節(jié)的互聯(lián)，實現(xiàn)不同廠區(qū)之間的網(wǎng)絡(luò)連接，支持業(yè)務(wù)協(xié)同的智能互聯(lián)。實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集、對大數(shù)據(jù)進行集成和共享，使制造過程透明化。第二階段在上階段的基礎(chǔ)上，通過建立數(shù)據(jù)模型，對采集的數(shù)據(jù)進行分類，數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析，進行耦合作用規(guī)律大數(shù)據(jù)分析，實施生產(chǎn)自動排產(chǎn)、調(diào)度優(yōu)化、產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控，實現(xiàn)數(shù)據(jù)化、信息化和智能化。這里面包括智能感知層、數(shù)據(jù)分析層和業(yè)務(wù)應(yīng)用層。第三階段制造協(xié)同，通過服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)，借助云計算平臺，將工廠智能化信息、服務(wù)資源虛擬化到云端，通過網(wǎng)絡(luò)互連實現(xiàn)客戶參與，形成按客戶需求定制的商業(yè)模式，構(gòu)建協(xié)同智慧制造，實現(xiàn)智慧化管控。

3大數(shù)據(jù)和云計算在智慧工廠的應(yīng)用

大數(shù)據(jù)和云計算在智慧工廠的應(yīng)用中，通過對制造過程中產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)收集、建模分析整理，找出問題產(chǎn)生的過程、造成的影響和解決方式；再利用分析得出的信息去解決和避免問題。從而達到數(shù)據(jù)采集、分析、預(yù)警反饋、預(yù)防的循環(huán)運行狀態(tài)，再利用大數(shù)據(jù)去整合產(chǎn)業(yè)鏈和價值鏈，這也是大數(shù)據(jù)的核心目的。這個過程自動地循環(huán)進行就是我們所說的智慧工廠。大數(shù)據(jù)和云計算的目的是通過系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集和分析手段，實現(xiàn)價值的最大化。所以推動智慧工廠的并不是大數(shù)據(jù)本身，而是大數(shù)據(jù)的分析技術(shù)。大數(shù)據(jù)和云計算在智慧工廠的應(yīng)用主要在以下幾個方面：以新安電器智慧工廠建設(shè)實踐為例：以全生命周期管理系統(tǒng)（PLM）為主線，全面升級和建設(shè)了企業(yè)資源計劃（ERP）、制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、實現(xiàn)生產(chǎn)計劃管理（APS）、供應(yīng)鏈管理（SRM）、智能倉庫物流管理系統(tǒng)（WMS）、設(shè)備執(zhí)行系統(tǒng)、物流自動導(dǎo)引運輸?shù)刃畔⑾到y(tǒng)。項目看板管理智能化，提高企業(yè)制造執(zhí)行能力。在工廠內(nèi)部建設(shè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備、測試系統(tǒng)、應(yīng)用系統(tǒng)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集成、分析、支撐智能化生產(chǎn)。實現(xiàn)生產(chǎn)單元、經(jīng)營管理之間的互動協(xié)同，建立面向客戶個性化定制的柔性化制造新模式。新安智慧工廠的數(shù)據(jù)整體規(guī)劃和大數(shù)據(jù)的應(yīng)用如圖3所示。公司在智慧工廠建設(shè)中的主要內(nèi)容包含以下幾點：①公司建設(shè)了智能保障體系，實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，對產(chǎn)品、物料和治具的實現(xiàn)身份識別，建立網(wǎng)絡(luò)防火墻構(gòu)建信息的安全；②建設(shè)智能化裝備與設(shè)施：導(dǎo)入能源測量與監(jiān)控系統(tǒng)；導(dǎo)入各種機器人160多臺，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)線和智能生產(chǎn)設(shè)備；智能物流裝備、AGV、智能數(shù)據(jù)采集設(shè)備；③實現(xiàn)設(shè)備在線監(jiān)測與控制，控制系統(tǒng)管理模塊和數(shù)據(jù)采集管理模塊，通過MES系統(tǒng)實現(xiàn)從來料、生產(chǎn)、出貨的制造執(zhí)行系統(tǒng)管控，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、分析和挖掘，支撐智能化生產(chǎn)，實現(xiàn)制造資源和需求的有效對接。結(jié)合APS系統(tǒng)對生產(chǎn)排產(chǎn)和進行遠(yuǎn)程調(diào)度；④搭建虛擬制造仿真模型，對生產(chǎn)過程和產(chǎn)品進行場景再現(xiàn)；⑤通過ERP進行物料的需求分析，包含庫存、已下采購在途和需求的分析，針對客戶訂單，實現(xiàn)面向訂單的生產(chǎn)資源合理調(diào)配，以及制造過程各環(huán)節(jié)和供應(yīng)鏈的并行組織生產(chǎn)。構(gòu)筑上下產(chǎn)業(yè)鏈的產(chǎn)品追溯體系，實現(xiàn)企業(yè)間涵蓋產(chǎn)品生產(chǎn)制造與服務(wù)的信息溯源服務(wù)；⑥建立智能研發(fā)體系，進行數(shù)字化設(shè)計、仿真、工藝模擬和作業(yè)指導(dǎo)；⑦已經(jīng)建設(shè)私有云平臺，建立工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺，建立數(shù)據(jù)倉庫、算法和模型，通過數(shù)據(jù)治理及數(shù)據(jù)集成，實現(xiàn)決策分析平臺，輸出數(shù)據(jù)指標(biāo)，指導(dǎo)設(shè)計研發(fā)、工藝和制造過程。最終實現(xiàn)智能決策，構(gòu)筑了智能制造的運營體系。通過以上內(nèi)容的建設(shè)，實現(xiàn)了以下幾點提升：

3．1APS的柔性化

通過建立高級計劃與排產(chǎn)系統(tǒng)（APS），對所有客戶訂單信息進行集中排程、調(diào)度及時準(zhǔn)確掌握生產(chǎn)、設(shè)備、人員、治具等生產(chǎn)信息，利用大數(shù)據(jù)進行分析，提高了計劃排產(chǎn)的效率，實現(xiàn)柔性生產(chǎn)，全面適應(yīng)多品種、小批量的訂單需求。

3．2生產(chǎn)制造數(shù)字化

生產(chǎn)制造基于APS計劃生產(chǎn)，工單可傳送到生產(chǎn)線，在車間隨處可見PAD和掌上PDA通過無線網(wǎng)，在線查詢上料清單，物料BOM信息，并可查詢工藝圖紙等工藝文件。3．3質(zhì)量管控數(shù)字化建立數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA），通過條形碼、二維碼或無線射頻識別（RFID）卡等識別技術(shù)，跟蹤每個產(chǎn)品的物料、治具、生產(chǎn)流程信息。運行設(shè)備參數(shù)、生產(chǎn)測試數(shù)據(jù)、檢測信息收集診斷分析，并自動生成報表和異常信息預(yù)警；并對對質(zhì)量檢查數(shù)據(jù)、工序流轉(zhuǎn)過程監(jiān)控、質(zhì)量異常反饋。實現(xiàn)質(zhì)量全程追溯，質(zhì)量數(shù)據(jù)的實時更新，統(tǒng)計過程控制（SPC）自動生成，提升質(zhì)量檢驗效率與準(zhǔn)確率?？稍诰€查看每個產(chǎn)品生產(chǎn)過程的訂單信息、生產(chǎn)進度、批次號、工作中心、設(shè)備信息、物料信息、人員信息，實現(xiàn)生產(chǎn)工序數(shù)據(jù)跟蹤，產(chǎn)品檔案可按批次進行生產(chǎn)過程和使用物料的追溯。新安電器智慧工廠控制中心如圖4所示，包含了質(zhì)量數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)、生產(chǎn)進度、物料狀態(tài)等。3．4生產(chǎn)設(shè)備管理對生產(chǎn)中所用到的設(shè)備信息、日常點檢、周期保養(yǎng)、維修等記錄在MES中實現(xiàn)數(shù)字化管控。實現(xiàn)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，采集相關(guān)工藝數(shù)據(jù)，自動在線監(jiān)測設(shè)備工作狀態(tài)，包括設(shè)備的運行時間、拋料率、物料低位預(yù)警等信息，設(shè)備綜合效率（OEE）自動生成，實現(xiàn)在線數(shù)據(jù)處理和分析判斷，對采集的數(shù)據(jù)進行分析形成報表反饋到智慧工廠控制中心，及時進行設(shè)備異常自動報警和預(yù)診斷，部分設(shè)備可自動調(diào)試修復(fù)。

3．5生產(chǎn)管理透明化

在智慧工廠控制中心的可視化屏幕，實時呈現(xiàn)包含生產(chǎn)狀態(tài)（工單數(shù)量、完成數(shù)率、生產(chǎn)效率等）、品質(zhì)狀況（生產(chǎn)ppm、不良率、主要不良缺陷等）、設(shè)備運行狀況等數(shù)據(jù)；通過報表、圖表形式展示生產(chǎn)運行狀態(tài)，實時有效地反映生產(chǎn)狀況及品質(zhì)狀況。

3．6物流配送智能化

針對所有的最小包裝物料，都有唯一的條形碼或二維碼，工裝治具采用無線射頻識別（RFID），對所有物料實現(xiàn)自動出入庫管理，依據(jù)貼片機運行的反饋數(shù)據(jù)實現(xiàn)自動叫料，需求指令給AGV自配送、并把物料的運行信息數(shù)據(jù)在MES以及ERP中自動數(shù)據(jù)處理。

3．7能源資源利用集約化

采用智慧能源管理云平臺系統(tǒng)，主要由能源應(yīng)用服務(wù)、數(shù)據(jù)的存儲與計算、能源數(shù)據(jù)采集三部分共同組成，均部署到云端，客戶端可以通過APP隨時調(diào)用。實現(xiàn)大功率耗能設(shè)備實時數(shù)據(jù)采集，負(fù)荷超高報警，歸檔記錄，關(guān)鍵能耗區(qū)域、產(chǎn)線能源單耗監(jiān)控與分析；通過數(shù)據(jù)累積，分析影響能耗的各類因子，建立數(shù)學(xué)模型；通過大數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)能耗預(yù)測、使用數(shù)據(jù)對設(shè)備、設(shè)施的能效優(yōu)化。

3．8制造資源的數(shù)字化

生產(chǎn)組裝過程中用到的工裝、治具采用二維碼管理或FID定位、跟蹤、調(diào)度；生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境溫濕度、潔凈度、ESD等實時監(jiān)控。

3．9智慧化管理

以全生命周期管理系統(tǒng)（PLM）對所有與產(chǎn)品相關(guān)的數(shù)據(jù)進行管理，提升產(chǎn)品和服務(wù)。以ERP為核心科學(xué)配置資源。通過SRM和CRM系統(tǒng)拓展到企業(yè)上下游合作方，在客戶和供應(yīng)商之間增加工序平衡管控機制，實現(xiàn)供應(yīng)鏈的各環(huán)節(jié)共同規(guī)劃需求、訂單和預(yù)測分析評估調(diào)整、產(chǎn)能和關(guān)鍵物料規(guī)劃與控制，物料供需平衡管控等，在多個工廠多車間之間實現(xiàn)協(xié)同。采用電子屏幕看板、移動終端等顯示載體實時監(jiān)控，實現(xiàn)數(shù)字化管理。智慧工廠可視化管理如圖5所示：

3．10實現(xiàn)集成優(yōu)化

智慧工廠的集成優(yōu)化主要體現(xiàn)在實現(xiàn)車間與工廠、工廠與集團之間不同層次、不同類型的設(shè)備與系統(tǒng)間的網(wǎng)絡(luò)連接，并且實現(xiàn)數(shù)據(jù)在不同層次、不同設(shè)備、不同系統(tǒng)間的傳輸，最終達到各類管理信息、產(chǎn)品信息、生產(chǎn)信息、優(yōu)化信息等的互聯(lián)互通，從而實現(xiàn)智慧工廠信息集成的閉環(huán)。智慧工廠建設(shè)的核心也就是集成優(yōu)化，關(guān)鍵要素總結(jié)為：①設(shè)施全面互聯(lián)：實現(xiàn)運行設(shè)備、設(shè)施之間的生產(chǎn)物聯(lián)以及工廠網(wǎng)絡(luò)；②信息互通：在工業(yè)互聯(lián)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)從車間層、工廠層、各種運營系統(tǒng)軟件之間的數(shù)據(jù)交換與信息通信；③閉環(huán)控制：能夠?qū)⒓瘓F層、工廠層形成的各種決策優(yōu)化信息向下傳遞并實現(xiàn)操作，實現(xiàn)信息的閉環(huán)控制。最終實現(xiàn)產(chǎn)品從設(shè)計、生產(chǎn)、管理、服務(wù)各環(huán)節(jié)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，實現(xiàn)智慧工廠各個環(huán)節(jié)的高度柔性與高度集成。

4結(jié)束語

借助于大數(shù)據(jù)和云計算在智慧工廠中的應(yīng)用，實現(xiàn)智能車間之間、各個廠區(qū)之間統(tǒng)一管理與協(xié)同生產(chǎn)，將生產(chǎn)中的大量數(shù)據(jù)進行采集、建模分析、形成決策，并將優(yōu)化信息再次傳送到智能車間，實現(xiàn)車間的精準(zhǔn)、柔性、高效、節(jié)能的生產(chǎn)模式，提升企業(yè)的競爭力。經(jīng)過智慧工廠的實踐，企業(yè)最終實現(xiàn)生產(chǎn)效率提升50％、綜合能耗減少14．2％、產(chǎn)品不良率下降68．2％、運營成本降低2．3％、產(chǎn)品研制周期縮短40％。從目前來看總體上大數(shù)據(jù)和云計算還處于發(fā)展初期階段，一些進口設(shè)備的數(shù)據(jù)采集還存在接口的協(xié)議瓶頸。隨著大數(shù)據(jù)意識的普及，大數(shù)據(jù)和云計算在制造領(lǐng)域的應(yīng)用也不斷地被發(fā)掘，將會進一步推動企業(yè)的發(fā)展和社會的進步。

參考文獻

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作者:耿明 單位:江蘇新安電器股份有限公司