朱铎先:打造基于CPS理念的智能MES系统

作者:朱铎先 发布时间:[2017-10-30]

下面谈一下我对CPS的基本认识以及基于CPS理念在数字化车间方面的实践,不当之处请大家批评指正。

  一,CPS是企业实现智能制造的重要抓手

CPS是赛博物理系统(Cyber-Physical Systems)的缩写,是工业4.0的核心。针对CPS的概念,笔者曾在2015年7月13日《人民邮电报》上发表过《赛博物理系统:智能制造“炼金术”》一文,下面摘抄其中部分内容与大家分享。

CPS是一个包含计算、网络和物理实体的复杂系统,通过3C(Computing、Communication、Control)技术的有机融合与深度协作,通过人机交互接口实现和物理进程的交互,使赛博空间以远程、可靠、实时、安全、智能化、协作的方式操控一个物理实体。在制造业中,通过CPS系统,将智能机器、存储系统和生产设施融入到整个生产系统中,并使人、机、料等能够相互独立地自动交换信息、触发动作和自主控制,实现一种智能的、高效的、个性化的、自组织的生产方式,推动制造业向智能化转型。

CPS的定义

CPS源于美国,却因德国工业4.0而风靡全球。CPS在我国也得到高度重视,在《中国制造2025》中明确强调:“基于信息物理系统的智能装备、智能工厂等智能制造正在引领制造方式变革”,CPS已经成为智能制造的核心支撑技术与重要抓手。

2017年3月1日,工信部正式发布《信息物理系统白皮书(2017)》(以下简称“白皮书”),白皮书中对CPS的内涵、架构、实现等进行了系统的阐述,并对CPS进行了三个层次的明确划分,即单元级、系统级、SoS级(系统之系统),分别以“网”、“平台”为标准,从功能范围上界定了CPS的分级。白皮书的发布对CPS在中国的快速发展起到了积极的推动作用。

白皮书对CPS三个层次的划分

笔者经过深入研究后认为,这种划分只是从横向上进行了一维的定义,在指导落地方面尚显不足,还应该从其他维度进行定义与划分,通过多维度定义、组合、演进,将CPS进行进一步分类,简化其复杂性,降低其落地难度,形成更多易于落地的解决方案,从而更好地指导、促进智能制造的发展。

为此,笔者从横向属性、纵向智能两个维度进行定义CPS,并衍生出九种CPS落地方案的方法,称之为“CPS二维九格定义法”。

CPS二维九格定义法

上面纵向的三个智能等级是依据笔者共同编著的《三体智能革命》一书中的定义,请见下图。

通过以上划分,我们就可以发现CPS在制造业的应用潜力是巨大的,下面举三个例子。

恒定智能/单元级:如机床自适应切削系统。机床可根据主轴负载变化,基于知识的决策,在较小载荷的情况下自动增大进给速率,在较大载荷的情况下又会减少进给速率,达到缩短加工周期、提高加工效率和提升加工质量的目的。系统具有实时分析、自主决策、精准执行的特点,并且具有不可再分割的特点,所以是一种恒定智能/单元级系统。这类CPS在智能产品中有很广阔的应用场景。

恒定智能/单元级:机床自适应切削系统

恒定智能/系统级:如智能车间/产线。通过设备物联网子系统实现所有数控设备的网络化通讯、远程实时状态采集、工业大数据分析与可视化展现,并通过MES系统对计划、排产、派工、物料、质量进行智能化管理,设备、物料、质量等出现问题时,系统会自动通知相关人员,甚至自动进行声光电等报警措施,实现了设备状态、生产过程等的状态感知、实时分析、自主决策(准确地说,这里是部分自主决策,有些需要相关人员根据决策数据进行人为决策)与精准执行,实现了设备等物理世界与MES等赛博世界的深度融合,可以算是一种典型的恒定智能系统级CPS。这种级别的CPS是智能制造中性价比较高且较易实现的CPS系统,是制造业应该重点关注的领域。

恒定智能/系统级:智能车间/产线

开放智能/SoS级:系统既具有自认知、自学习等高级智能特点,还具有多系统协同优化的特点,典型的如GE的PREDIX系统等。这是非常复杂、高级的SoS级CPS系统,这类系统具有很好的先进性、前瞻性,但对制造业而言,具有技术难度大、投资大、风险大等特点,建议制造业学习其先进理念,但不要盲目追风。

开放智能/SoS级:工业互联网

  二,从6个方面打造基于CPS理念的智能MES系统

兰光创新自2002年成立以来,一直致力于数字化车间建设,在航天航空、军工电子、机械制造等行业有500多家客户,在CPS方面也做了很多的探索。

在公司十多年数字化车间研发的基础上,兰光创新充分借鉴德国工业4.0等先进思想,基于CPS理念,打造了一套国内领先的“设备自动化+管理信息化+生产精益化+人员高效化”的智能MES系统,很好地体现了CPS理念在数字化车间的应用,下面与大家一同分享一下。首先,德国工业4.0中的纵向集成实质上就是一套虚实融合的系统级CPS。

工业4.0中纵向集成的全称为“纵向集成和网络化制造系统”,是工业4.0的基础,其实质是“将各种不同层面的IT系统集成在一起(例如,执行器与传感器、控制、生产管理、制造和执行及企业计划等不同层面)”(摘自德国工业4.0战略计划实施建议),也就是说将企业内不同的IT系统、生产设施(以数控机床、机器人等数字化生产设备为主)进行全面的集成,目的是建立一个高度集成化的系统,为将来智能工厂中数字化、网络化、智能化、个性化制造提供支撑。

我们先从德国人精心绘制的纵向集成示意图上分析一下。

该图可理解为由三部分组成:

左上角,在绿色的云丛之中有三个服务器,表示企业要实施信息化系统,并做到信息化系统之间的深度集成,还表明将来这些系统有可能部署在云端。

在这个图的中央,德国人用更大的篇幅展现了各种生产设备,并用显眼的Wifi符号表明了这些设备是具有网络通讯功能的数字化设备,力图说明实现数字化设备的互联互通是企业纵向集成的重要组成部分。

在图的右侧是一个计算机,表明这是信息化系统,而计算机内的设备之间用虚线连接起来,明显地告诉我们,这些设备之间实现了互联互通。该部分是说明了物理设备在互联互通的基础上,还要实现与信息化系统的深度集成。

因此,纵向集成可理解为三个层面:

1)企业内部的ERP/PLM/MES/APS/DNC/MDC等信息化系统之间的深度集成;

2)通过设备联网、采集、分析、展现等手段,将各种生产设备建成网络化、集中管控的设备网络化管控系统,实现设备的互联互通;

3)信息化系统与设备层之间,通过指令下发、状态反馈、动态调整等功能,实现信息系统与物理设备之间的深度集成。

站在车间角度,我们可以将纵向集成可以分为三部分,一部分是围绕“人”的信息化系统,即狭义上的MES系统,包括车间计划、排产、物料、质量等模块的信息化管理系统,第二部分,是围绕机床、热处理设备、机器人、AGV、测量测试设备等物理实体的互联互通。第三部分是物理设备与MES系统的深度融合。

这三部分实质就是一个虚实融合(设备物理实体与信息化赛博虚体)系统级的CPS系统,也可以称之为广义上的智能MES系统。

其次,兰光智能MES系统将以上理念完全体现在软件系统中。

在领先的数字化车间解决方案的基础上,结合工业4.0等先进理念,兰光创新在国内首次提出了“六维智能理论”,即从6个维度的“智能”打造中国特色的智能MES系统:智能计划排产、智能生产过程协同、智能设备互联互通、智能生产资源管控、智能质量过程控制、智能大数据分析与决策支持。分别从计划源头、过程协同、设备底层、资源优化、质量控制、决策支持等6个方面着手,实现全面的精细化、精准化、自动化、信息化、网络化的智能化管理与控制,从而实现“物理实体与赛博虚体虚实深度融合”的系统级CPS系统。


“六维智能 ”模型

以前,我们都是从MES角度讲解“6维智能”,今天我们用CPS的视角分析一下,兰光创新是如何基于CPS理念打造智能MES系统的。

  1)智能互联互通——实体联接赛博

通过实施设备物联网系统,将车间中的机床、机器人、AGV、热处理设备等数字化设备实现互联互通,包括加工程序的网络化传输、设备状态的远程自动采集、工业大数据智能化分析与可视化展现,生产设备由信息化孤岛变为一个个信息化节点,物理设备融入到赛博空间,构成了一个设备级的CPS系统,这是智能MES的物理基础。

物理实体联接赛博空间

  2) 智能资源管理——赛博管理实体

通过MES系统对生产资源(物料、刀具、量具、夹具等)进行出入库、查询、盘点、报损、并行准备、切削专家库、统计分析等管理,在赛博空间实现对物理空间的库存进行精益化管理,有效地避免因生产资源的积压与短缺,可最大程度地减少因生产资源不足带来的生产延误,也可避免因生产资源的积压造成生产辅助成本居高不下的问题。

赛博管理实体

  3) 智能生产协同——赛博协同实体

十几年来,兰光创新已经为500余家军工等企业实施了设备物联网系统,根据这些一手的数据,我们发现绝大部分企业的机床利用率徘徊在30%左右,远低于日本80%,欧美70%的水平。经过分析发现,企业机床利用率低的原因主要原因是串行准备,比如工人忙于编程序、模拟轨迹、找刀、找料、装夹等各种辅助活动,机床真正干活的时间却少之又少。

早在2009年,兰光创新就提出协同生产的理念,通过信息化手段,以设备为中心,工人、库房、技术、检验等相关人员并行准备、协同生产,这样,通过智能化的生产协同管理,将串行工作变为并行工工作,从而明显地减少设备等待时间,提升了设备的利用率,缩短了产品生产周期。

赛博协同实体

  4)智能计划排产——赛博优化实体

通过APS高级排产算法,按照交货期、同一订单优先等多种排产方式,将每一道工序、分解到每一设备的每一分钟,可最大程度地减少交期延误,以及最大程度从整体上提升设备的有效利用率。只有从源头上做到计划的优化,才能保证生产过程的有序、高效。

赛博优化实体

  5) 智能质量控制——赛博控制实体

困扰中国很多企业的质量问题,不是不能生产出高质量的产品,而是产品质量不稳定,找不出内在规律与关键原因,企业不知道如何提升。

通过对熔炼、压铸、热处理、涂装等数字化生产设备进行数据采集与智能化管理,对各类工艺过程数据进行实时监测、动态预警、过程记录分析等功能,可实现对加工过程实时的、动态的、严格的工艺控制,确保产品生产过程完全受控。

赛博控制实体

当生产一段时间,质量出现一定的规律时,通过对工序过程的主要工艺参数与产品质量进行综合分析,为技术人员与管理人员进行工艺改进提供科学、量化的参考数据,在以后的生产过程中,避免不好的参数,确保最优的生产参数,从而保证产品的一致性与稳定性。

  6) 智能决策支持——赛博交互实体

通过对生产过程中的设备、生产、质量、库存等多维数据的采集、分析、挖掘、展现,为各类人员提供科学、直观的各类图形、报表,在赛博空间实现对物理实体的同步展现与人机交互。

赛博展现实体

由于兰光MES模块众多,功能庞大,我们这里只是从6个方面以点带面地对CPS的一些理念进行了阐述。

我们通过进一步研究可以发现,在CPS视角中,兰光智能MES中的6个动词分别是联接、管理、控制、协同、优化、交互,如果用英文表达,可分别使用Connect(联接,包含通讯、采集等技术内容,也包含物与物的联接,如物联网,人与人的联接,互联网等,都属于联接范畴),Manage(管理),Optimize(优化),Collaborate(协同),Control(控制),Interact(交互),首字母可组合为COMICC,笔者称之为CPS COMICC模型。CPS传统的3C模型(Communication(通讯)、Computing(计算)、Control(控制))总体上停留在技术层面,没有体现联接、管理、优化、人机友好等层面的含义,相对3C模型,笔者认为COMICC模型内容更丰富,应用场景更清晰,对制造业有更强的落地指导性。

CPS COMICC模型

兰光智能MES系统正是在以上理论的指导下,结合企业的实际情况,经过多年潜心研发而成,已经在众多单位得到成功应用,并荣获“2016年度工业大数据十大创新引领”、“2016年度中国工业软件优秀产品奖”等荣誉。实践证明,CPS这些理念对数字化车间及MES的建设是非常重要的,也是很有指导意义的。

三,CPS在数字化车间中的实践应用——打造车间级CPS,实现数据的自由流动

下面举一个具体应用案例。

宁夏共享集团始建于1966年,是宁夏50户工业龙头企业之一、出口创汇骨干企业和利税大户。企业同时也是国家级技术中心,近三年连续被评为中国机械工业企业核心竞争力100强企业,多次获得美国通用电气、西门子最佳供应商。自1992年以来,连续十余年,在铸造产品的行业评比中持续获得第一名或金奖,是中国专业铸造企业的排头兵。

产品主要包括能源设备铸件(燃气轮机、蒸汽轮机、水力发电设备、核电设备等)、压缩机铸件、近海石油设备铸件、造船设备铸件、通用机械类铸件,以及燃汽轮机、蒸汽轮机、风力发电、重型机械、通用机械等的机械加工、装配以及金属模具制作。

经过多年的信息化建设,共享集团已经实施了ERP、PLM、TDM等多个信息化系统,为集团经济效益的提升提供了强有力的保障。但是车间层面还处于信息化“真空状态”,制约了企业的快速发展。针对这种情况,企业决定从车间数字化建设方面进行突破。希望通过生产设备的互联互通,实现设备的网络化生产,并在此基础上打造智能化的MES系统,从而实现人、机、IT系统的深度协作。

2012年,兰光创新为共享集团实施了国内领先的MES(制造执行系统)、APS(高级排产系统)、DNC/MDC(设备联网与数据采集)系统,并通过与ERP、PLM等系统的深度集成,实现了数据在信息化之间、物理设备之间的自由流动。

实现数据自由流动的车间级CPS

产品在PLM中使用CAD进行三维设计,在ERP做出主生产计划,计划被MES接收后,经APS(高级排产系统)自动生成最优的作业计划,可以具体到每一工序、每一设备、每一分钟,机床需要的加工程序直接通过DNC系统传输到机床里,通过MDC系统实时采集机床状态、加工进度,基于这些数据基础上形成智能化的决策分析与可视化展现,并通过MES系统反馈到ERP系统,实现企业闭环的管理。

本项目虽然是几年前实施的,那时候还没工业4.0等概念,但我们可以看出,本案例与今天“工业4.0”的理念是不谋而合的:实现了信息化系统之间的深度集成,生产设备之间的深度集成,生产设备等物理世界与信息化等赛博世界的深度融合,这是COMICC模型的具体应用,也非常符合工业4.0中的CPS(赛博物理系统)以及纵向集成等思想。

由于在智能制造方面取得的优异成绩,共享集团被评选为工信部2015年46个智能制造试点示范项目之一,以及国内唯一的铸造行业智能制造试点示范企业。其先进事迹被中央电视台、人民日报、新华社、光明日报等顶级媒体纷纷报道,每天来自全国各地的参观学习者络绎不绝。2016年2月,李克强总理视察该企业时,对企业进行了高度评价,称赞企业由 “傻大黑粗”转型升级成为了“窈窕淑女”, “展示了‘中国制造2025+互联网’的融合,是新旧动能转换的生动体现。”

四,结束语

以上是笔者对CPS的一些浅显的理解及具体实践,希望对大家有所启发。

笔者相信,随着大家对CPS认识加深与实践的深入,作为智能制造核心支撑技术的CPS,必将在中国智能制造转型升级中发挥越来越重要的价值。

谢谢大家!


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