OFweek工控網(wǎng)訊：我國離散制造業(yè)正逐步從批量化生產(chǎn)階段向個(gè)性化定制生產(chǎn)階段轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)的批量化、剛性生產(chǎn)系統(tǒng)是針對(duì)一種或幾種產(chǎn)品專門設(shè)計(jì)的，且機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)都是剛性化的設(shè)計(jì)和部署，一旦產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)需求發(fā)生變化，則調(diào)整生產(chǎn)系統(tǒng)的周期和工作量將非?？捎^，無法滿足消費(fèi)者高度個(gè)性化定制產(chǎn)品快速、規(guī)?；a(chǎn)的需求。
針對(duì)上述問題，中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所與中國信息通信研究院、SAP中國研究院合作，創(chuàng)新性地提出一種面向個(gè)性化定制的軟件定義可重構(gòu)智能制造驗(yàn)證示范平臺(tái)。該系統(tǒng)以部件裝配的個(gè)性化定制設(shè)計(jì)、工藝流程自動(dòng)生成、機(jī)器人任務(wù)自主規(guī)劃為例，實(shí)現(xiàn)消費(fèi)者高度個(gè)性化定制、設(shè)備和生產(chǎn)過程信息無線化感知、自主規(guī)劃生產(chǎn)計(jì)劃和任務(wù)、智能運(yùn)行管理、能源監(jiān)測與管理等創(chuàng)新功能。不僅能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)4.0提出的從電商平臺(tái)、企業(yè)／車間管理系統(tǒng)到控制系統(tǒng)、生產(chǎn)設(shè)備的縱向集成，而且能夠?qū)崿F(xiàn)高度個(gè)性化定制、生產(chǎn)工藝流程和機(jī)器人任務(wù)在線自動(dòng)重組、設(shè)備預(yù)測性維護(hù)等創(chuàng)新的制造模式，使生產(chǎn)裝備和生產(chǎn)系統(tǒng)能夠針對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)需求的變化，自適應(yīng)地進(jìn)行調(diào)整，提升生產(chǎn)裝備和生產(chǎn)系統(tǒng)的物聯(lián)化、智能化水平，解決高度個(gè)性化定制產(chǎn)品的規(guī)?；a(chǎn)與傳統(tǒng)的剛性、大批量制造模式之間的矛盾。
中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所成立于1958年11月，是我國從事機(jī)器人、智能制造、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究的領(lǐng)軍機(jī)構(gòu)。作為中國機(jī)器人事業(yè)的搖籃，在中國機(jī)器人事業(yè)發(fā)展歷史上創(chuàng)造了二十多個(gè)第一，引領(lǐng)中國機(jī)器人技術(shù)的研究發(fā)展。中科院沈陽自動(dòng)化研究所在高端智能化裝備領(lǐng)域，自主研制了板材激光拼焊成套裝備、雙機(jī)械臂激光焊接裝備、激光沖擊強(qiáng)化等裝備以及數(shù)字化車間動(dòng)態(tài)管控平臺(tái)與生產(chǎn)系統(tǒng)，并榮獲國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，該項(xiàng)目成果引領(lǐng)了行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，新增產(chǎn)值44億。在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，沈自所突破了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)，研發(fā)了WIA－PA和WIA－FA兩項(xiàng)IEC國際標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品體系，圍繞語義化數(shù)字工廠建模與動(dòng)態(tài)服務(wù)組合，打通了跨協(xié)議、軟件和系統(tǒng)的互操作接口，解決了跨系統(tǒng)信息集成的難題，并因此榮獲國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。
【什么是軟件定義的可重構(gòu)智能制造】
軟件定義的可重構(gòu)智能制造，就是使生產(chǎn)制造系統(tǒng)能夠通過軟件定義的方式，針對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和訂單的變化，自動(dòng)調(diào)整加工、裝配環(huán)節(jié)的任務(wù)、工藝流程、路徑規(guī)劃與控制參數(shù)以及生產(chǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制程序，大幅縮短生產(chǎn)系統(tǒng)軟硬件調(diào)整以及產(chǎn)品的交付周期，使其快速響應(yīng)高度定制化產(chǎn)品規(guī)?；a(chǎn)的需求，實(shí)現(xiàn)小批量甚至單件化定制產(chǎn)品的規(guī)?；?、經(jīng)濟(jì)型生產(chǎn)。
【行業(yè)困境】
離散制造業(yè)高度個(gè)性化定制的需求快速增長，但傳統(tǒng)的剛性、用于大批量制造的生產(chǎn)系統(tǒng)是根據(jù)產(chǎn)品量身定制的。一旦產(chǎn)品設(shè)計(jì)或生產(chǎn)需求發(fā)生變化，生產(chǎn)線需要停產(chǎn)并人工調(diào)整生產(chǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，重置組態(tài)流程與設(shè)備配置，調(diào)整周期過長，難以快速響應(yīng)變化。傳統(tǒng)的制造模式和生產(chǎn)系統(tǒng)難以支持高度個(gè)性化定制產(chǎn)品的快速、規(guī)模化生產(chǎn)，因此，能夠進(jìn)行產(chǎn)線智能自適應(yīng)調(diào)整的軟件定義的可重構(gòu)智能制造系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。
【技術(shù)創(chuàng)新】
（1）總體架構(gòu)
本平臺(tái)的目標(biāo)是通過構(gòu)建軟件定義可自重構(gòu)的離散制造系統(tǒng)，使生產(chǎn)制造系統(tǒng)具有高度靈活性，可以針對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和訂單的變化，自動(dòng)調(diào)整加工、裝配環(huán)節(jié)的任務(wù)、工藝流程、路徑規(guī)劃與控制參數(shù)以及生產(chǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制程序，大幅縮短產(chǎn)品的交付周期，使其快速響應(yīng)高度定制化產(chǎn)品規(guī)?；a(chǎn)的需求，實(shí)現(xiàn)小批量甚至單件化定制產(chǎn)品的規(guī)?；?、經(jīng)濟(jì)型生產(chǎn)。
圖1 軟件定義可重構(gòu)智能制造系統(tǒng)的平臺(tái)構(gòu)成
本項(xiàng)目搭建的軟件定義可重構(gòu)智能制造驗(yàn)證平臺(tái)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要由：設(shè)計(jì)開發(fā)平臺(tái)、虛擬制造支撐系統(tǒng)、基于工業(yè)SDN的自組織全互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、可重構(gòu)模塊化制造系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、柔性智能物流系統(tǒng)和服務(wù)平臺(tái)構(gòu)成。
其中，設(shè)計(jì)開發(fā)平臺(tái)、虛擬制造支撐系統(tǒng)、可重構(gòu)模塊化制造系統(tǒng)和服務(wù)平臺(tái)構(gòu)成了從設(shè)計(jì)、制造到服務(wù)的端到端數(shù)字化集成系統(tǒng)以及從銷售到企業(yè)管理到車間生產(chǎn)管理和設(shè)備層的垂直集成，將用于驗(yàn)證產(chǎn)品的全生命周期管理以及智能制造系統(tǒng)的端到端集成技術(shù)；虛擬制造支撐系統(tǒng)、基于工業(yè)SDN的自組織全互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、可重構(gòu)模塊化制造系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)和柔性智能物流系統(tǒng)則構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)系統(tǒng)，將用于驗(yàn)證智能制造系統(tǒng)的縱向集成技術(shù)。
（2）各個(gè)子系統(tǒng)和平臺(tái)的組成與功能
1）基于云的企業(yè)與車間管理軟件系統(tǒng)與服務(wù)系統(tǒng)
企業(yè)與車間管理軟件系統(tǒng)如圖2所示。該系統(tǒng)包括：由電子商務(wù)、ERP、MES、PLM等構(gòu)成的企業(yè)管理軟件系統(tǒng)。消費(fèi)者通過電商平臺(tái)，根據(jù)自己喜好來對(duì)產(chǎn)品的不同參數(shù)進(jìn)行選配，并生成個(gè)性化訂單。隨后，該訂單將被無縫集成到后臺(tái)ERP系統(tǒng)中，系統(tǒng)隨即進(jìn)行物料的采購和生產(chǎn)準(zhǔn)備，同時(shí)安排生產(chǎn)計(jì)劃。當(dāng)生產(chǎn)計(jì)劃下達(dá)后，生產(chǎn)訂單的所有相關(guān)信息會(huì)即刻傳到MES系統(tǒng)中，并通過MES與車間控制系統(tǒng)完成信息交互。
此外，在系統(tǒng)在云平臺(tái)上部署了生產(chǎn)服務(wù)子系統(tǒng)，可以基于檢測系統(tǒng)提供的生產(chǎn)要素的溫度、振動(dòng)等狀態(tài)信息，通過基于WIA的全互聯(lián)制造網(wǎng)絡(luò)快速傳送至架于云端的大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)，用于分析設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和趨勢，診斷設(shè)備故障、預(yù)測設(shè)備部件及整體的生命周期，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)裝備的預(yù)測性維護(hù)，降低設(shè)備停機(jī)時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。
圖2 企業(yè)與車間管理軟件系統(tǒng)組成
2）設(shè)計(jì)開發(fā)平臺(tái)
設(shè)計(jì)開發(fā)平臺(tái)由CAD、CAM、CAPP等設(shè)計(jì)開發(fā)軟件系統(tǒng)組成，是一個(gè)集成了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過程離線仿真等多種功能為一體的綜合數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)?？捎糜陂_展數(shù)字化協(xié)同產(chǎn)品設(shè)計(jì)、數(shù)字化樣機(jī)、產(chǎn)品生命周期數(shù)據(jù)管理、并行協(xié)同研制流程等研究，測試、驗(yàn)證不同設(shè)計(jì)軟件的接口集成等技術(shù)。
3）CPS智能管控系統(tǒng)
CPS管控系統(tǒng)由數(shù)字工廠模型庫、動(dòng)態(tài)服務(wù)合成引擎等部分構(gòu)成?？梢灾螖?shù)字工廠生產(chǎn)資源虛擬化、建模、關(guān)聯(lián)、檢索，生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)模擬仿真與優(yōu)化，生產(chǎn)要素與生產(chǎn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)組織與重構(gòu)等信息空間的虛擬工廠管理、運(yùn)行、控制等研究?？捎糜陂_展不同廠商生產(chǎn)設(shè)備互聯(lián)互操作、基于語義化的制造資源建模、智能制造車間參考模型、CPS型智能制造系統(tǒng)架構(gòu)、實(shí)時(shí)在線仿真與優(yōu)化、軟件接口集成等技術(shù)的測試與驗(yàn)證。
圖3 CPS管控系統(tǒng)架構(gòu)圖
4）基于WIA的智能工廠全互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)
該全互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)如圖4所示，該系統(tǒng)以中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的面向工業(yè)應(yīng)用的高可靠、高實(shí)時(shí)性無線通信技術(shù)：WIA－FA（目前世界上唯一一個(gè)面向工廠高速自動(dòng)控制應(yīng)用的IEC無線技術(shù)國際標(biāo)準(zhǔn)）為支撐（如圖5），通過自主研制的工業(yè)無線路由器、工業(yè)無線交換機(jī)、基于工業(yè)SDN的管控全互聯(lián)無線網(wǎng)關(guān)等工業(yè)無線通信產(chǎn)品，構(gòu)建出工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品體系，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)裝備振動(dòng)和溫度等信息感知、生產(chǎn)過程信息的實(shí)時(shí)采集、高實(shí)時(shí)高可靠性控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊的無線化和模塊化。該系統(tǒng)用于開展工業(yè)無線通信技術(shù)的高并發(fā)、可靠性、實(shí)時(shí)性等性能的測試和驗(yàn)證，開展基于工業(yè)SDN全互聯(lián)網(wǎng)關(guān)的管理、控制系統(tǒng)中控制信號(hào)、音頻、視頻等多類型數(shù)據(jù)混流傳輸性能的測試與驗(yàn)證以及工業(yè)信息安全的測試與驗(yàn)證。
圖4 智能工廠全互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
圖5 WIA－FA——面向工廠高速自動(dòng)控制應(yīng)用的IEC無線技術(shù)國際標(biāo)準(zhǔn)
5）可重構(gòu)模塊化加工裝配系統(tǒng)
由3D打印系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人、AGV、小型立體倉庫、輸送系統(tǒng)、柔性加工系統(tǒng)、可移動(dòng)式裝配工位和固定式裝配工位組成?？芍С钟绍浖x的可重構(gòu)模塊化生產(chǎn)模式，其生產(chǎn)系統(tǒng)布局、生產(chǎn)工藝流程和機(jī)器人操作任務(wù)調(diào)度可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況動(dòng)態(tài)重組，提供高度定制化、圍繞單件產(chǎn)品定制工藝流程的高度柔性制造能力。為智能化、柔性化及自組織生產(chǎn)提供驗(yàn)證條件，并且還可以用于測試、驗(yàn)證不同廠商生產(chǎn)設(shè)備互聯(lián)互操作、實(shí)時(shí)在線仿真與優(yōu)化、可重構(gòu)模塊化制造等技術(shù)。
圖6 可重構(gòu)模塊化加工裝配系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
【應(yīng)用場景】
（1）顏色、部件等屬性和配置自由組合的定制化產(chǎn)品全自動(dòng)單件生產(chǎn)
客戶在電子商務(wù)平臺(tái)上選擇配置；
訂單迅速下達(dá)至ERP系統(tǒng)；
ERP系統(tǒng)立刻將訂單分發(fā)至MES系統(tǒng)；
MES系統(tǒng)將生產(chǎn)任務(wù)下達(dá)至控制系統(tǒng)；
通過RFID系統(tǒng)，每個(gè)生產(chǎn)單元都可以與產(chǎn)品“交流”，完成個(gè)性化加工和裝配；
車間設(shè)備生產(chǎn)狀態(tài)和生產(chǎn)進(jìn)度實(shí)時(shí)監(jiān)控；
最終智能系統(tǒng)快速完成了個(gè)性化配置產(chǎn)品的單件生產(chǎn)任務(wù)。
（2） 生產(chǎn)系統(tǒng)根據(jù)訂單變化動(dòng)態(tài)調(diào)整結(jié)構(gòu)
生產(chǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模塊化、可移動(dòng)；
基于無線通信的工業(yè)SDN網(wǎng)絡(luò)使控制系統(tǒng)可以靈活重構(gòu)；
訂單數(shù)量激增時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)判斷生產(chǎn)瓶頸；
生產(chǎn)控制系統(tǒng)在數(shù)字工廠虛擬資源庫中查詢備用工位；
CPS智能管控軟件重新組合虛擬的生產(chǎn)資源，并自動(dòng)調(diào)用備用、可移動(dòng)工位；
可移動(dòng)工位自動(dòng)融入生產(chǎn)系統(tǒng)；
訂單數(shù)量減少時(shí)，可移動(dòng)工位退出生產(chǎn)系統(tǒng)。
（3）基于預(yù)測性維護(hù)的生產(chǎn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)整和快速維修服務(wù)
基于WIA－FA無線通信技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)信息；
在HANA云平臺(tái)上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和診斷；
預(yù)測設(shè)備的故障和生命周期；
當(dāng)設(shè)備需要預(yù)防性維護(hù)時(shí)，CPS智能管控軟件自動(dòng)啟用可移動(dòng)備用工位，替換故障設(shè)備；
與后臺(tái)維護(hù)系統(tǒng)集成，進(jìn)行維修訂單管理；
利用移動(dòng)方案，提高維修人員工作效率；
大幅減少設(shè)備由于故障引起的停機(jī)時(shí)間。
（4）基于CPS動(dòng)態(tài)管控的工藝流程和機(jī)器人任務(wù)在線重組
利用語義化建模技術(shù)將生產(chǎn)資源虛擬化、設(shè)備能力模型化；
通過統(tǒng)一模型實(shí)現(xiàn)工藝到控制的自適應(yīng)貫通；
由用戶自由選擇裝配組件，生成高度定制化產(chǎn)品訂單；
生產(chǎn)系統(tǒng)根據(jù)產(chǎn)品配置，動(dòng)態(tài)生成裝配工藝流程；
根據(jù)物料供給和訂單優(yōu)先級(jí)，動(dòng)態(tài)重構(gòu)生產(chǎn)工藝，在線優(yōu)化機(jī)器人裝配任務(wù)和程序；
使生產(chǎn)系統(tǒng)智能、自主地適應(yīng)需求的變化，提升系統(tǒng)智能化和綜合生產(chǎn)效率。
預(yù)估價(jià)值：軟件定義可重構(gòu)智能制造驗(yàn)證示范平臺(tái)的收益
興制造，創(chuàng)未來
融合中德領(lǐng)先技術(shù)，中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所與中國信息通信研究院、SAP中國研究院合作提出的軟件定義的可重構(gòu)智能制造平臺(tái)是面向未來個(gè)性化定制生產(chǎn)模式的制造系統(tǒng)智能管控解決方案，它融合了中科院研發(fā)的生產(chǎn)系統(tǒng)自主重構(gòu)技術(shù)和德國領(lǐng)先的工業(yè)云管控技術(shù)，被評(píng)為15項(xiàng)世界互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)先科技成果之一，實(shí)現(xiàn)了“中國制造2025”智能工廠自主核心技術(shù)與“德國工業(yè)4.0”領(lǐng)先技術(shù)的系統(tǒng)性對(duì)接，為中國制造與德國制造在技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)和市場方面的全面對(duì)接提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
