本文來自微信公眾號“新工業(yè)網(wǎng)”，作者/河鋼集團(tuán)唐鋼公司 張寶玉。
隨著制造企業(yè)智能制造建設(shè)的不斷深入，構(gòu)成智能制造系統(tǒng)架構(gòu)的信息化系統(tǒng)和自動化系統(tǒng)越來越多，各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互越來越復(fù)雜，企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營產(chǎn)生的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)和設(shè)備運行數(shù)據(jù)快速增長，這給支撐這些系統(tǒng)運行和數(shù)據(jù)傳輸、存儲的IT基礎(chǔ)架構(gòu)帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，本文提出了支撐制造企業(yè)智能制造系統(tǒng)運行的三象限IT基礎(chǔ)架構(gòu)，為制造企業(yè)智能制造系統(tǒng)建設(shè)提供了穩(wěn)固、高效的IT基礎(chǔ)架構(gòu)解決方案。
在工業(yè)和信息化部、國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會共同組織制定了《國家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南（2021版）》中對智能制造系統(tǒng)架構(gòu)從生命周期、系統(tǒng)層級和智能特征等3個維度所涉及的要素、裝備、活動等內(nèi)容進(jìn)行描述，主要用于明確智能制造的標(biāo)準(zhǔn)化對象和范圍。智能制造系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。
圖1智能制造系統(tǒng)架構(gòu)
該指南文件并未對如何搭建支撐智能制造系統(tǒng)架構(gòu)運行的IT基礎(chǔ)架構(gòu)進(jìn)行描述。那么如何搭建支撐智能制造系統(tǒng)運行的IT基礎(chǔ)架構(gòu)來支撐智能制造系統(tǒng)運行就成為了我們必須自己摸索的“必答題”。
1 IT基礎(chǔ)架構(gòu)面臨的問題
為了承載各類信息化系統(tǒng)、自動化系統(tǒng)、智能分析系統(tǒng)等的穩(wěn)定、安全、高效的運行，IT基礎(chǔ)架構(gòu)需要解決以下幾個關(guān)鍵問題：
1.1網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)安全的問題
網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)安全問題是IT基礎(chǔ)架構(gòu)需要解決的首要問題。隨著工業(yè)互聯(lián)的普及，制造企業(yè)的產(chǎn)線自動化系統(tǒng)與信息化系統(tǒng)，甚至互聯(lián)網(wǎng)都有數(shù)據(jù)通訊的需要。這給各個系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳遞帶來便利的同時，也將各種網(wǎng)絡(luò)威脅延伸到了制造企業(yè)產(chǎn)線的自動化系統(tǒng)，IT基礎(chǔ)架構(gòu)在保障正常通訊的前提下必須保證各系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)的整體安全性，尤其要保證各產(chǎn)線自動化系統(tǒng)的安全性，避免直接影響生產(chǎn)的安全事故的發(fā)生。
1.2系統(tǒng)的性能問題
IT基礎(chǔ)架構(gòu)必須支撐運行系統(tǒng)的高效運行。尤其是與制造企業(yè)生產(chǎn)相關(guān)的系統(tǒng)運行效率，系統(tǒng)反應(yīng)速度必須能夠滿足產(chǎn)線生產(chǎn)的需要，必須對根據(jù)生產(chǎn)結(jié)果給出及時的回饋。然而隨著信息化系統(tǒng)和自動化系統(tǒng)數(shù)量的激增，系統(tǒng)之間的接口數(shù)量也呈現(xiàn)幾何數(shù)量的增加，系統(tǒng)之間的關(guān)系復(fù)雜化，相互影響增多。IT基礎(chǔ)架構(gòu)采用適當(dāng)?shù)姆绞絻?yōu)化各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)接口關(guān)系，保證與產(chǎn)線相關(guān)的信息化系統(tǒng)和自動化系統(tǒng)高效運行，以滿足生產(chǎn)的需要。
1.3大數(shù)據(jù)的管理問題
隨著企業(yè)設(shè)備和產(chǎn)線的數(shù)字化以及自動化系統(tǒng)和信息化系統(tǒng)的增加，產(chǎn)生了大量的各種類型的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的產(chǎn)生、采集、傳輸、存儲、篩選、計算及應(yīng)用等各個環(huán)節(jié)的處理，以及如何保持良好數(shù)據(jù)的流向等都是困擾企業(yè)智能制造建設(shè)的重要問題。作為支撐智能制造系統(tǒng)運行的IT基礎(chǔ)架構(gòu)必須能很好的解決大數(shù)據(jù)的管理和流向問題。讓系統(tǒng)產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)有序、高效、安全的流動。特別是制造企業(yè)產(chǎn)線設(shè)備、自動化系統(tǒng)以及產(chǎn)品本身在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的質(zhì)量數(shù)據(jù)、能源介質(zhì)消耗數(shù)據(jù)等，它們產(chǎn)生的頻率高、數(shù)據(jù)量大、類型多樣、采集和存儲難度大，是非常難處理且有非常有價值的數(shù)據(jù)。
1.4系統(tǒng)的分類、分層問題
隨著企業(yè)智能制造建設(shè)的不斷深入，支撐企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營各個環(huán)節(jié)的信息化系統(tǒng)、自動化系統(tǒng)、模型系統(tǒng)、知識管理系統(tǒng)、專家系統(tǒng)等快速增加。這些系統(tǒng)功能作用不同、需要的數(shù)據(jù)類型不同，與生產(chǎn)經(jīng)營管理的緊密程度不同，數(shù)據(jù)處理的頻率和時效性要求也不同。因此為了讓這些系統(tǒng)能更快的發(fā)揮作用，我們必須對這些系統(tǒng)進(jìn)行分類和分層管理，讓他們處在IT基礎(chǔ)架構(gòu)中合適的位置上才能讓他們安全高效的發(fā)揮它們應(yīng)有的作用。
2三象限IT基礎(chǔ)架構(gòu)
搭建IT基礎(chǔ)架構(gòu)首要考慮的因素就是安全、高效和穩(wěn)定，結(jié)合多年企業(yè)信息化建設(shè)的經(jīng)驗以及對各種信息化系統(tǒng)功能的分析和各類型數(shù)據(jù)特點的分析，這里提出一個支撐智能制造系統(tǒng)的三象限IT基礎(chǔ)架構(gòu)方案。
圖2智能制造系統(tǒng)三象限IT基礎(chǔ)架構(gòu)圖
系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖2所示。
第一象限為生產(chǎn)支撐平臺，主要包括工業(yè)控制系統(tǒng)和與生產(chǎn)密切相關(guān)的生產(chǎn)管理系統(tǒng)。如：產(chǎn)線機(jī)械設(shè)備、一級、二級控制系統(tǒng)、MES、APS、物流管理、LMIS、產(chǎn)銷管理，物資計量、能源管理、設(shè)備管理等系統(tǒng)，這些系統(tǒng)是生產(chǎn)關(guān)系最密切的系統(tǒng)，系統(tǒng)響應(yīng)速度要求最高，一般是秒級甚至是毫秒級的。這些系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營原生數(shù)據(jù)，最真實之間的反應(yīng)企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營情況是進(jìn)行深度挖掘和分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，不宜再在這個層面做過多的數(shù)據(jù)分析和運算，應(yīng)最大限度的保障系統(tǒng)的運行效率和數(shù)據(jù)的安全性。
第二象限為生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)分析平臺，主要包括工廠數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、模型分析研發(fā)系統(tǒng)、工廠可視化系統(tǒng)、設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)、能源環(huán)保監(jiān)測系統(tǒng)、工藝質(zhì)量分析系統(tǒng)等。這個平臺主要分析和處理的是企業(yè)產(chǎn)線在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，在采集、分析和處理這些數(shù)據(jù)的同時必須盡量減輕產(chǎn)線系統(tǒng)的負(fù)荷，保護(hù)產(chǎn)線各系統(tǒng)安全。
第三象限為管理業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分析平臺，主要包括生產(chǎn)管理系統(tǒng)的數(shù)字孿生系統(tǒng)、企業(yè)大數(shù)據(jù)分析平臺以及各類大數(shù)據(jù)挖掘，成本分析、利潤分析、供應(yīng)鏈分析、客戶數(shù)據(jù)對接服務(wù)、模擬排產(chǎn)等智能分析系統(tǒng)和展示系統(tǒng)等。這個平臺的數(shù)據(jù)來源于生產(chǎn)支撐平臺和生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)分析平臺，它的主要作用是對產(chǎn)線產(chǎn)生的原生數(shù)據(jù)從不同緯度，采用多種方法進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和分析，從中發(fā)掘出對生產(chǎn)經(jīng)營有價值的規(guī)律和決策依據(jù)，進(jìn)而幫助企業(yè)優(yōu)化管理流程、生產(chǎn)組織和生產(chǎn)工藝。
3各象限作用和劃分原則
（1）與企業(yè)采購、生產(chǎn)、質(zhì)量、計量、物流、倉儲、設(shè)備、能源環(huán)保等關(guān)鍵生產(chǎn)要素的密切程度。凡是直接參與這些生產(chǎn)要素運行和管理的系統(tǒng)均應(yīng)納入到生產(chǎn)支撐平臺。這個平臺主要包括：一、二級控制系統(tǒng)、MES、APS、物流管理、LMIS、產(chǎn)銷管理，物資計量、能源環(huán)保管理、設(shè)備管理等系統(tǒng)。他們與生產(chǎn)關(guān)系密切，對時效性和安全、穩(wěn)定性有較高的要求。
（2）因數(shù)據(jù)類型和產(chǎn)生方式不同而劃分。凡是在生產(chǎn)過程中，由機(jī)器設(shè)備運轉(zhuǎn)過程產(chǎn)生的各類運行數(shù)據(jù)、控制系統(tǒng)產(chǎn)生的各類控制數(shù)據(jù)、各類儀器儀表產(chǎn)生的過程讀數(shù)等以時間軸為主線進(jìn)行保存的過程數(shù)據(jù)，以及對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲、分析和處理的系統(tǒng)歸納為生產(chǎn)過程分析平臺。這個平臺主要包括：自動化模型分析研發(fā)、設(shè)備在線監(jiān)測、能源環(huán)保實時監(jiān)測、專家系統(tǒng)、工藝質(zhì)量分析等系統(tǒng)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，并根據(jù)分析的結(jié)果對自動化模型進(jìn)行優(yōu)化，對設(shè)備進(jìn)行精度維護(hù)和預(yù)防性維修，對能源生產(chǎn)和供給進(jìn)行優(yōu)化，對環(huán)保指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測，對生產(chǎn)工藝進(jìn)行優(yōu)化等。
（3）按照系統(tǒng)的主要功能作用對系統(tǒng)劃分。凡是對生產(chǎn)支撐平臺和生產(chǎn)過程分析平臺產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析和挖掘的系統(tǒng)歸納為管理業(yè)務(wù)分析平臺。管理業(yè)務(wù)分析平臺的主要作用是從生產(chǎn)管理系統(tǒng)的數(shù)字孿生系統(tǒng)中抽取各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，從工廠數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中抽取生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，組成企業(yè)大數(shù)據(jù)平臺，為成本分析、利潤分析、能源消化分析、供應(yīng)鏈分析、模擬排產(chǎn)、客戶數(shù)據(jù)對接服務(wù)等系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)源。分析的結(jié)果可以在線或離線的傳輸給生產(chǎn)支撐平臺的生產(chǎn)管理系統(tǒng)，對生產(chǎn)計劃進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，以求實現(xiàn)最優(yōu)化生產(chǎn)和利潤最大化。
4方案的價值
（1）通過工廠數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)對工業(yè)控制系統(tǒng)的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)進(jìn)行集中采集和存儲，避免由于采集系統(tǒng)過多對現(xiàn)場控制系統(tǒng)造成過多影響和壓力，同時實現(xiàn)了生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的集中存儲、管理和使用，規(guī)范了生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的流向，避免了數(shù)據(jù)回流給現(xiàn)場控制系統(tǒng)造成的不安全因素。
（2）通過生產(chǎn)管理系統(tǒng)的數(shù)字孿生系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)抽取，建立企業(yè)大數(shù)據(jù)平臺，避免了從生產(chǎn)管理系統(tǒng)直接抽取數(shù)據(jù)，對生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行造成不良影響。有效的保障了生產(chǎn)業(yè)務(wù)的高效穩(wěn)定運行。
（3）為生產(chǎn)管理系統(tǒng)建立數(shù)字孿生系統(tǒng)可以有效的保障生產(chǎn)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全和網(wǎng)絡(luò)安全。避免了生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)遭到其他系統(tǒng)和外部的危險和網(wǎng)絡(luò)攻擊。
（4）工廠數(shù)據(jù)庫采用單向數(shù)據(jù)采集技術(shù)，可以有效地避免工業(yè)控制系統(tǒng)遭到外部的安全威脅和攻擊，保護(hù)了工業(yè)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全和網(wǎng)絡(luò)安全。
5結(jié)語
綜上所述，三象限IT基礎(chǔ)架構(gòu)各象限的數(shù)據(jù)類型清晰，功能明確，同時彼此可以進(jìn)行安全有效的數(shù)據(jù)交換，可以為智能制造系統(tǒng)的運行提供可靠的IT基礎(chǔ)支撐，同時也有效的實現(xiàn)了系統(tǒng)高效、穩(wěn)定運行，數(shù)據(jù)安全、數(shù)據(jù)災(zāi)備，數(shù)據(jù)集中管理和利用，最大限度的發(fā)揮大數(shù)據(jù)平臺的作用。對制造企業(yè)的智能制造系統(tǒng)IT基礎(chǔ)建設(shè)工作具有一定的參考價值。
