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2015年3月19日-20日,由e-works主办、中国机电一体化技术应用协会支持的“2015(第四届)中国信息化与工业化融合发展高峰论坛”在北京成功召开。本次论坛上,本文根据演讲内容e-works整理而成。

什么是工业4.0?

  工业4.0可能是在近段时间最热炒的一个词了,有很多专家在解读工业4.0的战略意图。我认为大多数专家占的层面更高一些,更多的是从国家战略,产业政策等方面来阐述工业4.0对我们国家未来制造业的影响及规划,是属于阳春白雪东西,我今天跟大家分享的工业4.0方面的解读占不到专家的高度,主要是针对企业来讲,工业4.0在企业怎么落地,企业怎么干的问题,给大家来点下里巴人的东西

  关于工业4.0的背景,以及这方面的解读,我在此不做赘述。从我自己的理解,个人觉得工信部安筱鹏司长的解释比较全面,即工业4.0实际上是我们需要实现的远大战略目标——智慧工厂和智能生产。为了实现这个目标,有几个实现的途径去走:1、建立CPS网络(信息物理融合系统),2、三项集成(纵向集成,横向集成,端到端的集成),3、大数据分析, 4、八项计划。其中八项计划更多的是从国家战略的层面,从国家的标准、规范、产业政策等方面来推动工业4.0战略目标的推进,这部分是国家层面和产业层面要去考虑的事情,与我们一般企业实现智慧工厂、智能生产的需求是一个指导性的纲领,对于企业来说,要实现工业4.0的目标,我们究竟需要做些什么?所以我下面和大家分享一下,工业4.0,我们企业可以实实在在做的东西是什么?,包括:CPS网络系统、三项集成以及大数据分析,我们如何来进行工业4.0的建设。

1、CPS信息物理融合系统

图2 建立信息物理融合系统(CPS)

  上图是在工业4.0当中大家都在描述的,大家都讲的,比较经典的CPS信息物理融合系统的概念模型,从这个模型中我们可以看出,在这个地方有一个很重要的概念。我发现很多人没有讲,我在这个地方讲,在这个模型当中很关键的一点就是“服务”的概念。所有的端头都是通过“服务”来连接的,服务抽象了系统,屏蔽了异构系统、异构设备之间的差异,从这个意义上说,有人提出了“务联网”的概念,也即CPS就是一个“务联网”,从这个概念模型图中我们可以看出来,整个CPS网络有三层,最下面一层是工业自动化,中间一层是管理信息化,最上面一层是互联网。这三层中,每一层的协议和标准都是不一样的,我们需要思考如何把这些信息系统、端头融合起来,抽象成一种标准的服务,形成一个服务库。最后我们的网络需要实现服务与服务之间连接,才能够形成核心的CPS信息物理系统。

2、三个集成(纵向集成、横向集成和端到端集成)

纵向集成就是解决企业内部信息孤岛的集成,工业 4.0 所要追求的就是在企业内部实现所有环节信息无缝链接,这是所有智能化的基础;

横向集成是企业之间通过价值链以及信息网络所实现的一种资源整合,是为了实现各企业间的无缝合作,提供实时产品与服务;

而端到端的集成,是围绕产品全生命周期的价值链创造,通过价值链上不同企业资源的整合,实现从产品设计、生产制造、物流配送、使用维护的产品全生命周期的管理和服务。

3、大数据分析

当所有跟整个产品生命周期相关的的元素全部集成起来以后,自然而然地会产生大量的数据,我们要对这些数据加以利用,就有了大数据分析的问题。工业 4.0”时代,制造企业的数据将会呈现爆炸式增长态势。随着信息物理系统(CPS)的推广、智能装备和终端的普及以及各种各样传感器的使用,将会带来无所不在的感知和无所不在的连接,所有的生产装备、感知设备、联网终端,包括生产者本身都在源源不断地产生数据,这些数据将会渗透到企业运营、价值链乃至产品的整个生命周期,是工业 4.0 和制造革命的基石。对于工业企业来说,原有的ERP、PDM中的数据严格上来说算不上大数据,生产车间的工业自动化,以及产品在使用过程当中产生的数据才是真正的大数据,而且对企业生产发展更有价值。

工业4.0与SOA

  通过三项集成和CPS网络信息的建设、大数据分析等步骤最终实现我们的智慧工厂和智能生产,这是基本的目标和实现的路径。对于企业来说,我们究竟怎么落地?,这个目标究竟能不能实现呢?这里我提出一个老词和新词的结合,工业4.0与SOA,可能大家认为我在这个地方讲得有点牵强,有点忽悠,请大家听完我后面的讲解之后,不但会认为是有联系,而且会认为SOA是实现工业4.0目标的最佳技术手段。

我们前面讲CPS信息物理融合系统,我们看到了服务,我们在场景当中看到了传感器的服务、控制的服务、信息访问的服务、通信的服务、设备的服务,整个 CPS 网络系统就是一个服务连接的网络,即“务联网”的概念。“服务”即是SOA的核心,SOA就是一种面向服务的IT架构方式,它的核心点就是组件化、标准化、碎片化、服务化,以组件以及组件之间的组合提供细粒度及粗粒度的服务,从而灵活的满足各种应用需求,又不失原有的整体性。在CPS网络的三个层面上,层级之间的语言、协议都是不一样的。我们需要让他们连接起来,做到相互感知、相互协作。于是我们要有一个中间系统,这个系统相当于同声翻译平台,它能够识别各种不同的元素,不同的系统,不同的设备,不同的传感器,能够将他们的通信协议、数据格式进行转换。相应的,它对不同的系统通过一种适配器的方式进行连接,这种方式实际上就是原来SOA当中讲的企业服务总线,在这个总线上运行的是各种各样的服务,通过服务相互之间的连接,使他们能够实现相互感知和相互协作。S0A架构是一个已经非常成熟的架构方法,实际应用已经很多年了,以前只是从纯粹的技术层面来推广,没有站在产业战略的高度来看这个问题,应该说SOA是实现工业4.0目标的最佳技术手段。

工业4.0的实现途径

接下来,我们需要思考具体的工业4.0实现途径,企业究竟该怎么做,可以从哪些方面做。图3是制造业的业务场景复杂模型,从图中我们可以看到在整个制造业场景中,是一个空间的关系模型。从横向纬度来看是产品的生命周期,从产品的需求定义到研发设计、工艺、生产、销售、运行到最后的回收这样一个产品全生命周期,在这个纬度上,需要实现产品全生命周期的协作、协同。纵向维度是整个产品生命周期过程中涉及到的不同学科,比如说有机械、电子、软件、服务等学科。由于有不同的学科,就有不同的描述及定义,以及不同的关注点,我们就会使用不同的系统工具,比如对机械这部分,可能我们用的是M-CAD,对电子部分我们用的是E-CAD等等,从这个纬度上来讲涉及到多学科之间的协作。另外一个纬度是在整个产品生命周期过程中涉及到的产业链、包括第一层的主机厂、第二层供应商、第三层供应商。供应价值链上所有的环节、元素、产品质量和节奏、产品所有的信息都会影响到整个产品的生命周期。所以说在这样一个复杂环境当中,CPS信息物理系统模型应该是一个立体的模型,要表达这样一个立体的模型,我们只能通过梳理模型的三个纬度的关系来建立模型的基础,我认为这就是建立CPS核心模型的关键点。

如果说图3需要立体思维来理解的话,图4就更直观的表达了制造业目前面临的复杂环境,如图可以看出,我们做一个产品设计的时候,会涉及到不同的学科,不同的专业,有不同的工程师,他们采用不同的工具,不同的应用系统,最后的成果表现形式不同。由于我们原来建的系统都是针对某一个专业领域去建的,所以企业形成了信息孤岛或者说软件柏林墙,企业的信息和业务相互之间被人为地隔开了。而制造业面临的场景是非常复杂的。单一的专业解决不了制造业各个环节所面临的所有问题。根据前面的分析,我们可以考虑根据概念模型引申到物理模型。只有构建起一个物理模型,CPS系统的构建才能落地。

在工业4.0还没有提出实际的CPS物理架构模型的时候,我们参考一下SOA架构下的ESB企业服务总线架构模型,看看能不能满足CPS的要求。

图5 CPS模型之一:网络物理模型

参考图5所示的制造业实际场景中的 ESB 企业服务总线架构图,我认为,这就是一个 CPS网络系统的模型,一个可以落地的参考架构, ESB 企业服务总线是 SOA 架构的核心,完全满足 CPS 的要求,它通过各种适配器与异构系统和生产设备相连,进行协议转换,数据交换通过消息的机制实现,通过消息的异步传输达到数据交换的可靠性,可以实现数据的同步及异步交换,在汽车、电信、银行、铁路、航空、电力调度中广泛应用,是一个非常成熟的数据交换平台解决方案。

从这个模型当中我们可以看到,最底层就是工业互联网,这一层现在已经有了很多做得很成熟的企业。上面一层就是管理信息系统,包括ERP、CRM等,最外一层是近几年发展得比较快的互联网。这三个层面里,彼此的语言和协议是不一样的,需要想办法把他们连接起来。三层中间就是CPS的核心,我认为就是企业服务总线,它相当于企业的同声翻译平台。在这个总线上,采用不同的适配器面对不同的元素和不同的设备,把他们连接起来,实现连通一切的愿望,在这样一个场景当中,管理信息网+工业互联网+移动互联网,就是一个CPS网络的物理模型。

CPS从概念上来说,有人称之为系统的系统,它并不是管理系统内部具体的数据和信息,而是管理系统与系统之间的关系。实际上CPS具体也不管系统,而是管理系统之间的关系,通过这样一个系统模型,让机械模型、电子模型软件模型相互连接起来。除了这个系统模型之外,另外一个模型就是产品生命周期的关系集成模型,在整个产品生命周期过程当中,不同的阶段,不同的学科形成了信息孤岛。通过关系模型把各个系统打通,这样才能真正形成一个整体的信息与物理融合的网络,如图6所示,我们通过这种关系,能把嵌入式软件的代码、结构、传感器、仿真分析等等形成一个完整的整体。

图6 关系集成样例

在这样一个模型当中,能够建立具备系统优化的能力,在这个模型当中通过关系集成,能够在任意学科之间建立中介的联系。前面我们讲到CPS的模型,跟SOA的架构对比来看,实际上就是一个完完整整的SOA 架构,每一个层面的元素都能对应。所以说SOA的技术和方法,是帮助我们实现智慧工厂、智能生产有效的技术途径。

图7 CPS信息物理系统与SOA架构的映射

  现在我们来谈一下三项集成怎么实现。横向集成主要是解决跨企业的集成,纵向集成是内部信息孤岛集成的问题,端到端的集成主要是通过CPS的核心网络,将整个产品生命周期当中涉及到所有的元素全部联合集成整合起来,包括系统、生产车间的传感器,工业自动化网络等等。三项集成在具体实现的时候涉及到三个层面,第一层是门户集成,解决信息的统一访问和展现,实现现有系统的单点登录,实现信息的集聚、人员的集聚,任务的集聚,实现企业内部的在线协作,现在很多企业已经实现了,也有很多好的案例;第二个是解决系统与系统之间,企业与企业之间业务流程的集成问题,提供流程驱动;第三个层面是服务与数据的集成,解决异构系统之间的连通性问题及数据交换问题、生产设备实时数据的采集问题。

门户集成更多的是解决用户接入的端口,解决信息访问接入的问题,提供多种设备接入的协议,包括手机、IPAD、PC等终端设备,是信息集聚、人员集聚、流程集聚的协作平台。门户可以为工业4.0蓝图目标提供对内对外的协作平台。

  流程集成更多的是解决跨系统的集成,它不是代替企业现有业务系统内部的流程,而是实现跨系统、跨部门、跨企业的业务协作,目的是解决现有业务系统之间的片段流程断点问题,实现业务信息的及时传递,实现端到端的流程协作,把从产品设计到最后消费者全部连成整体的端头作为应用场景。比较典型的例子是跨企业端到端协同流程,这个图就是企业与企业之间变更流程协同交互的场景图。

图8 变更流程协通过交互场景

服务数据的集成,主要解决异构系统之间的连通性问题及数据交换问题、生产设备实时数据的采集问题,解决企业内部的书同文、车同轨的问题。由于在企业信息化不同元素中使用的语言、通信协议完全不一样,我们需要解决他们之间相互的翻译问题,这样才能真正做到相互的感知和协作,否则我们只能说有一根网线,并不能相互地感知。

下面我介绍几个我们做的案例跟大家分享,当然可能有人会说,工业4.0这个概念才出来,你这里就有案例了,太忽悠了。实际上是这样的,任何标准和理论的提出,一定是先有实践和需求,实践一定是先行的,虽然说以前没有工业4.0的概念,但是德国在六七年以前就已经开始在做类似的事情了,他们只是在近两年才提升到国家战略的高度,这个资料在网上是可以查到的,案例中的企业之前就是这么做的,只不过现在工业4.0的概念提出了之后,我们提到更高的高度来看。“需求永远是走在前面的,标准一定是在之后形成的”。

【案例1】国内某大型汽车企业 IT 系统经过 20 多年的建设,已经实施了ERP,PDM,CRM,HR,MES,WMS,OA 等等,加上各个基地的本地化系统,合计60-70 个信息化系统,这些单体系统的建设实现了部门信息的共享和协作,但是孤岛现象严重。随着业务的发展,异地协作、跨供应链的企业协作已经成为集团业务发展的一个瓶颈,因此实现工业 4.0 战略中的三项集成和信息物理网络是当前该汽车集团 IT 建设规划的一个重点,连接一切、集成一切是当前 IT 实现的一个战略目标。

现在该汽车企业基于ESB做了共享的连接,将生产 SAP、销售 SAP、 SRM、动力 MES、DMS、集团 QNS、整车 QNS应用系统等接入总线平台。统一的监控管理平台已经建设完成,可以全面监控管理系统之间的交互情况。从2013年开始,当时大家还没有工业4.0的概念。该汽车企业采用SOA的思路和方法做系统的集成,已经集成了二十几个系统,包括在国外的研究院以及和国外银行都进行了直接的集成,信息可以得到及时相互的感知和交互。

图9是该汽车企业现在基本集成的成果,从图中可以看出来,成果主要是在供应链和制造阶段的系统集成。研发设计阶段是下一步要做的,基础部分已经打好了,接下来会进一步做业务层面整体的集成。

这三项集成各个企业根据不同的情况,可以从不同的层面切入,可以从流程,从门户,从企业服务总线来入手进行集成。

图9 成果图

  【案例二】某能源公司做的CPS网络及大数据分析,集成并实时采集各个业务系统的生产过程数据,实时汇总分析,形成各项KPI指标及分析报表。该项目中实现了车联网与信息管理网络的集成整合,实现了大数据分析。在后台,公司的生产计划和ERP,跟铁路运输和所有系统都进行了集成的整合,然后实时做大数据的分析,给他们的管理决策,给他们的调度提供这样的决策分析。

图10

【案例三】典型的智能制造案例,某大型汽车零部件制造企业,典型的订单需求拉动,满足主机厂的JIT准时制生产,与多个主机厂配套,在主机厂给出的相对物料需求计划下,快速响应主机厂的物料需求变化。

该数据分析项目主要实现生产线的实时数据采集、分析、产品质量追溯,给管理层提供智能监控仪表板。该项目实现了企业内部ERP、HR、PDM、MES、MEQ等管理系统的集成、同时集成了生产控制系统(PLC)和主机厂物料拉动计划系统。

图11 汽车零部件企业系统集成架构

下图是已建成的车间管理驾驶舱,通过管理驾驶舱能够实时看到生产车间每一个工位的情况,延时的情况,以及整个可视化三维的场景。

图12效果图

最后来看看国内某大型合资汽车公司。典型的汽车生产主机厂,批量生产,以 ERP、PDM、CRM、MES、OA等系统作为主要的业务支撑系统,信息孤岛严重、片段流程,跨部门的协作效率低,数据不一致造成的损失很大。进行集成的第一阶段,2006年开始尝试以SOA架构为基础进行集成整合,首先解决企业内部系统的纵向整合,实现了门户层面的整合和数据层面的整合,解决了信息的统一访问和信息孤岛的问题;第二阶段, 2008年开始逐步实现跨系统、跨部门的流程整合,参照VDA4965标准实现了“工程变更协同流程”,通过工程变更协同流程的执行打通了PDM、ERP、SCM等系统的协同,实现了端到端的集成;第三阶段, 2010年,在前面工作成果的基础之上,实现了产品开发协同流程,打通了上游的设计和下游的供应链协同,实现了端到端的跨企业的集成。

让企业IT更简单!

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发表于: 2015-04-02 16:57 阅读(1977) 评论(0) 收藏 好文推荐

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