余建國(guó),肖芳海

（江西理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，贛州 341000)

0 引言

德國(guó)《工業(yè)4.0戰(zhàn)略計(jì)劃實(shí)施》報(bào)告發(fā)表之后,在全球范圍內(nèi)相關(guān)企業(yè)開始將制造業(yè)的核心轉(zhuǎn)向智能制造的大時(shí)代背景下,被稱為世界“制造中心”的中國(guó)也開始了一場(chǎng)規(guī)?？涨暗墓I(yè)革命——“中國(guó)制造2025”[1]。其以工業(yè)化與信息化深度融合為主線,以創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展為主題,以推進(jìn)智能制造為主攻方向,是制造業(yè)建立競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的0關(guān)鍵路線[2]。隨著工業(yè)4.0技術(shù)被引入制造業(yè)領(lǐng)域,促進(jìn)了以機(jī)器和人類之間相關(guān)科學(xué)技術(shù)互動(dòng)為特征的智能工廠的發(fā)展[3]。

智能制造是與時(shí)俱進(jìn)的概念,其內(nèi)涵伴隨著制造技術(shù)與信息技術(shù)的融合和發(fā)展而不斷演進(jìn)。制造系統(tǒng)最初由人和物理組成,也稱為人-物理系統(tǒng),由人來完成既定任務(wù)所經(jīng)歷的認(rèn)知、分析決策和控制操作,人是物理系統(tǒng)的創(chuàng)造者,也是物理系統(tǒng)的操作者[4]。由于計(jì)算機(jī)、通信和數(shù)字控制等信息技術(shù)的不斷發(fā)展,數(shù)字化制造被引入制造系統(tǒng)中,很大程度上推動(dòng)了第三次工業(yè)革命,數(shù)字化制造最核心的變化是在物理系統(tǒng)和人之間增加了一個(gè)信息系統(tǒng)——C,通過對(duì)產(chǎn)品應(yīng)用,“智能制造+”與“互聯(lián)網(wǎng)+”不斷推進(jìn)信息、工藝信息和資源信息進(jìn)行分析、決策和數(shù)字化集成,進(jìn)而制造出符合用戶需求的產(chǎn)品[5]?；跀?shù)字化制造基礎(chǔ)上,由于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展以及廣泛著制造業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)相融合,促進(jìn)了制造業(yè)從數(shù)字化制造向數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)制造的范式轉(zhuǎn)變,在國(guó)外也被稱為“smart manufacturing”[6]。智能制造是一種人類專家和智能機(jī)器共同組成的人機(jī)一體化系統(tǒng),拓寬了制造自動(dòng)化的概念,使其擴(kuò)展到智能化、柔性化和高度集成化范疇,傳統(tǒng)制造與智能制造的異同點(diǎn)主要體現(xiàn)在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、加工及管理等幾個(gè)方面,具體如1所示。

此次電機(jī)企業(yè)CPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)采用了myeclipse實(shí)現(xiàn)程序的可拓展性,Access2016作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)管理工具,Tomcat服務(wù)器等J2EE平臺(tái)下的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)工具[7],為構(gòu)建功能齊全、獨(dú)立完整的CPS系統(tǒng)提供了可能。

1 電機(jī)企業(yè)CPS系統(tǒng)概述

智能環(huán)境下的CPS系統(tǒng)深度融合了計(jì)算進(jìn)程與物理進(jìn)程,是一種綜合網(wǎng)絡(luò)、物理環(huán)境和信息計(jì)算的異構(gòu)系統(tǒng),是集計(jì)算、通信和控制于一體的下一代智能系統(tǒng)[8],涵蓋生產(chǎn)制造、市場(chǎng)銷售、外部物流及延伸服務(wù),并使其可獨(dú)立地進(jìn)行進(jìn)程控制、觸發(fā)行動(dòng)、信息交換等。CPC、云制造等工業(yè)4.0主要支持技術(shù)可動(dòng)態(tài)共享分布式資源,這種面向服務(wù)的按需提供范式可提高制造業(yè)的網(wǎng)絡(luò)資源共享效率[9]。設(shè)計(jì)與開發(fā)CPS,并不是絕對(duì)摒棄原有信息系統(tǒng),工業(yè)4.0參考架構(gòu)方案還最大限度地兼容了ERP、MES和PDM等現(xiàn)有的工業(yè)3.0系統(tǒng)[10]。

基于通信技術(shù)構(gòu)建理想的CPS系統(tǒng),可將生產(chǎn)設(shè)備的電子化信息、機(jī)器的智能生產(chǎn)、倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)及企業(yè)現(xiàn)有資源融合到網(wǎng)絡(luò)中,從而將人、資源、物體及信息緊密地聯(lián)系在一起,可實(shí)現(xiàn)制造企業(yè)價(jià)值鏈,橫向及縱向等多維度的集成優(yōu)化。CPS通過實(shí)現(xiàn)計(jì)算、通信與物理系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì),可保障系統(tǒng)數(shù)據(jù)可靠、實(shí)時(shí)協(xié)同,以此達(dá)到資源優(yōu)化、管理水平和生產(chǎn)效率提高的效果。

表1 傳統(tǒng)制造與智能制造的異同點(diǎn)

一方面,我國(guó)的電機(jī)行業(yè)已經(jīng)形成了一套完整的產(chǎn)業(yè)鏈,產(chǎn)品的規(guī)格、品種、產(chǎn)量和性能基本滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需要,且行業(yè)增長(zhǎng)趨勢(shì)正持續(xù)上升。另一方面,隨著客戶對(duì)電機(jī)需求差異化的加大,電機(jī)制造越來越趨向于個(gè)性化的小批量定制,制造周期越來越短,制造成本也越來越低[11]。由于CPS系統(tǒng)深度融合了計(jì)算、控制和通信技術(shù),可滿足生產(chǎn)開放化和柔性化的要求[12]。

2 系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

一般情況下,系統(tǒng)模型支持自我適應(yīng)與修改,且需要模塊化[13],電機(jī)企業(yè)CPS系統(tǒng)模塊化功能設(shè)計(jì)如下：

1）訪問系統(tǒng)：用戶可在系統(tǒng)的訪問界面進(jìn)行注冊(cè)與登錄,進(jìn)而進(jìn)入電機(jī)企業(yè)CPS系統(tǒng)主界面,用戶可根據(jù)需要選擇相應(yīng)功能模塊使用。

2）系統(tǒng)管理：此功能模塊的下級(jí)菜單主要有權(quán)限管理、用戶管理、菜單管理和組織機(jī)構(gòu)管理,方便系統(tǒng)超級(jí)管理員合理分配各用戶權(quán)限,布置系統(tǒng)相應(yīng)菜單及明確各組織機(jī)構(gòu)互相關(guān)系。

3）人力資源管理：此功能模塊包括檔案管理、招聘管理、績(jī)效管理、薪資核算、福利管理二級(jí)菜單,可構(gòu)建一種提高機(jī)會(huì)、提升能力、增強(qiáng)激勵(lì)和具有有效相應(yīng)機(jī)制的人力資源管理制度[14]。

4）物料管理：此功能模塊由物料采購(gòu)、物料報(bào)需、常用物料管理、耗用物料管理、訂單物料管理及物料跟蹤二級(jí)菜單組成,可展示智能物料管理系統(tǒng)可靠性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)合理和操作方便等優(yōu)點(diǎn)[15]。

5）生產(chǎn)管理：此功能模塊包括生產(chǎn)計(jì)劃管理、生產(chǎn)指令單、備料指令單及生產(chǎn)進(jìn)度跟蹤四個(gè)二級(jí)菜單,在易于升級(jí)維護(hù)的情況下,可較好地滿足電機(jī)企業(yè)生產(chǎn)管理的要求,并為生產(chǎn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性提供保障。

6）營(yíng)銷業(yè)務(wù)管理：此功能模塊由客戶信息管理、銷售計(jì)劃管理、拜訪計(jì)劃管理、合同管理及統(tǒng)計(jì)報(bào)表管理組成,可達(dá)到高效利用線索,多維度分析客情和靈活匹配公司業(yè)務(wù)的效果,并提升銷售管理的實(shí)效性。

7）質(zhì)量管理：此功能模塊包括工藝管理、產(chǎn)品自檢管理、產(chǎn)品互檢管理、審批管理及成品入倉(cāng)管理,可綜合反映企業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)水平,提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)亦可降低企業(yè)的外部故障損失成本,并增強(qiáng)企業(yè)在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力。

8）物流管理：此功能模塊由條碼管理、庫(kù)存管理、入庫(kù)管理、出庫(kù)管理、車輛管理組成,可提高成品入庫(kù)效率及倉(cāng)庫(kù)利用率,降低企業(yè)轉(zhuǎn)運(yùn)成本,優(yōu)化企業(yè)資源配置。

9）企業(yè)資產(chǎn)管理：此功能模塊包括資產(chǎn)基礎(chǔ)管理、資產(chǎn)盤點(diǎn)、資產(chǎn)變動(dòng)、資產(chǎn)租賃和專項(xiàng)管理,較全面地展示了EAM設(shè)備臺(tái)賬數(shù)據(jù)[16],保障了企業(yè)資產(chǎn)的完整及夯實(shí)了電機(jī)企業(yè)正常生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)。

3 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

本文的電機(jī)企業(yè)CPS系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)管理、人力資源管理、企業(yè)資產(chǎn)管理、生產(chǎn)管理、營(yíng)銷業(yè)務(wù)管理、質(zhì)量管理、物料管理和物流管理,基于此建立系統(tǒng)物理數(shù)據(jù)模型。本系統(tǒng)開發(fā)運(yùn)用了PowerDesigner建模軟件,它可以為各項(xiàng)數(shù)據(jù)模塊提供多樣的開發(fā)環(huán)境,各模塊之間既相互獨(dú)立,也可建立相應(yīng)聯(lián)系,部分模塊如圖1所示。

圖1 物理數(shù)據(jù)模型

4 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

為建立一個(gè)數(shù)據(jù)豐富的網(wǎng)絡(luò)化環(huán)境,需要一種基本的系統(tǒng)框架將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為具有切實(shí)指向的操作[17]。體系架構(gòu)設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)開發(fā)系統(tǒng)的基礎(chǔ)工作,可精準(zhǔn)定義系統(tǒng)的組成部分及其相互關(guān)系,以保障開發(fā)完成的系統(tǒng)切合設(shè)計(jì)和實(shí)際需求[18]。為快捷、靈活、方便的展示設(shè)計(jì)視圖以及滿足產(chǎn)品全生命周期對(duì)數(shù)據(jù)協(xié)同的要求,電機(jī)企業(yè)CPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為產(chǎn)品層、制造執(zhí)行層、制造物聯(lián)層和資源層,如圖2所示。產(chǎn)品是一種非限定性術(shù)語(yǔ),主要組成部分有零件、部件、單元體、機(jī)組及系統(tǒng)等,此CPS系統(tǒng)產(chǎn)品層由產(chǎn)品標(biāo)志、產(chǎn)品信息化、產(chǎn)品智能及下線標(biāo)志組成。制造執(zhí)行層管理本質(zhì)上是在完全離散和純粹流水兩種極端模式下協(xié)調(diào)管理產(chǎn)品的中間狀態(tài),可從電子看板與RFID、MES、數(shù)字化工藝及圖紙方面建立制造執(zhí)行層。制造物聯(lián)層是CPS系統(tǒng)的核心部分,是對(duì)象域名解析服務(wù)器和傳感網(wǎng)絡(luò),ONS Server可保障產(chǎn)品信息和現(xiàn)場(chǎng)制造資源信息的大數(shù)據(jù)管理與協(xié)同應(yīng)用。管理信息系統(tǒng)與管理數(shù)據(jù)系統(tǒng)共同組成電機(jī)企業(yè)CPS系統(tǒng)資源層,在數(shù)據(jù)協(xié)同應(yīng)用時(shí),可保證信息數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、一致性和實(shí)用性[19]。高效率的系統(tǒng)架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)對(duì)制造過程的優(yōu)化配置,使整個(gè)供應(yīng)鏈和制造鏈更加靈活地運(yùn)行,為小批量定制和敏捷制造提供了技術(shù)支撐。構(gòu)建智能制造理論體系架構(gòu),體現(xiàn)了從理論到實(shí)踐,從技術(shù)到實(shí)現(xiàn)和從任務(wù)到目標(biāo)系統(tǒng)化、層次化的特點(diǎn)[20]。

圖2 系統(tǒng)框架圖

5 系統(tǒng)開發(fā)結(jié)果

此次CPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)運(yùn)用的主要技術(shù)手段是Java服務(wù)器頁(yè)面,層疊樣式表CSS,超文本標(biāo)記語(yǔ)言HTML以及結(jié)構(gòu)化查詢語(yǔ)言SQL。電機(jī)企業(yè)CPS系統(tǒng)的主界面和常用功能如圖3所示。新一代智能制造代表了現(xiàn)代化制造技術(shù)的集成,貫穿于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、計(jì)劃、生產(chǎn)、物流、服務(wù)客戶全過程的每個(gè)環(huán)節(jié)。信息物理系統(tǒng)展示了新一代智能制造的技術(shù)機(jī)制,可有效地指導(dǎo)相關(guān)工程實(shí)踐。企業(yè)所現(xiàn)有的資源信息是有限的,信息物理系統(tǒng)的有效應(yīng)用給企業(yè)帶來的影響是深層次、全方位的。

圖3 系統(tǒng)開發(fā)結(jié)果

6 結(jié)語(yǔ)

電機(jī)是動(dòng)力的主要來源,一個(gè)品質(zhì)卓越的電機(jī)就是機(jī)械設(shè)備“強(qiáng)勁有力的心臟”,以華南某電機(jī)專業(yè)制造企業(yè)開發(fā)、生產(chǎn)和銷售電機(jī)產(chǎn)品為例,闡述電機(jī)CPS系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用前景。該企業(yè)的主要產(chǎn)品有多速三相異步電機(jī)、變頻調(diào)速三相異步電機(jī)以及擺線針輪減速三相異步電機(jī),三相異步電機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子兩個(gè)基本部分組成,具有運(yùn)行可靠、堅(jiān)固耐用和維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)。分析該企業(yè)在應(yīng)用電機(jī)企業(yè)CPS系統(tǒng),可取得較好的經(jīng)濟(jì)和管理效果。第一,企業(yè)員工與部門信息及相互關(guān)系更加明確,其相應(yīng)職能更加清晰,為企業(yè)正常高效地運(yùn)行提供強(qiáng)有力的保障；第二,通過整合關(guān)鍵數(shù)據(jù),可提升人事管理效率,為企業(yè)人才戰(zhàn)略提供軟件支持,助力業(yè)務(wù)部門高效運(yùn)行,提升業(yè)務(wù)洞察；第三,根據(jù)客戶需求、生產(chǎn)訂單實(shí)時(shí)排程,可快速分解生產(chǎn)計(jì)劃,解決企業(yè)生產(chǎn)排程、訂單交付難題,減少生產(chǎn)沖突,提高調(diào)度效率；第四,利于企業(yè)調(diào)整生產(chǎn)作業(yè)、檢驗(yàn)流程,規(guī)范現(xiàn)場(chǎng)管理,轉(zhuǎn)變采購(gòu)觀念,推行準(zhǔn)時(shí)采購(gòu)制,推進(jìn)全面質(zhì)量管理,構(gòu)建之有效的質(zhì)量管理體系,切實(shí)降低企業(yè)經(jīng)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)。

信息技術(shù)的飛速發(fā)展,尤其是與制造技術(shù)融合程度的不斷加深,給制造業(yè)帶來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn),結(jié)合面向服務(wù)于企業(yè)信息化的思想和智能制造的概念,本文提出了基于J2EE的電機(jī)企業(yè)CPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)。闡述現(xiàn)代制造與信息物理系統(tǒng)結(jié)合的可行性,設(shè)計(jì)了相關(guān)功能和物理數(shù)據(jù)模型,建立了切實(shí)可行的技術(shù)架構(gòu),從而降低了電機(jī)制造的生產(chǎn)成本,提高了企業(yè)的運(yùn)營(yíng)和管理水平。另外,電機(jī)制造CPS系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計(jì)也為以智能制造為轉(zhuǎn)型方向升級(jí)的企業(yè)提供了一定的借鑒和參考。