4.2 行业普及： 中国制造2025和工业互联网（2018）_风闻

  昨日俗务缠身，未能更新，今天四更。这一更比较重要，谈到了工业和制造业数字化的基础。很大程度上我国工业数字化的短板和瓶颈就在这个层面。数字采集工作相对来说流程制造好一些，离散制造差很多，但是工业大数据系统的搭建和数据价值的提取和利用还有待发展。

  2018年夏天，被约稿要给各省经信委的工作人员出本书，但出书好友们时间和工作付出都不够，便独自编稿，怎奈节奏太慢没跟上出版社流程，导致出书失利。后来畏惧正规出版社的流程和麻烦出版意愿剧减。鉴于工业互联网事业如火如荼，独乐乐不如众乐乐，不想稿件烂在电脑里面，决定在网上贴出来和大家分享。最近刚买到观察员的身份，没想好要写啥，先拿到观察者网上晒晒，以飨读者。2019年中美贸易战大热，但科技发展目测还没超出2018年的内容范围，还是可以给大家普及下此行业的基本知识。生活在这个时代，见证着这时代发生的巨大变化。希望此系列能给观察者网的好友们一定帮助和启发，有利于你们现在从事的事业和项目，更好的建设我国的制造业能力和国家能力。某在企业管理咨询和企业信息化圈里面浸淫多年，很乐意帮助有需要的读者，若有问询指教可以直接回复和私信。本稿本着天下文章一大抄，抄来抄去有提高的精神非百分百原创原撰。所以有见到相看似相识的段落，请勿为怪！还有本人很多图就是借来的。

第四讲 工业互联网的数字基础   之 

  第二节  工业现场的数字化

 建设上下贯通的数字化生产系统，制造业企业必须重视设备和生产线的信息化工作。在工业现场部署互联网，搭建设备数据采集系统，然后才能自下而上的建立起有效执行的数字化工厂体系。凭借这些数字才能提升设备利用率、生产率、产品质量，走向低能耗物耗的绿色制造业。从数字经济的角度来看，工业现场是数据品种最多，数据频度最密集的领域，是真正的大数据领域。现代高度数字化的，附带众多传感器的高性能数控加工系统在24小时里面，可以轻松积累6-10GB的原始数据。这里面有各种环境变量、原材料、加工物件、加工工艺、加工参数、作业时间、作业工人、作业能耗、设备设定、设备控制手段等丰富信息。对于真正要研究工业机理，在加工质量和效率上做突破，做可以普及和提升工业水平的工业APP，这些数据就是最好的工业大数据矿。

在工业现场也有很多软件参与其中，其中最重要的要数MES和DCS14系统分别用于离散制造业和流程制造业。

离散制造企业是那些广泛分布于第一、二产业门类，生产组织形态以离散生产为主的企业。离散制造的产品由多个零件经过一系列离散工序的加工，经最终装配而成。主要生产特征为：生产过程中基本上很少发生化学性变化，只是物料的形状和组合发生改变。最终产品与所需物料之间有确定的数量比例，如产品有多少个部件，一个部件有多少个零件，物料组合有精确数值。最终产品的生产过程被分解成很多加工任务来完成。产品由许多零部件组成，各零部件的加工装配过程是彼此独立的，所以整个产品的加工工艺是离散的。零件通过部件装配和总装配成为成品。这类企业生产的核心任务是要保证原料及时供应和零部件的加工质量，控制零部件的生产进度，保证产品零部件的同期成套性。加工生产此类产品的制造业企业统称为离散制造型企业。

生产管理和组织上，由于每项任务仅消耗企业的小部分能力和资源。离散制造型企业一般将功能类似的设备按照空间布局和行政条块建成一些生产组织（部门、工段或小组）。在每个部门，工件从一个工作中心流转到另外一个工作中心进行不同类型的工序加工。企业按照主要的工艺流程安排生产设备的位置，使物料的传输距离最小，其加工的工艺路线和设备的使用有一定灵活性，可重新部署达成高效生产。离散制造企业在产品设计、处理需求和定货数量方面变动较多。机械、电子、装备、汽车、家电、轻重武器、装甲车辆，船舶、飞机、火箭、电气设备、交通工具都属于离散制造型企业。

    流程制造型企业的特点是依赖管道做物料输送，生产过程连续、流程规范、工艺柔性小、产品品类单一、原料相对稳定。生产工艺过程是连续进行的不可中断，工艺过程的顺序是固定不变的，生产设施按照工艺流程布置，原料配料按照固定的工艺流程连续不断的经过一系列设备和装置被加工成最终成品。流程制造管理要点是保证连续供料和确保每个生产环节在工作期间必须正常运行。一旦出差错会带来巨大产品损失和设备损失，甚至涉及人身伤亡的重大安全事故。有机化工、煤化工，冶炼，炼油、水泥、造纸都是流程性制造业。流程型制造业企业以生产流程为基础规划部门职责、设置部门,决定人员的分工,在此基础上建立和完善企业的各项机能。流程型企业强调以企业各级、各类流程为基础,以核心流程为中心，动态梳理企业各种子流程及相对关系,围绕如何快速响应市场需求为目标优化、重组企业流程和调整组织架构。流程制造型企业是一种极富弹性的柔性化组织,能适应信息社会的高效率和快节奏。流程型企业群的运作是以供应链管理为基础。供应链管理可以跨企业间流程设计、优化或重组管理，通过供应链上企业群间有效互动，为终端客户提供增值产品和服务。

    流程制造和离散制造两者之间有混合行业，一般是流程制造型企业中，产品包装成本占有较大比例的一类企业。这类企业前期是流程制造的，后期包装则是离散的，比如肥皂，涂料等。如果没有前期“原料”生产，是通过购买“原料”来进行包装的，就是完全的离散行业。按通常行业划分属于混合行业的典型行业很多在消费品行业，有制药、化妆品、食品、饮料酒类等。这类企业的前期生产与流程制造行业完全相同，后期生产与离散制造行业基本相同，但是混合行业后期生产基本没有半制品和在制品，都是包装，生产线自动化程度较高的都能做到当天投料、当天完成。

一、设备数据采集系统

生产线和加工设备有多少时间在生产？多少时间在停转和空转？影响设备生产潜能的最主要原因是什么？设备故障？调度失误？材料供应不及时？工人技能不足？工艺流程不合理？以上这些产线设备级别的问题都需要快速解决。但是恰恰在这个层面上，制造业企业的信息化程度很低。

设备数据采集系统主要面向于设备数据等进行实时监控，并存储在数据库中。这些数据可以通过图表、报表的形式进行展现，确保生产工艺流程所需信息的透明度，做到可知、可分析。生产数据采集系统是实现工厂智能化改造的第一步，也是现场生产执行层与管理层之间的信息纽带，能够实现异常数据实时反馈、可视化管理推送、远程监控、过程管控实时集成，实现工厂的数字化管控。

实施的步骤如下：

A.   现场网络条件准备

现场需要看工厂车间的实际情况搭建各类网络传输设施：PC服务器、集线器、交换机、网桥、路由器、网关、网络接口卡、调制解调器、光纤收发器、光缆，外网宽带等。项目组要运用有线、无线网络技术或者混合部署有线接口、无线热点等，现场布置高性能网络。网络把现场采集到的各项数据传输到工厂生产数据采集系统的数据库。数据经过计算后可以用光纤宽带传到云端的工业互联网平台，也可以现场分析使用。支持采用PC端、平板、手机APP端、各种浏览器客户端、车间电子看板、集控中心进行各种展现和显示。

B.   机器设备的数据采集

现场要准备各种设备数据采集接口、找到数控机床、机器人设备的数据接口模块，做连接检测。然后是人机交互设备的硬件安装与调试工作，可以使用包括PDA、智能手表、智能终端等。工业上的接口和协议很繁杂，做到设备接口与网络等基础设施配套非常重要。

网络与设备的通讯的实现有很多手段，最好能够与设备直接通讯。实在连不通的设备，可以通过在变频器等设备上并线或外接传感器、智能设备终端的方式去读取。生产线的每台生产设备（包括PLC，数控机床等）都要部署相应的设备终端。最后通过已搭建的网络对所有以得到的数据进行统一联网测试。

具体执行过程中，先接通标准数控系统、二次开发开数控系统、PLC及工控计算机。然后才是加装外置传感器，数据采集过程中常用的传感器类型有：光纤传感器、模拟传感器、金属感应器、红外感应器、气敏传感器、磁感应器、震动感应器等。加装传感器可以采集温度、湿度、压力、技术、液控、位移等等数据，并将数据通过现场网络，或者无线网关，4G数据传送终端，传送到本地服务器或者远端云服务器。

对于数控机床可以采用MDC系统进行数据采集。各种数控机床包含多种多国多品牌数控系统，一种是标准数控系统，还有一种是二次开发的数控系统。对这两类数控系统进行数据的采集，涉及国内外各种品牌，比如欧美的西门子、海德汉等；日本的三菱、兄弟、马扎克等；国产的华中、广数等；台湾的新代、宝元、中达等。MDC24系统对数控机床数据采集需要在信息层上配备一个串口接口或以太网接口，进行诸如现场操作程序、信息的数据传输，监视设备的统计数据的传输。某些数控机床需加装设备智能终端，智能终端系统用来缓存预定指令，比如加工程序。控制服务器可以直接对智能设备终端发送指令，缓冲一些常用的数据，简化生产过程中通讯传递的数据量，以提升生产过程的流畅和可靠性。

以上系统就位以后，服务器端和云端就可以展开数据分析和管理应用的部署。采集拿到的数据要做两种呈现。首先是即时信息，可以做生产过程中各种实时工艺参数，设备运行状态，依照产线和车间布局的图形化显示，把如下信息的当前实时信息和状态做充分展示呈现。

l  设备状态信息；功能设置、操作模式、响应时间等

l  设备状态连续的起始时间信息；

l  设备连续的运行及空闲时间记录；

l  设备各种故障信息和故障发生时间

l  设备各种报警信息和报警时间；

l  设备连续的加工及运行参数信息；

l  成形设备连续时间内加工品数量；

l  检测设备连续的合格不合格品记录

然后是指定时间间隔内，指定设备组的下列表现。比如按日0-24小时，周，月，季度，年的数据显示和远程监控显示（通过工业互联网）

u  总体设备完好率、

u  总体设备利用率、

u  总体设备故障率、

u  停机（或停产）时间

u  停机（或停产）次数

u  设备平均故障间隔时间

u  设备综合利用率：时间稼动率、可用率，性能稼动率、表现指数

u  加工良品率（质量指数）

C.   设备资产管理信息采集

以上述应用为基础，企业还可运行设备资产管理应用，需要智能移动终端如手持PDA、平板电脑来支持现场操作完成如下功能：

l  设备出厂基础信息维护

l  设备运行日志、台帐

l  设备关键零部件更换提醒

l  设备超期使用零部件报警

l  设备作业加工环境参数报警

l  设备全时状态异常预警、

l  大数据预测性维修维护分析

l  设备故障信息维护知识库

l  设备维护计划自动生成

l  维修维护工单分配和下发

l  维修维护的执行和反馈

有了以上的各种制造业现场装备数字化应用，制造业企业就能奠定广泛和坚实的数字化工厂基础。在这基础上，各种大数据应用、流程管控应用、供应链应用、服务型制造应用、专家协同诊断、产品全程追溯都成为可能。

二、制造执行系统MES

离散制造行业主要使用MES系统即制造执行系统 (manufacturing execution system，简称MES)。此系统位于上层的ERP计划管理层与底层的工业控制层之间，是专门面向车间生产的信息管理系统。MES提供实时收集生产过程数据的功能，并作相应的记录、处理和分析；MES需要与计划层和控制层进行信息交互，通过企业的连续信息流来实现企业信息全集成。图七是个MES打造数字化工厂架构的实际案例。

1）资源层

资源层不属于数字化车间结构的组成部分，但其包含的CAD、CAM、PDM、PLM和ERP系统是计划排产与调度，进行自动化管理的重要环节。执行层信息化系统从资源层得到生产管理的数字资源。下层的制造运行管理层与资源层存在诸多接口，能够传输订单、计划、工艺、物流、库存、BOM等各种管理信息和系统数据，这样才能实现数字工厂的信息互联互通。

一个数字化工厂系统架构图  

2）执行层

MES系统是数字化车间体系执行层的主体系统。完成的任务主要包括：计划排产与调度、产品装配管理、工艺执行管理、生产物流管理、工序质量检测与追溯、车间设备管理。执行层是整个数字化车间各功能模块的集结，在整个数字化车间结构中起着承上启下的作用，对数字化车间的运行起着至关重要的作用。

3）车间总线

    主要就是各种通信基础设施和通信终端，支持执行层和资源层的网络互通，以及设备数据采集系统的信息流通。

4）基础层

数字化车间体系基础设备层主要包括：基础设施、数字化装备、线下辅助设备等。确保数字化车间中硬件设施的安全可靠运行，并能实时观察运行状态。基础层与制造运行管理层之间主要传输生产运行、质量运行、设备维护、库存运行等基础信息。

一个设计良好的MES系统可以集成诸如生产调度、产品跟踪、质量控制、设备故障分析、网络报表等管理功能，使用统一的数据库和通过网络连接可以同时为生产部门、质检部门、工艺部门、物流部门等提供车间管理信息服务。MES系统通过强调制造过程的整体优化来帮助企业实施完整的闭环生产，协助企业建立一体化实时的ERP/MES信息体系。MES为操作人员/管理人员提供计划的执行、跟踪以及所有资源(人、设备、物料、客户需求等)的当前状态。MES 能通过信息传递对从订单下达到产品完成的整个生产过程进行强化管理。当工厂发生实时异常事件时，MES能对此及时做出反应、报告，并用当前的准确数据对它们进行指导和处理。对异常事件的迅速响应使MES能够减少企业内部没有附加值的活动，有效地指导工厂的生产运作过程，既能提高工厂及时交货能力，改善物料的流通表现提高生产回报率，也能提高产品和服务质量。MES还通过双向的直接通讯在企业内部和整个产品供应链中提供有关产品行为的关键信息。MES是企业CIMS77信息集成的纽带，是实施企业敏捷制造战略和实现车间生产敏捷化的基本技术手段。MES系统可以为用户提供高响应、有弹性、精细化的制造业环境，能够同时对大批量生产、多品种小批量生产、和两者兼备的制造企业提供良好的制造过程信息管理。

MES系统必须导入以下数据以支撑系统良好运行

1. 产品物料清单（BOM7）

BOM主要分EBOM17(设计)和MBOM23(制造)两种。EBOM体现产品组成结构，可用来生成物料需求计划。MBOM体现产品的制造过程，可用来生成作业计划，指导实际生产作业。EBOM来源于PDM42的EBOM树，导入方式可分为紧密集成和非紧密集成两种。紧密集成PDM直接和MES对接，利用集成接口导入所需数据，使用方便自动化程度高，但开发量大，两个系统间互相牵制。后者连接松散，长期运行会产生数据偏差和人工混乱。智能制造系统都选择紧密集成。

PDM支持建立多套的MBOM树(有些甚至还有计划BOM、采购BOM、工艺BOM等)，和EBOM使用同一套图纸和工艺文件，只是节点的组成结构不同，这样就保证了EBOM和MBOM数据源的唯一性。

2. 工艺文件

MES中工序间的流转由系统自动完成，工艺流程决定了工序流转是MES运行的基础。流程型企业一般工艺流程比较固定，数量也少，可在MES中直接创建。离散制造型企业工艺流程很多，系统内创建工作量太大且是重复劳动(，可以通过工艺文件导入，但是推荐和数字化设计系统直连集成，避免人为出错可能。

工艺文件中除工艺流程外，还应有设备和工时设定信息。对设备派工时用设备信息来指定使用的设备机台。工时信息用于衡量工作量，是APS排程的重要依据。工艺流程中的工序名称一般要求标准化，这样系统可以按照工序自动派工、核算评估工序产能及对工序进行属性定义。工序名称必须统一才能让系统高效无误运行。如果全部重新修改工艺文件工作量太大，可以在系统内建立新旧工序名称的对照表，由软件系统自动解析。

3. 生产计划和库存数据

生产计划一般在ERP中产生，通过集成接口导入到MES执行，完成状态再返回ERP。如没有ERP，也可在MES中直接输入或创建生产计划。MES可和物资库存管理系统集成，计划产生时自动读取库存数据，扣除可用数量，同时可指导现场作业配料。

4. 物料齐套清单

物料齐套是装配型企业生产管理的重点难点。现场物料齐套的依据就是物料清单，不仅列出产品组成，还要考虑实际生产流程配科，配料可到工序。物料清单可从MBOM自动生成，也可以在工艺文件中看到。

5. 图纸等技术文档

出于降低成本以及技术、工艺的需要，很多企业希望能够实现无纸化生产，生产过程中不再使用纸质图纸、工艺等文件，所有文件均在MES中读取。MES需要把所有图纸技术文件导入系统内。

6. DNC系统数据

DNC系统中的设备、数控程序及任务完成情况等信息可以导入MES，MES可把生产任务信息导入DNC。

    MES是对整个车间制造过程的优化，而不是单一的解决某个生产瓶颈。MES系统优化企业生产制造管理模式，强化过程管理和控制，达到精细化管理目的。加强各生产部门的协同工作能力，提高工作效率、降低生产成本。提高生产数据统计分析的及时性、准确性，避免人为干扰，促使企业管理标准化。为企业的产品、中间产品、原材料等质量检验提供有效、规范的管理支持。实时掌控计划、调度、质量、工艺、装置运行等信息情况，使各相关部门及时发现问题和解决问题。最终可利用 MES系统建立起规范的生产管理信息平台，使企业内部现场控制层与管理层之间的信息互联互通，以提高企业核心竞争力。

制造执行系统MES通过反馈结果来优化生产制造过程的管理业务。生产过程追溯功能可使企业非常清楚产品的原材料是哪家、什么时间提供的、接收人是谁、检验的参数、产品在生产过程中各环节的时间、技术参数、操作人员等信息。根据这些反馈信息，制造业企业可以解决企业产能成本过高，或者产品质量不稳定的原因，及时做出调整，有针对性的为客户提供更好的服务，发生客户投诉也能及时准确地为客户澄清问题，确认影响范围。

产品生产过程的数据为生产管理决策提供有效的支持，让生产过程的问题及时的暴露、及时地处理，从而有效遏制问题的发生，将产品的质量问题以及生产线的异常状况消灭在萌芽状态。MES可以为企业提供包括制造数据管理、计划排产管理、生产调度管理、库存管理、质量管理、人力资源管理、工作中心、设备管理、工具工装管理、采购管理、成本管理、项目看板管理、生产过程控制、底层数据集成分析、上层数据集成分解等管理模块。

制造执行系统MES可监控从原材料进厂到产品的入库的全部生产过程，记录生产过程产品所使用的材料、设备，产品检测的数据和结果以及产品在每个工序上生产的时间、人员等信息。这些信息的收集经过MES系统加以分析，就能通过系统报表实时呈现生产现场的生产进度、目标达成状况、产品品质状况，以及生产过程中人、机、料的利用状况，这样让整个生产现场完全透明化。通过工业互联网平台，企业的管理人员无论何时身处何地有互联网就能看清楚生产现场的状况。身在总部的老板亦能通过MES获取信息运筹帷幄，远在国外的客户当然可以来关心他们的订单进度、产品品质。

三、集散控制系统DCS

　集散控制系统，即分布式控制系统，有时称之为集散系统，是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统。它从集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。

DCS的严重依赖系统网络，它是DCS的基础和核心。网络对于DCS整个系统的实时性、可靠性和扩充性，起着决定性的作用。对于DCS的系统网络来说，它必须满足实时性的要求，即在确定的时间限度内完成信息的传送。这里所说的“确定”的时间限度，是指在无论何种情况下，信息传送都能在这个时间限度内完成，而这个时间限度则是根据被控制过程的实时性要求确定的。因此，衡量系统网络性能的指标并不是网络的速率——每秒比特数，而是系统网络的实时性，即能在多长的时间内确保所需信息的传输完成。系统网络还必须非常可靠，无论在任何情况下，网络通信都不能中断，因此多数厂家的DCS均采用双总线、环形或双重星形的网络拓扑结构。为了满足系统扩充性的要求，系统网络上可接入的最大节点数量应比实际使用的节点数量大若干倍。这样，一方面可以随时增加新的节点，另一方面也可以使系统网络运行于较轻的通信负荷状态，以确保系统的实时性和可靠性。在系统实际运行过程中，各个节点的上网和下网是随时可能发生的，特别是操作员站，这样，网络重构会经常进行，而这种操作绝对不能影响系统的正常运行，因此系统网络应该具有很强在线网络重构功能。

传统的DCS作为生产过程自动化领域的计算机控制系统是个狭义的概念。现在的计算机控制系统的含义已大大扩展了，不仅包括过去DCS中所包含的各种内容，还向下深入到现场的每台测量设备、执行机构，向上发展到了生产管理、企业经营的方方面面。DCS正在向着更加开放，更加标准化，更加产品化的方向发展。传统意义上的DCS仅是做到生产过程控制这一部分的自动化。现在工业自动化系统的概念扩展到企业全面解决方案的层次。

　　DCS的操作员站是处理一切与运行操作有关的人机界面功能的网络节点，是一种完全对现场输入、输出处理并实现直接数字控制功能的网络节点。一套DCS中要设置现场输入、输出控制站，用以分担整个系统的输入输出和控制功能。这样既可以避免由于一个站点失效造成整个系统的失效，提高系统可靠性，也可以使各站点分担数据采集和控制功能，有利于提高整个系统的性能。　　

DCS的工程师站用来控制DCS系统网络，它是对DCS进行离线的配置、组态工作和在线的系统监督、控制、维护的网络节点。其主要功能是运用组态软件对DCS进行组态配置工作的，并在DCS运行时实时地监视DCS网络上各个节点的运行情况，使系统工程师可以通过工程师站及时调整系统配置及系统参数的设定，使DCS随时处在最佳的工作状态之下。所有的DCS都要求有系统组态功能，没有系统组态功能就不能称其为DCS。

DCS系统有沿时间线展开的，按照一定采样频率得到的整个系统节点和过程的所有实时数据，数据总量和时间成正比关系，里面可以找到所有的生产过程中的正常、异常信号，和产生信号的开关，控制阀，原料物料的各种物理化学指标信息，是流程制造型制造业的数据宝藏。

　2019笔者点评：这一节的内容目前来说在19年出现的唯一新鲜事物就是有一些人工智能的算法下放到了生产制造环节。很多质检，无人操作，工艺判断的环节开始有人工智能工作站作为一个环节嵌入到生产过程中间。这些人工智能算法的介入非常符合目前制造业的现状，也能产生投入产出比合理的效益，建议广大制造业从善如流。

下一节讲“第三节  管理流程的数字化”