項(xiàng)目1MES系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)拓展案例

一、工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型工業(yè)4.0是德國(guó)政府在2013年的漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上正是提出的概念，其目的是為了提高德國(guó)工業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。所謂工業(yè)4.0，是基于工業(yè)發(fā)展的不同階段做出的劃分，其中，工業(yè)1.0是以蒸汽機(jī)為標(biāo)志，工業(yè)2.0是以電力使用為標(biāo)志，工業(yè)3.0是以信息化為標(biāo)志，工業(yè)4.0則是以智能化為標(biāo)志。1.數(shù)字工廠概念模型數(shù)字工廠是支撐工業(yè)4.0現(xiàn)有最重要的標(biāo)準(zhǔn)之一。對(duì)于數(shù)字工廠，德國(guó)工程師協(xié)會(huì)的定義是：數(shù)字工廠是由數(shù)字化模型、方法和工具構(gòu)成的綜合網(wǎng)絡(luò)，包含仿真和3D虛擬現(xiàn)實(shí)可視化，通過(guò)連續(xù)的沒(méi)有中斷的數(shù)據(jù)管理集成在一起。數(shù)字工廠集成了產(chǎn)品、過(guò)程和工廠模型數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)先進(jìn)的可視化、仿真和文檔管理，以提高產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)過(guò)程所涉及的質(zhì)量和動(dòng)態(tài)性能。從本質(zhì)上說(shuō)，數(shù)字工廠是實(shí)體工廠在數(shù)字化虛擬空間的映射，實(shí)現(xiàn)了虛擬（設(shè)計(jì)與仿真）到現(xiàn)實(shí)（資源分配與生產(chǎn)）的過(guò)程。數(shù)字工廠的概念模型如圖1-1所示，分為實(shí)物層、虛擬層和工具應(yīng)用層三個(gè)層次。圖1-1數(shù)字工廠的概念模型（1）實(shí)物層：包括產(chǎn)品構(gòu)建和工廠生產(chǎn)資源兩部分。其中產(chǎn)品構(gòu)件是工廠的產(chǎn)出物，如汽車車燈、發(fā)動(dòng)機(jī)和輪胎等；工廠生產(chǎn)資源是指工廠的生產(chǎn)設(shè)備，如傳感器、控制器和執(zhí)行器等。（2）虛擬層：是對(duì)實(shí)物層的物理實(shí)體進(jìn)行語(yǔ)義化描述，轉(zhuǎn)化為可被計(jì)算機(jī)解析的“鏡像”數(shù)據(jù)，同時(shí)建立數(shù)字產(chǎn)品資源庫(kù)和數(shù)字工廠資源庫(kù)的聯(lián)系。（3）工具應(yīng)用層：用來(lái)實(shí)現(xiàn)從實(shí)物層到虛擬層的工具，涉及產(chǎn)品全生命周期，包括設(shè)計(jì)、仿真、工程應(yīng)用、資產(chǎn)管理和物流等各個(gè)環(huán)節(jié)。2.工業(yè)4.0的概念工業(yè)4.0是指利用物聯(lián)信息系統(tǒng)（Cyber-PhysicalSystem簡(jiǎn)稱CPS）將生產(chǎn)中的供應(yīng)，制造，銷售信息數(shù)據(jù)化、智慧化，最后達(dá)到快速，有效，個(gè)人化的產(chǎn)品供應(yīng)。工業(yè)4.0的核心內(nèi)容可以歸納為：一套系統(tǒng)，即信息物理系統(tǒng)CPS；兩大主題，即智能工廠和智能產(chǎn)品；三大集成，即橫向集成、縱向集成和端到端集成。其中，三大集成是工業(yè)4.0的核心特征，指明了實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0的技術(shù)方向。（1）企業(yè)內(nèi)部靈活可重組的網(wǎng)絡(luò)化制造系統(tǒng)的縱向集成，將各種不同層面的自動(dòng)化與IT系統(tǒng)集成在一起（如傳感器和執(zhí)行器、控制、生產(chǎn)管理、制造執(zhí)行、企業(yè)計(jì)劃等各種不同層面），強(qiáng)調(diào)生產(chǎn)信息流的集成，包括訂單、生產(chǎn)調(diào)度、程序代碼、工作指令、工藝和控制參數(shù)等信息的下行傳遞，以及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的工況、設(shè)備狀態(tài)、測(cè)量參數(shù)等信息的上行傳遞。（2）通過(guò)價(jià)值鏈及網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)企業(yè)間的橫向集成，將各種不同制造階段和商業(yè)計(jì)劃的IT系統(tǒng)集成在一起，強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品的價(jià)值流（增值過(guò)程）集成，既包括一個(gè)公司內(nèi)部的材料、能源和信息的配置（如原材料物流、生產(chǎn)過(guò)程、產(chǎn)品外出物流、市場(chǎng)營(yíng)銷等），也包括不同公司間的配置（形成價(jià)值網(wǎng)絡(luò)）。（3）全生命周期管理及端到端系統(tǒng)工程，通過(guò)集成CAD/CAM/CAPP、PLM、ERP、SCM、CRM、MES等軟件/系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)用戶參與設(shè)計(jì)（個(gè)性化），并通過(guò)虛擬設(shè)計(jì)、虛擬評(píng)估和虛擬制造，更好地把用戶需求同生產(chǎn)制造完美地結(jié)合起來(lái)。并涉及產(chǎn)品直到維護(hù)服務(wù)的全生命周期，隨時(shí)將用戶意見(jiàn)反饋給前端的設(shè)計(jì)階段，動(dòng)態(tài)提升產(chǎn)品質(zhì)量。3.工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型德國(guó)工業(yè)電子與信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)（DKE）于2015年3月發(fā)布了工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型（RAMI4.0），如圖1-2所示。RAMI4.0用一個(gè)三維模型展示了工業(yè)4.0涉及的所有的關(guān)鍵要素，將產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)全過(guò)程及價(jià)值鏈和分層結(jié)構(gòu)相結(jié)合，為描述和實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0提供了最大的靈活性。（1）活動(dòng)層次。類似于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的OSI七層模型，各層實(shí)現(xiàn)相對(duì)獨(dú)立的功能，同時(shí)下層為上次提供接口，上層使用下層的服務(wù)。從下到上各層代表的主要功能為：①資產(chǎn)層+集成層：數(shù)字化（虛擬）表示現(xiàn)實(shí)世界的各種資產(chǎn)（物理部件/硬件/軟件/文件等）。②通信層：實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的通信協(xié)議，以及數(shù)據(jù)和文件的傳輸。③信息層：包含相關(guān)的數(shù)據(jù)。④功能層：形式化定義必要的功能。⑤業(yè)務(wù)層：映射相關(guān)的業(yè)務(wù)流程。（2）生命周期與價(jià)值流。將數(shù)字化環(huán)境下的產(chǎn)品生產(chǎn)全過(guò)程劃分為樣機(jī)開發(fā)和產(chǎn)品生產(chǎn)兩個(gè)階段，通過(guò)強(qiáng)調(diào)不同階段考慮的重點(diǎn)不同，描述產(chǎn)品全生命周期的數(shù)字化和智能化實(shí)現(xiàn)要素。（3）系統(tǒng)級(jí)別。描述工業(yè)4.0不同生產(chǎn)環(huán)境下的功能分類，與IEC62263規(guī)定的層次一致。更進(jìn)一步，由于工業(yè)4.0不僅