2013年09月01日
機械專家網(wǎng)
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全球經(jīng)濟一體化使得
制造業(yè)
面臨著日趨激烈的競爭環(huán)境，傳統(tǒng)的商業(yè)規(guī)則、交易方式和
經(jīng)營管理
模式已發(fā)生巨大改變。企業(yè)欲快速響應(yīng)市場，更具競爭力，其生產(chǎn)過程自動化和管理信息化是2個核心環(huán)節(jié)，而數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化是相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。將車間的制造系統(tǒng)與
供應(yīng)鏈
進行集成，在基于WEB貿(mào)易的供應(yīng)鏈中驅(qū)入較大的自動化，使用電子商務(wù)手段來向用戶提供快捷高效的服務(wù)，使一種全新的制造和管理模式e-制造應(yīng)運而生。 e-制造是以工廠為中心，面對電子商務(wù)的自動化和信息技術(shù)，它通過電氣方式和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將工廠底層設(shè)備與Internet、車間與供應(yīng)鏈相聯(lián)接，改造現(xiàn)有的過程控制和自動化系統(tǒng)以適應(yīng)電子商務(wù)的要求，支持透明的信息流動，使供應(yīng)鏈上的所有成員可以實現(xiàn)協(xié)同計劃和最佳制造。圖1為集成了車間和 
圖1 將車間與供應(yīng)鏈集成的e-制造 |
供應(yīng)鏈的e-制造框架。施耐德電氣公司將e-制造比喻為“透明工廠”，即通過以太網(wǎng)控制器在網(wǎng)絡(luò)中將各個車間部門的數(shù)據(jù)用網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接起來。對主控計算機而言，全廠的設(shè)備控制I/O全透明，以便于容易地構(gòu)成不同的生產(chǎn)模式和工藝過程，使系統(tǒng)的各I/O數(shù)據(jù)信息調(diào)用和控制聯(lián)動更加方便。 Rockwell Automation公司則推出了全方位的e-制造方案和相應(yīng)的操作系統(tǒng)，可以讓制造商通過現(xiàn)有的電子商務(wù)技術(shù)，將生產(chǎn)部門與企業(yè)的整體商業(yè)系統(tǒng)及供應(yīng)鏈結(jié)合，全面提高企業(yè)的效率及競爭力。 計算機集成制造系統(tǒng)、企業(yè)資源規(guī)劃和數(shù)字工廠等理念，可以稱之為早期e-制造的產(chǎn)品，隨著網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、信息處理技術(shù)與電氣控制的完美結(jié)合，e-制造的概念超越了早期僅注重于在企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)過程中，對某個關(guān)鍵產(chǎn)品或生產(chǎn)制造對象進行完整的系統(tǒng)集成，而不關(guān)心整個企業(yè)和供應(yīng)鏈之間關(guān)系的思想方法。它已成為建立在操作系統(tǒng)、以太網(wǎng)和internet上的制造系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施，可以實現(xiàn)企業(yè)的管理和控制一體化。e-制造的特點
傳統(tǒng)的現(xiàn)場層設(shè)備與控制器之間的通信采用一對一連線的方式，傳輸4-20mAe-4VDC信號。這種通信技術(shù)信息量有限，難以實現(xiàn)設(shè)備之間及系統(tǒng)與外界之間的信息交換，使自控系統(tǒng)成為工廠中的“信息孤島”，嚴重制約了企業(yè)信息集成及企業(yè)綜合自動化的實現(xiàn)?，F(xiàn)場總線技術(shù)采用計算機數(shù)字化通信技術(shù)連接智能化現(xiàn)場設(shè)備，使控制器可從現(xiàn)場設(shè)備獲取信息，實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)、參數(shù)信息傳送，完成設(shè)備遠程控制、參數(shù)化及故障診斷工作。 傳統(tǒng)的PLC、現(xiàn)場總線等控制方式存在著如下問題: - 從傳感器到主控機，數(shù)據(jù)往往須經(jīng)過不同CPU和驅(qū)動程序，其結(jié)果是傳輸速度低，缺乏透明度，軟件和維護費用高;
- 任意控制器之間的系統(tǒng)聯(lián)動數(shù)據(jù)通訊，無論是單一的主從式還是令牌總線式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，均不可能實現(xiàn)實時高速的數(shù)據(jù)傳輸，也就無法實現(xiàn)編程開發(fā)和維護;
- 數(shù)據(jù)通訊垂直和水平方向的組合非常困難;
- 對于若干個控制器的集成，無法組成一個更廣泛的邏輯實體系統(tǒng)；
- 對于安裝了綜合布線或?qū)拵Ы尤胧狡髽I(yè)intranet的工廠車間，以太網(wǎng)控制器不僅可以簡便地接入與主控室內(nèi)的計算機進行控制信息交換，并能在企業(yè)intranet上進行類似PLC的“硬實時”控制，而傳統(tǒng)PLC或現(xiàn)場總線技術(shù)則無能為力。
因此，傳統(tǒng)PLC或現(xiàn)場總線技術(shù)不能滿足e-制造理念產(chǎn)品控制的需要。e-制造則是將車間層與業(yè)務(wù)決策層集成，用企業(yè)使能控制和實時信息平臺(如e-controllers或基于PC的自動化和控制解決方案)來取代傳統(tǒng)的PLCs和定制的控制器等設(shè)備。通過車間的傳感器、限位開關(guān)和其他控制元件，將信息送到診斷系統(tǒng)和基于控制的監(jiān)測系統(tǒng)，再將其送到管理、維護、建模、調(diào)度反饋等操作系統(tǒng)，使包括供應(yīng)商、OEMs、供應(yīng)鏈的合作伙伴等都能訪問它們需要的任何系統(tǒng)并能在需要時將指令送至系統(tǒng)。 e-制造提供了一個結(jié)構(gòu)化方法和工具來開發(fā)制造過程，它將生產(chǎn)過程描述為一個電子過程清單，通過使用Internet將所有設(shè)備連接來使得制造過程更加有效，具有網(wǎng)絡(luò)兼容能力、I/O透明，聯(lián)動操作兼容、生產(chǎn)效率高、靈活性強、可靠性高、維護成本和造價較低、柔性大等特點。 
圖2 e-制造的體系 |
在圖2所示的e-制造體系中，電子商務(wù)供應(yīng)鏈可實現(xiàn)供應(yīng)商、制造商及用戶之間的無縫連接，利用Internet技術(shù)將客戶關(guān)系管理(CRM)、供應(yīng)鏈管理(SCM)、商業(yè)智能、電子商務(wù)、車間自動化等功能全面集成，實現(xiàn)資源和信息共享，制造商通過企業(yè)資源規(guī)劃(ERP)系統(tǒng)下達物料采購和生產(chǎn)制造指令，經(jīng)過電子方式完成物料采購、支付。可加速定單的發(fā)送和獲取、原材料的獲得和產(chǎn)品制造及配送，實現(xiàn)零庫存，進而實現(xiàn)工廠在最佳資本運營成本基礎(chǔ)上的無間斷生產(chǎn)。 e-制造的核心是利用自動化控制技術(shù)、信息技術(shù)和電子商務(wù)手段將生產(chǎn)活動和企業(yè)全面管理以及和供應(yīng)商、客戶、合作伙伴進行聯(lián)網(wǎng)集成，形成透明的信息交流，使產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)、發(fā)貨、客戶服務(wù)和供貨管理在網(wǎng)絡(luò)上實時進行。利用電子商務(wù)方式進行網(wǎng)上銷售/采購可節(jié)省大量交易成本，據(jù)估計：到2003年，企業(yè)的所有商務(wù)關(guān)系，無論長期的還是短期的，70%都將是非傳統(tǒng)的，而網(wǎng)絡(luò)的B2B貿(mào)易將會從1999年的14.5億美元增加到2004年的72.9億美元。生產(chǎn)者/客戶模式
高效自動化系統(tǒng)要求利用網(wǎng)絡(luò)將所有設(shè)備進行連接，而面對眾多設(shè)備9網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議，最大的困難是對整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和維護。網(wǎng)絡(luò)上所承載的信息類型有3類： - 控制信息 完成高速、精確的信息交換；
- 組態(tài)信息 在啟動和運行過程中，支持系統(tǒng)的組態(tài)；
- 數(shù)據(jù)采集 按周期或HMI分析的要求進行數(shù)據(jù)采集。
然而，現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)不能同時滿足這3個方面的要求，雖然在設(shè)備之間提供了可重復(fù)的和可預(yù)測的通信，但其數(shù)據(jù)傳輸率和協(xié)議效率不能滿足其通信問答要求，存在諸如需要多個數(shù)據(jù)包傳送相同的信息到多臺設(shè)備；數(shù)據(jù)到達不同的目的地的時間不同；產(chǎn)生附加的網(wǎng)絡(luò)通信量，影響網(wǎng)絡(luò)的性能；報文發(fā)送核對時間有苛求的I/O數(shù)據(jù)，需要使用不同的網(wǎng)絡(luò)等問題。 對于網(wǎng)絡(luò)管理和連接設(shè)備通信的控制網(wǎng)和設(shè)備網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)是基于開放式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的一種新的解決方案——生產(chǎn)者/客戶模式。在控制網(wǎng)鏈路上，信息是通過建立節(jié)點間的連接來傳送的，由生產(chǎn)者發(fā)送的每個報文包含1個連接標(biāo)識符(CID)，已經(jīng)組態(tài)的節(jié)點識別CID接受報文，因而變成為1個客戶。 基于生產(chǎn)者/客戶網(wǎng)絡(luò)模式具有以下特點： - 網(wǎng)絡(luò)上多個節(jié)點能夠從單個生產(chǎn)者(數(shù)據(jù)源)存取相同的數(shù)據(jù)，報文是通過目錄識別的；
- 節(jié)點能夠同步化，更多的設(shè)備能夠加入到網(wǎng)絡(luò)上，但不需要增加網(wǎng)絡(luò)的通信量，并且所有節(jié)點的數(shù)據(jù)同時到達；
- 優(yōu)化低帶寬潛力能用于增強系統(tǒng)的功能；
- 使用同一網(wǎng)絡(luò)進行編程和I/O信息傳送。
在制造業(yè)全局化信息連接的A54NO+66自動化網(wǎng)絡(luò)中，以太網(wǎng)、控制網(wǎng)和設(shè)備網(wǎng)具有的網(wǎng)絡(luò)性能允許信息在設(shè)備和計算機平臺以及操作系統(tǒng)范圍內(nèi)進行交換。圖3為Rockwell自動化網(wǎng)絡(luò)的3層結(jié)構(gòu)： 
圖3 Rockwell自動化網(wǎng)絡(luò)的3層結(jié)構(gòu) |
- 信息層采用執(zhí)行TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)，用于全廠的數(shù)據(jù)采集和程序維修；
- 控制層采用具有高速確定性的控制網(wǎng)絡(luò)來傳送對時間有苛刻要求的I/O狀態(tài)和控制互鎖等控制信息以及程序的裝載和下載等無時間苛求的信息。對同一鏈路上的I/O、實時互鎖、對等通信報文傳送和編程操作均具有相同的帶寬。對于離散和連續(xù)過程控制應(yīng)用場合具有確定性和可重復(fù)性；
- 設(shè)備層采用設(shè)備網(wǎng)絡(luò)來直接聯(lián)接底層的設(shè)備和車間級控制器,用于低成本、高效率的信息集成。設(shè)備網(wǎng)可以有效地利用網(wǎng)絡(luò)的頻帶寬度,使控制數(shù)據(jù)同時到達操作的每一單元,并大大減少網(wǎng)絡(luò)通信量。因為它允許狀態(tài)切換的報文發(fā)送，已做出更快的響應(yīng)。同時，周期性的報文發(fā)送，以提供更好的確定性，對等通信允許數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息在設(shè)備之間進行交換。
e-制造的實施關(guān)鍵技術(shù)
e-制造的關(guān)鍵是根據(jù)定單生產(chǎn)和保持不間斷運行。其主要內(nèi)容之一是制造系統(tǒng)內(nèi)各個部分之間的聯(lián)接和可靠運行，使整個系統(tǒng)將每個開關(guān)、繼電器、接觸器、泵、閥、電機等的控制信息都能建立成為如同1份企業(yè)字典庫，其I/O可以隨時被高速有效地調(diào)用以滿足生產(chǎn)、市場和供應(yīng)鏈上的波動需求。在實施e-制造戰(zhàn)略時，結(jié)合我國制造業(yè)的具體情況，作者認為應(yīng)從以下幾個方面著手： - 基于標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)連接 在生產(chǎn)車間建立高度集成的自動化控制和信息網(wǎng)絡(luò)平臺，及時準(zhǔn)確地采集和傳遞各種數(shù)據(jù)，確保對生產(chǎn)過程的精確控制。同時需要注意信息的可視化和網(wǎng)絡(luò)的開放性。
- 同步的生產(chǎn)與商業(yè)過程 對生產(chǎn)控制系統(tǒng)、生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)和企業(yè)資源規(guī)劃系統(tǒng)進行聯(lián)網(wǎng)，使車間系統(tǒng)與商業(yè)系統(tǒng)緊密聯(lián)系，讓企業(yè)決策者能夠及時獲得第1手生產(chǎn)數(shù)據(jù)，從而高效實施和調(diào)整生產(chǎn)活動，實現(xiàn)
企業(yè)管理
和控制的一體化。
- 集成的設(shè)計和生產(chǎn)過程 建立有效的生產(chǎn)設(shè)備、人員和過程的管理系統(tǒng)和維護機制，充分發(fā)掘提高效率和降低成本的潛力。
- 協(xié)同的
供應(yīng)鏈管理
利用電子商務(wù)手段進行供應(yīng)商管理，直接將客戶定單傳送到生產(chǎn)系統(tǒng)。通過網(wǎng)絡(luò)全面監(jiān)控下游客戶每日的進、銷、存情況，及時進行補貨，讓上游的供應(yīng)商及時知道企業(yè)原料的庫存情況，保持存貨量在最低水平。實現(xiàn)跨越時空的供應(yīng)鏈管理、面向經(jīng)銷體系的產(chǎn)成品庫存在線控制與管理以及面向供應(yīng)商的動態(tài)采購管理。
- 每日
24h、每周7d、每年365d的電子化客戶服務(wù)模式，保持與客戶的聯(lián)系，提升客戶的滿意度與忠誠度，并通過客戶關(guān)系管理來預(yù)測需求，提供新的業(yè)務(wù)增值。
結(jié)語
面對經(jīng)濟全球化和信息化的發(fā)展趨勢，世界各國都面臨著利用信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，以提高制造業(yè)在國際市場的競爭力。目前世界上主要的電子商務(wù)公司正在迅速地開發(fā)e-制造解決方案來實現(xiàn)電子商務(wù)，使得制造能力和庫存對供應(yīng)鏈透明。采用現(xiàn)有的設(shè)備與其他系統(tǒng)共享信息，迅速響應(yīng)用戶需求，配置敏捷的、可重構(gòu)的制造系統(tǒng)，使產(chǎn)品生產(chǎn)更加趨向于客戶化、變種變批量和及時交貨。 e-制造是未來制造的決定性元素，它將制造融入到電子商務(wù)的流程中，客戶可通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)了解產(chǎn)品性能、價格，并給生產(chǎn)廠商下達定單。而生產(chǎn)廠商則通過ERP系統(tǒng)下達物料采購和生產(chǎn)制造指令，通過電子方式完成物料采購、支付。經(jīng)過生產(chǎn)制造，最后將商品按時交付給用戶，在網(wǎng)上完成交易結(jié)算。供需鏈的緊密集成可實現(xiàn)物料不間斷的流動和零庫存，是未來制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢。
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