面向电机企业的CPS系统设计与开发

余建国,肖芳海

（江西理工大学 机电工程学院，赣州 341000)

0 引言

德国《工业4.0战略计划实施》报告发表之后,在全球范围内相关企业开始将制造业的核心转向智能制造的大时代背景下,被称为世界“制造中心”的中国也开始了一场规模空前的工业革命——“中国制造2025”[1]。其以工业化与信息化深度融合为主线,以创新驱动发展为主题,以推进智能制造为主攻方向,是制造业建立竞争优势的0关键路线[2]。随着工业4.0技术被引入制造业领域,促进了以机器和人类之间相关科学技术互动为特征的智能工厂的发展[3]。

智能制造是与时俱进的概念,其内涵伴随着制造技术与信息技术的融合和发展而不断演进。制造系统最初由人和物理组成,也称为人-物理系统,由人来完成既定任务所经历的认知、分析决策和控制操作,人是物理系统的创造者,也是物理系统的操作者[4]。由于计算机、通信和数字控制等信息技术的不断发展,数字化制造被引入制造系统中,很大程度上推动了第三次工业革命,数字化制造最核心的变化是在物理系统和人之间增加了一个信息系统——C,通过对产品应用,“智能制造+”与“互联网+”不断推进信息、工艺信息和资源信息进行分析、决策和数字化集成,进而制造出符合用户需求的产品[5]。基于数字化制造基础上,由于互联网技术的快速发展以及广泛着制造业和互联网相融合,促进了制造业从数字化制造向数字化网络制造的范式转变,在国外也被称为“smart manufacturing”[6]。智能制造是一种人类专家和智能机器共同组成的人机一体化系统,拓宽了制造自动化的概念,使其扩展到智能化、柔性化和高度集成化范畴,传统制造与智能制造的异同点主要体现在产品的设计、加工及管理等几个方面,具体如1所示。

此次电机企业CPS系统设计与开发采用了myeclipse实现程序的可拓展性,Access2016作为后台数据库管理工具,Tomcat服务器等J2EE平台下的计算机网络工具[7],为构建功能齐全、独立完整的CPS系统提供了可能。

1 电机企业CPS系统概述

智能环境下的CPS系统深度融合了计算进程与物理进程,是一种综合网络、物理环境和信息计算的异构系统,是集计算、通信和控制于一体的下一代智能系统[8],涵盖生产制造、市场销售、外部物流及延伸服务,并使其可独立地进行进程控制、触发行动、信息交换等。CPC、云制造等工业4.0主要支持技术可动态共享分布式资源,这种面向服务的按需提供范式可提高制造业的网络资源共享效率[9]。设计与开发CPS,并不是绝对摒弃原有信息系统,工业4.0参考架构方案还最大限度地兼容了ERP、MES和PDM等现有的工业3.0系统[10]。

基于通信技术构建理想的CPS系统,可将生产设备的电子化信息、机器的智能生产、仓储系统及企业现有资源融合到网络中,从而将人、资源、物体及信息紧密地联系在一起,可实现制造企业价值链,横向及纵向等多维度的集成优化。CPS通过实现计算、通信与物理系统的一体化设计,可保障系统数据可靠、实时协同,以此达到资源优化、管理水平和生产效率提高的效果。

表1 传统制造与智能制造的异同点

一方面,我国的电机行业已经形成了一套完整的产业链,产品的规格、品种、产量和性能基本满足社会经济的发展需要,且行业增长趋势正持续上升。另一方面,随着客户对电机需求差异化的加大,电机制造越来越趋向于个性化的小批量定制,制造周期越来越短,制造成本也越来越低[11]。由于CPS系统深度融合了计算、控制和通信技术,可满足生产开放化和柔性化的要求[12]。

2 系统的功能设计

一般情况下,系统模型支持自我适应与修改,且需要模块化[13],电机企业CPS系统模块化功能设计如下：

1）访问系统：用户可在系统的访问界面进行注册与登录,进而进入电机企业CPS系统主界面,用户可根据需要选择相应功能模块使用。

2）系统管理：此功能模块的下级菜单主要有权限管理、用户管理、菜单管理和组织机构管理,方便系统超级管理员合理分配各用户权限,布置系统相应菜单及明确各组织机构互相关系。

3）人力资源管理：此功能模块包括档案管理、招聘管理、绩效管理、薪资核算、福利管理二级菜单,可构建一种提高机会、提升能力、增强激励和具有有效相应机制的人力资源管理制度[14]。

4）物料管理：此功能模块由物料采购、物料报需、常用物料管理、耗用物料管理、订单物料管理及物料跟踪二级菜单组成,可展示智能物料管理系统可靠性强、结构合理和操作方便等优点[15]。

5）生产管理：此功能模块包括生产计划管理、生产指令单、备料指令单及生产进度跟踪四个二级菜单,在易于升级维护的情况下,可较好地满足电机企业生产管理的要求,并为生产数据的准确性提供保障。

6）营销业务管理：此功能模块由客户信息管理、销售计划管理、拜访计划管理、合同管理及统计报表管理组成,可达到高效利用线索,多维度分析客情和灵活匹配公司业务的效果,并提升销售管理的实效性。

7）质量管理：此功能模块包括工艺管理、产品自检管理、产品互检管理、审批管理及成品入仓管理,可综合反映企业的生产技术水平,提高产品质量的同时亦可降低企业的外部故障损失成本,并增强企业在市场中的竞争力。

8）物流管理：此功能模块由条码管理、库存管理、入库管理、出库管理、车辆管理组成,可提高成品入库效率及仓库利用率,降低企业转运成本,优化企业资源配置。

9）企业资产管理：此功能模块包括资产基础管理、资产盘点、资产变动、资产租赁和专项管理,较全面地展示了EAM设备台账数据[16],保障了企业资产的完整及夯实了电机企业正常生产的物质基础。

3 系统的数据库设计

本文的电机企业CPS系统开发设计主要包括系统管理、人力资源管理、企业资产管理、生产管理、营销业务管理、质量管理、物料管理和物流管理,基于此建立系统物理数据模型。本系统开发运用了PowerDesigner建模软件,它可以为各项数据模块提供多样的开发环境,各模块之间既相互独立,也可建立相应联系,部分模块如图1所示。

图1 物理数据模型

4 系统架构设计

为建立一个数据丰富的网络化环境,需要一种基本的系统框架将原始数据转换为具有切实指向的操作[17]。体系架构设计是设计开发系统的基础工作,可精准定义系统的组成部分及其相互关系,以保障开发完成的系统切合设计和实际需求[18]。为快捷、灵活、方便的展示设计视图以及满足产品全生命周期对数据协同的要求,电机企业CPS系统设计分为产品层、制造执行层、制造物联层和资源层,如图2所示。产品是一种非限定性术语,主要组成部分有零件、部件、单元体、机组及系统等,此CPS系统产品层由产品标志、产品信息化、产品智能及下线标志组成。制造执行层管理本质上是在完全离散和纯粹流水两种极端模式下协调管理产品的中间状态,可从电子看板与RFID、MES、数字化工艺及图纸方面建立制造执行层。制造物联层是CPS系统的核心部分,是对象域名解析服务器和传感网络,ONS Server可保障产品信息和现场制造资源信息的大数据管理与协同应用。管理信息系统与管理数据系统共同组成电机企业CPS系统资源层,在数据协同应用时,可保证信息数据的准确性、一致性和实用性[19]。高效率的系统架构可实现对制造过程的优化配置,使整个供应链和制造链更加灵活地运行,为小批量定制和敏捷制造提供了技术支撑。构建智能制造理论体系架构,体现了从理论到实践,从技术到实现和从任务到目标系统化、层次化的特点[20]。

图2 系统框架图

5 系统开发结果

此次CPS系统设计与开发运用的主要技术手段是Java服务器页面,层叠样式表CSS,超文本标记语言HTML以及结构化查询语言SQL。电机企业CPS系统的主界面和常用功能如图3所示。新一代智能制造代表了现代化制造技术的集成,贯穿于产品设计、计划、生产、物流、服务客户全过程的每个环节。信息物理系统展示了新一代智能制造的技术机制,可有效地指导相关工程实践。企业所现有的资源信息是有限的,信息物理系统的有效应用给企业带来的影响是深层次、全方位的。

图3 系统开发结果

6 结语

电机是动力的主要来源,一个品质卓越的电机就是机械设备“强劲有力的心脏”,以华南某电机专业制造企业开发、生产和销售电机产品为例,阐述电机CPS系统优势与应用前景。该企业的主要产品有多速三相异步电机、变频调速三相异步电机以及摆线针轮减速三相异步电机,三相异步电机主要由定子和转子两个基本部分组成,具有运行可靠、坚固耐用和维护方便的优点。分析该企业在应用电机企业CPS系统,可取得较好的经济和管理效果。第一,企业员工与部门信息及相互关系更加明确,其相应职能更加清晰,为企业正常高效地运行提供强有力的保障；第二,通过整合关键数据,可提升人事管理效率,为企业人才战略提供软件支持,助力业务部门高效运行,提升业务洞察；第三,根据客户需求、生产订单实时排程,可快速分解生产计划,解决企业生产排程、订单交付难题,减少生产冲突,提高调度效率；第四,利于企业调整生产作业、检验流程,规范现场管理,转变采购观念,推行准时采购制,推进全面质量管理,构建之有效的质量管理体系,切实降低企业经营风险。

信息技术的飞速发展,尤其是与制造技术融合程度的不断加深,给制造业带来了新的机遇和挑战,结合面向服务于企业信息化的思想和智能制造的概念,本文提出了基于J2EE的电机企业CPS系统设计与开发。阐述现代制造与信息物理系统结合的可行性,设计了相关功能和物理数据模型,建立了切实可行的技术架构,从而降低了电机制造的生产成本,提高了企业的运营和管理水平。另外,电机制造CPS系统开发与设计也为以智能制造为转型方向升级的企业提供了一定的借鉴和参考。