面向中小企业上云启赋云制造模式研究
时间：2023-01-24 19:15:04 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
张明建
（漳州职业技术学院 机械工程学院,福建 漳州 363000）
企业上云，是企业顺应数字经济发展潮流，加快数字化、网络化、智能化转型，提高创新能力、业务实力和发展水平的重要路径［1］.近年来，随着“互联网+先进制造技术”的融合发展，制造业呈现了由生产型制造向服务型制造转型的变化趋势，涌现了“制造+服务”“产品+服务”等新制造业态与模式，过去大批大量的生产制造模式已呈现不能适应客户日趋多样化、个性化的产品需求,转型迫在眉睫.云制造（Cloud Manufacturing，CMfg）［2］作为一种服务化、敏捷化、智能化高效低耗的网络化共享与协同制造新模式，支持制造资源与制造能力按需使用，为产品制造与服务全寿命周期整合社会存量制造资源和制造能力，提高其利用率，降低制造成本，整合产业链与价值链实现服务型制造提供了一条重要捷径［3］.
2020 年初突如其来的新冠疫情导致传统制造业被按了一下“暂停键”，而数字经济催生的“云经济”则按下了“快进键”，使工业互联网催生的云制造服务模式价值进一步凸显.面对企业上云启赋数字化转型加持的数字经济红利，我国就业主力量大面广的中小企业却踌躇不前，转型能力不够——“不会转”、转型成本偏高——“不能转”、转型阵痛期较长——“不敢转”是其共性痛点［4］.为破解我国中小企业上云启赋数字化转型“不会转、不能转、不敢转”痛点，2020 年4 月10 日国家发改委、中央网信办联合印发了《关于推进“上云用数赋智”行动培育新经济发展实施方案》，多措并举破解中小企业“转型是找死、不转是等死”的转型困境，聚力推进中小企业上云启赋云制造模式实现数字化转型［5］.
云制造是一种基于知识以网络为载体，面向服务的网络化、智能化新制造业态、形态与模式［6］，其制造模式如图1 所示.云制造模式融合了当今云计算、物联网、新一代人工智能、高性能计算等新一代信息技术，将各种制造资源、制造能力虚拟化后封装，汇聚成云制造资源池，由制造云运营商进行优化、组合、调度与资源配置，赋能制造资源与制造能力像水、燃气等生活资源一样，注册用户可按需租赁使用与付费，从而解决企业内部资源短缺、资源过剩等问题，进而实现产品设计、生产、制造、物流、管理与服务的全寿命周期管理［3］.其核心理念是将社会分散的制造资源和制造能力通过网络汇聚起来，统一进行资源优化配置，为不同区域的用户提供制造服务，提高社会制造资源和制造能力的利用率，使产能不足、资源短缺的制造业企业获得域内、域外制造资源的加持服务，进而开启协同制造；
同时也为产能、资源过剩的制造业企业盘活存量，在制造云运营商的优化、组合调度下，为产能、资源不足的企业提供协同制造服务，提高闲置资源利用率［7］，从而体现了李伯虎院士“分散资源集中使用，集中资源分散服务”［2］的“制造即服务”理念.这种理念不仅使域内、域外分布式闲置的制造资源和制造能力获得共享与协同，利于优化配置存量社会资源，而且资源使用者足不出户节省了寻求资源支持的时间和成本，较大提高效率并降低了生产制造成本，还可快速响应客户个性化、多样化的定制需求［8］.具体其运维模式如下.
图1 云制造模式
资源提供者将适配契合产品全寿命周期管理过程的制造资源和制造能力（设备、物流、物料、人力、知识、软件等资源）通过感知、虚拟化描述后接入制造云池，以服务的形式提供给制造云运营商；
制造云运营商利用制造云平台将资源提供者虚拟化描述的制造资源和制造能力封装、服务化后进行高效管理与运营，根据资源使用者的需求，快速响应匹配、优化、组合、动态地为资源使用者提供服务，高效进行资源配置；
资源使用者在制造云服务平台支持下，根据产品制造全寿命周期所需服务，动态按需自制造云服务平台接出所需服务资源，制造云运营商优化调度资源提供者以“一对一”或“多对一”的服务模式协同交互服务资源使用者，实现网络化协同制造与服务［9］.在云制造协同制造与服务过程中，资源提供者与资源使用者角色并非固定，根据不同需求的资源配置角色可逆可转换，其中知识为核心，知识不仅为制造资源和制造能力的虚拟化描述接入和服务化封装提供支撑，还为制造云服务平台的高效管理和智能化匹配、优化、组合、调度等资源优化配置提供支持［10］.
由图1 可知，启赋云制造模式获得产业链上域内、域外制造资源和制造能力网络化共享与协同按需使用服务的桥梁是制造云运营商.大型企业凭借自身雄厚的底蕴与资本可自建工业云平台，而中小企业底子薄、实力有限，无法自建运营工业云平台，需在相关上云业务经云化改造实现数据驱动后，将全流程实时运维数据（如管理数据、设备数据、产品数据、检测数据、生产数据、物料数据、物流数据、工艺参数等）采集上云接入制造云运营商，利用运营商提供的服务启赋云制造.因此，中小企业启赋云制造模式实现数字化转型需要整个生态的参与和帮扶.在中小企业上云启赋云制造模式进程中，企业上云相关业务全流程实时运维数据采集上云是关键环节，该环节随数据采集方法的差异悬殊很大.
为获得经济适用的数据采集上云方法，苏伟乐等［11］采用PLC、触摸屏与物联网关实现蔬菜切割机运维数据的采集上云和远程监控；
王嘉炜等［12］基于用户现场以太网，采用PLC、HMI（工控触摸屏）与物联网关实现生产现场的远程状态监控与运行程序/参数的修改；
李建军等［13］采用PLC、HMI、网络模块（网关）、GPS 模块及与数据采集点适配的传感器，改造圆草捆打捆机控制系统，实现该打捆机作业的远程状态监控、定位和停机；
谢仁栩等［14］利用工控机、PLC、物联网关（支持4G、WiFi、以太网通讯）将个性化定制生产线（主机为机械臂）生产制造过程信息和工业云平台、微信小程序互联互通与集成，实现产品客制化生产；
王岩等［15］将现场工控机、PLC+PMC、视频采集终端基于工厂以太网，通过物联网关（支持4G、WiFi 通讯）和工业云平台信息互联互通与集成，实现生产现场远程运维与监控.中小企业规模较小，管理架构相对简单，上述的研究结果表明，基于工厂以太网，采用物联数据采集器、PLC、HMI 和工业智能网关等很小投入，即可采集生产现场各终端的运维数据上云，启赋云制造模式实现数字化转型，赋能远程运维与监控，依据云制造域内、域外制造资源和制造能力网络化共享与协同按需使用运维模式，可达成如图2所示的生态场景.
图2 中小企业启赋云制造模式实现数字化转型的生态场景
各上云企业（资源提供者与使用者）在制造云运营商（如航天云网INDICS、优刻得UCloud、华为云等）注册登录，在运营商协助下，将适配本企业上云业务产品全寿命周期管理的制造资源与制造能力（如设备、物料、人力、软件等资源）通过感知、虚拟化描述后接入运营商制造云池.客户注册登录运营商门户网站，下单客制需求产品种类、数量、交货期、特性/特质及相关要求，运营商对客制产品需求按照匹配算法分解为子需求1、子需求2、…、子需求n,然后根据客制产品需求，按照质量、成本、时间、信度、效度等各维度属性、特质与要素，在云制造资源池里由相应算法快速精准筛选、匹配、优选、组合，经精准优化组合匹配成功承接客制需求或部分子需求的中小企业在运营商调度下，迅速进行承接的需求任务评估（含研发、生产/制造工艺、物料/物流需求、计划排程等，也可与客户直接交互，使客户得到客制产品的研发与生产制造过程体验，精准满足客户个性化需求）.
中小企业承接的需求任务制造资源与制造能力不足，与运营商动态交互提出协同服务需求，运营商对中小企业的服务需求快速响应，经云制造资源池再快速精准进行资源配置，在运营商资源配置、调度下，协作企业（资源提供者）可以“一对一”或“多对一”的服务模式协同服务中小企业，进行网络化协同设计、生产、制造、物流与服务.中小企业在承接的需求任务生产过程中，依托企业以太网，利用有序分布的下位机（物联数据采集器）实时采集车间现场生产装备（含仪器、仪表）的PLC、DNC、FCS、监控、传感数据和无线物联数据，下位机将这些实时运维数据发送给上位机（含无线通信终端的PLC 可编程控制器），其中重要运维数据实时显示在车间层HMI 监控界面上，上位机再将生产过程全要素实时运维数据通过工业智能网关发送给企业管理层、运营商和协同生产制造服务协作企业共享.运营商对中小企业承接的需求任务生产过程全要素实时运维数据经分析、挖掘、评估、预测可视化后感知其态势，进一步优化资源配置与调度，将优化结果分发中小企业及协同服务企业执行，直至完成客制需求后，中小企业与协同服务企业在运营商平台完成协同服务费用交割.
基于企业以太网信息管理系统，采用工业智能网关+上位机+下位机+生产过程重要运维信息人机交互（HMI）实时监控修正，实现中小企业生产过程人、机、料、法、环、测全要素实时运维数据采集上云，聚焦云制造模式经济适用的数据采集方案及其应用场景如图3 所示.
图3 中小企业启赋云制造模式经济适用的数据采集上云方案
工业智能网关采用泓格UA-2241M，其内建OPC UA Server、MQTT Broker 与Client 功能，可满足连接MES、ERP、SCADA 和云端服务需求，通过Ethernet、RS-232、RS-485 通讯接口及MQTT、Modbus TCP/RTU/ASCII、EtherNet/IP 通讯协议，可存取、管控现场I/O 模块与控制器，整合云端信息及现场设备，链接IT与OT，实现OT 与IT 的高度融合达成管控一体化.上位机采用西门子SIMATIC S7-200 SMART PLC可编程控制器+无线通信终端DTD433M，其不仅可低成本实现点对点及点对多点的无线PLC 通信，而且可与智能仪表及传感器等设备组成无线PLC 测控系统，同时能与组态软件、人机界面、触摸屏、测控终端等工控产品实现中远距离无线485 协议、Modbus 等协议的组态.下位机采用圣世援L10X 物联数据采集器，其可将生产现场有线、无线数据采集传输功能合为一体，可通过自带I/O 连接传感器采集生产现场信息，也可通过串口或以太网接收现场端数据采集模块的数据信息，最后通过无线GPRS 和以太网两种方式将数据上传上位机.车间层人机交互（HMI）采用深圳迈高达工控触摸屏MTP133C301A_V1.0，用于实时监控/修正重要生产过程运维信息.
至此，中小企业上云相关业务经云化改造，利用上述经济适用数据采集上云方案，启赋的云制造模式可实现如下场景：生产过程可视化运维监控、制造资源和制造能力网络化共享与协同、组态远程运维与监控、电脑PC 端监控和手机移动端泛在监控企业生产制造过程等.
为启赋企业新旧动能转换赋能数字化转型，推动企业由传统制造模式向云制造模式演绎.XX 大米食味品质定制企业大米分装装备基本为自动化装备（如图3 所示），在优刻得科技股份有限公司帮助和加持下，对企业大米食味品质分装相关业务全流程进行整合、重构与业务重塑，对企业原有的以太网信息管理系统加以适应性改造，打通企业大米食味品质分装相关业务及生产过程各环节之间信息的互联互通，实现数据驱动.该企业完成大米食味品质分装相关业务全流程垂直集成与端对端集成后，将企业大米食味品质分装相关业务制造资源与制造能力经感知、虚拟化描述后接入UCloud 工业云平台，依据中小企业启赋云制造模式生产制造过程全要素数据采集方案，对云端客制需求的食味品质大米经UCloud 工业云平台筛选、优选匹配成功后，该企业利用自主开发但人机交互及应用生态亟待完善的大米食味品质分装业务生产过程全要素运维数据采集与监控系统（APP）和企业ERP 融合，对接UCloud 工业云平台，目前已基本能将客制需求的食味品质大米分装业务生产过程全要素运维数据采集上云，在UCloud 工业云平台赋能下，实现了大米食味品质分装业务生产要素运维过程的可视化动态监控.具体如下.
在UCloud 工业云平台调度下承接的客制食味品质大米，企业管理层根据客户需求，迅速研发拟定好生产工艺（来自不同原产地大米的配比），在自主开发的大米食味品质分装业务生产过程全要素运维数据采集与监控（APP）和企业ERP 融合的系统界面可精准掌控当前大米食味品质分装装备是否完好，按生产工艺当前那些计量称空闲、当前那些料仓有所需要的原产地大米.选好计量称及料仓后，按生产工艺配比设置好瞬时生产流量及客制生产数量，提交生产，如图4 所示.在生产过程中企业管理层及车间层均可实时监控当前生产运维状态，包括计量称、料仓及生产装备状态，当前时刻瞬时流量、实时累计产量及至当前的累计产量等，出现异常情况车间层可停止、暂停及恢复生产，如图5 和图6 所示，手机移动端也可泛在监控企业生产制造过程.
图4 管理层生产运维排程
图5 管理层生产运维监控场景
图6 车间层生产运维监控场景
中小企业底子薄、实力有限，上云启赋云制造模式实现数字化转型需要整个生态的参与和帮扶.在其上云进程中，上云相关业务基于工厂以太网经云化改造整合、流程重塑，实现生产制造过程全流程、全要素数据驱动后，在制造云运营商帮助和加持下，将制造资源与制造能力通过感知、虚拟化描述后接入制造云平台.为得到产业链上制造资源和制造能力经优化配置后获得网络化共享与协同按需使用，上云相关业务生产制造过程全流程、全要素运维数据采集上云是关键环节，该环节采用投入很小的工业智能网关+PLC+HMI+物联数据采集器，实例应用佐证表明，在制造云平台赋能下，可实现生产制造过程资源优化配置与泛在远程运维监控，开启“制造即服务”新模式，启赋新旧动能转换.
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