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摘要
兰光CPS是基于十多年数字化车间系统研发的基础上，借鉴工业4.0、智能制造、精益生产等先进理念，通过设备泛在连接与异构集成等先进技术，实现数据在生产设备、信息化系统之间的有序流动，体现状态感知、实时分析、科学决策、精准执行等特点的系统级CPS。该系统可明显地提升企业生产过程的智能化、精细化、精益化管理水平，有效促进精益生产在企业的进一步落地。
前言
北京兰光创新科技有限公司（简称兰光创新）是致力于为离散制造企业提供智能工厂解决方案的专业技术公司，产品包括MES、设备物联网、LPS精益生产、兰光CPS、APS高级排产等系统，是离散行业CPS智能工厂解决方案的领先者，拥有航空航天、军工电子、机械制造等600余家高端用户，很多案例已经成为国家级智能制造示范工程。
一、改变传统粗放型管理，构建智能型数字化车间
（一）市场竞争加剧，成本快速上升，倒逼企业转型升级
随着市场竞争进一步加剧及用工成本持续增加，制造企业面临着很大经营压力。粗放型的生产管理已经不能适应今天的发展需要，企业需要以提质增效为中心，借助新理念、新技术，对原有的生产模式进行变革与升级，全面提升企业的竞争力。
（二）智能制造等新理念推动企业转型升级
智能制造已经成为制造业转型升级的重要抓手与核心动力。促进制造企业智能化转型升级的顺利开展，已经成为制造企业的重要历史使命。
（三）车间已成为企业竞争力短板，亟待改造与提升
车间作为制造企业的重要组成部分，是将各种市场需求、设计图纸转换为产品的场所，是企业核心竞争力所在。但现在，很多车间还是停留在较为原始的管理水平，比如：数字化设备还处于单机运行状态，计划处于凭经验的粗放模式，库存积压或短缺时常发生，交货期、质量得不到保证，成本居高不下。企业不能为市场高效、高质、低成本地提供生产和服务，导致企业竞争力不足。
企业急需在车间层面通过数字化、网络化、智能化改造与升级，形成网络化、集群化、柔性化的生产模式，构建软硬一体、虚实融合的车间级 CPS，从而提升生产效率与产品质量，降低生产成本，提升企业的竞争力。
二、数据有序流动，虚实一体化智能生产新范式
结合十多年数字化车间建设的经验，兰光创新以中国制造业转型升级为宗旨，以两化深度融合为突破口，以精益生产为指导思想，参考德国工业 4.0 等先进理念，结合企业实际情况，建设“设备自动化、管理信息化、生产精益化、人员高效化”，打造领先的 CPS的数字化车间。
系统建设主要有三条主线，一条主线是对机床、机器人、测量测试设备等组成的自动化设备与相关生产设施互连互通，实现生产过程的精准执行，这是数字化车间的物理基础。第二条主线是以MES为中心的智能化管控系统，实现对生产过程的数字化、网络化、智能化管控，这是典型的赛博系统。第三条主线是在设备互连互通的基础上，并以之作为桥梁，嫁接起赛博空间的MES等信息化系统与机床等物理空间的自动化设备，实现了赛博、物理两个世界深度融合。三条主线交汇，实现数据在自动化设备、信息化系统之间进行有序流动，将整个车间打造成了软硬一体的数字化、网络化、智能化的系统级CPS。
在生产设备、生产设施等自动化的基础上，以降本、提质、增效、快速响应市场为目的，基于对工艺设计、生产组织、精益生产等环节的优化管理，通过数字化、网络化、智能化等先进的信息化技术，对人、机、料、法、环、测等生产资源与生产过程进行精细、精准、精确、灵活、高效地管理与控制，实现设备自动化、管理信息化、生产精益化、人员高效化的智能化生产管理模式。
三、六维智能，打造CPS理念的智能工厂
（一）技术方案
1.整体架构
本系统以CPS理念为指导思想，根据数字化车间的特点，拓展为连接、管理、控制、协同、优化、交互等六个维度，并进行精心打造。系统架构图如图1所示。
以精益生产为主线，以CPS为指导思想，以图形化高级排产与设备互连互通为技术核心，通过数字化、网络化、智能化等技术手段，建成设备的互连互通，以及计划、文档、物料、工具等相关工作协同生产的制造环境，实现了设备等物理实体与信息系统赛博虚体之间的深度融合。对生产计划进行管理、拆分、下达，将车间生产管理、质量检测、库存管理集于一体，达成车间完工及时检验、及时入库、及时反馈，实现生产过程各个环节数据的信息共享，减少传统的纸张传递过程，实现车间现场无纸化生产。对工业大数据生产过程中的计划、物料、设备、质量等进行深入挖掘与分析，以可视化的方式呈现，有效地指导车间科学、高效、高质的生产。
图1 系统架构图
2.核心技术点
1）智能互连互通—实体连接赛博。
通过实施设备物联网系统，将车间中的机床、机器人、AGV、热处理炉等数字化设备实现互连互通，包括加工程序的网络化传输、设备状态的远程自动采集、工业大数据智能化分析与可视化展现，生产设备由信息化孤岛变为信息化节点，物理设备融入到赛博空间，构成了一个设备级的CPS，如图2所示。
图2 物理实体连接赛博空间
2）智能资源管理—赛博管理实体。
通过对生产资源（物料、刀具、量具、夹具等）进行出入库、查询、盘点、报损、并行准备、切削专家库、统计分析等管理，在赛博空间实现对物理空间的库存进行精益化管理，有效地避免因生产资源的积压与短缺，最大程度地减少因生产资源不足带来的生产延误，也可避免因生产资源的积压造成生产辅助成本居高不下的问题，如图3所示。
图3 赛博管理实体
3）智能生产协同—赛博协同实体。
通过信息化手段，以设备为中心，工人、库房、技术、检验等相关人员并行准备、协同生产。这样，通过智能化的生产协同管理，将串行工作变为并行工作，从而明显地减少设备等待时间，提升设备的利用率，缩短产品生产周期，如图4所示。
图4 赛博协同实体
4）智能计划排产—赛博优化实体。
通过APS高级排产算法，按照交货期、同一订单优先等多种排产方式，将每一道工序分解到每一设备的每一分钟，最大程度地减少交期延误，提升设备的有效利用率，如图 5所示。只有从源头上做到计划的优化，才能保证生产过程的有序、高效。
5）智能质量控制—赛博控制实体。
通过对机床、熔炼、压铸、热处理、涂装等数字化生产设备进行数据采集与智能化管理，对各类工艺过程数据进行实时监测、动态预警、过程记录分析等功能，可实现对加工过程实时、动态、严格的工艺控制，确保产品生产过程完全受控，如图6所示。
6）智能决策支持—赛博交互实体。
通过对生产过程中的设备、生产、质量、库存等多维数据的采集、挖掘、分析、展现，为各类人员提供科学、直观的图形、报表，在赛博空间实现对物理实体的同步展现与人机交互，也可对设备进行预测性维护，提前规避因为设备的突然宕机而影响车间的正常生产，如图7所示。
图5 赛博优化实体
图6 赛博控制实体
图7 赛博交互实体
3.功能描述
本系统涵盖了数字化车间的方方面面，从功能模块上讲，主要由以下主要模块组成。
基础数据管理：包括组织结构、人员及权限管理、客户信息管理、设备信息管理、产品BOM及工艺路线、系统设置、日志管理等。
设备物联网：包括数字化设备的互连互通、程序网络化传输、程序数据库集中管控、程序编辑仿真、设备数据采集、大数据分析及展现、预测性维护等模块。
计划管理：包括计划管理，项目的创建、分解、浏览、修改、激活、暂停、停止、统计等。
作业管理：包括计划派工管理、调度管理、零件流转卡管理等。
高级排产：通过各种算法，自动制订科学的生产计划，细化到每一工序、每一设备、每一分钟。对逾期计划，系统可提供工序拆分、调整设备、调整优先级等灵活的处理措施。
现场信息管理：任务接收、反馈、工艺资料、三维工艺模型查阅，利用各种数据采集方式，进行计划执行情况的跟踪反馈。支持条码、触摸屏、手持终端、ID卡扫描登录等各类反馈形式。
协同制造平台：主要是调度管理、实时动态看板、工具、物料、技术文档生产准备，生产信息、现场异常信息的发送及交互功能等。
物料管理：包括车间二级库房的日常事务管理。
工具管理：包括工具库房的出入库等日常事务管理。
设备管理：包括设备维修、设备保养、备品备件管理等功能；通过与设备物联网进行集成，实现设备运行数据集中显示。
质量管理：包括对质量进行实时管理、监控，对系统中的质量记录进行相关分析、统计，支持质量追溯功能等。
决策支持：包括计划、执行、库存、质量、设备等各种统计、分析报表，通过各类直观的统计图表，为车间管理层提供决策依据。
系统集成接口：与其他系统进行集成，实现数据共享。
（二）实施步骤
本着总体规划、分步实施，最终打造数字化车间的原则，本系统实施工作主要分四步。
1.网络建设，基础先行
构建满足车间CPS要求的工业网络环境，为CPS的建设提供网络基础。
2.泛在连接，实现设备的互连互通
以生产设备为主线，将全部数字化设备连入网络。通过不同设备的泛在连接与异构集成，实现设备的互连互通，包括机床程序的网络传输、程序数据库管理、程序编辑与仿真、设备数据采集、工业大数据分析与可视化展现等功能。
3.数据有序流动，实现生产的协同管理
通过实施以MES为核心的信息化系统，围绕图形化的计划编制、派工、数据采集、质量跟踪、库存管理和资源管理等环节，建立一个高效的信息化管理系统，实现人、机、料、法、环、测各个环节数据的信息共享与数据的有序流动，达到生产物理设备与信息系统之间的深度融合，实现精细化、精益化、透明化、协同化、智能化的生产模式。
4.数据深度挖掘，进行设备预测性维护
通过对采集到的生产设备数据进行深度的机器学习与数据挖掘，实现生产设备的预测性维护，减少因突发的设备故障而影响正常生产。
四、应用效果
（一）设备互连互通，使“哑设备”聪明起来
通过设备的互连互通，将车间的数控机床、热处理设备、机器人等数字化设备实现网络通信、数据远程采集、程序集中管理、大数据分析、可视化展现、智能化决策支持，将设备由以前的单机工作模式，变为数字化、网络化、协同化、智能化的管理模式，实现了设备由“哑”到“智”的质变。
（二）车间各工种协同，实现全面的数字化管理
通过系统中的计划、排产、派工、物料、质量、决策等模块，以信息化为手段，实现了各种信息的共享与协同，做到了车间层面精准的计划、精益的库存、精细的管理。通过充分利用网络技术、信息技术，可明显降低生产经营成本，提高质量，提高客户满意度。
（三）虚实融合，开启智能制造新模式
改变了传统粗放的制造管理模式，做到了“虚拟世界与物理世界深度融合，虚实精准映射，相互促进”。通过设备物联网，将各种数字化设备与信息化系统进行深度集成，实现决策与生产管理的智能化，做到了设备能听话（与外界能通信）、能说话（数据远程自动采集、可视化展现、短信通知等）、能思考（大数据分析、智能化决策）、能执行（能敏捷、快速、准确地通过设备自身或者人工等方法进行及时、正确地执行或干预），实现信息、物理世界深度融合，相互促进发展。
车间各岗位及各设备都融入了整个信息化系统，牵一发而动全身，车间做到了“眼观六路，耳听八方”，领导者基于实时化、数字化、网络化、智能化的信息系统，做到了“看得见、说得清、做得对”，实现了生产过程的智能化管控，实现了生产过程的“Smart Manufacturing”，即灵活、高效、高质、低成本、绿色、协同的智能化生产与服务模式。
（四）机器学习，设备预测性维护助力无忧生产
对设备主轴、丝杠等关键部位进行实时的数据采集，通过设备历史数据及群组设备数据的采集、存储、清洗、抽取、分析与预测，掌握设备健康与故障不同时期的特征，可在设备重大故障发生前提前预警，便于企业维护，避免因为宕机造成更大的损失，实现一种无忧的生产模式。
（五）经济效益明显
使用本系统后，企业日常的管理工作将会得到显著改观，可提升生产效率30%以上。
五、推广意义
本系统适用于航空航天、军工电子、汽车制造、机床装备、工程机械、五金模具等离散制造行业，可以很好地解决这些企业中数字化设备的互连互通、生产过程的精细化、数字化、网络化、智能化的管控，对缩短交货期、提升产品质量、降低生产成本、快速响应市场，全面提升企业竞争力，实现企业智能化转型升级都有很好的促进效果。
该系统已经在军工、汽车等众多单位得到成功应用，荣获“2016年度工业大数据十大创新引领”“2017年度中国工业软件优秀产品奖”等荣誉，具有很强的行业推广与示范价值。
摘要
本方案重点围绕中国石油化工集团公司（简称中国石化）智能工厂建设，认为石化信息物理系统是智能工厂的基础设施，目的是构建一个以泛在感知和泛在智能服务为特征的新一代石化生产环境。通过将无处不在的传感器、智能硬件、控制系统、计算设施、信息终端通过CPS连接成一个智能网络，企业、人、设备、服务之间能够互连互通，并最大限度地开发、整合和利用各类信息资源、知识、智慧。石化CPS着力打造流程工业智能工厂、智能物流、智能服务与智慧园区、智慧城市融合的生态体系，促进了物联网、大数据、人工智能等信息技术与传统产业的工艺技术、装备技术、工程技术、运营管理等深度融合，形成了数字化、网络化、智能化的新模式，推动流程工业产业变革，促使传统产业提质增效。
前言
石化盈科信息技术有限责任公司成立于2002年7月，是高新技术企业、国家规划布局内重点软件企业，拥有5项顶级资质及ISO、CMMI等12个专业认证。石化盈科从2013年起开展对信息物理系统的研究和探索，总结多年来在石化行业的生产经验，结合《信息物理系统白皮书（2017）》对石化行业产业特征进行深入分析，对石化信息物理系统（Petrochemical Cyber-Physical System，PCPS）的建设进行了探索。于2015年打造了石化智能工厂1.0，并形成智能制造平台ProMACE 1.0。2016年启动智能工厂升级版（2.0）的建设工作，面向数字化、网络化、智能化现代石化工厂的目标，以满足石化智能制造的建设需要，提出“平台+数据+服务”的建设模式，构建石化行业CPS，以满足石化智能制造的建设需要，也为整个行业的智能制造提供支持与服务。
一、加快传统制造业转型升级，提高石化行业智能化水平
经过数十年发展，中国石化工业已建成完整的工业体系，在国民经济中的地位日益增强。当前中国已成为世界第一大化学品生产国、世界第二大炼油大国，截至2016年年底，炼油总能力达到7.5亿吨/年，占世界总能力的16.7%，全年乙烯产量达1 800万吨。
中国炼油工业在规模、技术和产品质量方面均已达到国际先进水平，拥有催化裂化、延迟焦化、催化重整、加氢裂化、加氢精制、渣油加氢等6大炼油核心技术，具备自主知识产权的千万吨级炼油和百万吨级乙烯炼化一体化、清洁油品生产、重油轻质化、芳烃生产、炼油环境保护等5大成套技术。此外，中国还拥有强大的炼化工程设计、施工、监理和项目管理（EPC）能力。