基于信息模型的MES 及RPAS 共融驱动的智慧工厂实施

一、项目背景

近十年以来，国内物业成本不断上涨，国家环保要求提高，供给侧改革，人力成本上升，大大压缩了企业利润率，加上中国人口红利的有利因素減退，从事制造业的人员青黄不接，数量大幅萎缩，工人招聘困难。

二、面临的问题

(1)设备连接问题:工厂车间混合了各种设备品牌，这些终端设备有着不同的支持协议和不同的专有数据集，设备联接日趋多元化,如何实现设备全面互联互通，以及同一系统兼容不同设备是一大技术挑战。

(2)系统集成问题:企业在发展过程中不同业务产生了不同的数据，各数据之间存在相互隔离状态，导致信息之间的重复出现和冲突，各系统不能实现信息交互和业务间的协同。信息孤岛导致企业无法获得完整集成的信息流，无法实现对产品整个生命周期的全盘管理。行业缺乏统一的技术标准，行业规范化有待加强。

(3)传统开发部署方式的风险和成本高：消费者的个性化需求在增长，工厂需要建立快速响应多样化需求的机制，而基于传统控制论的生产制造过程控制管理方式，人们总是“尽可能详尽地预先定义所有的流程”，从而让所谓的“集中在中央”的“业务处理流程”变得极为复杂，同时也极不稳定，面对个性化需求的增长，优化提高的空间十分有限，且开发成本高。

(4)制造执行上通用性不足的问题：传统MES需要按照行业、产品、业务流程定制开发，花费大量人力物力，一旦更改了行业、产品、业务流程，MES就不能适应了，需要做二次开发，因此要求MES子系统具备通用性。另外还要解决传统MES不能直接发生产控制和数据采集指令到底层设备的问题，即无需使用SCADA系统就能直接从MES层面到设备控制层面执行生产控制和数据采集。

三、解决方案

面对客户及消费者日益增长的高质量、多样化、个性化需求，为了降低成本，提高装备智能化率，打造自动化以及数字化生产线，深圳前海禾盈科技有限公司为客户创造性地开发了UAMES系统及RPAS 智能自动化管理体系，在确保协同供应链及客户的情况下，打造基于大数据应用，且具有“信息化、数字化”等特征的智能工厂，可实现数字双胞胎、可视化生产及管理。

RPAS是世界首例且唯一能够实现从贸易端直接下生产调度指令到生产端的智能自动化管理体系，包含两大系统：智能自动化企业管理系统和设备控制及调度系统，涵盖了工业大数据的三大领域，实现7*24小时全面及无地域限制的智能自动化管理。

UAMES系统是通过OPC UA通信协议真正实现将订单转化为指令发送至底层生产设备的制造执行系统，使用表格法完成MES建模，通过通信协议发送指令到生产设备从而在MES层面实现SCADA功能。

四、技术方案描述

1.系统架构技术方案

如上图所示，系统架构技术方案包含两大层面：智能企业管理层和设备控制层。

智能企业管理层是一套集成式的智能自动化企业管理系统，涵盖了设计（报价）、工程（开发）、采购、供应链管理、仓管、PMC、制造执行（UAMES）、预警管理、品控、销售、关务、售后、会计、财务、考勤、绩效、行政OA 等全方位的企业管理功能, 可实现7*24小时全面及无地域限制的智能自动化管理。

设备控制层包括各种封装OPC UA协议或标准设备接口库的设备控制器系统，如PLC控制系统、 机器人控制系统、 CNC控制系统等，它既能接受智能企业管理层单独操作控制，也能接受企业管理层的整体调度指令，从而实现数字化、 网络化、 智能化、 柔性化的生产控制。

2.程序结构技术方案

如上图所示，程序结构技术方案采用三层结构，分别是表示层、业务层、数据层。表示层由客户端程序构成，安装在客户端机器上。业务层和数据层由服务器端程序构成，安装在服务器上。

表示层：表示层由主体程序应用程序浏览器（EXE程序）和每一个功能组件（DLL）构成。表示层的另外一个实例是RPAS和预警的Windows服务。表示层调用业务层的Web服务。

业务层：业务层由WEB服务组件和数据访问组件构成。表示层通过WEB服务器调用WEB服务组件实现数据通信，WEB服务组件调用数据访问组件完成数据通信，数据访问组件直接与后台数据库完成数据通信。

数据层：数据层主要是后台数据库Microsoft SQL Server。由于数据访问组件主要是数据访问类、方法和属性的定义，严格来说数据访问组件属于数据层的一部分。

五、创新点

1.机器人流程自动化体系

RPAS系统通过革命性创新实现了管理的流程化与自动化，无论在企业内部，还是整个供应链，都大幅减少了人工录入数据和信息传递的工作量和时间。特有的预警功能，能够实现无地域界限和7x24 小时的全流程监控，杜绝人为错误与责任推诿。

2.扁平化结构

UAMES系统打破了传统的金字塔层压式的智慧工厂结构，实现扁平化结构，对智能工厂建立了新的定义、构建方法及新标准。在一个平台里实现了ERP、RPA、APS、MES、SCADA等全面的业务功能。

3.UAMES系统的通用性

可动态完成设备和产品工艺建模，动态上传加工程序，无需二次定制开发，实现柔性化和个性化生产。

六、应用价值

1．在产品设计和报价管理方面，RPAS不仅可管理到每款产品、不同版本的设计图、工艺流程、物料清单，还可管理到产品设计阶段的成本价、客人的目标价格、客人确认价格，保证产品设计款式新颖、报价非常有竞争力。

2．在PMC及生产管理方面，无论产品BOM层次有多深、产品结构和工艺流程有多复杂，RPAS的配料单功能都可帮助管理人员自动安排生产计划，下达生产指令，确保产能配置最优化和订单交货最准时，实现对生产流程的数据全程监控。

3．在财务和关务管理方面，RPAS不仅可管理销售发票、应收（付）款往来、支持全世界范围内国家的报关流程，还可帮助财务轻松准确地生成收支预算平衡表，提前安排好运营资金。同时，系统自动生成的BOSS报表，可以让经营者及管理层更清楚地了解企业经营成本及利润。

4．在设备建模方面，UAMES的控制系统可对所有OPC UA的设备控制系统建模，如果设备控制系统不支持OPC UA，则要实现标准设备接口库，调用设备的API实现与设备的连接、控制和数据采集，这种设备建模方式可支持市场99%以上的提供以太网通信API的设备控制系统，设备建模实现了UAMES到底层设备的连接，无需借助SCADA系统就能实现生产控制和数据采集。

5．在产品工艺建模方面，UAMES的工艺路径更能细分，可以灵活动态配置不同产品、不同生产流程、不同工艺路径的生产控制指令，实现生产控制和数据采集，通用性非常好，无需定制开发MES。

6．在生产调度方面，UAMES的调度单按照开始生产日期，将排产数据生成生产工单，分配工艺路径。给生产工单分派生产设备（底层设备控制系统），生成生产任务。实现生产任务到底层设备控制系统的映射。在调度单的产品工艺BOM视图，执行生产任务，发送控制指令，进行生产加工。

RPAS 管理体系实施后给客户带来在SRM, CRM 及R&D 与生产调度效率提高200%，良品率由95%提高至99.8%，管理人员规模降低80%，生产实现JIT, 库存降低95%，生产周期缩短50%，利润提升200%。

七、项目实施效果

在案例实施前，客户面临着车间自动化和信息化程度低，生产依赖大量人工，车间现场环境较为混乱，生产效率低，交货周期长，产品一致性差，成本高等问题。

客户实施前车间情况

本案例针对客户企业当前问题，运用先进的智能化技术完成配置CNC加工中心、视觉检测机、打磨机、工业机器人、立体仓库、AGV小车等高效率、高柔性的数字化装备和自动化生产线系统。实施基于OPC UA架构的UAMES等工业软件，实现全生产过程管理的数字化、网络化，建立多品种小批量制造环境下的数字化车间及其智能生产管理与决策系统。

利用虚拟现实技术建立车间的三维虚拟仿真模型，对生产与物流进行分析优化，并与UAMES系统紧密集成，实现实时数据驱动的三维生产虚拟监控，从而构建虚实融合的数字孪生车间。

通过本案例的实施，客户在数字化、自动化、信息化、智能化水平都有了大幅提升，达到国内同行业领先技术水平，为五金产业的智能化升级产生示范效应。

其先进性体现在以下方面：

• 通过智能装备实现生产自动化。

• 通过数据采集感知系统实现数据互联互通。

• 通过大数据平台实现智能化管理。

项目实施后客户智能车间建设效果如下图所示：

智能工厂NC产线生产区

智能工厂打磨产线生产区

智能工厂物流仓储区

智能工厂虚拟仿真全景图