智能工厂系统-参考

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智能化工厂系统

（计算机专业）

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2018 年 12 月 14 日

智能工厂系统

1智能工厂概述

1.1智能工厂介绍

在当前智能制造概念弥漫全球的背景下，世界各国都将智能制造作为自己的国家战略。《德国工业4.0》，《中国制造2025》都明确提出智能制造必将是未来制造业技术进步的发展方向。

中国《智能制造发展规划（2016-2020 年）》指出，智能制造是基于新一代信息通信技术与先进制造技术深度融合，贯穿于设计、生产、管理、服务等制造活动的各个环节，具有自感知、自学习、自决策、自执行、自适应等功能的新型生产方式。

钢铁行业作为中国的传统行业，在经历了多年的自动化、信息化系的发展建设后，必将进入智能化时代。智能工厂系统整体规划将基于最新的工业4.0理念，采用国际先进的设计标准和设计理念，对全厂的信息化系统进行整体规划，通过两化深度融合，建立精细高效的新管理模式，推动公司产品结构调整和产业链延伸，进而提升产品竞争力和市场影响力，实现可持续发展，打造新一代的智能钢铁厂。

智能工厂系统主要在利用工厂原有的从一级基础自动化，二级过程控制，三级制造执行，四级ERP，到五级决策支持的整体信息化体系架构的同时，结合BIM，移动互联，大数据智能算法等先进互联网技术，从全流程大数据质量管控、全生命周期数字化以及供应链互通互联等方面进一步优化补充，实现企业的智能制造。

1.2设计原则

本系统方案将根据信息系统的设计规范和设备监控要求，充分结合当今的工业4.0和智慧工厂等智能制造企业的设计要求和设计原则，使得管理系统具有适用性、可靠性和可维护性等，本方案设计原则如下：

（1）安全性和可靠性原则

钢铁企业的生产运营有其自身固有的一些特点，对各项数据的实用性、安全性要求较高，各部门息息相关。因此，具有高可靠性和强大有效的容错能力是系统设计的重要前提。

（2）可扩充性原则

软硬件系统应满足不断优化、平滑升级的要求，具有可扩充性，以充分保护用户的利益。

（3）经济性原则

在保证功能完整的前提下，按照合理、实用的原则选用新设备，努力降低工程建设投资。

（4）支持生产经营业务原则

智能工厂系统应围绕公司的生产经营目标，以提高生产效率、提高产品质量、节能降耗为原则，进行系统和工程设计；以实现“物流、信息流、资金流三流合一”为目标，为公司生产、经营和管理决策提供所需的数据信息，实现信息资源共享。

（5）总体策划、分期实施的原则

本着“总体策划、分期实施”的原则，对整个企业信息化进行总

体设计，确保系统的完整性。但在今后的实际建设过程中，可根据资金投入情况、应用系统重要性和紧迫性情况等，分若干个阶段进行。

（6）合规性原则

遵循钢铁信息化方面的相关规定、要求、规范。

（7）与工艺设施建设同步的原则

重要的信息系统应与工艺设施建设同步“设计、实施、投运”。

1.3设计范围

（1）设计范围覆盖工程项目中的：铁前区、炼铁区、炼钢区、轧钢区和全厂公辅设施等。

（2）本方案包含所有重要的生产、经营业务，并将其固化在计算机应用系统中，实现公司生产、质量、成本管理一体化、生产过程管理计算机化，达到物流、信息流同步；展现公司生产、质量、成本等实时信息，帮助各级管理人员及时掌控公司生产、质量、成本状态。

1.4设计规范与规定

?GB50396-2007《出入口控制系统工程技术规范》；

?GB50373-2006《通信管道与通道工程技术规范》；

?GB50174-2017《数据中心设计规范》；

?YD/T5034-2005《数字集群通信工程设计暂行规定》；

?YD/T1800-2008《信息安全运行管理系统总体结构》；

?YD/T1402-2005《IP网间互联总体技术要求》；

?GB50414-2007《钢铁冶金企业设计防火规范》。

?IEC 62443《工业过程测量、控制和自动化网络与系统信息安

全》。

2智能工厂设计思路

2.1智能工厂建设目标

为积极响应国家“创新、协调、绿色、开放、共享”的五大发展理念，贯彻落实《中国制造2025》、《钢铁工业调整升级规划（2016-2020年）》、《国务院关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》相关政策要求，结合钢铁企业自身面临的形势、生产现状、存在的问题，以及对未来发展规划需求，拟对其工艺流程、绿色环保、智能制造等方面进行全面优化升级改造，将企业打造成国内一流、绿色、智能的生产基地，实现质量与效益的双提升。

企业进行智能工厂建设后，从原料到产成品整条生产线实现调度集中管控，智能化扁平管理，生产组织简单高效，能源消耗和污染物排放全面稳定达标，产品质量稳定性和可靠性水平大幅提高，全工序吨钢成本下降，提高公司的竞争力。智能工厂建设的目标如下：（1）通过企业信息化，引进先进管理模式，实现企业现代化管理。

（2）以精简高效的业务架构为基础、合理流畅的管理流程为导向，以规范先进的管理标准为依据，实现管理过程的高度规范化、科学化。

（3）实现精细化管理、规范化操作、准时化生产，实现生产经营活动全过程的动态实时可观、可控，提高企业的响应能力和应变能

力，全方位提高企业整体的市场综合竞争力。

（4）通过企业信息系统的完善，逐步建立两化深度融合的“数字化智能工厂”。

2.2智能工厂整体设计理念

基于“绿色、智能”的建设理念，按照《国家智能制造标准体系建设指南》的建设思路与目标，同时借鉴德国“工业 4.0”，美国“智能制造生态系统”的建设思路，对智能制造工厂进行信息化总体规划。

智能制造系统采用“一个中心、一张地图、一个平台”的整体设计理念。

图1—钢铁企业智能制造体系架构图

一个中心：指提供企业信息化、智能化系统的基础支撑平台，包含企业的管控中心、云数据中心、网络中心。

管控中心实现企业主要生产运营业务的智能化调度管理，以管控中心的监控大屏幕，智能化的信息系统为载体，实现企业生产、能源、设备、物流等多种业务的扁平化、集中化的公司级管控。

云数据中心将充分利用云技术、虚拟化技术实现对智慧工厂信息化系统的硬件支撑，提供各智能化信息系统所需的服务器资源。

网络中心将实现对公司所有智能化系统网络的统一管理，保障公司整体信息网络、物联网的互联互通和安全可靠。

上述三个中心（管控中心、云中心、网络中心）最终将在公司级的管控中心大楼内实现合并统一为一个中心，该中心将作为公司日常生产运营的核心大脑所在，公司的管控调度人员将在此统筹管理整个公司的日常生产运营信息。

图2—智能工厂调度监控中心

一张地图：是整个智能制造体系框架的基础，充分结合三维BIM 技术，建立和实际工厂同比例大小的三维数字化工厂地图，重点体现厂房建筑信息、设备信息、管网信息等内容，为构建最终的数字化运营管控平台奠定基础。

三维数字化工厂地图从企业的规划阶段开始筹建，贯穿规划、设计、施工建设、竣工交付、运维等整个生命周期，实现数字化全生命周期管理。

一张地图配合数字化工厂管理系统，实现动态的全流程作业管控，智能化设备运维管理等，有效提高企业管控和调度效率。通过一张地图实现钢铁企业的全面数字化管理，包括工厂数字化、车间数字化、设备和管线数字化，通过打造与实际工厂相同的虚拟化工厂，实现全生命周期的工厂三维综合展示、全流程的生产管控、智能化的设备运维管理、智能化的管网安全监控管理、浸入式的操作培训和考核管理以及应急演练仿真管理等内容。创新性的改善钢铁企业传统的工作方式，建立起资产管理新观念，有效的优化运营管理制度，提高事故处理效率。

图3—智能工厂运营管理平台

一个平台：即建立公司级的生产、能源、物流、设备等主要业务的集中数字化运营管控平台，融合企业的各级信息化系统数据信息，以三维的数字化工厂地图为基础，作为公司级的管理看板为各级管理层提供企业重点的生产指标运营信息，是智慧工厂的运营管理核心。

该数字化平台将作为企业的全方位运营数据来源，整合提取经营、生产、能源、设备、物流等各业务数据，为构建企业的大数据管理和分析系统提供全方位的数据支撑。

图3—智能工厂运营管控平台

2.3智能工厂系统体系架构

基于“智能制造、大数据、互联网+”以及“集中、简单、直接、连续、流畅、高效”的原则，在企业战略地图和流程管理需求总体框架下，搭建起稳定可靠的设备控制系统、高度自动化的过程控制系统、连续高效的精益生产系统、集中统一的ERP系统、科学严谨的决策支持系统以及协同协作的网络办公系统，实现供产销一体化的计划体系、供产销一体化的执行体系、供产销一体化的跟踪体系、供产销一体化的平衡体系、互动快捷双赢的营销体系、至诚共赢进取的服务体系、动态高效透明的监控体系、科学精细严谨的决策体系。

（1）公司管理模式的要点

1）适应集团运营管控的高效复合管控模式。

2）公司对核心业务单元实施集中管控的运营管控模式。

3）对核心业务单元按“公司－专业厂－作业区”三级设置管理架构，实施管理。

4）公司为生产经营管控中心；各专业厂为成本中心，主要负责执行生产计划，同时保证品种、产量、质量、成本、安全、设备运行等各项技术经济指标的实现。

5）建设与企业同步发展的信息化系统。通过建设覆盖全公司各个领域的信息化系统，在公司各个领域管理模式推进的同时，配套实施公司信息系统，为公司现代化管理提供有效支撑手段。

（2）智能工厂系统总体架构

智能工厂管理系统功能分为：

第五级商务智能系统（L5）；

第四级企业资源计划系统（L4）；

第三级生产管理系统（L3）；

第二级为过程控制系统（L2）；

第一级为基础自动化系统（L1）。

图3-1 智能工厂系统总体功能架构图

第五层为企业经营决策层，主要是企业决策支持系统，利用信息化的手段提取企业采购、销售以及生产经营的重要数据，为企业决策者提供支持；

第四层为企业资源管理层，针对公司业务层面的管理，包括公司ERP、办公自动化OA，电子商务平台等，实现对研发、工艺、财务、成本、人事、资产、客户等信息处理；在现代企业管理理论的指导下，通过信息系统把先进的管理理念和方法固化下来，对企业的内、外部供应链进行系统、高效的整合和管理。

第三层为智能制造层，主要负责公司各个业务生产单元的制造执行全过程，从工厂接受产品订单至产品入库整个生产过程的管理，重

点是生产管理，是企业信息化和过程自动化之间的核心衔接层。

第二层为过程控制层，是连接生产管理层和基础自动化层的关键控制层，主要实现计划管理、跟踪及数据采集、设定值计算、停机管理和质量管理等功能，是机组控制的有效手段。

第一层为基础自动化层，是直接面向设备的控制层，主要完成各机组的设定值设定、各项参数控制、数据采集、质量控制和设备诊断系统，可独立进行生产，是生产过程中的重要环节。

3服务器云平台及网络平台

3.1服务器云平台

随着智能工厂系统建设的深入发展，各项业务应用系统正在不断完善，由于业务应用系统的不同，依照传统做法，系统各自独立分散，服务器资源不能有效利用和共享，机房里逐渐摆满了各个时期和各个系统采购的不同应用系统服务器。服务器数量大幅增加、运行成本高、科技人员维护工作繁重等问题成为急需解决的问题。

为了更好的解决上述传统单一物理服务器应用方式的弊端，可采用虚拟架构软件的虚拟化云平台解决方案，该方案极大的提高了服务器整合的效率，大幅度简化了服务器管理的复杂性，降低服务器运行维护成本，减少服务器硬件资源浪费，降低系统运行风险，提高系统运行的稳定性和可扩展性，实现服务器资源（如CPU使用率、内存的使用率以及磁盘空间等）的动态共享。来实现业务的可用性和连续性。从而消除执行维护时的计划内停机以及利用其可靠、经济、高效的灾难恢复解决方案应对计划外停机，满足公司对于关键业务系统高可用

性与连续性的苛刻要求。

（1）设计范围

服务器云平台设计范围包括：智能工厂各信息系统。可以满足从智能制造系统到物流管理、能源管理、环境管理、设备管理、全厂检化验、企业资源管理系统（ERP）、协同办公（OA）系统、电子商务、决策支持系统(DSS)等智能工厂系统的需求。

服务器云平台设计覆盖区域包括：公司各生产单元和办公单元。

（2）设计目标

新一代的服务器云平台，应该设计成集中化、虚拟化和自动化管理的架构，不仅有利于数据的安全和系统的稳定，而且能够大大降低运营的成本。

对于公司级的信息数据中心，业务的高可用性与连续性是十分必须的。服务器设备一旦发生故障，将给公司带来诸多不便甚至更坏的影响，为全面确保公司业务的不间断，存储系统也是最核心的部分之一，对于存储系统的要求，第一要满足数据高可用性的要求，同时通过备份系统的设计保障数据的绝对安全。另外，还要能满足未来几年内不断增长的数据对容量的需求围绕着数据量大、数据类型丰富、实时性强，精度高，安全性强等要求。

（3）设计原则

本次项目建设应满足以下几项基本原则：

1）实用性：在满足现有业务基础上，充分考虑现有设备、未来发展和节省投资三个因素。

2）安全性：采用可利用的各种安全手段，防止系统外部的非法侵入以及病毒防护，保护应用系统安全。

3）可靠性：系统设计要有效的避免单点故障，在设备的选择和关键设备的互联时，应提供充分的冗余备份，一方面最大限度地减少故障的可能性，另一方面要保证系统能在最短时间内修复。

4）成熟和先进性：设备选择等方面应采用国际上先进的同时又是成熟、实用的技术和主流品牌。

5）高可用性：在较高的可靠性和可用性前提下，保证系统的正常运行，关键设备做到实时备份和自动故障切换。

6）规范性：系统设计所采用的技术和设备应符合国际标准、国家标准和业界标准，为系统的扩展升级、与其他系统的互联提供良好的基础。

7）开放性和标准化：在设计时，要求提供开放性好、标准化程度高的技术方案；设备的各种接口满足开放和标准化原则。

8）可扩充和扩展化：所有系统设备不但满足当前需要，并在扩充模块后能够满足可预见未来需求，保证建设完成后的系统在向新的技术升级时，能保护现有的投资。

9）可管理性：整个系统的设备应易于管理，易于维护，易学，易用，便于进行系统配置，在安全性、系统性能等方面很好的监视和控制，方便进行远程管理和故障诊断。

（4）设计方案

搭建服务器虚拟化平台，需要有若干台服务器组成服务器集群，

每台服务器分别连接至光纤交换机，再由光纤交换机连接到存储设备，另配备1台VCenter服务器，用于虚拟化平台的管理。

服务器云平台典型架构图如下：

图3-1 服务器云平台典型架构图

服务器云平台优势如下：

①大大降低成本，通过服务器整合，控制和减少物理服务器的

数量，明显提高每个物理服务器及其CPU的资源利用率，从

而降低硬件成本。

②降低运营和维护成本，包括数据中心空间、机柜、网线，耗

电量，冷气空调和人力成本等。

③提高运营效率，加快新服务器和应用的部署，大大降低服务

器重建和应用加载时间。

④主动地提前规划资源增长，这样对客户和应用的需求响应快

速，不需要象以前那样，需要长时间的采购流程，然后进行

尝试。

⑤不需要象以前那样，硬件维护需要数天/周的变更管理准备和

1-3小时维护窗口，现在可以进行快速的硬件维护和升级。

⑥提高服务水平，帮助您的企业建立业务和IT资源之间的关系，

使IT和业务优先级对应。

⑦将所有服务器作为大的资源统一进行管理，并按需进行资源

调配。

3.2网络平台

（1）设计范围

公司网络基础平台设计范围包括：基础网络、信息安全、网络管理、互联网接入单元等。

网络设计覆盖区域包括：公司各生产单元和办公单元。

（2）设计目标

网络能够支持数据、视频、语音传输，网络架构支持三网合一。

各业务网络相对独立，网络之间采用物理或逻辑方式进行隔离。

相同、相近层面的应用系统尽量在一个业务网络中运行，减少数据流在区域之间的数据交换，保证各业务网络的独立性和安全性。

（3）设计原则

1）实用性：采用成熟的主流技术和设备，在保证性能的前提下尽量减少投资；

2）开放性：符合国际标准和工业标准；

3）扩展性：具有扩展升级和灵活变更能力；

4）灵活性：采用灵活的组网方式，便于实现网络调整和维护；

5）安全性：采用冗余技术保证系统的容错性；

6）可管理性：能够监控整个网络的运行状况，合理分配网络资源，动态配置网络负载，迅速确定网络故障等。

（4）网络结构

网络系统的主干部分采用万兆以太网，服务器接入采用千兆网络,桌面接入采用百兆网络。整个网络系统采用星型结构。网络中心内设置网络核心交换机和各系统服务器，该交换机和服务器采用冗余设计，保证系统安全。厂区内设置网络汇聚点，分别实现办公楼、原料场、炼铁区、炼钢区、轧钢区的网络汇聚功能。汇聚点配置汇聚交换机，汇聚交换机和核心交换机之间采用不同线路路由的冗余光缆连接，保证链路安全。各车间的计算机设备通过接入交换机接入汇聚交换机。

INTERNET移动INTERNET网通

防火墙

服务器群

图3-2 网络平台整体架构示意图

（5）网络划分

网络基础平台整个架构包含企业内部网（生产办公网、视频语音网）、互联网接入区。

1）生产办公网

公司生产和办公合用1套物理网络，通过VLAN对网络进行业务划分和管理。

各车间级及以下所有生产岗位上的计算机设备，只允许执行生产业务，不允许用作其他用途。

各办公计算机终端根据管理需要访问办公资源和互联网资源，如需要访问生产数据，进行访问控制。

整个网络覆盖各车间和车间厂房办公楼。网络主干采用三层万兆以太网技术，同时根据需要在各车间配置相应的桌面交换机。

2）视频语音网

该网络用来承载现场视频监控设备和语音设备产生的数据。根据业务的不同，进行VLAN 隔离，同时保证各业务数据安全。

服务器群

IP SAN

IP-SAN 存储

炼钢区

办公区

铁前区

轧钢区

图3-3 视频语音网主干示意图

3）互联网接入区

为保证互联网连接的可控性和可管理性，公司建立统一的互联网出口，接入公司内部网络的所有用户只能通过本出口访问互联网。

在公司互联网接入区内建立门户区，本区域为外部单位访问公司的数据缓冲区，以保证公司内部网络与外部网络数据交换的安全。

根据公司网络规模和对外应用通信的需求，以光纤接入方式向当地ISP 租用主、备两条Internet 接入通道。同时，提供多段公网固定IP ，以作为公司WWW 、邮件、VPN 应用的需要。主通道带宽为100M ；