西门子中压无锡工厂生产决策支持系统: 打造基于工业云的“透明工厂”

从刚性制造向柔性制造转变是“工业4.0”的重要标志。西门子中压开关技术（无锡）有限公司联合西门子（中国）有限公司无锡创新中心，研发并实施生产决策支持系统，打造基于工业云的“透明工厂”。该系统融合数据采集智能网关、语义技术、OPC UA和PROFINET通信等物联网技术，破解异构数据整合和工业级数据传输两大难题，实现对人、机、料等各环节的全方位透明化描述和追踪。西门子中压公司实施该系统后，每年避免因物料内部运输错误或丢失造成的经济损失数十万元，企业通快机床等主要生产设备综合利用率提升10％，在2016年西门子能源管理集团内部的精益生产管理评比中获得78分的高分。目前，该系统已在无锡、昆山、蚌埠、东莞、成都等地工业企业应用推广。

物联网技术助企业打造“透明工厂”

作为“工业4.0”的重要标志之一，柔性制造打破了传统刚性自动化生产线运营模式，转向以满足个性化定制需求为目标的“以销定产”模式。中小型工业企业具有生产规模小、生产灵活性大、成本敏感性高等特点，在尽量不改变原有生产流程的基础上提升柔性制造能力对中小型工业企业发展至关重要。

西门子中压开关技术（无锡）有限公司（简称“西门子中压公司”）成立于1997年，年营销额达到14亿元人民币，员工人数约900人，是一家典型的中小型工业企业。

柔性制造要求企业具备两种能力：一是产品设计与订单管理的敏捷反应能力，二是生产过程控制的柔性反应能力。近年来，西门子中压公司在订单管理和产品设计上陆续应用了SAP、NX－tool等管理软件系统，已具备一定的敏捷反应能力。但是在生产现场数据记录环节依然大量依靠人工，经常发生错记、漏记现象。生产现场数据“不透明”造成管理软件和生产过程的脱节，严重影响管理决策的可靠性。

从这一环节入手，西门子中压公司联合西门子（中国）有限公司无锡创新中心（简称“西门子无锡创新中心”），研发实施生产决策支持系统，以物联网技术为基础，打造基于工业云的“透明工厂”，提升生产过程的透明化水平。

“‘透明工厂’就是要让管理者能够对工厂生产全流程一览无余、了如指掌。其中，物料、设备和人员是工厂内最主要的三大主体，也是这套系统所要重点监控的目标。”西门子中压开关技术（无锡）有限公司GIS工厂生产制造部经理乐又康说。

据介绍，西门子中压公司生产车间每年涉及上万种零部件的调配，原来单纯依靠人工操作叉车配送，因物料错配和丢失产生的直接或间接额每年达数十万元。因此，生产决策支持系统把对物料的监控作为重点，实时确定物料的位置，防止错配和丢失的情况发生。

生产决策支持系统采用“条码记录物料起始信息＋动态记录叉车轨迹”方式，实现对叉车和物料的实时定位。该系统给每种零部件的物料筐贴上记录着配送单号等信息的条码，并在叉车上安装陀螺仪和加速度传感器。在运输起点，叉车司机用智能移动终端扫描条码，并将配送单号等信息同步上传至云平台，之后由叉车运输物料。在运输过程中，基于部署在工厂内的大量无线网络节点和叉车上的陀螺仪和加速度传感器，利用无线定位和惯性导航技术，实时描绘叉车的移动路径，对比全厂地图后，可以准确获得叉车位置，进而追踪所运物料。

提升设备利用率是生产决策支持系统的另一目标。西门子中压公司为确保产品质量，在生产制造过程中大量采用进口机床设备，主要设备价格均在500万元以上，因此设备利用率的提高就意味着每年可节省数十万元的成本。

生产决策支持系统分解和细化原有监控环节，帮助管理者提高设备利用率。例如，在激光切割机床周围安装有8个传感器，其中2个监控上料和下料动作，3个监控人员位置，3个监控机床的工作状态。“这样将生产过程的监控数据量提高到原来的8倍，把许多监控环节做了更精细的分解。有了这些数据，我们不仅可以准确模拟计算出机床利用率，还可以进一步分析原因，做出更科学、更有针对性的措施。”乐又康说。

目前，生产决策支持系统已应用在西门子中压公司的6个生产车间，共安装了上百个不同类型的传感器，设备综合利用率从70％提高到80％以上。在2016年西门子能源管理集团内部的精益化管理评分中，帮助西门子中压公司得到了78分的高分（100分制）。

创新研发破解两大技术难点

西门子无锡创新中心是生产决策支持系统的研发者。西门子无锡创新中心主任张明介绍，该系统融合智能网关、语义技术、OPC UA和PROFINET通信等物联网技术，实现对人、机、料等各环节进行全方位的透明化描述和追踪，在研发实施该系统的过程中，重点解决了两大技术难点。

难点一：如何整合多源、异构的数据。

生产决策支持系统主要应用于建成工厂的透明化改造。西门子中压公司已生产经营近20年，在不同时期陆续应用了多种第三方企业管理系统和不同厂商生产的机床设备，这些系统和设备的数据格式、通信接口都不一样，整合这些多源、异构的数据成为实施生产决策支持系统的一个难点。

数据采集智能网关和语义技术为整合多源、异构数据提供了有效路径。首先，西门子无锡创新中心根据不同系统和设备，定制专用的数据采集智能网关，配合多种传感器，在生产现场采集机床、叉车等多种生产设备数据。然后，使用语义技术对生产线及设备数据进行描述，应对生产模式和数据的差异性，构建统一的生产数据模型。最后，利用描述好的生产数据模型，对多源数据进行整合，形成数据闭环。

该系统的数据整合范围包括生产计划数据、物料仓储数据、设备利用数据和生产加工执行数据等。基于这些数据，该系统可为企业提供从生产计划到生产执行反馈的全方位数据服务。

难点二：如何实现高效、稳定的工业级数据传输。

一方面，工业通信的控制对象大多是机床等高价值设备，要求容错率更低。另一方面，工厂生产环境极为复杂，不同区域可能分别存在高速、高温、高压、真空、强磁等情况，要在各种极端条件下保证数据传输的稳定、高效，难度很大。

生产决策支持系统采用“OPC UA＋PROFINET”的通信协议架构。据介绍，OPC UA是最新发布的自动化行业的通信标准框架，具有高扩展性，同时支持多种已有的标准工业通信协议和自定义协议。

PROFINET是由西门子主导制定的工业以太网通信协议，具有高安全性、高适配性和高精度等特点，可根据响应时间不同，支持TCP／IP、实时（RT）通讯和同步实时（IRT）通讯三种方式。例如在机床高速运动控制中，PROFINET的同步实时（IRT）功能可实现精确和稳定的数据交换，响应时间最短可至1ms，抖动误差小于1μs。

此外，PROFINET在有线通信基础上，支持工业无线局域网通信（IWLAN），避免接触导线等易于磨损的技术部件，降低维护成本，提高工厂规划的灵活性。

将实现“乐高积木式”功能组合

调研显示，截至去年底，江苏省中小型企业总数达248.2万家，同比增长22.3％；其中，工业企业55.3万家，同比增长6.6％；规模以上中小工业企业46367家，位居全国第一。

数量众多的中小型工业企业为生产决策支持系统提供了广阔的市场空间。目前，该系统已在无锡凯迪航空和西门子爱克斯射线无锡工厂等企业开展技术沟通和调研，同时在昆山、蚌埠、东莞、成都等地工业企业推广。

“下一步，我们将依托西门子工业云平台，提高系统的可复制性和通用性，构建设备监控、物料跟踪、生产过程跟踪、人员管理和质量追溯等五个功能模块，针对各企业不同情况，实行模块化组合。”张明说。

据介绍，西门子工业云平台是西门子在全球范围内推出的开放性合作平台，汇集海量的专业数据和专家团队，提供开放的功能接口，吸引行业客户或软件开发者开发更多的工业APP，并将这些APP推荐给更多的客户使用。

“未来，我们提供的功能模块就像乐高的基础积木，客户或合作伙伴只需要像搭积木一样，把它的物联网应用模型逐渐搭起来。”张明说。

企业简介：西门子中压开关技术（无锡）有限公司是由德国西门子股份有限公司与无锡电子仪表公司于1997年创建，市场占有率在国内中压开关行业的外资企业中位列前三。当前员工约900人，3个厂区占地面积共57000平方米，年营业额达到14亿元人民币，主要从事陶瓷真空灭弧室、固封式真空断路器、气体绝缘开关柜（GIS）以及有关产品的设计、测试、生产、市场销售及技术售后服务。主营产品应用于国家高铁、国内多个城市的地铁和城市供电网络，并远销马来西亚、沙特阿拉伯和澳大利亚等国家。

西门子（中国）有限公司无锡创新中心成立于2013年。作为西门子中国研究院与本地合作伙伴的桥梁，无锡创新中心致力于在工业物联网领域探索前沿技术，并与本地合作伙伴、终端用户共建应用示范项目，探索满足中国市场需求的创新解决方案。目前，无锡创新中心主力产品“基于工业云的生产决策支持系统”已应用在西门子中压开关技术（无锡）有限公司，未来将推动构建本地工业物联网创新生态圈。

案例简述：“工业4.0”时代，柔性制造能力决定中小型工业企业竞争优势。“西门子中压工厂生产决策支持系统”，依托西门子工业云平台，应用智能网关、语义技术、OPC UA和PROFINET通信等物联网技术，破解多源异构数据整合和极端条件下工业级通信两大难题，构建设备监控、物料跟踪、生产过程跟踪、人员管理和质量追溯等五大功能模块，实现对工厂内人、机、料各环节的全方位数字化描述和追踪，帮助企业打造“透明工厂”，提升企业柔性制造能力。目前，该系统已首先应用于西门子中压公司7个生产车间，并在无锡、成都、东莞、昆山、蚌埠等地工业企业推广。