基于以太网的智能工厂物流系统分析与设计

鹿玉曼，郭 跃 LU Yuman,GUO Yue

（1.浙江万里学院，浙江 宁波 315100;2.南京大学，江苏 南京 210093；3.宁波工程学院，浙江 宁波 315211）

基于以太网的智能工厂物流系统分析与设计

鹿玉曼1，郭 跃2,3LU Yuman1,GUO Yue2,3

（1.浙江万里学院，浙江 宁波 315100;2.南京大学，江苏 南京 210093；3.宁波工程学院，浙江 宁波 315211）

文章主要研究工业企业以太网PROFINET环境下应用智能工厂物流系统，通过探讨设计智能工厂以太网的网络结构，讨论如何解决降低物流成本和提高服务水平，从而实现智能工厂大规模定制的需求。论证了智能工厂物流系统的四个层次如何在PROFINET环境下实现，并对智能工厂物流系统的系统架构做出初步探索。

工业以太网；智能工厂物流系统；PROFINET

0 引言

随着工业4.0和智能工厂等概念的深入发展，国际社会上实业竞争日益激烈，作为制造大国的中国，仍然存在着制造技术水平不高、科技含量低、生产效益低的情况。2016年我国国内生产总值为7.44万亿元，实现了6.7%的增速，从工业方面来看，全国规模以上工业同比增长6.0%。工业生产明显回升，在2017年，工业经济有望继续保持平稳增长。面对持续增长的工业经济和生产规模，如何实现“十三五”工业节能目标、如何实现规模以上工业单位工业增加值能耗下降18%的目标、如何从制造大国转变为制造强国、如何升级制造业生产技术、如何提高产品的附加值是现在国内制造业面对的一系列大问题。企业想要提高制造业生产技术，自动化设备的使用是不可为避免的，但更重要的是实现货物匹配，有一个适合自己的物流系统。

工业物流是工业生产必不可少的环节，同时也是社会物流的重要组成部分，在全社会物流总额中，工业品物流占90%左右，而在流通过程中，约90%以上时间花费在仓储、运输等物流环节。物流成本过高、物流运行效率低，成为制约我国工业体系健康发展的重要瓶颈，直接影响我国从工业大国向工业强国的转变，加快工业物流转型升级，是降低工业企业物流成本，提高企业核心竞争力，转变工业发展方式的重要途径之一[1]。

由于生产体系愈加精益化、市场需求愈加定制化，现代工厂越来越离不开物流产业。传统工业企业向智能工厂转型是大势所趋，智能工厂是现代工厂自动化到达一定程度的产物，是结合了信息技术、先进管理理念和经营模式的制造服务模式。智能工厂想要实现快速运转、有效控制生产成本，对进货提前期波动的把握和安全库存的确定尤为重要，这就需要一个合理的物流决策体系；并且智能工厂每天有数额巨大的出货量，面对日益剧增的生产物料、生产设备、生产人员，如何做到有机匹配，合理整合，建立一个智能物流系统是必不可少的。

1 工厂物流系统发展研究

工业物流起源于美国，基本理念是：围绕工业企业生产管理，以集中采购为起点，零部件加工、组装、存储为核心，引导采购、仓储、配送、生产等运作部门发挥协同作用，提高社会资源的综合利用效益，降低企业间、部门间的互动成本，面向整个产业链相关企业提供延伸和成套服务的系统工程[1]。

面对工业企业的升级，工厂物流的理念也随之不断发展。李彦云认为，工厂物流是指从原材料采购开始，按照规定的过程经过基本加工和转移活动，最后形成具有一定使用价值的产品，并将之包装、存放、搬运、输送至仓库或用户等一系列物资实体运送的流转过程[2]。窦国勋研究认为，智能物流是通过相应的技术手段使物流体系具备自动化、信息化和网络化三个特征[3]。穆建军也认识到随着工业企业智能化程度加深，自动化物流系统必将转变为智能化物流系统[4]。

现阶段，工厂物流系统几经发展，在战略上工业物流协同进行了功能整合，在运作模式上工业物流系统从职能到整体协同，工业物流系统模式逐步完善，工业物流模式的发展最初动力是工业生产企业想要提高企业各环节的协同效益、提高物资流动的效率，进行内部流程优化提高供应链上下游合作商合作，以标准化、信息化、系统化的生产方式来降低单位产品的成本[5]。同时，面对愈加多变的个性化的市场需求，工业企业想要实现大规模的定制生产，实现对市场需求的快速响应，就需要提高物流系统的响应能力，提高物流系统的柔性以适应生产计划的变更，以便提供更加符合客户个性需求的产品或服务，因此实现工业物流系统的快速响应是未来工业物流系统发展的方向。

近几年，我国大力促进物流业与工业的联动发展，通过供应链管理和对工业企业生产流程再造实现工业企业与物流业的融合发展、互利共赢，及时对我国的工业产业结构调整。通过对整体工业物流效率的提升和潜力的挖掘将极大地提高我国工业企业的国际竞争能力，缓解工业企业经营风险提升效率；促进工业经济结构优化调整；推动工业经济转型升级可持续发展。

智能工厂物流系统在传统工厂数字化基础上，利用物联网技术和监控技术，减少人工干预，通过准确实时的信息采集，合理安排生产计划、能够应对一定的突发情况，实现信息化与自动优化选择。

2 以太网技术在工业生产控制中的应用

以太网技术PROFINET是一种计算机局域网组网技术，在工业上对网络的首要需求是稳定性和高效性，工业以太网的开放性可以使企业信息网络和工业控制网络实现网络的无缝整合。常见的工业自动化系统中PROFINET可以分为管理层、监控层、设备层。

工业以太网PROFINET比起传统总线有很多优势，其主要优势首先，它具有良好的开放性，稳定的传输性能。其次，工业以太网价格低，最重要的是拓扑结构灵活多变，并且工业以太网是基于TCP/IP的标准，系统兼容性高、可操作性高、系统集成性好。总的来说工业以太网PROFINET可以克服网络隔阂，同时可以支持系统不断升级，实现技术上的可持续。PROFINET与传统总线性能对比如表1所示。

表1 PROFINET与传统总线性能对比

工业以太网应用在工业上面临的最大问题是网络硬件的可靠性，现在应用PROFINET主要有PROFINET IO和PROFINET CBA两种方式，这两种方式对比如表2。

表2 以太网PROFINET应用方式

3 智能工厂物流系统结构与设计方法

3.1 智能工厂物流系统架构

想要实现高效益的大规模定制和精益化生产，实现物流的快速响应，一套适合的智能工厂物流系统必不可少。智能工厂物流系统主要功能是降低物流成本，提高服务并实现快速响应。智能工厂物流系统可以大致分为采购、仓储、生产、系统布置四大模块，如图1。

（1） 采购模块

图1 智能工厂物流系统

采购是智能工厂物流系统的基本功能，想要降低物流成本，采购是重中之重。采购成本的控制，需要注意以下两方面的问题：首先，在采购时要做好充分的市场调查，全面考虑工厂与市场的一对一、一对多、多对一、多对多的各种各样模式，结合自身行业特点并通过网络、调研等方式对市场进行深入了解，并结合其周边物理环境得出成本结构，看哪方面对成本影响最大从而做出最优市场选择。其次，要制定好订单处理流程，对交货通知、进货验收、付款结报等流程要有明确标准。

（2） 仓储模块

仓储主要负责物料管理和存量管控，仓库的设计应该具有完备的盘点操作系统、仓储操作系统、物流作业流程并根据产品特性（如形状、重量、大小、形态等）对产品的包装、保管、装卸、运输作业等制定有着相应的标准。对仓库模块，可以把仓库划分机器人区和工位区，机器人通过接到的订单，搬出制定货架或一定区域内的产品运送给对应的工位，分拣工人通过订单详情进行打包，并对产品进行标签扫描确认。

对于智能工厂，其物流系统应具有成本分析与控制的功能，在工业以太网的基础上，实现全网通信，仓储模块可以准确、实时地知道产品的销售、生产和原料的消耗情况，对成本结构进行智能分析，对控制成本起着良好作用。

（3） 生管模块

智能工厂物流系统能否实现降低物流成本实现资金的快速周转的目的，生产模块起着至关重要的作用。智能工厂的物流系统，在全生产链联网的情况下，可以及时获得生产信息、销售数据、市场需求等信息，根据对信息的综合分析制定生产计划、弹性配置制造资源、拟定安全库存，其中生产计划包括短期生产计划编制和中长期生产计划。

工业生产线可以利用机械手臂做一些固定单一的生产工作，同时可以控制、确定生产效率，可以严格按照制定的生产计划进行生产，不会产生冗余。产品生产组装好后，生产机器自动为其贴上射频识别标签，在标签中存储上产品的生产日期、要发往的地点，在产品分拣时，利用自动拣货系统，可以引导货品自动分类，是直接进入发货区还是仓库。这样只需要在分拣机监护、标签检验上投入人力，实现产品的运输、仓储、搬运、装卸等七个环节实现一体化集成。

（4） 系统布置模块

整体上，智能工厂的车间包括基本生产车间、辅助生产车间、仓储车间、数据处理部门、软件服务部门等，它们位置的确定，要注重工厂整体概念，本着市场需求变化、技术和设备的迭代及生产规模可扩大再生产，系统可持续发展的原则；本着装卸、存储、分拣、包装、配送在总体上实现成本最小化、效率最大化的原则，按照从原材料的接收、产品的制造、成品的包装、存储和运输等过程争取满足物流运输距离、运输方式、运输路线利益最大化的要求，将其合理地组织与规划。

区域上，智能工厂车间内设施布置设计是确定的空间内，力求将人员、设备和物料在空间上做到最优分配、组合，从而获得最大的经济效益。其基本原则是：一是生产设备占有空间小的基础上，为职工提供一个安全、方便、舒适的作业空间；二是在生产对象流动顺畅的基础上，实现物料的输入和输出路线最短、最便捷，避免资源浪费。

3.2 生产线控制网络的组建

利用工业以太网PROFINET的生产线控制系统结构网络图如图2。

这个控制系统采用分布式控制系统，把监控层与管理层并为一层，与传统的管理层、监控层、设备层三层网络结构不同，采用分布式控制可以使结构简单清晰，层次明了。PROFINET控制器采集所有PROFINET网络生产设备的数据并对所有设备进行监控，通过设置参数可以对任意PROFINET设备下达指令，在同一个网段下每一个PROFINET设备都有唯一一个IP地址，可以实现全网通信，可大大提高数据处理能力和效率。

3.3 数据处理网络的组建

图2 智能工厂物流系统生产线控制系统

利用工业以太网PROFINET的数据处理系统网络的组建如图3所示。

图3 智能工厂物流系统数据处理架构

想要实现上述功能，需要建立如图3所示的工业以太网系统架构，此架构主要采用西门子的产品。中央控制器采用西门子S7-300系列，可以选用旗下三种CPU的任意一种，S7-300通过以太网接口接入以太网。采用CP343-1高级以太网通信处理器将子站S7-300系统连接到以太网，可以在线性总线或环网中集成CP，具有自动跨接、自动协商和自动检测功能。采用STEP7编程组态软件对PLC产品进行编程。采用基于WinCC Flexible的可视触摸，强大的透明性使操作员进行作业非常方便；采用ET200S的分布式IO，PROFIBUS总线用于高速准时的数据传输。

3.4 物流决策单元的组建

建立合理的决策标准和决策流程是智能工厂物流系统成败的关键，智能工厂决策单元结构如图4所示。

智能工厂物流系统在工业以太网的网络基础上，大大提高了智能工厂物流管理信息化水平，很好地提高了物流信息的获取、共享与传输效率，同时实现了数据的定向收集、传输与处理，使企业及时了解物料的消耗与库存，及时了解产品的配送情况，很好地解决了传统企业物流信息获取、传输的速度慢、效率低和部门之间信息共享壁垒的问题，实现高效协同。

智能工厂物流系统信息分析与决策层可以按照一定的标准和算法对所收集的数据进行分类、处理、优化整合，然后物流管理人员对处理后的数据按照作业需求进行分析，从而做出决策方案。

4 结论

在工业以太网结构的基础上，物流系统可以实时获得各种数据，为智能工厂对快速变化的市场需求做出响应做好前期准备。同时，数据处理部门根据收集的数据按照一定的标准对数据进行归类、处理，物流管理部门根据自己的需求对处理过的数据进行分析，并通过一定的标准确定出合适的采购方案、生产计划，并对物料进行弹性配置，从而可以实现物流成本控制、提高生产效益、提高服务水平，实现快速响应。

图4 物流管理系统架构

[1]段沛佑.我国工业物流发展模式创新研究[C]//中国软科学研究会：第九届中国软科学学术年会论文集（上册），2013.

[2]李彦云，杨鹏.工厂的物流设计与管理[J].中国科技博览，2011(10):264.

[3]窦国勋.浅谈智能物流对汽车厂总图设计的指导意义[J].建筑工程技术与设计，2016(28):15-17.

[4]穆建军，曹月琴.打造未来智慧工厂的物流控制系统[J].自动化博览，2015(3):54-56.

[5]王闯闯.企业物流管理中存在的突出问题及应对策略[J].商场现代化，2017(6):61-62.

The Ethernet-based Analysis and Design of Intelligent Factory Logistics System

(1.Zhejiang Wanli University,Ningbo 315100,China;2.Nanjing University,Nanjing 210093,China;3.Ningbo University of Technology,Ningbo 315211,China)

The paper mainly studies the application of the industrial Ethernet,i.e.,PROFINET,to intelligent factory logis－tics system.Through designing the network structure of the Ethernet of smart factory,it discusses how to reduce and logisticscostsand improve service level,thereby achieving needs of large-scale customization of smart factory.In addition,the research demonstrates how the four levels of the intelligent factory logistics system are realized in the PROFINET environment.Thereby,a preliminary exploration is made to the architecture of the intelligent factory logistics system.

industrial Ethernet profinet;intelligent factory logistics system;PROFINET

F253.9

A

1002-3100(2017)12-0017-05

2017-09-06

2015年度浙江省博士后科研项目择优资助项目，项目编号：BSH1502022；2016年度宁波市政府决策咨询中心重点课题项目，项目编号：J16-C1；2017年度宁波市软科学科技课题项目，项目编号：2017A10013。

鹿玉曼（1994-），女，山东鱼台人，浙江万里学院电子与计算机学院硕士研究生，研究方向：物流工程、智能制造；郭 跃（1971-），男，江西九江人，南京大学商学院博士后，宁波工程学院经济管理学院，教授，博士，研究方向：供应链管理、企业技术创新。