工業(yè)4.0大潮下，如何構建高效的數字化工廠？

科學技術的不斷發(fā)展，制造類企業(yè)也經歷了幾次變革，從實際發(fā)展來看，每一次變革都帶來了制造水平的大幅提升，體現了科學技術的主導作用，研究認為制造類企業(yè)向智能化發(fā)展大致經歷以下四個階段：手工作業(yè)→自動化流水作業(yè)→數字化網絡化作業(yè)→網絡化智能化作業(yè)。

從歷史發(fā)展規(guī)律來看，隨著科學技術的不斷進步，制造類企業(yè)變革也是一種必然，從大的發(fā)展周期角度，研究認為當前的制造類企業(yè)發(fā)展正處于第三階段數字化網絡化作業(yè)的發(fā)展時期，即信息化和工業(yè)化兩化深度融合的階段，同時正在初步探索網絡化智能化作業(yè)。

1.數字化工廠概念

數字化工廠是隨著數字仿真技術和虛擬現實技術發(fā)展而來的，它通過對真實工業(yè)生產的虛擬規(guī)劃、仿真優(yōu)化，實現對工廠產品研發(fā)、制造生產和服務的優(yōu)化和提升，是現代工業(yè)化與信息化融合的應用體現。隨著產品需求的不斷變化、產品周期的更新換代速度提升，以及3D打印、物聯網、云計算、大數據等新興信息技術的不斷應用，為了縮短研發(fā)周期，降低生產成本，提升企業(yè)產品質量和效益，先進的制造類企業(yè)開始越來越重視數字化工廠的建設，如上汽、海爾、華為、西門子等制造企業(yè)均已著手開始建設自己的數字化工廠，以支撐企業(yè)實現新的突破和發(fā)展。

作為信息化和工業(yè)化融合應用的最佳結合點，研究數字化工廠如何建設，探討虛擬設計與物理設備之間怎樣實現無縫銜接，對驅動信息化和工業(yè)化的深度融合發(fā)展、以及未來智能工廠發(fā)展具有十分重要的意義。數字化工廠具有廣義和狹義的概念，其涉及的內容也隨著分析的角度不同而有所區(qū)別。

本文數字化工廠結合國內離散型制造企業(yè)的實際情況，是以廣義數字化工廠中核心制造企業(yè)為主，在滿足自身生產和管理任務的同時，需要具備產品研發(fā)能力和售后服務保障能力，因此本論文中的“數字化工廠”不僅僅是生產的概念，它是向前延伸到設計，向后推移到服務，同時涵蓋企業(yè)管理，包括產品研發(fā)設計過程、生產制造過程、企業(yè)管理過程、服務保障過程等產品全生命周期整個過程。

2.數字化工廠架構

數字化工廠的規(guī)劃建設、投產運營及優(yōu)化改進是企業(yè)信息化和工業(yè)化融合不斷深入的過程。在這個過程中數字世界與物理世界不斷迭代，支持企業(yè)產品設計、生產制造、運營管理等各個環(huán)節(jié)的PDCA循環(huán)不斷改進和提升。本論文數字化工廠建設架構從產品生命周期、系統(tǒng)層級兩個維度來進行構建，實現數字世界與物理世界的交互迭代。

1）產品全生命周期：由產品設計、工藝規(guī)劃、生產制造、服務保障等一系列相互聯系的價值創(chuàng)造活動組成的鏈式集合。生命周期中各項活動相互關聯、互相影響。

2）系統(tǒng)層級：本論文提出數字化工廠建設系統(tǒng)層級自下而上共四層結構：

（1）設備資源及控制層：包括傳感器、儀器儀表、條碼、射頻識別、機器、機械和裝置、以及電力、燃氣能源設施等硬件設備，以及與硬件設備密切相關的可編程邏輯控制器（PLC）、數據采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA）、分布式控制系統(tǒng)（DCS）和現場總線控制系統(tǒng)（FCS）等控制系統(tǒng)，是企業(yè)進行生產活動的技術基礎。

（2）數據庫層：包括設計類、工藝類、制造類、管理類、試驗類、標準體系庫（包括數字化管理標準、測試與試驗標準、設計標準、STEP標準（產品信息交換標準））等。各類數據庫又有各自的基本數據庫與知識庫。作為數字化工廠體系框架的第二層，為數字化工廠提供最基本的數據支撐。

（3）管理層：包括面向設計部門的產品數據管理（PDM）、面向工藝部門的工藝工裝管理、面向生產部門的制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、面向后勤保障部門的能源管理系統(tǒng)等。

（4）協(xié)同層：包括產品生命周期管理（PLM）、企業(yè)資源計劃系統(tǒng)（ERP）、供應鏈管理系統(tǒng)（SCM）和客戶關系管理系統(tǒng)（CRM）等，并通過互聯網絡共享信息實現企業(yè)內部各部門之間協(xié)同和產業(yè)鏈上不同企業(yè)間協(xié)同。

3.數字化工廠建設應具備的三個核心功能要素和三項標志關鍵技術

3.1 三個核心功能要素分別是互聯互通、系統(tǒng)集成、數據信息融合

1）互聯互通：數字化工廠的核心是連接，要把設備、生產線、工廠、供應商、產品、客戶緊密地連接在一起。數字化工廠適應了萬物互聯的發(fā)展趨勢，將無處不在的傳感器、嵌入式終端系統(tǒng)、生產檢測設備、通過信息化系統(tǒng)形成一個網絡，使得生產設備之間、設備與產品之間、以及數字世界（虛擬世界）與物理世界之間能夠互聯，使得機器、工作部件、系統(tǒng)以及人通過網絡持續(xù)地保持數字信息的交流。

（1）生產設備之間的互聯。生產設備之間互聯是單機設備的互聯，不同類型和功能的單機設備互聯組成生產線，不同的生產線間互聯組成數字化車間，數字化車間的互聯組成數字化工廠，不同地域、行業(yè)、企業(yè)的數字化工廠的互聯組成一個制造能力無所不在的數字化制造系統(tǒng)聯盟。

（2）設備和產品的互聯。產品和生產設備之間能夠通信，使得操作人員能夠隨時了解產品目前處在哪個加工階段，以及下一步將如何操作，同時了解產品什么時候被制造等信息。

（3）虛擬與現實的互聯。通過信息化手段將物理設備連接到互聯網上，讓物理設備具有計算、通信、控制、遠程協(xié)同等功能，從而實現虛擬網絡世界與現實物理世界的融合。

2）系統(tǒng)集成：數字化工廠將傳感器、嵌入式終端系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、生產加工檢測等物理設備通過信息化手段形成一個網絡，使得人與人、人與設備、設備與設備，以及服務與服務之間能夠互聯，從而實現企業(yè)橫向集成、縱向集成、以及未來價值鏈端到端的集成。

（1）橫向集成：指企業(yè)通過信息網絡所實現的一種資源整合，包括生產線設備與設備之間、生產線和生產線之間、車間和車間之間、工廠和工廠之間的聯網，這是實現數字化工廠的物理基礎。也是未來實現企業(yè)間資源共享的基礎。

（2）縱向集成：指企業(yè)內部信息流的集成，采用統(tǒng)一的數據庫和軟件平臺對設備資源數據和生產過程數據、產品數據等信息進行管理，使得主要設備互操作性和關鍵信息一致性得到解決，數據或信息可以是自上而下和自下而上有效流動，從而為下一步的大數據分析和高級智能決策奠定基礎。

（3）價值鏈端到端集成：指圍繞產品全生命周期的價值鏈創(chuàng)造，通過價值鏈不同企業(yè)資源的整合，實現從產品設計、生產制造、物流配送、使用維護的產品全生命周期的管理和服務。即將產品制造企業(yè)的分析需求、獲取訂單、供應鏈和制造、物流交付、獲取收入、售后服務直至獲取新的訂單的整個循環(huán)集成起來。

3）數據信息融合：在系統(tǒng)集成和通信的基礎上，利用云計算、大數據等新一代信息技術，在保障信息安全的前提下，實現數據信息協(xié)同共享，主要包括以下三種數據信息：

（1）產品數據信息：包括產品全生命周期各階段的數據信息。產品的各種數據信息被傳輸、處理和加工，使得產品全生命周期管理成為可能，使得個性化服務成為可能，使得產品管理能夠貫穿其全部生命歷程，使得用戶能夠參與產品設計、加工的各種活動中。

（2）運營數據信息：包括企業(yè)內部的生產線、生產設備的數據，它可以用于對設備本身進行實時監(jiān)控，并反饋到生產過程中，使得生產控制和管理最優(yōu)化；還包括經濟運行、行業(yè)、市場競爭對手等企業(yè)外部數據，通過對采購、倉儲、銷售、配送等供應鏈環(huán)節(jié)上數據采集分析，可以減少庫存、動態(tài)調整生產、改進和優(yōu)化供應鏈。

（3）產業(yè)鏈數據信息：包括客戶、供應商、合作伙伴等數據信息。通過了解技術開發(fā)、生產作業(yè)、采購銷售、內外部后勤等產業(yè)鏈各環(huán)節(jié)競爭要素數據信息，為企業(yè)管理者和參與者提供看待價值鏈的信息，使得企業(yè)有機會把價值鏈上更多的環(huán)節(jié)轉化為企業(yè)的戰(zhàn)略優(yōu)勢。

3.2 三項標志關鍵技術分別是建模技術、仿真技術、單一數據源技術

1）建模技術：數字化工廠最大的特點就是產品設計和生產均可在數字化空間中虛擬進行，這樣不僅可以對產品設計可行性進行仿真驗證，還可以對新產品進行可制造性和制造成本提前預估分析。要實現上述功能首先要建立基于模型定義技術（MBD技術）的各種要素的數字化模型，本文在蔡敏等提出的6類模型基礎上將數字化工廠各種要素模型按功能分為產品設計、工廠布局、工藝規(guī)劃、生產仿真、虛擬裝配、試驗驗證和能量管理等7個部分，如圖2所示。

圖2 數字化工廠功能模型結構示意圖

2）仿真技術：仿真優(yōu)化是數字化工廠的價值核心，根據建立的數字化模型和仿真系統(tǒng)給出的仿真結果及各種預測數據，分析數字化工廠中可能出現的各種問題和潛在的優(yōu)化方案，進而優(yōu)化產品設計和生產過程。在數字化工廠制造過程中，仿真技術應用主要包括：面向產品設計的仿真包括產品的靜態(tài)和動態(tài)性能；面向制造過程的仿真包括加工過程仿真、裝配過程仿真和檢測過程仿真等；面向企業(yè)其他環(huán)節(jié)的仿真包括制造管理過程仿真、以及工廠/車間布局、生產線布局仿真等。

3）單一數據源技術：在產品的全生命周期中，存在著不同部門和用途的各種數據文件清單（BOM），單一數據源思想是將不同的數據經過精心組織形成一個邏輯上的單一的數據源，并建立嚴格的約束，從而有效解決不同部門之間數據冗余和數據不一致的問題。在產品全生命周期中，根據數據產生的階段和部門不同可以分為設計BOM、工藝BOM、制造BOM、采購BOM、銷售BOM、服務BOM等各種數據，每種數據BOM是由產品類型、應用領域和產品的生命周期唯一確定的，其中設計BOM屬于最原始的BOM文件，可視為產品的單一數據源，它凝結了產品設計工程師的創(chuàng)造性工作，其他各種BOM都是在它的基礎上結合其應用領域的信息轉換而來的。

4.數字化工廠建設內容

本文提出將數字化工廠建設內容分為研發(fā)設計數字化、生產制造數字化、企業(yè)管理數字化、支撐保障數字化四部分內容，其示意羅盤圖如圖3所示。

圖3 數字化工廠建設內容示意框圖

4.1 研發(fā)設計數字化

產品研發(fā)人員根據需求進行產品設計，得到產品的相關數據和三維模型，并進行管理優(yōu)化和改進，直到最終確定產品的設計方案。主要包括產品設計、工藝規(guī)劃、虛擬試驗驗證三個階段。其中產品設計重點建設數字化產品模型或原理樣機的構建條件和產品性能與功能的數字化驗證手段，主要包括計算機輔助設計（CAD），計算機輔助工程分析（CAE），計算機輔助操作（CAO，包括知識庫、基礎數據庫和專家系統(tǒng)等）三個方面條件。

工藝規(guī)劃重點建設計算機輔助的產品工藝規(guī)劃和工裝設計、計算機輔助的工藝過程動態(tài)仿真與分析優(yōu)化、專用工藝裝備的優(yōu)化設計等條件，主要包括計算機輔助工藝規(guī)劃（CAPP），計算機輔助工裝設計，逆向工程（RE，如快速成型系統(tǒng)），數字化工藝仿真與驗證（包括動態(tài)裝配仿真、裝配過程仿真、人機過程仿真、焊接過程仿真、沖壓過程仿真、機加工過程仿真、裝配精度和公差仿真等），以及生產線布局和仿真、工位布局和仿真、物流仿真等。虛擬試驗驗證重點建立虛擬測試和驗證（VT&E）條件，即建立一個以虛擬樣機為標準的數字化環(huán)境來模擬真實的物理試驗過程，并進行一次或多次的虛擬試驗測試，并通過試驗得到的數據做合理分析，以考核、評價復雜產品的性能，進而為實物驗證提供堅實的支撐；以及建立試驗數據管理系統(tǒng)（TDM）用于虛擬試驗數據和真實試驗數據管理等。

4.2 生產制造數字化

涉及從投料開始到最終完成產品的全過程，生產制造數字化可以實現對生產過程的優(yōu)化、監(jiān)控和管理，以提高制造質量和效率。主要建設以下四個方面。

01

資源數字化主要包括對現有設備數字化改造和引進先進數控智能設備?，F有設備數字化改造主要是通過采用PLC、CNC（計算機數控系統(tǒng)）系統(tǒng)及其他數字化外設，對原機床電氣系統(tǒng)進行替換和提升。引進先進數控智能設備包括購置數控機加設備（車銑復合自動化加工單元等）、工業(yè)機器人（焊接機器人等）等。

02

生產過程數字化以制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）為核心，包括計算機輔助制造（CAM），快速原型（RPM），以及分布式數控（DNC）聯網集成、數字化檢測、生產調度指揮中心等。

03

質量管控數字化重點建設計算機輔助質量管理（CAQ）、計算機輔助檢測（CAT）等手段。生產制造過程中質量管控數字化需要與企業(yè)管理數字化中質量管控統(tǒng)籌考慮。此部分建設重點為生產制造過程中的質量檢測控制，側重于通過MES系統(tǒng)解決。

04

物料管控數字化重點建立自動化倉庫、自動配送傳輸裝置（AGV）、公共資源定位等物流管控條件，實現物流過程的自動化、數字化與智能化。

4.3 企業(yè)管理數字化

將信息技術和管理技術用于企業(yè)管理領域，提高企業(yè)管理水平和經營效益。包括企業(yè)內管理數字化和企業(yè)間管理數字化兩大部分。

01

企業(yè)內管理數字化建立以產品為主線的PLM和以物料流為主線的ERP企業(yè)內管理數字化框架，輔助相應的辦公自動化OA，質量信息系統(tǒng)QIS，試驗數據管理系統(tǒng)TDM、產品數據管理PDM（TDM和PDM系統(tǒng)重點在產品研發(fā)設計數字化階段使用），合同管理系統(tǒng)，人力資源管理系統(tǒng)，財務管理系統(tǒng)，設備管理系統(tǒng)，知識管理系統(tǒng)，企業(yè)門戶平臺，數據決策支撐系統(tǒng)等條件手段。

02

企業(yè)間管理數字化在企業(yè)內管理數字化的基礎上進一步實現企業(yè)間相關業(yè)務、流程與共享資源的數字化，從而使企業(yè)具備參與供應鏈數字化管理和敏捷制造的能力。重點建設供應鏈管理系統(tǒng)SCM，客戶關系管理CRM，以及電子商務智能BI等內容。

4.4 支撐保障數字化

作為數字化工廠的支撐保障條件，是數字化工廠支撐環(huán)境和運行條件，需與產品研發(fā)、生產制造、企業(yè)管理數字化條件同步開展。主要建設以下六個方面。

1）基礎設施：

（1）網絡基礎：包括異地網建設和本地局域網建設，異地網建設包括不同企業(yè)之間，以及本企業(yè)不同地點的網絡建設。本地局域網建設目前包括涉密網、工業(yè)互聯網（又稱物聯網、含能源互聯網）、國際互聯網等。

（2）數據中心/災備中心：包括機房建設，研發(fā)、生產、管理各類應用系統(tǒng)的硬件服務器、高性能計算集群系統(tǒng)、以及數據存儲與備份軟硬件配置。

（3）總控中心：數字化工廠的信息中心，將反映企業(yè)運營狀況的信息系統(tǒng)在總控中心進行集中監(jiān)控管理從而實現信息系統(tǒng)管理效率和管理質量的同步提升。

2）數據庫及標準規(guī)范：數據庫建設根據產品研制需要建立設計、工藝、制造、試驗等各環(huán)節(jié)產品專用數據庫、以及關系數據庫、文件數據庫、實時數據庫等通用商業(yè)數據庫系統(tǒng)，如Oracle數據庫、SQL Server數據庫，以及數據庫的管理系統(tǒng)。標準規(guī)范建設依據國家信息化相關標準體系，根據公司級信息化標準體系，建立數字化工廠標準體系庫（包括數字化管理標準、測試與試驗標準、設計標準、產品信息交換標準等。標準規(guī)范體系的建設具有很強的客戶化性質，不存在現成的固定模式的商業(yè)軟件。

3）信息安全：保障網絡安全穩(wěn)定運行，重點建設面向涉密網絡的物理安全、信息安全、運行安全和保密管理等信息安全防護體系；建設面向工業(yè)互聯網的工業(yè)防火墻IFW、工業(yè)通訊網關、工控網絡安全監(jiān)測審計系統(tǒng)、安全監(jiān)測平臺，工控網絡安全防御平臺，工業(yè)信息安全在線監(jiān)測預警平臺，工業(yè)互聯網可信計算機主動免疫平臺。

4）能源保障：以建設能源互聯網為信息運行載體，結合能量管理模型的虛擬仿真，通過建設能源管理系統(tǒng)EMS，綜合采用計算機技術、數據庫技術、網絡技術、儀表控制技術，對數字化工廠運行所需的各種能源（供電、供水、供氣、供暖等）的詳細使用情況進行在線監(jiān)視、動態(tài)分析，實時掌控能源消耗，以便及時查找能耗弱點，動態(tài)進行用能調整，實現“實時測量”、“數據處理”和“遠程控制”等功能。

5）服務保障：后方技術保障人員應用遠程通信技術指導前方的裝備操作或維修人員對裝備的故障進行排除，迅速恢復裝備的性能；重點包括遠程診斷和維修服務（如與維修保障機構建遠程診斷系統(tǒng)）、可視化維修服務（如建設交互式電子技術手冊IETM）、維修知識服務（如培訓、或公司門戶）、便攜式維修輔助設備、維修服務管理等五部分內容。

6）系統(tǒng)集成：通過構建面向研發(fā)設計、生產制造、經營管理的數字化工廠集成支撐平臺（利用軟件接口API和協(xié)議可使各類軟件系統(tǒng)具有互操作能力），有效支持數字化工廠的各階段集成，使企業(yè)各功能系統(tǒng)協(xié)同地工作。從目前的發(fā)展趨勢，研究認為以研發(fā)為主的企業(yè)可以建立以PDM為核心的集成平臺，以制造為核心的企業(yè)可以建立以ERP+MES為核心的集成平臺，研發(fā)制造混合型企業(yè)可以建立以PLM為核心的集成平臺，實現產品生生命周期的集成。

5.結束語

數字化工廠建設是一個綜合性、系統(tǒng)性工程，波及整個企業(yè)及其供應鏈生態(tài)系統(tǒng)。數字化工廠建設所要實現的互聯互通、系統(tǒng)集成、數據信息融合和產品全生命周期集成將方方面面的人、設備、產品、環(huán)境要素聯系起來，數字、數據、信息無處不在，決策和行動分布到企業(yè)各級員工。因此建設數字化工廠，除了面臨技術挑戰(zhàn)之外，更多面臨組織、文化、流程和人力資源等管理挑戰(zhàn)，特別需要企業(yè)自身加強復合型信息化人才的培養(yǎng)。

審核編輯 黃宇