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智能工廠是在數(shù)字化工廠的基礎上，利用物聯(lián)網(wǎng)技術和監(jiān)控技術加強信息管理服務，提高生產(chǎn)過程可控性、減少生產(chǎn)線人工干預，合理計劃排程。集初步智能手段和智能系統(tǒng)等新興技術于一體，構建高效、節(jié)能、綠色、環(huán)保、舒適的人性化工廠。

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基本概念

智能工廠與車間具備自主能力，可采集、分析、判斷、規(guī)劃，通過整體可視技術進行預測，利用仿真及多媒體技術，將實境擴增展示設計制造過程。系統(tǒng)中各組成部分可自行組成最佳系統(tǒng)結構，具備協(xié)調(diào)、重組及擴充特性，自我學習、自行維護，實現(xiàn)人與機器的相互協(xié)調(diào)合作。其本質是人機交互，如圖1所示。

圖1 智能工廠的人機交互模式

全球性的產(chǎn)能過剩，導致企業(yè)間的競爭越來越激烈，如何提升生產(chǎn)效率、縮短產(chǎn)品周期，成為世界各國關注的問題。車間是制造業(yè)的基礎組成部分，如何提升車間的智能化水平， 實現(xiàn)生產(chǎn)流程數(shù)字化是目前關注的焦點。

但目前用傳統(tǒng)的虛擬車間、數(shù)字化車間設計的智能車間存在非實時交互、數(shù)據(jù)利用率低等問題。基于數(shù)字孿生技術，能夠有效提升車間生產(chǎn)過程的透明度并優(yōu)化生產(chǎn)過程。數(shù)字孿生車間模型，包括物理車間、虛擬車間、車間服務系統(tǒng)和車間孿生數(shù)據(jù)4部分，通過物理車間與虛擬車間的雙向映射與實時交互，實現(xiàn)物理車間、虛擬車間、車間服務系統(tǒng)的全要素、全流程、全業(yè)務數(shù)據(jù)的集成和融合，在車間孿生數(shù)據(jù)的驅動下，實現(xiàn)車間生產(chǎn)要素管理、生產(chǎn)活動計劃、生產(chǎn)過程控制等在物理車間、虛擬車間、車間服務系統(tǒng)間的迭代運行，從而達到車間生產(chǎn)和管控的優(yōu)化運行。

構建數(shù)字孿生車間，實現(xiàn)車間信息與物理空間的互聯(lián)互通與進一步融合將是車間的發(fā)展趨勢，也是實現(xiàn)車間智能化生產(chǎn)與管控。智能工廠的目標是實現(xiàn)從生產(chǎn)排產(chǎn)、數(shù)量統(tǒng)計、過程數(shù)據(jù)監(jiān)控、報警故障管理到設備智能化管理等工廠工藝一體化的管理模式，如圖2所示。

圖2 智能工廠目標

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智能工廠與車間系統(tǒng)的組成

智能工廠以工業(yè)自動化中的ERP-MES-PCS三層構架、PLM為中心的工廠產(chǎn)品設計技術和售后服務、SCR、CRM為中心的原材料供應物流和制成品銷售物流為基礎。

1）智能工廠的組成

（1）PLM（product life-cycle management，產(chǎn)品生命周期管理）：PLM是指對產(chǎn)品的整個生命周期（包括投入期、成長期、成熟期、衰退期、結束期）進行全面管理，通過投入期的研發(fā)成本最小化和成長期至結束期的企業(yè)利潤最大化來達到降低成本和增加利潤的目標。

（2）ERP（enterprise resource planning，企業(yè)資源計劃）：ERP是一種主要面向制造行業(yè)進行物質資源、資金資源和信息資源集成一體化管理的企業(yè)信息管理系統(tǒng)。ERP 是一個以管理會計為核心可以提供跨地區(qū)、跨部門、甚至跨公司整合實時信息的企業(yè)管理軟件。針對物資資源管理（物流）、人力資源管理（人流）、財務資源管理（財流）、信息資源管理（信息流）集成一體化的企業(yè)管理軟件。ERP具有整合性、系統(tǒng)性、靈活性、實時控制性等顯著特點。ERP 將系統(tǒng)的物資、人才、財務、信息等資源整合調(diào)配，實現(xiàn)企業(yè)資源的合理分配和利用，作為一種管理工具存在的同時也體現(xiàn)著一種管理思想。市場上比價流行的ERP 系統(tǒng)是SAP系統(tǒng)，適合于中小型企業(yè)。

（3）SCM（supply chain management，供應鏈管理）：SCM主要通過信息手段，對供應的各個環(huán)節(jié)中的各種物料、資金、信息等資源，進行計劃、調(diào)度、調(diào)配、控制與利用，形成用戶、零售商、分銷商、制造商、采購供應商的全部供應過程的功能整體。

（4）CRM（customer relationship management，客戶關系管理）：作為一種新型管理機制，CRM極大地改善了企業(yè)與客戶之間的關系，實施于企業(yè)的市場營銷、銷售、服務與技術支持等與客戶相關的領域。

（5）MES（manufacturing execution system，制造企業(yè)生產(chǎn)過程執(zhí)行管理系統(tǒng)）：MES系統(tǒng)是一套面向制造企業(yè)車間執(zhí)行層的生產(chǎn)信息化管理系統(tǒng)。MES可以為企業(yè)提供包括制造數(shù)據(jù)管理、計劃排程管理、生產(chǎn)調(diào)度管理、庫存管理、質量管理、人力資源管理、工作中心/設備管理、工具工裝管理、采購管理、成本管理、項目看板管理、生產(chǎn)過程控制、底層數(shù)據(jù)集成分析、上層數(shù)據(jù)集成分解等管理模塊，為企業(yè)打造一個扎實、可靠、全面可行的制造協(xié)同管理平臺。智慧工廠車間的作業(yè)根據(jù)MES系統(tǒng)發(fā)送的指令來進行的，MES系統(tǒng)根據(jù)訂單需求，結合智能制造設備的實時運行狀態(tài)，給智能制造設備安排作業(yè)。

MES控制系統(tǒng)在接收到新的訂單后，會同各個倉庫對訂單所需原材料、包材、耗材等是否充足進行分析匯總，如有短缺則通知采購部在規(guī)定期限內(nèi)采購，而在原材料采購質檢期間，通知生產(chǎn)部做好生產(chǎn)前的準備工作，檢查制造設備、生產(chǎn)設施等的實際情況，并根據(jù)智慧工廠內(nèi)設備的排產(chǎn)情況及剩余訂單合理的給相應設備安排作業(yè)任務書。排產(chǎn)作業(yè)下達到智慧工廠后，智能制造設備在開機生產(chǎn)第一步，需要人為參與根據(jù)作業(yè)指導書的排產(chǎn)安排導入相應的工藝參數(shù)，進行調(diào)試并首件確認后，將微調(diào)的工藝參數(shù)上傳入MES控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。

2）智能工廠層級劃分

客戶需求、產(chǎn)品設計、工藝設計、物料采購、生產(chǎn)制造、進出廠物流、生產(chǎn)物流、售后服務構成智能工廠的橫向集成維度；企業(yè)內(nèi)部的設備與控制層、制造執(zhí)行層、經(jīng)營管理層、經(jīng)營決策層構成縱向集成維度；由感知執(zhí)行、適配控制、網(wǎng)絡傳輸、認知決策和服務平臺組成的信息物理系統(tǒng)（CPS）。這3個維度構建了機械制造行業(yè)智能工廠參考模型。

（1）縱向集成維度

? 基礎設施層：企業(yè)首先應當建立有線或者無線的工廠網(wǎng)絡，實現(xiàn)生產(chǎn)指令的自動下達和設備與產(chǎn)線信息的自動采集；形成集成化的車間聯(lián)網(wǎng)環(huán)境，解決不同通訊協(xié)議的設備之間，以及PLC、CNC、機器人、儀表/傳感器和工控/IT系統(tǒng)之間的聯(lián)網(wǎng)問題；利用視頻監(jiān)控系統(tǒng)對車間的環(huán)境，人員行為進行監(jiān)控、識別與報警；此外，工廠應當在溫度、濕度、潔凈度的控制和工業(yè)安全（包括工業(yè)自動化系統(tǒng)的安全、生產(chǎn)環(huán)境的安全和人員安全）等方面達到智能化水平。

? 智能制造裝備層：智能制造裝備是智能工廠運作的重要手段和工具。智能制造裝備主要包含智能生產(chǎn)設備、智能檢測設備和智能物流設備。制造裝備在經(jīng)歷了機械裝備到數(shù)控裝備后，目前正在逐步向智能制造裝備發(fā)展。智能化的加工中心具有誤差補償、溫度補償?shù)裙δ?，能夠實現(xiàn)邊檢測、邊加工。工業(yè)機器人通過集成視覺、力覺等傳感器，能夠準確識別工件，自主進行裝配，自動避讓人，實現(xiàn)人機協(xié)作。金屬增材制造設備可以直接制造零件，DMG?MORI已開發(fā)出能夠實現(xiàn)同時實現(xiàn)增材制造和切削加工的混合制造加工中心。

? 智能物流設備：則包括自動化立體倉庫、智能夾具、AGV、桁架式機械手、懸掛式輸送鏈等。例如，F(xiàn)anuc工廠就應用了自動化立體倉庫作為智能加工單元之間的物料傳遞工具。????

? 智能產(chǎn)線層：在生產(chǎn)和裝配的過程中，能夠通過傳感器、數(shù)控系統(tǒng)或RFID自動進行生產(chǎn)、質量、能耗、設備績效（OEE）等數(shù)據(jù)采集，并通過電子看板顯示實時的生產(chǎn)狀態(tài)；通過系統(tǒng)實現(xiàn)工序之間的協(xié)作；生產(chǎn)線能夠實現(xiàn)快速換模，實現(xiàn)柔性自動化；能夠支持多種相似產(chǎn)品的混線生產(chǎn)和裝配，靈活調(diào)整工藝，適應小批量、多品種的生產(chǎn)模式；具有一定冗余，如果生產(chǎn)線上有設備出現(xiàn)故障，能夠調(diào)整到其他設備生產(chǎn)；針對人工操作的工位，能夠給予智能的提示。

? 智能車間層：要實現(xiàn)對生產(chǎn)過程進行有效管控，需要在設備聯(lián)網(wǎng)的基礎上，利用制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、先進生產(chǎn)排產(chǎn)（APS）、勞動力管理等軟件進行高效的生產(chǎn)排產(chǎn)和合理的人員排班，提高設備利用率（OEE），實現(xiàn)生產(chǎn)過程的追溯，減少在制品庫存，應用人機界面（HMI），以及工業(yè)平板等移動終端，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的無紙化。另外，還可以利用Digital?Twin(數(shù)字映射)技術將MES系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)在虛擬的三維車間模型中實時地展現(xiàn)出來，不僅提供車間的VR（虛擬現(xiàn)實）環(huán)境，而且還可以顯示設備的實際狀態(tài)，實現(xiàn)虛實融合。智能物流設備則包括自動化立體倉庫、智能夾具、AGV、桁架式機械手、懸掛式輸送鏈等。例如，F(xiàn)anuc工廠就應用了自動化立體倉庫作為智能加工單元之間的物料傳遞工具?？梢杂肈PS系統(tǒng)(Digital?Picking?System)實現(xiàn)物料揀選的自動化。

? 智能產(chǎn)線層：智能產(chǎn)線的特點是，在生產(chǎn)和裝配的過程中，能夠通過傳感器、數(shù)控系統(tǒng)或RFID自動進行生產(chǎn)、質量、能耗、設備績效（OEE）等數(shù)據(jù)采集，并通過電子看板顯示實時的生產(chǎn)狀態(tài)；通過安燈系統(tǒng)實現(xiàn)工序之間的協(xié)作；生產(chǎn)線能夠實現(xiàn)快速換模，實現(xiàn)柔性自動化；能夠支持多種相似產(chǎn)品的混線生產(chǎn)和裝配，靈活調(diào)整工藝，適應小批量、多品種的生產(chǎn)模式；具有一定冗余，如果生產(chǎn)線上有設備出現(xiàn)故障，能夠調(diào)整到其他設備生產(chǎn)；針對人工操作的工位，能夠給予智能的提示。?????

? 工廠管控層：工廠管控層主要是實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的監(jiān)控，通過生產(chǎn)指揮系統(tǒng)實時洞察工廠的運營，實現(xiàn)多個車間之間的協(xié)作和資源的調(diào)度。流程制造企業(yè)已廣泛應用DCS或PLC控制系統(tǒng)進行生產(chǎn)管控，近年來，離散制造企業(yè)也開始建立中央控制室，實時顯示工廠的運營數(shù)據(jù)和圖表，展示設備的運行狀態(tài)，并可以通過圖像識別技術對視頻監(jiān)控中發(fā)現(xiàn)的問題進行自動報警。?

（2） 橫向集成維度

按照“互聯(lián)網(wǎng)+協(xié)同制造”的精神，重點構建產(chǎn)業(yè)鏈的企業(yè)間的協(xié)同與集成，如跨企業(yè)、跨地域的協(xié)調(diào)設計，企業(yè)間的協(xié)同供應鏈管理，協(xié)同生產(chǎn)、協(xié)同服務和企業(yè)間的價值鏈重構。實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈上各企業(yè)間的無縫集成、信息共享和業(yè)務協(xié)同。

（3）信息物理系統(tǒng)（CPS）

智能工廠各層級相互配合，支撐企業(yè)縱向集成、企業(yè)間橫向集成與端到端集成，實現(xiàn)工業(yè)體系與信息體系的深度融合以及全面智能化。信息物理系統(tǒng)通過集成先進的信息通信和自動控制等技術，構建了物理空間與信息空間中人、機、物、環(huán)境、信息等要素相互映射、適時交互、高效協(xié)同的復雜系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)資源配置和運行的按需響應、快速迭代、動態(tài)優(yōu)化。它是智能工廠的技術支持體系如圖3所示。

圖3 智能工廠層級架構