智能工厂方案与体系

智能工厂方案与体系

随着产品需求及随之而来的设计制造过程转变，全球制造业发生了前所未有的改变，智能产品的复杂性被视为对创新领导者在制造上的全新挑战，这势必会加速全球竞争。但是，以往的制造技术、制造理念以及对于制造过程的管控能力已经跟不上时代需求，无法承担起产品自主创新的重任，而软件工程和电子技术正在驱动产品创新与制造走向新的水平，这势必会掀起新的产品创新机遇。

智能特性作为现行制造系统的核心功能，是构成智能制造系统的核心与主要驱动力。在智能制造系统中，人类的部分脑力劳动被机器所替代，计算机能够模仿人的思维方式，进行条件判断、数据分析、资源管理、调度决策等行为。人类与机器之间的关系也不是对立的，而是相互合作、共同协作的，从而有助于建立起高度柔性的智能系统。智能制造系统不是简单的人工智能系统，而是在人工智能的辅助下，人与机器和谐相处，各自发挥自己的优势，其中人依然是整个过程的核心。

智能制造系统的关键体现在智能工厂上，而产品制造从诞生开始，经历了自动化、数字化过程，在此基础上，借助物联网技术可实现设备的互联互通，实现智能工厂架构的纵向集成，并借助跨层级的数据传输能力建立自下而上的数据通道，为绿色、节能且环保的生态型智能工厂的建立提供组件基础。基于此，智能工厂已经初步具有自律、自组织能

力，可采集底层数据并对其进行详细分析，还可针对特定条件下的生产情形进行判断以及逻辑推理。同时，通过三维建模等可视化技术，现实物理世界可与虚拟世界进行无缝融合，将仿真融入产品的设计与制造过程中。并且，各个子系统之间能够相互协调、动态重组，整体上具备了自我诊断、自行维护能力，更好地为制造产业提供实现手段。

1　智能工厂的体系架构

1.1　智能工厂的架构与功能定义

智能工厂是实现智能制造的基础与前提，它在组成上主要分为三大部分（见图2-1）。在企业层对产品研发和制造准备进行统一管控，与ERP进行集成，建立统一的顶层研发制造管理系统。管理层、操作层、控制层、现场层通过工业网络（现场总线、工业以太网等）进行组网，实现从生产管理到工业网底层的网络联接，满足管理生产过程、监控生产现场执行、采集现场生产设备和物料数据的业务要求。除了要对产品开发制造过程进行建模与仿真外，还要根据产品的变化对生产系统的重组和运行进行仿真，在投入运行前就要了解系统的使用性能，分析其可靠性、经济性、质量、工期等，为生产制造过程中的流程优化和大规模网络制造提供支持。

（1）企业层——基于产品全生命周期的管理层

企业层融合了产品设计生命周期和生产生命周期的全流程，对设计到生产的流程进行统一集成式的管控，实现全生命周期的技术状态透明化管理。通过集成PLM系统和MES、ERP系统，企业层实现了全数字化定义，设计到生产的全过程高度数字化，最终，实现基于产品的、贯穿

所有层级的垂直管控。通过对PLM和MES的融合实现设计到制造的连续数字化数据流转。

（2）管理层——生产过程管理层

管理层主要实现生产计划在制造职能部门的执行，管理层统一分发执行计划，进行生产计划和现场信息的统一协调管理。管理层通过MES 与底层的工业控制网络进行生产执行层面的管控，操作人员/管理人员提供计划的执行、跟踪以及所有资源（人、设备、物料、客户需求等）的当前状态，同时获取底层工业网络对设备工作状态、实物生产记录等信息的反馈。

（3）集成自动化系统

自动化系统的集成是从底层出发的、自下而上的，跨越设备现场层、中间控制层以及操作层三个部分，基于CPS网络方法使用TIA技术集成现场生产设备物理创建底层工业网络，在控制层通过PLC硬件和工控软件进行设备的集中控制，在操作层有操作人员对整个物理网络层的运行状态进行监控、分析。

智能工厂架构可以实现高度智能化、自动化、柔性化和定制化，研发制造网络能够快速响应市场的需求，实现高度定制化的节约生产。

图1　智能工厂的架构

1.2　智能工厂的雏形——安贝格数字化工厂

西门子基于工业4.0概念创建安贝格数字化工厂的目的是实践工业4.0概念并诠释未来制造业的发展，在产品的设计研发、生产制造、管理调度、物流配送等过程中，安贝格工厂都实现了数字化操作。安贝格数字化工厂突出数字化、信息化等特征，为制造产业的可持续发展提供了借鉴与启迪。安贝格数字化工厂已经完全实现了生产过程的自动化，在生产过程的制造研发方面与国际化的质量标准相对接。安贝格数字化工厂的理念是将企业现实和虚拟世界结合在一起，从全局角度看待整个

产品的开发与生产过程，推动每个过程步骤都实现高能效生产，覆盖从