《智能制造之路-数字化工厂》读书笔记

今天读了下《智能制造之路-数字化工厂》这本书，由机械工业出版社初步，同济大学中德工程学院陈明和西门子数字化工厂梁乃明共同编著。从2013年开始，可以看到工业4.0，工业

互联网，智能制造一直是持续火热的一个新兴技术关注点，买这本书也是希望对这块能有一

个更加系统的了解。

整体这本书可以打3星及格，写的好的地方反而是前面几张整体概述和框架，工业4.0和智

能制造整体发展过程介绍部分的内容，而后面涉及到PLM和MES方面的内容，更多则是基

于西门子本书的产品体系来展开谈的，更多的像是西门子产品的产品手册，虽然有一定的参

考价值，但是缺乏体系性的介绍。

工业4.0，重点是实现产品生命周期和价值链整个过程中人，物，机器之间的连接，同时实

现他们之间信息的及时共享和协同，以提供一个实时，自动化，智能，可视，柔性的动态自

组织架构。德国工业4.0可以概括为一个基础网络(信息物理系统网络），双重战略（领先供

应商，主导市场），三项集成（横向集成，纵向集成，端到端集成），八项举措，十七项主题。

工业4.0的核心和关键是建立一个人，机器，资源互联互通的网络化社会。

美国对智能制造的定义：智能制造是先进智能系统强化应用，新产品快速制造，产品需求动

态响应，以及工业生产和供应链网络实时优化的制造。其核心技术是网络化传感器，数据互

操作性，多尺度动态建模和仿真，智能自动化以及可扩展的多层次网络安全。结果是在一个

柔性，敏捷，创新的制造环境中提升性能和效率。同时使业务和制造过程有效的串联在一起。

工业互联网：最早由通用电气在2012年提出，倡导将人，数据和机器连接起来，形成开放而全球化的工业网络，其内涵已经超越了制造业本身，跨越产品生命周期整个价值链，相比工

业4.0，更加注重软件，网络和大数据。工业互联网系统由智能设备，智能系统和智能决策

三大要素构成。

工业4.0，通过人，物和系统的连接，实现企业价值网络的动态建立，实时优化和自组织。

我国对智能制造的定义：通过新一代信息技术（云计算，物联网，大数据，工业机器人，工

业数控，互联网+IT信息技术等），贯穿设计，生产，管理，服务等制造活动各个环节，具

有信息深度感知，智慧优化和自决策，精准控制和自执行功能的先进制造过程，系统和模式

的总称。

对于智能制造的解读，书里面谈的一些核心特点体现，比较有参考意义，记录如下：

1. 工业4.0不是无人工厂，人是工业4.0的核心。

2. 要实现工业4.0，首先要进行生产组织和业务流程的梳理和重构。

3. 实现人，机器，工件（产品）之间的互联互通。

4. 实现生产数据的实时，自动化采集和分析。

5. 车间布局-实现矩阵和网状的柔性生产系统，消灭固定生产线。

6. 实现个性化产品的前提是标准化，模块化和数字化。

7. 用户体验。

8. 从对市场的快速响应转变到对用户个性化需求的快速响应。

9. 信息物理系统是实现智能制造的基础。

10. 实现自动化+信息化，智能工厂是革新。

11. 工业4.0解决信息孤岛问题-纵向集成是基础。

12. 工业4.0不仅仅是智能工厂-横向集成是革命。

13. 工业4.0需要建立端到端的集成-消灭中间环节。

美国工业互联网参考模型，IIRA4.0，从网络，数据，安全三个维度进行定义。2015年德国给出工业4.0参考模型，即RAMI4.0，其仍然是一个三维度的参考模型架构，涉及到应用，业务和IT三个视角。

业务视角：产品生命周期流程，或供应链端到端流程等

IT视角：对应IT架构，从资源层到平台层到数据信息，业务功能，再到业务系统等。

应用视角：不太好理解，产品-现场设备-控制设备-工作中心？

在P49页给出了中国工业4.0的参考架构，在这里再谈下实际上和我们传统IT架构定义最大的变化就是增加了智能设备层和工业控制层（自动化工控+操作层），上面才是执行层和管理层，而执行层的重点是MES，管理层重点是ERP系统。可以看到MES是一个重要的衔接系统。MES一方面是将ERP的生产计划进行详细分析后变成生产工单并进行详细生产排程后执行，其次是将底层设备的执行信息和状态信息实时的反馈回ERP系统中。因此通过MES系统可以实现计划层和控制层的双向通信和衔接。

在智能制造阶段，由原来以财务为核心的ERP，会转变为以产品生命周期和生产为核心的PLM+MES，实现三者之间的协同成为构建智能制造IT集成架构和协同架构的关键。·PLM解决产品研发，设计，将产品转变为可生产的BOM和工艺路线。

·ERP解决根据市场需求或预测进行生产计划安排。

·MES根据ERP提供的生产计划详细安排生产执行过程，并对全过程执行状态实时跟踪。

PLM产品生命周期管理

数字孪生模型：读这本书后得到的一个新概念，指的是以数字化方式在虚拟空间中呈现物理对象，即以数字化方式为物理对象创建虚拟模型，模拟其在现实环境中的行为特征。它是一个应用在整个产品生命周期的数据，模型即分析工具的集成系统。

实现了物理世界和虚拟世界之间的连接，同时通过该模型可以在设计过程中完成很多模拟和仿真，而无须进行样品的制造。即通过三维建模，动态仿真技术，设计阶段就能预测产品的

性能，并根据预测结果对产品进行改进和优化。

MBE（基于模型的企业），在MBE的实施过程中，产品设计，生产，管理各个环节所使用

的数据或信息全部附着在三维模型上面，打通设计，生产，后续维护全流程的一套模型架构

体系。MBE采用建模和仿真技术对设计，制造，产品支持等所有技术和业务流程进行彻底的改进，无缝的集成以及战略的管理；利用产品和过程模型来定义，执行，控制和管理企业的

所有过程。

MBE（结构，数据，工艺，三维，标准化，集成），MBE主要有基于模型的工程，基于模

型的制造，基于模型的维护三大部分组成，并且在统一的系统工程指导下形成统一的整体。

对于西门子的MBE解决方案可以看到包括几个方面的内容，一个是传统PLM产品生命周期

管理内容(TeamCenter)，其次是产品设计方面的内容(NX，MBD），再次是自动化模型和仿

真方面的内容（Tecnomatix，LMS）。

本书里面在谈PLM的时候更多的都是在谈三维建模和仿真，而对于传统的产品数据管理，

产品配置，工程变更，研发项目管理等PLM解决方案内容谈的较少。

MES-制造执行系统

美国的AMR将MES定义为：位于上层的计划管理系统与底层的工业控制之间的面向车间层

的信息管理系统。它唯操作人员提供计划的执行，跟踪，以及所有资源（人，设备，物料）

的当前状态。MESA制造执行协会的定义是：MES能够通过信息传递对从订单下达到产品完

成的整个生产过程进行优化管理。在整个过程中强调三点：

1. 对整个车间制造过程的优化，而不是单一解决某个生产瓶颈。

2. 提供实时收集生产过程中数据的功能，并作出相应的分析和处理。

3. 需要与计划层和控制层进行双向交互，通过企业的连续信息流来实现企业信息全集成。

P156页给出了MES的项目目标，思维导图可参考。在P158页给出了MES功能框架，可参考。

对于数字化工厂的平台架构一般分为五层，从上到下分别是：企业层（ERP，PLM），管理

层（MES），操作层（SCADA等系统），控制层（工业控制）和现场设备层（自动化设备）。而实际上我们在谈纵向集成的时候，更多的就是谈这五层之间如何集成。

对于MES系统的核心功能，我们在前面专门有一篇文章里面谈到过，基于这本书的功能架

构可以看到，其核心的功能模块主要包括了生产运营管理，产品质量管理，生产实时管控，

生产动态调度，生产效能分析，基础数据管理和同步（设备，物料，BOM，工艺路线，资源）等。