智能工厂是在数字化工厂的基础上，利用物联网技术和监控技术加强信息管理服务，提高生产过程可控性、减少生产线人工干预，合理计划排程，集初步智能手段和智能系统等新兴技术于一体，构建高效、节能、绿色、环保、舒适的人性化工厂。

图1 智能工厂的人机交互模式

      全球性的产能过剩，导致企业间的竞争越来越激烈，如何提升生产效率、缩短产品周期，成为世界各国关注的问题。车间是制造业的基础组成部分，如何提升车间的智能化水平， 实现生产流程数字化是目前关注的焦点。

      但目前用传统的虚拟车间、数字化车间设计的智能车间存在非实时交互、数据利用率低等问题。基于数字孪生技术，能够有效提升车间生产过程的透明度并优化生产过程。数字孪生车间模型，包括物理车间、虚拟车间、车间服务系统和车间孪生数据4部分，通过物理车间与虚拟车间的双向映射与实时交互，实现物理车间、虚拟车间、车间服务系统的全要素、全流程、全业务数据的集成和融合，在车间孪生数据的驱动下，实现车间生产要素管理、生产活动计划、生产过程控制等在物理车间、虚拟车间、车间服务系统间的迭代运行，从而达到车间生产和管控的优化运行。

      构建数字孪生车间，实现车间信息与物理空间的互联互通与进一步融合将是车间的发展趋势，也是实现车间智能化生产与管控。智能工厂的目标是实现从生产排产、数量统计、过程数据监控、报警故障管理到设备智能化管理等工厂工艺一体化的管理模式，如图2所示。

图2 智能工厂目标

      1）智能工厂的组成

      （1）PLM（product life-cycle management，产品生命周期管理）：PLM是指对产品的整个生命周期（包括投入期、成长期、成熟期、衰退期、结束期）进行全面管理，通过投入期的研发成本最小化和成长期至结束期的企业利润最大化来达到降低成本和增加利润的目标。
      （2）ERP（enterprise resource planning，企业资源计划）：ERP是一种主要面向制造行业进行物质资源、资金资源和信息资源集成一体化管理的企业信息管理系统。ERP 是一个以管理会计为核心可以提供跨地区、跨部门、甚至跨公司整合实时信息的企业管理软件。针对物资资源管理（物流）、人力资源管理（人流）、财务资源管理（财流）、信息资源管理（信息流）集成一体化的企业管理软件。ERP具有整合性、系统性、灵活性、实时控制性等显著特点。ERP 将系统的物资、人才、财务、信息等资源整合调配，实现企业资源的合理分配和利用，作为一种管理工具存在的同时也体现着一种管理思想。市场上比价流行的ERP 系统是SAP系统，适合于中小型企业。
      （3）SCM（supply chain management，供应链管理）：SCM主要通过信息手段，对供应的各个环节中的各种物料、资金、信息等资源，进行计划、调度、调配、控制与利用，形成用户、零售商、分销商、制造商、采购供应商的全部供应过程的功能整体。
      （4）CRM（customer relationship management，客户关系管理）：作为一种新型管理机制，CRM极大地改善了企业与客户之间的关系，实施于企业的市场营销、销售、服务与技术支持等与客户相关的领域。
      （5）MES（manufacturing execution system，制造企业生产过程执行管理系统）：MES系统是一套面向制造企业车间执行层的生产信息化管理系统。MES可以为企业提供包括制造数据管理、计划排程管理、生产调度管理、库存管理、质量管理、人力资源管理、工作中心/设备管理、工具工装管理、采购管理、成本管理、项目看板管理、生产过程控制、底层数据集成分析、上层数据集成分解等管理模块，为企业打造一个扎实、可靠、全面可行的制造协同管理平台。智慧工厂车间的作业根据MES系统发送的指令来进行的，MES系统根据订单需求，结合智能制造设备的实时运行状态，给智能制造设备安排作业。MES控制系统在接收到新的订单后，会同各个仓库对订单所需原材料、包材、耗材等是否充足进行分析汇总，如有短缺则通知采购部在规定期限内采购，而在原材料采购质检期间，通知生产部做好生产前的准备工作，检查制造设备、生产设施等的实际情况，并根据智慧工厂内设备的排产情况及剩余订单合理的给相应设备安排作业任务书。排产作业下达到智慧工厂后，智能制造设备在开机生产第一步，需要人为参与根据作业指导书的排产安排导入相应的工艺参数，进行调试并首件确认后，将微调的工艺参数上传入MES控制系统数据库中。

      2）智能工厂层级划分

      客户需求、产品设计、工艺设计、物料采购、生产制造、进出厂物流、生产物流、售后服务构成智能工厂的横向集成维度；企业内部的设备与控制层、制造执行层、经营管理层、经营决策层构成纵向集成维度；由感知执行、适配控制、网络传输、认知决策和服务平台组成的信息物理系统（CPS）。这3个维度构建了机械制造行业智能工厂参考模型。
      （1）纵向集成维度
      ◉ 基础设施层：企业首先应当建立有线或者无线的工厂网络，实现生产指令的自动下达和设备与产线信息的自动采集；形成集成化的车间联网环境，解决不同通讯协议的设备之间，以及PLC、CNC、机器人、仪表/传感器和工控/IT系统之间的联网问题；利用视频监控系统对车间的环境，人员行为进行监控、识别与报警；此外，工厂应当在温度、湿度、洁净度的控制和工业安全（包括工业自动化系统的安全、生产环境的安全和人员安全）等方面达到智能化水平。
      ◉ 智能制造装备层：智能制造装备是智能工厂运作的重要手段和工具。智能制造装备主要包含智能生产设备、智能检测设备和智能物流设备。制造装备在经历了机械装备到数控装备后，目前正在逐步向智能制造装备发展。智能化的加工中心具有误差补偿、温度补偿等功能，能够实现边检测、边加工。工业机器人通过集成视觉、力觉等传感器，能够准确识别工件，自主进行装配，自动避让人，实现人机协作。金属增材制造设备可以直接制造零件，DMG MORI已开发出能够实现同时实现增材制造和切削加工的混合制造加工中心。
      ◉ 智能物流设备：则包括自动化立体仓库、智能夹具、AGV、桁架式机械手、悬挂式输送链等。例如，Fanuc工厂就应用了自动化立体仓库作为智能加工单元之间的物料传递工具。
      ◉ 智能产线层：在生产和装配的过程中，能够通过传感器、数控系统或RFID自动进行生产、质量、能耗、设备绩效（OEE）等数据采集，并通过电子看板显示实时的生产状态；通过系统实现工序之间的协作；

图3 智能工厂层级架构

作者：吴玉厚、陈关龙、张珂、赵德宏、巩亚东、刘春时

来源：本文引自《智能制造装备基础》，由「智造苑」原创首发，如有侵权请告知。