唐 堂 滕 琳 吳 杰 陳 明

同濟(jì)大學(xué)，上海,200092

導(dǎo)語(yǔ)21世紀(jì)以來(lái)，全球正出現(xiàn)以物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等為代表的新一輪技術(shù)創(chuàng)新浪潮。當(dāng)前，新興經(jīng)濟(jì)體快速崛起，全球市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)交流合作規(guī)?？涨埃鄻踊?、個(gè)性化需求快速發(fā)展，用戶體驗(yàn)成為市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵要素。在此背景下，各國(guó)將智能制造視為振興實(shí)體經(jīng)濟(jì)和新興產(chǎn)業(yè)的支柱和核心、提升競(jìng)爭(zhēng)力和可持續(xù)發(fā)展能力的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。同濟(jì)大學(xué)工業(yè)4.0-智能工廠實(shí)驗(yàn)室與西門子數(shù)字化工廠合作，結(jié)合各自在智能制造領(lǐng)域的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和關(guān)鍵技術(shù)，共同策劃出版了《智能制造之路：數(shù)字化工廠》一書(shū)。全書(shū)共分六篇，分別為理論篇、產(chǎn)品全生命周期管理篇、制造運(yùn)營(yíng)管理篇、全集成自動(dòng)化篇、系統(tǒng)集成篇、案例分析篇。

1 智能制造概述

1.1 智能制造國(guó)內(nèi)外發(fā)展與應(yīng)用狀況

20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)全球化、國(guó)際產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移及虛擬經(jīng)濟(jì)發(fā)展不斷深化，美國(guó)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)生了深刻的變化，制造業(yè)日益衰退，“去工業(yè)化”趨勢(shì)明顯。面對(duì)由虛擬經(jīng)濟(jì)危機(jī)爆發(fā)導(dǎo)致的增長(zhǎng)乏力、失業(yè)率居高不下的困境，美國(guó)社會(huì)各界深刻認(rèn)識(shí)到實(shí)體經(jīng)濟(jì)的重要性。金融危機(jī)爆發(fā)后，美國(guó)推出一系列以重振制造業(yè)為核心的政策和措施。2009年12月，美國(guó)政府出臺(tái)《重振美國(guó)制造業(yè)框架》;2010年10月，奧巴馬總統(tǒng)簽署了《2010美國(guó)制造業(yè)促進(jìn)法案》;2011年6月，啟動(dòng)“先進(jìn)制造業(yè)伙伴關(guān)系計(jì)劃”;2012年2月推出“先進(jìn)制造業(yè)國(guó)家戰(zhàn)略計(jì)劃”;2012年3月，提出建設(shè)“國(guó)家制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)”;2014年12月，通過(guò)《復(fù)興美國(guó)制造業(yè)創(chuàng)新法案》;2015年10月，發(fā)布《美國(guó)創(chuàng)新新戰(zhàn)略》。這些策略的實(shí)施，使得美國(guó)智能制造技術(shù)產(chǎn)業(yè)保持了全方位高水平發(fā)展：智能技術(shù)創(chuàng)新全球領(lǐng)先；智能制造產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用不斷加深；智能制造產(chǎn)業(yè)體系日趨完善；強(qiáng)化戰(zhàn)略頂層設(shè)計(jì)，完善法律制度保障；重視小企業(yè)，使其成為智能制造創(chuàng)新發(fā)展重要?jiǎng)恿?；加深多方合作，促進(jìn)智能制造跨界融合發(fā)展。

1995年，歐盟作為創(chuàng)始成員聯(lián)合啟動(dòng)了“智能制造系統(tǒng)”計(jì)劃。從1984起，歐盟制定了7個(gè)研發(fā)框架計(jì)劃(FP1-FP7)(1984～2013)，及“地平線2020”(2014～2020)科技發(fā)展計(jì)劃，都將先進(jìn)/智能制造相關(guān)技術(shù)作為其中工業(yè)技術(shù)發(fā)展計(jì)劃的重點(diǎn)。除此之外，歐盟各主要工業(yè)國(guó)都有自己的先進(jìn)制造業(yè)發(fā)展計(jì)劃。如英國(guó)的“高價(jià)值制造”戰(zhàn)略、《工業(yè)戰(zhàn)略：政府與工業(yè)之間的伙伴關(guān)系》；德國(guó)的《德國(guó)高科技戰(zhàn)略》、《思想·創(chuàng)新·增長(zhǎng)——德國(guó)2020高科技戰(zhàn)略》、“工業(yè)4.0”；法國(guó)的《新工業(yè)法國(guó)》戰(zhàn)略、“未來(lái)工業(yè)”戰(zhàn)略。歐盟是發(fā)展智能制造最積極的地區(qū)，以德國(guó)、法國(guó)、英國(guó)、意大利、瑞典為代表，歐盟國(guó)家智能制造的工業(yè)基礎(chǔ)雄厚，核心技術(shù)和部件基本能夠自主保障；歐盟是最早開(kāi)始支持智能制造的地區(qū)之一，目前歐盟框架計(jì)劃還在投入大量資金進(jìn)行相關(guān)研究，參與的企業(yè)近千家；工業(yè)企業(yè)發(fā)展智能制造的意愿較高，并且以德國(guó)為首已經(jīng)在部分領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了突破。

早在1990年6月，日本通產(chǎn)省就提出了智能制造研究的十年計(jì)劃，并聯(lián)合歐洲共同體委員會(huì)、美國(guó)商務(wù)部協(xié)商共同成立IMS(智能制造系統(tǒng))國(guó)際委員會(huì)。日本是全球工業(yè)機(jī)器人裝機(jī)數(shù)量最多的國(guó)家，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)被放在基礎(chǔ)性的突出位置。2015年1月，日本政府發(fā)布了《機(jī)器人新戰(zhàn)略》。2015年5月，日本機(jī)器人革命促進(jìn)會(huì)正式成立。隨后在日本機(jī)器人革命促進(jìn)會(huì)下設(shè)“物聯(lián)網(wǎng)升級(jí)制造模式工作組”。日本工業(yè)的智能化水平及相關(guān)核心技術(shù)研發(fā)水平等都處于世界第一方陣。日本通過(guò)革新技術(shù)采用智能化生產(chǎn)線的企業(yè)越來(lái)越多。除了應(yīng)對(duì)用工短缺，日本政府鼓勵(lì)以機(jī)器代人。日本在發(fā)展先進(jìn)制造業(yè)方面最為成功之處，是生產(chǎn)模式的創(chuàng)新，創(chuàng)建了諸如精益生產(chǎn)模式、作業(yè)站生產(chǎn)模式和以人為本的經(jīng)營(yíng)管理模式等。

1991年底韓國(guó)提出了“高級(jí)先進(jìn)技術(shù)國(guó)家計(jì)劃”(G-7計(jì)劃)，目標(biāo)是到2000年把韓國(guó)的技術(shù)實(shí)力提高到世界一流工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的水平。1992年，韓國(guó)制定了“高技術(shù)國(guó)家項(xiàng)目(HAN)”；2014年6月正式推出了被譽(yù)為韓國(guó)版“工業(yè)4.0”的《制造業(yè)創(chuàng)新3.0戰(zhàn)略》；2015年3月，韓國(guó)政府又公布了經(jīng)過(guò)進(jìn)一步補(bǔ)充和完善后的《制造業(yè)創(chuàng)新3.0戰(zhàn)略實(shí)施方案》，這標(biāo)志著韓國(guó)版“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略的正式確立。

我國(guó)在制定“九五”計(jì)劃時(shí)已將先進(jìn)制造技術(shù)(包括智能制造技術(shù)及智能制造系統(tǒng))作為重點(diǎn)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)之一。智能制造相關(guān)技術(shù)亦被列入國(guó)家863計(jì)劃。近年來(lái)我國(guó)制定了一系列智能制造支持政策。2012年1月，發(fā)布《“十二五”工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)規(guī)劃》；2012年發(fā)布《智能制造科技發(fā)展“十二五”專項(xiàng)規(guī)劃》和《智能制造裝備產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》，并設(shè)立《智能制造裝備發(fā)展專項(xiàng)》，加快智能制造裝備的創(chuàng)新發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化，推動(dòng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)；2013年，工業(yè)和信息化部(以下簡(jiǎn)稱“工信部”)印發(fā)了《信息化和工業(yè)化深度融合專項(xiàng)行動(dòng)計(jì)劃(2013～2018年)》；2015年國(guó)務(wù)院發(fā)布“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略、《關(guān)于積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)的指導(dǎo)意見(jiàn)》。中國(guó)智能制造發(fā)展總體上取得了一批基礎(chǔ)研究成果和智能制造技術(shù)，智能制造裝備產(chǎn)業(yè)體系初步形成，國(guó)家對(duì)智能制造的扶持力度不斷加大。

1.2 工業(yè)4.0

“工業(yè)4.0”概念指第四次工業(yè)革命，它意味著在產(chǎn)品生命周期內(nèi)整個(gè)價(jià)值創(chuàng)造鏈的組織和控制邁上新臺(tái)階，意味著從創(chuàng)意、訂單，到研發(fā)、生產(chǎn)、終端客戶產(chǎn)品交付，再到廢物循環(huán)利用，包括與之緊密聯(lián)系的各服務(wù)行業(yè)，在各個(gè)階段都能更好地滿足日益?zhèn)€性化的客戶需求。所有參與價(jià)值創(chuàng)造的相關(guān)實(shí)體形成網(wǎng)絡(luò)，獲得隨時(shí)從數(shù)據(jù)中創(chuàng)造最大價(jià)值流的能力，從而實(shí)現(xiàn)所有相關(guān)信息的實(shí)時(shí)共享。以此為基礎(chǔ)，通過(guò)人、物和系統(tǒng)的連接，實(shí)現(xiàn)企業(yè)價(jià)值網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)建立、實(shí)時(shí)優(yōu)化和自組織，根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)成本、效率和能耗進(jìn)行優(yōu)化。

“工業(yè)4.0”的核心是建立信息物理系統(tǒng)(CPS)，聚焦于智能工廠和智能生產(chǎn)兩個(gè)主題，實(shí)現(xiàn)領(lǐng)先的供應(yīng)商戰(zhàn)略與領(lǐng)先的市場(chǎng)戰(zhàn)略，實(shí)現(xiàn)橫向集成、縱向集成與端對(duì)端的集成?！肮I(yè)4.0”的核心是智能制造，精髓是智能工廠，精益生產(chǎn)是智能制造的基石，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化是必要條件，軟件和工業(yè)大數(shù)據(jù)是關(guān)鍵大腦。

德國(guó)“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略發(fā)布后，各大企業(yè)積極響應(yīng)，已經(jīng)形成了從基礎(chǔ)元器件、自動(dòng)化控制軟硬件、系統(tǒng)解決方案到供應(yīng)商的完整產(chǎn)業(yè)鏈，形成了圍繞“工業(yè)4.0”的生態(tài)系統(tǒng)(圖1)。

圖1 圍繞“工業(yè)4.0”形成的生態(tài)系統(tǒng)

1.3 中國(guó)制造2025

“中國(guó)制造2025”以促進(jìn)制造業(yè)創(chuàng)新發(fā)展為主題，以提質(zhì)增效為中心，以加快新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合為主線，以推進(jìn)智能制造為主攻方向，以滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和國(guó)防建設(shè)對(duì)重大技術(shù)裝備的需求為目標(biāo)，強(qiáng)化工業(yè)基礎(chǔ)能力，提高綜合集成水平，完善多層次多類型人才培養(yǎng)體系，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)由大變強(qiáng)?！爸袊?guó)制造2025”總體目標(biāo)是中國(guó)基本實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，進(jìn)入制造強(qiáng)國(guó)行列?！爸袊?guó)制造2025”是建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)計(jì)劃的第一步，遵循“市場(chǎng)主導(dǎo)、政府引導(dǎo)，立足當(dāng)前、著眼長(zhǎng)遠(yuǎn)，整體推進(jìn)、重點(diǎn)突破，自主發(fā)展、合作共贏”原則，旨在實(shí)現(xiàn)由要素驅(qū)動(dòng)向創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變，由低成本競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)向質(zhì)量效益競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)變，由資源消耗大、污染物排放多的粗放制造向綠色制造轉(zhuǎn)變，由生產(chǎn)型制造向服務(wù)型制造轉(zhuǎn)變。

我國(guó)按照“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、質(zhì)量為先、綠色發(fā)展、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、人才為本”方針，圍繞“中國(guó)制造2025”這一主題，于2015年啟動(dòng)了30個(gè)以上智能制造試點(diǎn)示范項(xiàng)目，2016年繼續(xù)邊試點(diǎn)示范、邊總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、邊推廣應(yīng)用，2017年進(jìn)一步擴(kuò)大試點(diǎn)示范的范圍，全面推廣有效的經(jīng)驗(yàn)和模式。

1.4 智能制造的內(nèi)涵與特征

智能制造是能夠自動(dòng)感知和分析制造過(guò)程及其制造裝備的信息流和物流，能以先進(jìn)的制造方式自主控制制造過(guò)程的信息流和物流，實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程自主優(yōu)化運(yùn)行，滿足客戶個(gè)性化需求的現(xiàn)代制造系統(tǒng)。智能制造的基本屬性有三個(gè)：對(duì)信息流和物流的自動(dòng)感知和分析，對(duì)制造過(guò)程信息流和物流的自主控制，對(duì)制造過(guò)程的自主優(yōu)化運(yùn)行。

在2015年12月31日工信部與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)聯(lián)合發(fā)布的《國(guó)家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》中，智能制造是指將物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)與設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)融合，具有信息深度自感知、智慧優(yōu)化自決策、精準(zhǔn)控制自執(zhí)行等功能的先進(jìn)制造過(guò)程、系統(tǒng)與模式的總稱，具備以智能工廠為載體、以關(guān)鍵制造環(huán)節(jié)智能化為核心、以端到端數(shù)據(jù)流為基礎(chǔ)、以網(wǎng)通互聯(lián)為支撐的四大特征，可有效縮短產(chǎn)品研制周期、提高生產(chǎn)效率、提升產(chǎn)品質(zhì)量、降低資源能源消耗。

2 智能工廠方案與體系

2.1 智能工廠體系架構(gòu)

數(shù)字化工廠是實(shí)現(xiàn)智能制造的基礎(chǔ)和前提，在組成上主要分為三大部分，如圖2所示。在企業(yè)層對(duì)產(chǎn)品研發(fā)和制造準(zhǔn)備進(jìn)行統(tǒng)一管控，與ERP進(jìn)行集成，建立統(tǒng)一的頂層研發(fā)制造管理系統(tǒng)。管理層、操作層、控制層、現(xiàn)場(chǎng)層通過(guò)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)(現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)等)進(jìn)行組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)從生產(chǎn)管理到工業(yè)網(wǎng)底層的網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)管理生產(chǎn)過(guò)程、監(jiān)控生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行、采集現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)設(shè)備和物料數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)要求。除了要對(duì)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)制造過(guò)程進(jìn)行建模與仿真外，還要根據(jù)產(chǎn)品的變化對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)的重組和運(yùn)行進(jìn)行仿真，在生產(chǎn)系統(tǒng)投入運(yùn)行前就了解系統(tǒng)的使用性能，分析其可靠性、經(jīng)濟(jì)性、質(zhì)量、工期等，為生產(chǎn)制造過(guò)程中的流程優(yōu)化和大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)制造提供支持。

圖2 智能工廠架構(gòu)

西門子基于“工業(yè)4.0”概念創(chuàng)建的安貝格數(shù)字化工廠，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)、生產(chǎn)制造、管理調(diào)度、物流配送等過(guò)程中，都實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化操作。安貝格數(shù)字化工廠突出數(shù)字化、信息化等特征，為制造產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了借鑒與啟迪。安貝格數(shù)字化工廠已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化，在生產(chǎn)過(guò)程的制造研發(fā)方面，與國(guó)際化的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)接。安貝格數(shù)字化工廠的理念是通過(guò)將企業(yè)現(xiàn)實(shí)和虛擬世界結(jié)合在一起，從全局角度看待整個(gè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)高能效生產(chǎn)覆蓋從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到生產(chǎn)規(guī)劃、生產(chǎn)工程、生產(chǎn)實(shí)施以及后續(xù)服務(wù)的整個(gè)過(guò)程。安貝格數(shù)字化工廠對(duì)“工業(yè)4.0”概念作出了最佳實(shí)踐，處于制造業(yè)革命的應(yīng)用前沿。

2.2 智能工廠解決方案要素

(1)產(chǎn)品數(shù)字化建模與開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。為提高制造的成功率和可靠性，在數(shù)字化制造中應(yīng)非常重視對(duì)工藝過(guò)程即產(chǎn)品加工過(guò)程、裝配過(guò)程及生產(chǎn)系統(tǒng)規(guī)劃、重組和仿真等技術(shù)的研究，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)資源和加工過(guò)程的優(yōu)化及從傳統(tǒng)制造向可預(yù)測(cè)制造轉(zhuǎn)變的目的。

(2)產(chǎn)品全生命周期管理系統(tǒng)(PLM)。PLM的主要管理內(nèi)容是產(chǎn)品信息，唯有擁有具競(jìng)爭(zhēng)能力的產(chǎn)品，才能為企業(yè)獲得更多的用戶和更大的市場(chǎng)占有率，故針對(duì)制造業(yè)的信息化過(guò)程應(yīng)該以用戶的“產(chǎn)品”為中心，把重點(diǎn)放在為用戶建立一個(gè)既能支持產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和維護(hù)全過(guò)程，同時(shí)又能持續(xù)不斷地提升創(chuàng)新能力的產(chǎn)品信息管理平臺(tái)。

(3)制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)。MES的關(guān)鍵是強(qiáng)調(diào)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的優(yōu)化，它需要收集生產(chǎn)過(guò)程中大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并對(duì)實(shí)時(shí)事件及時(shí)處理。同時(shí)又與計(jì)劃層和控制層保持雙向通信能力，從上下兩層接收相應(yīng)數(shù)據(jù)并反饋處理結(jié)果和生產(chǎn)指令。MES把制造系統(tǒng)的計(jì)劃和進(jìn)度安排、追蹤、監(jiān)視和控制、物料流動(dòng)、質(zhì)量管理、設(shè)備的控制和計(jì)算機(jī)集成制造接口(CIM)等作一體化全面考慮，以最終實(shí)施制造自動(dòng)化戰(zhàn)略。西門子提出了MOM(manufacturing operations management)系統(tǒng)，對(duì)傳統(tǒng)MES系統(tǒng)進(jìn)行了進(jìn)一步擴(kuò)展，MOM系統(tǒng)不僅涵蓋基于傳統(tǒng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISA-95 MES系統(tǒng)中關(guān)注的產(chǎn)品定義、資源計(jì)劃、生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)性能等生產(chǎn)核心要素，同時(shí)包含了對(duì)制造運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的設(shè)備全面管控、物料流轉(zhuǎn)、高級(jí)計(jì)劃排程、能源管理、工廠/集團(tuán)智能運(yùn)營(yíng)分析等模塊。

(4)全集成自動(dòng)化系統(tǒng)。全集成自動(dòng)化系統(tǒng)以工業(yè)以太網(wǎng)(或工業(yè)總線)為基礎(chǔ)，集成工廠的生產(chǎn)管理系統(tǒng)、人機(jī)控制、自動(dòng)化控制軟件、自動(dòng)化設(shè)備、數(shù)控機(jī)床，形成工廠的物理網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)采集生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)，分析生產(chǎn)過(guò)程的關(guān)鍵影響因素，監(jiān)控生產(chǎn)物流的穩(wěn)定性和生產(chǎn)設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)智能控制整個(gè)工廠的生產(chǎn)資源、生產(chǎn)過(guò)程，達(dá)到智能化、數(shù)字化生產(chǎn)的目的，通過(guò)集成自動(dòng)化系統(tǒng)與MES和企業(yè)PLM/ERP的鏈接實(shí)現(xiàn)在整個(gè)企業(yè)層級(jí)自上而下的數(shù)字化驅(qū)動(dòng)。

(5)企業(yè)資源計(jì)劃(ERP)。ERP匯合了離散型生產(chǎn)和流程型生產(chǎn)的特點(diǎn)，面向全球市場(chǎng)，包羅了供應(yīng)鏈上所有的主導(dǎo)和支持能力，協(xié)調(diào)企業(yè)各管理部門圍繞市場(chǎng)導(dǎo)向，更加靈活或“柔性”地開(kāi)展業(yè)務(wù)活動(dòng)，實(shí)時(shí)地響應(yīng)市場(chǎng)需求。為此，重新定義供應(yīng)商、分銷商和制造商相互之間的業(yè)務(wù)關(guān)系，重新構(gòu)建企業(yè)的業(yè)務(wù)和信息流程及組織結(jié)構(gòu)，使企業(yè)在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中有更大的能動(dòng)性。

3 數(shù)字孿生模型

3.1 數(shù)字孿生模型概要

數(shù)字孿生模型指的是以數(shù)字化方式在虛擬空間呈現(xiàn)物理對(duì)象，即以數(shù)字化方式為物理對(duì)象創(chuàng)建虛擬模型，模擬其在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為特征，它是一個(gè)應(yīng)用于整個(gè)產(chǎn)品生命周期的數(shù)據(jù)、模型及分析工具的集成系統(tǒng)。對(duì)于制造企業(yè)來(lái)說(shuō)，數(shù)字孿生模型能夠整合生產(chǎn)中的制造流程，實(shí)現(xiàn)從基礎(chǔ)材料、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、生產(chǎn)計(jì)劃、制造執(zhí)行到使用維護(hù)的全過(guò)程數(shù)字化。通過(guò)集成設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，數(shù)字孿生模型可幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)全流程可視化、規(guī)劃細(xì)節(jié)、規(guī)避問(wèn)題、閉合環(huán)路、優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)。

數(shù)字孿生模型是在美國(guó)國(guó)防部提出的信息鏡像模型的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。信息鏡像模型包括三個(gè)部分：真實(shí)世界的物理產(chǎn)品、虛擬世界的虛擬產(chǎn)品、連接虛擬和真實(shí)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)和信息。

數(shù)字孿生模型在制造中的作用體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：預(yù)見(jiàn)設(shè)計(jì)質(zhì)量和制造過(guò)程，推進(jìn)設(shè)計(jì)和制造的高效協(xié)同，確保設(shè)計(jì)和制造準(zhǔn)確執(zhí)行。

數(shù)字孿生模型存在的重要意義在于實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)世界的物理系統(tǒng)與虛擬空間數(shù)字化系統(tǒng)之間的交互與反饋，從而達(dá)到在產(chǎn)品的全生命周期內(nèi)物理世界和虛擬世界之間的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，再通過(guò)基于數(shù)字孿生模型而進(jìn)行的仿真、分析、決策、數(shù)據(jù)收集、存儲(chǔ)、挖掘以及人工智能的應(yīng)用，確保它與物理系統(tǒng)的適用性。

3.2 基于模型的企業(yè)

應(yīng)用基于模型的技術(shù)將數(shù)字孿生模型應(yīng)用于企業(yè)，建立基于模型的企業(yè)(model based enterprise，MBE)是滿足“工業(yè)4.0”時(shí)代多樣化、個(gè)性化需求的最有效的制造新模式。MBE基于模型的定義(model based definition，MBD)，在整個(gè)企業(yè)以及上下游的供應(yīng)商之間建立一個(gè)集成和協(xié)作的環(huán)境，各業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)均在全三維產(chǎn)品定義的基礎(chǔ)上開(kāi)展工作，這有效地縮短了整個(gè)產(chǎn)品研制周期，改善了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的工作環(huán)境，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。MBE發(fā)展過(guò)程如圖3所示。

圖3 MBE發(fā)展歷程

MBE的相關(guān)組成主要分為三大部分：基于模型的工程(model-based engineering，MBe)，基于模型的數(shù)字化制造(model based manufacturing，MBm)，基于模型的維護(hù)(model based sustainment，MBs)。MBe是將模型作為技術(shù)基線的不可或缺的一部分，包括產(chǎn)品全生命周期內(nèi)需求、分析、設(shè)計(jì)、實(shí)施和驗(yàn)證的能力。MBm模型用于在虛擬制造環(huán)境內(nèi)部進(jìn)行工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)、優(yōu)化和管理，直至提供給生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。MBs的維持技術(shù)能夠提高運(yùn)行維護(hù)效率，降低生命周期成本。

3.3 數(shù)字孿生模型的組成

數(shù)字孿生模型主要包括：產(chǎn)品設(shè)計(jì)、過(guò)程規(guī)劃、生產(chǎn)布局、過(guò)程仿真、產(chǎn)量?jī)?yōu)化等。

3.3.1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

MBD技術(shù)中融入了知識(shí)工程、過(guò)程模擬和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等，將抽象、分散的知識(shí)集中在易于管理的三維模型中，使得設(shè)計(jì)、制造過(guò)程能有效地進(jìn)行知識(shí)積累和技術(shù)創(chuàng)新，因而MBD是企業(yè)知識(shí)固化和優(yōu)化的最佳載體。

針對(duì)MBD模型的定義，西門子提供了基于Teamcenter+NX集成一體化平臺(tái)的解決方案，利用NX軟件在MBD相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范下完成產(chǎn)品三維數(shù)字化數(shù)據(jù)定義，利用Teamcenter實(shí)現(xiàn)MBD數(shù)據(jù)的共享控制。

3.3.2 過(guò)程規(guī)劃

產(chǎn)品的實(shí)際制造過(guò)程有時(shí)可能極其復(fù)雜，生產(chǎn)中所發(fā)生的一切都離不開(kāi)完善的規(guī)劃。一般的規(guī)劃過(guò)程通常是設(shè)計(jì)人員和制造人員采用不同的系統(tǒng)分別開(kāi)展工作，他們之間無(wú)過(guò)多溝通，設(shè)計(jì)人員將設(shè)計(jì)創(chuàng)意交給制造商，不考慮制造性，由他們?nèi)ニ伎既绾沃圃?。但是這樣做很容易導(dǎo)致信息流失，使得工作人員很難看到當(dāng)前的實(shí)際狀況，進(jìn)而增大出錯(cuò)的幾率。

西門子的愿景是利用數(shù)字孿生模型推進(jìn)設(shè)計(jì)和制造的高效協(xié)同。

3.3.3 生產(chǎn)布局

生產(chǎn)布局指的是用來(lái)設(shè)置生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)系統(tǒng)的二維原理圖和紙質(zhì)平面圖。設(shè)計(jì)這些布局圖需要耗費(fèi)大量的精力并進(jìn)行廣泛的協(xié)調(diào)。由于計(jì)劃和設(shè)備設(shè)計(jì)密切集成，所以用戶能高效管理整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程。通過(guò)規(guī)定每個(gè)生產(chǎn)步驟，甚至管理每個(gè)生產(chǎn)資源(比如機(jī)械手、夾具等)，用戶可以輕易優(yōu)化過(guò)程。

3.3.4 過(guò)程仿真

過(guò)程仿真是一個(gè)利用三維環(huán)境進(jìn)行制造過(guò)程驗(yàn)證的數(shù)字化制造解決方案。制造商可以利用過(guò)程仿真在早期對(duì)制造方法和手段進(jìn)行虛擬驗(yàn)證。過(guò)程仿真包括利用裝配過(guò)程仿真、利用人員過(guò)程仿真、利用Process Simulate Spot Weld仿真、利用機(jī)器人過(guò)程仿真、利用試運(yùn)行過(guò)程仿真。利用過(guò)程仿真能夠?qū)χ圃爝^(guò)程進(jìn)行分步驗(yàn)證。

3.3.5 產(chǎn)量?jī)?yōu)化

利用產(chǎn)量仿真來(lái)優(yōu)化決定生產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)能的參數(shù)。通過(guò)將廠房布局與事件驅(qū)動(dòng)型仿真結(jié)合在一起，促進(jìn)這種優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)。這樣可以快速開(kāi)發(fā)和分析多個(gè)生產(chǎn)方案，從而消除瓶頸、提高效率并提高產(chǎn)量。工廠仿真可以對(duì)各種規(guī)模的生產(chǎn)系統(tǒng)和物流系統(tǒng)包括生產(chǎn)線進(jìn)行建模、仿真，也可以對(duì)各種生產(chǎn)系統(tǒng)(包括工藝路徑、生產(chǎn)計(jì)劃和管理)進(jìn)行優(yōu)化和分析，還可以優(yōu)化生產(chǎn)布局、資源利用率、產(chǎn)能和效率、物流和供需鏈，考慮不同大小的訂單與混合產(chǎn)品的生產(chǎn)。

3.3.6 維護(hù)保障管理

Teamcenter維護(hù)保障管理(MRO)系統(tǒng)主要提供維護(hù)保障規(guī)劃、維護(hù)BOM管理、維護(hù)保障執(zhí)行、維護(hù)保障知識(shí)庫(kù)管理，結(jié)合Teamcenter研制過(guò)程管理平臺(tái)提供 FRACAS管理、工程更改管理、返廠維修工藝管理、維護(hù)保障報(bào)告和分析。

4 制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)

4.1 MES的體系架構(gòu)簡(jiǎn)介

作為車間信息管理技術(shù)的載體，MES在實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化等方面發(fā)揮著巨大作用。MES處于企業(yè)級(jí)的資源計(jì)劃系統(tǒng)和工廠底層的控制系統(tǒng)之間，是提高企業(yè)制造能力和生產(chǎn)管理能力的重要手段。MES的關(guān)鍵是強(qiáng)調(diào)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的優(yōu)化，MES的項(xiàng)目目標(biāo)如圖4所示。

圖4 MES的項(xiàng)目目標(biāo)

MES集成了生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理、產(chǎn)品質(zhì)量管理、生產(chǎn)實(shí)時(shí)管控、生產(chǎn)動(dòng)態(tài)調(diào)度、生產(chǎn)效能分析、物料管理、設(shè)備管理和文檔管理等相互獨(dú)立的功能,使這些功能之間的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享，同時(shí)MES起到了企業(yè)信息系統(tǒng)連接器的作用，使企業(yè)的計(jì)劃管理層與控制執(zhí)行層之間實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的流通。

4.2 MES的發(fā)展趨勢(shì)

20世紀(jì)90年代MES概念被提出，經(jīng)過(guò)近30年的發(fā)展，MES逐步成為企業(yè)信息化的重要環(huán)節(jié)，特別是隨著智能制造時(shí)代的到來(lái)，MES被放到了前所未有的重要位置。近年來(lái)MES的發(fā)展呈現(xiàn)出以下幾個(gè)趨勢(shì)。

4.2.1 MES朝著新一代MES的方向發(fā)展

(1)MES具有開(kāi)放式、客戶化、可配置、可伸縮等特性，可針對(duì)企業(yè)業(yè)務(wù)流程的變更或重組進(jìn)行系統(tǒng)重構(gòu)和快速配置；MES新型體系結(jié)構(gòu)基于Web技術(shù)、支持網(wǎng)絡(luò)化功能。

(2)集成范圍更為廣泛，不僅包括制造車間現(xiàn)場(chǎng)，而且覆蓋企業(yè)整個(gè)業(yè)務(wù)流程，建立能量流、物流、質(zhì)量、設(shè)備狀態(tài)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，制定系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，使不同廠商的MES與其他異構(gòu)的企業(yè)信息系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)互連與互操作。

(3)具有更精確的過(guò)程狀態(tài)跟蹤和更完整的數(shù)據(jù)記錄功能，可實(shí)時(shí)獲取更多的數(shù)據(jù)來(lái)更精確、及時(shí)地進(jìn)行生產(chǎn)過(guò)程管理與控制，并具有多源信息的融合及復(fù)雜信息的處理與快速?zèng)Q策能力。

(4)新一代MES支持生產(chǎn)同步性和網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同制造，能對(duì)分布在不同地點(diǎn)甚至全球范圍內(nèi)的工廠進(jìn)行實(shí)時(shí)化信息互聯(lián)，建立過(guò)程化、敏捷化和級(jí)別化的管理。

4.2.2 MES成為智能工廠的核心

按照協(xié)同制造模式(collaborative manufacturing model，CMM)，智能工廠可以從三個(gè)維度來(lái)進(jìn)行描述，如圖5所示。生產(chǎn)是工廠所有活動(dòng)的核心，MES是智能工廠三個(gè)維度的交叉點(diǎn)和關(guān)

圖5 MES是智能工廠的核心

鍵點(diǎn)，是智能工廠的“大腦”。在智能制造時(shí)代，MES不再是只連接ERP與車間現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的中間層級(jí)，而是智能工廠所有活動(dòng)的交匯點(diǎn)，是現(xiàn)實(shí)工廠智能生產(chǎn)的核心環(huán)節(jié)。

4.2.3 MES成為實(shí)現(xiàn)精益生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

“精益生產(chǎn)”的理念是杜絕浪費(fèi)和作業(yè)流程不間斷，而非分批和排隊(duì)等候的一種生產(chǎn)方式。精益生產(chǎn)系統(tǒng)綜合了單件生產(chǎn)與大批量生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)，既避免了前者的高成本，又避免了后者的僵化，精益生產(chǎn)的思想需要融入數(shù)字化制造的各個(gè)環(huán)節(jié)，業(yè)務(wù)場(chǎng)景通過(guò)相關(guān)IT系統(tǒng)和業(yè)務(wù)的融合應(yīng)用，將精益思想逐步固化在日常管理和IT系統(tǒng)中，并通過(guò)制度確保效果的持續(xù)化。MES是貫徹精益生產(chǎn)理念的一個(gè)平臺(tái)。從傳統(tǒng)精益推進(jìn)到數(shù)字化精益，必須要經(jīng)歷信息化深度應(yīng)用。

5 智能制造執(zhí)行系統(tǒng)——SIMATIC IT

西門子的制造執(zhí)行系統(tǒng)平臺(tái)的名稱是“SIMATIC IT”，是一套優(yōu)秀的工廠生產(chǎn)運(yùn)行系統(tǒng)，它提供了“模型化”的理念，可用于工廠建模和生產(chǎn)操作過(guò)程的模擬；它的整個(gè)功能體系都是依照功能以模塊和組件的協(xié)同工作來(lái)執(zhí)行的。

由圖6可知，SIMATIC IT是一個(gè)系列產(chǎn)品，包含了幾乎整個(gè)制造的各個(gè)方面和相關(guān)系統(tǒng)，其行業(yè)庫(kù)更是覆蓋從離散到流程的全行業(yè)。

6 全集成的系統(tǒng)概念

“全集成自動(dòng)化(TIA)”是西門子自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán)在1996年為響應(yīng)市場(chǎng)對(duì)工業(yè)自動(dòng)化過(guò)程控制系統(tǒng)的愈來(lái)愈高的要求而提出的概念。

TIA的概念起源于PLC系統(tǒng)的集成，并將所

圖6 SIMATIC IT制造行業(yè)產(chǎn)品組合

有的功能推廣到其他系統(tǒng)中，為生產(chǎn)線提供了一種優(yōu)秀的解決方案，使控制任務(wù)基于一個(gè)單一的、集成各系統(tǒng)的、一致性的操作平臺(tái)。

6.1 客戶對(duì)自動(dòng)化解決方案的需求

西門子全集成自動(dòng)化系統(tǒng)從5個(gè)方面滿足客戶對(duì)自動(dòng)化解決方案的需求，包括：縱向集成、橫向集成、生產(chǎn)線可用性、可擴(kuò)展性/模塊化、開(kāi)放性和標(biāo)準(zhǔn)。

6.2 全集成自動(dòng)化解決方案的優(yōu)勢(shì)

對(duì)設(shè)計(jì)人員和用戶而言，從最初的規(guī)劃與設(shè)計(jì)，工程與實(shí)施，到安裝與調(diào)試，運(yùn)行與維護(hù)，以至系統(tǒng)升級(jí)改造，TIA使企業(yè)在整個(gè)產(chǎn)品生命周期中獲得最高的生產(chǎn)力和產(chǎn)品質(zhì)量，并顯著降低項(xiàng)目成本。此外，TIA還能大大縮短產(chǎn)品上市和系統(tǒng)投入運(yùn)行時(shí)間。TIA在所有的自動(dòng)化任務(wù)中，創(chuàng)造了實(shí)際的附加價(jià)值。包括：

(1)一體化工程。在生產(chǎn)過(guò)程的所有階段，由于一致的、全面的工程，使用戶更節(jié)約時(shí)間，節(jié)省資金，省力。

(2)工業(yè)數(shù)據(jù)管理。通過(guò)實(shí)時(shí)訪問(wèn)所有重要的過(guò)程生產(chǎn)數(shù)據(jù)，客戶有信心最大限度地進(jìn)行節(jié)約型生產(chǎn)操作。

(3)工業(yè)通信。通過(guò)使用國(guó)際的跨供應(yīng)商標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)限的、一致的通信，最大限度地實(shí)現(xiàn)跨所有層級(jí)的透明度。

(4)工業(yè)信息安全。通過(guò)自動(dòng)化安全機(jī)制的一致性使用，可以系統(tǒng)性地減小攻擊給工廠和機(jī)器所帶來(lái)的危險(xiǎn)。

(5)安全集成。通過(guò)無(wú)縫安全地集成到標(biāo)準(zhǔn)的自動(dòng)化技術(shù)中，TIA可以可靠全面地保護(hù)人身、機(jī)器以及環(huán)境的安全。

6.3 一體化的工程

由于TIA的統(tǒng)一性和開(kāi)放性，使工程的一體化變得可能，大大提高工程的效率。

(1)TIA的統(tǒng)一性。通過(guò)一個(gè)單一的平臺(tái)TIA博途，集成西門子所有基于控制的軟件于一體，用戶可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)產(chǎn)品范圍(從自動(dòng)化系統(tǒng)以及驅(qū)動(dòng)技術(shù)一直到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備)的高度集成，其優(yōu)異特性充分體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理、統(tǒng)一的變量表、變量名自動(dòng)映射、統(tǒng)一的編程、組態(tài)。

(2)TIA的開(kāi)放性。TIA是一個(gè)高度集成和統(tǒng)一的系統(tǒng)，同時(shí)它也是一個(gè)具有高度開(kāi)放性的系統(tǒng)。TIA的開(kāi)放性體現(xiàn)在：對(duì)所有類型的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備開(kāi)放、對(duì)辦公系統(tǒng)開(kāi)放并支持Internet。

(3)聯(lián)合調(diào)試與聯(lián)合編程。隨著自動(dòng)化的快速發(fā)展，CPU變得非常強(qiáng)大，一個(gè)CPU可能承擔(dān)不同的控制任務(wù)，這樣可能會(huì)有多個(gè)工程人員參與到同一個(gè)CPU進(jìn)行調(diào)試。使用TIA博途平臺(tái)進(jìn)行調(diào)試，可以支持多人同時(shí)調(diào)試，在修改各自的程序時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)同步相互之間由于修改而產(chǎn)生的差異，從而保證工程調(diào)試的快速性?；诓煌膽?yīng)用，編程人員可能分別負(fù)責(zé)不同的子項(xiàng)目，這些項(xiàng)目中的設(shè)備還需要互通，通過(guò)TIA博途的設(shè)備代理功能可以非常方便地實(shí)現(xiàn)這些需求。一個(gè)大型的項(xiàng)目可能需要一個(gè)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行實(shí)施，在開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，項(xiàng)目間的數(shù)據(jù)可能需要實(shí)時(shí)交換，使用設(shè)備代理的方式保證不了工程的快速性和便利性，通過(guò)聯(lián)合編程的方式，可以在一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)共享一個(gè)大的項(xiàng)目，從而實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目間的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享。

(4)遠(yuǎn)程維護(hù)?？梢詫⒁粋€(gè)項(xiàng)目放置在云端服務(wù)器中，工程人員可以通過(guò)Internet遠(yuǎn)程接入，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)項(xiàng)目的維護(hù)和調(diào)試。

(5)過(guò)程的模擬與仿真。通過(guò)程序和過(guò)程的模擬和仿真，可以使設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)安裝之前已經(jīng)完成了大部分的調(diào)試工作。

(6)通過(guò)TIA實(shí)現(xiàn)高效工程并帶來(lái)效益。由于TIA具有統(tǒng)一和共享的數(shù)據(jù)庫(kù)以及開(kāi)放的系統(tǒng)架構(gòu)(可以在世界任何地方任何時(shí)間訪問(wèn)最新的數(shù)據(jù)和信息)，故在這種方式下，工作過(guò)程可以并行執(zhí)行，同樣也可以循序執(zhí)行。

6.4 工業(yè)數(shù)據(jù)的管理

工業(yè)數(shù)據(jù)管理將生產(chǎn)過(guò)程中流轉(zhuǎn)和采集到的各種數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)綜合管理，轉(zhuǎn)化為更有價(jià)值的信息，并使企業(yè)內(nèi)部能夠?qū)崟r(shí)地訪問(wèn)到工廠數(shù)據(jù)。工業(yè)數(shù)據(jù)管理能提高診斷效率，縮短停機(jī)時(shí)間，優(yōu)化資源使用率。

(1)跨部門的橫向集成。TIA通過(guò)橫向數(shù)據(jù)管理，集成連接了整個(gè)生產(chǎn)鏈的各個(gè)部門，從原料接收到實(shí)際生產(chǎn)，再到裝運(yùn)出廠。

(2)跨各層的縱向集成。TIA通過(guò)從現(xiàn)場(chǎng)層到控制層，人機(jī)控制和監(jiān)視層，生產(chǎn)執(zhí)行層，最后匯總到ERP層實(shí)現(xiàn)縱向數(shù)據(jù)管理，來(lái)連接自動(dòng)化金字塔的各個(gè)層級(jí)。生產(chǎn)工藝和過(guò)程參數(shù)在金字塔的各層級(jí)間傳遞，并且也融入到各種具體的生產(chǎn)活動(dòng)中，來(lái)自于現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)和維護(hù)數(shù)據(jù)可以進(jìn)一步精簡(jiǎn)，傳遞到金字塔的頂層，如此便可清楚地看到整個(gè)生產(chǎn)線的運(yùn)行狀態(tài)。

(3)工業(yè)數(shù)據(jù)管理可以提供多種維度和視角來(lái)視察和利用數(shù)據(jù)。

TIA的主要貢獻(xiàn)是通過(guò)橫向和縱向集成的數(shù)據(jù)管理來(lái)提升工廠的效率。

6.4.1 維護(hù)和診斷

基于設(shè)備數(shù)據(jù)采集管理和智能維護(hù)策略的組合，顯著地帶來(lái)了更高的可用性和更短的停機(jī)時(shí)間，從而提高了設(shè)備的利用率。TIA全集成自動(dòng)化支持智能維護(hù)策略，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)維護(hù)工單的流程：基于故障的糾正性維護(hù)、基于狀態(tài)的預(yù)防性維護(hù)、基于計(jì)劃的日常維護(hù)、基于生產(chǎn)負(fù)荷的檢修。

6.4.2 能源數(shù)據(jù)管理

SIMATIC B.Data是經(jīng)過(guò)TUV認(rèn)證的符合DIN EN ISO 50001標(biāo)準(zhǔn)的能源數(shù)據(jù)管理軟件，能夠通過(guò)能耗數(shù)據(jù)采集、管理、分析，幫助工廠實(shí)現(xiàn)能耗成本分析、能源采購(gòu)預(yù)測(cè)、能源KPI計(jì)算和報(bào)表、能源/原料的平衡管理等功能，從而有效降低能源消耗，降低生產(chǎn)成本、提高工廠整體能效水平，減少二氧化碳排放。

6.4.3 歸檔和報(bào)表

基于TIA高效的數(shù)據(jù)采集平臺(tái)和長(zhǎng)期歸檔系統(tǒng)，可以歸檔管理巨量的生產(chǎn)歷史數(shù)據(jù)，并基于實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)可以生成各種視角的生產(chǎn)報(bào)表，基于這些數(shù)據(jù)可以幫助車間進(jìn)一步優(yōu)化生產(chǎn)工藝流程，提升產(chǎn)品質(zhì)量。

6.5 故障安全集成

作為TIA的一部分，安全集成確保了對(duì)人員、設(shè)備以及環(huán)境的保護(hù)，同時(shí)可以最大限度地保證系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和靈活性。

6.5.1 安全集成理念

不同國(guó)家已逐漸形成了普遍一致的機(jī)械制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，基于法規(guī)確定的一致性，可以在實(shí)際中應(yīng)用相應(yīng)的歐洲統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。并在滿足國(guó)家和歐盟標(biāo)準(zhǔn)的前提下，為生產(chǎn)商和操作人員提供法律保護(hù)。

6.5.2 設(shè)備安全的實(shí)現(xiàn)

不同階段的設(shè)備安全需求如表1所示。

表1 設(shè)備安全

6.5.3 安全控制系統(tǒng)

(1)功能安全。功能安全依賴于系統(tǒng)或設(shè)備對(duì)輸入的正確操作，它是全部安全的一部分。

(2)西門子 SIMATIC安全集成。安全集成是一個(gè)完整、通用的安全解決方案。

(3)安全集成系統(tǒng)及產(chǎn)品。

6.6 工業(yè)通信

(1)以太網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)。在辦公和商業(yè)領(lǐng)域，以太網(wǎng)是當(dāng)今最流行、應(yīng)用最廣泛的通信技術(shù)，具有價(jià)格低、通信速率和帶寬高、兼容性好、軟硬件資源豐富、廣泛的技術(shù)支持基礎(chǔ)和強(qiáng)大的持續(xù)發(fā)展?jié)摿Φ戎T多優(yōu)點(diǎn)。

(2)PROFINET。PROFINET是基于工業(yè)以太網(wǎng)的開(kāi)放的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，它獨(dú)立于供應(yīng)商，用于生產(chǎn)自動(dòng)化與過(guò)程自動(dòng)化。通過(guò) PROFINET 可以提高應(yīng)用靈活性，可以大幅提升生產(chǎn)效率，穩(wěn)步提升設(shè)備性能。

(3)工業(yè)無(wú)線通信。無(wú)線通信為工業(yè)通信的應(yīng)用開(kāi)辟了新的領(lǐng)域，無(wú)論是現(xiàn)代化工廠的局部還是優(yōu)化的復(fù)雜的物流系統(tǒng)或者是生產(chǎn)線，基于無(wú)線遠(yuǎn)程通信、RUGGEDCOM WiN、工業(yè)無(wú)線局域網(wǎng)和WirelessHART，西門子均可提供工業(yè)無(wú)線通信的可靠解決方案。

(4)PROFIBUS(IEC 61158/61784)。PROFIBUS用于連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備到自動(dòng)化系統(tǒng)。PROFIBUS符合IEC61158/61784標(biāo)準(zhǔn)，是一種強(qiáng)大、開(kāi)放、穩(wěn)定的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，具有很短的響應(yīng)時(shí)間。

(5)AS-Interface(EN 50295/IEC 62026)。作為線纜束的一種經(jīng)濟(jì)替代方案，AS-Interface總線連接現(xiàn)場(chǎng)的器件僅通過(guò)一根兩芯的電纜，在這一根電纜上同時(shí)傳送數(shù)據(jù)和電源。

(6)IO-Link(IEC61131-9)。IO-Link是一個(gè)用于傳感器執(zhí)行器的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)，它實(shí)現(xiàn)了至現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程最后一米的通信。

6.7 工業(yè)信息安全

隨著數(shù)字化需求的日益增長(zhǎng)，自動(dòng)化的信息安全性變得越來(lái)越重要。工業(yè)信息安全是數(shù)字企業(yè)的核心要素，工業(yè)信息安全是數(shù)字化的一部分。

6.7.1 工業(yè)信息安全的防護(hù)理念

西門子工業(yè)安全理念包含了工廠安全，網(wǎng)絡(luò)安全和系統(tǒng)完整性三個(gè)重要部分(圖7)。

圖7 西門子工業(yè)安全理念

6.7.2 工廠安全

工廠安全包括物理訪問(wèn)保護(hù)、安全管理兩個(gè)方面。

6.7.3 網(wǎng)絡(luò)安全

網(wǎng)絡(luò)安全包括以下三個(gè)方面：網(wǎng)絡(luò)分段和單元保護(hù)概念、辦公網(wǎng)絡(luò)和工廠網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)的安全、遠(yuǎn)程訪問(wèn)的安全。

6.7.4 系統(tǒng)完整性

系統(tǒng)完整性意味著自動(dòng)化系統(tǒng)的控制器組件，SCADA和HMI系統(tǒng)等，要具備防止未經(jīng)授權(quán)和惡意軟件的訪問(wèn)或者需要滿足特殊需求(如專有知識(shí)等)的保護(hù)功能,包括在工廠網(wǎng)絡(luò)中保護(hù)基于PC的系統(tǒng)、控制層級(jí)的保護(hù)。

7 企業(yè)間價(jià)值網(wǎng)絡(luò)的橫向集成

7.1 橫行集成

橫向集成指的是企業(yè)之間通過(guò)價(jià)值鏈及信息網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)資源整合。橫向集成將企業(yè)內(nèi)部的業(yè)務(wù)信息向企業(yè)外拓展，將其拓展至供應(yīng)商、銷售商、用戶等，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)企業(yè)與企業(yè)、企業(yè)與產(chǎn)品之間的協(xié)同。

7.2 橫向集成解決的問(wèn)題

IT系統(tǒng)和企業(yè)計(jì)劃過(guò)程也許是跨洲的，越洋的，分布在互聯(lián)網(wǎng)所在的任何地方。價(jià)值網(wǎng)絡(luò)所連的公司也可能分布在互聯(lián)網(wǎng)所在的任何地方。CPS價(jià)值網(wǎng)絡(luò)的橫向集成是在世界范圍網(wǎng)絡(luò)制造的成功經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上(如A380飛機(jī)的制造)，在IoT和IoS的支持下實(shí)現(xiàn)的新的互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)制造,其機(jī)理如圖8所示。

圖8 價(jià)值網(wǎng)絡(luò)橫向集成

價(jià)值網(wǎng)絡(luò)也包含了所連接的實(shí)體間的商業(yè)價(jià)值鏈。橫向集成需要解決的問(wèn)題如下：商業(yè)模式；不同公司間的合作形式；商業(yè)活動(dòng)的持續(xù)發(fā)展；價(jià)值鏈鏈接的公司間的商業(yè)秘密保護(hù)；標(biāo)準(zhǔn)化策略；中長(zhǎng)期的職工培訓(xùn)計(jì)劃等。

7.3 橫向集成與車間

高度的網(wǎng)絡(luò)化使得產(chǎn)業(yè)鏈的信息集成更加便利，也為“工業(yè)4.0”時(shí)代的制造業(yè)革命帶來(lái)了車間革命以外的新活力。在實(shí)現(xiàn)大規(guī)模個(gè)性化定制的過(guò)程中，產(chǎn)業(yè)鏈上游的企業(yè)可以集成下游的供應(yīng)鏈信息，提高智能工廠的原材料供應(yīng)能力。高度網(wǎng)絡(luò)化的制造模式將智能工廠在價(jià)值鏈中的觸角延伸到了傳統(tǒng)工廠無(wú)法觸及的地方。企業(yè)還可以通過(guò)服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)(IoS)提供類似目前消費(fèi)互聯(lián)網(wǎng)所提供的電子商務(wù)服務(wù)，或者通過(guò)應(yīng)用商店的形式擴(kuò)展產(chǎn)品的增值服務(wù)范圍。

7.4 橫向集成與網(wǎng)絡(luò)化

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是“工業(yè)4.0”的橫向集成技術(shù)賴以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，它可以將分布在全球范圍內(nèi)的智能工廠、公用設(shè)備、設(shè)計(jì)專家、生產(chǎn)工藝、專用設(shè)備或機(jī)器人，通過(guò)特定的CPS集成起來(lái)，生產(chǎn)出特定的智能產(chǎn)品,在全球范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)配置各類資源組成智能產(chǎn)品的智能生產(chǎn)線。

8 全流程的端到端集成

端到端集成指的是圍繞客戶價(jià)值進(jìn)行的集成，圍繞企業(yè)核心形成競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，也因此能夠提供最佳的用戶體驗(yàn)。端到端的集成貫穿于產(chǎn)品的整個(gè)生命周期，包括原料供應(yīng)、研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、銷售服務(wù)等各個(gè)環(huán)節(jié)。通過(guò)端到端的集成，產(chǎn)業(yè)鏈的領(lǐng)導(dǎo)企業(yè)可以獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

8.1 全流程的端到端集成

整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中需要實(shí)現(xiàn)端到端的數(shù)字集成，使現(xiàn)實(shí)世界和數(shù)字世界在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期所包含的價(jià)值鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)之間實(shí)現(xiàn)整合(圖9)。所謂的“工業(yè)4.0”的端到端的數(shù)字化集成，就是用戶可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)參與產(chǎn)品的研發(fā)與制造的各個(gè)環(huán)節(jié)?！肮I(yè)4.0”中端到端的集成更強(qiáng)調(diào)的是各生產(chǎn)階段的終端設(shè)備的集成。

圖9 端到端的制造業(yè)業(yè)務(wù)場(chǎng)景模型

8.2 端到端——供應(yīng)鏈要達(dá)到最佳的狀態(tài)

“工業(yè)4.0”模式下，理想的狀態(tài)是智慧工廠的下游都有共有的云，在云端集成了整個(gè)的供應(yīng)鏈，實(shí)現(xiàn)物和物、服務(wù)和服務(wù)、人和人的對(duì)話。

8.3 端到端的解決方案

PLM關(guān)系集成模型可以用于描述企業(yè)中各項(xiàng)數(shù)字業(yè)務(wù)或者各個(gè)學(xué)科之間的關(guān)系。事實(shí)上，企業(yè)在信息化的過(guò)程中建立系統(tǒng)也正是為了解決眾多的業(yè)務(wù)問(wèn)題。從底層技術(shù)角度來(lái)看，只要實(shí)現(xiàn)對(duì)PLM關(guān)系集成模型中的關(guān)系的管理，就能實(shí)現(xiàn)端到端的整體協(xié)同，因此這是一種不錯(cuò)的解決方案。

8.4 全價(jià)值鏈端到端系統(tǒng)工程

跨越全價(jià)值鏈的端到端的數(shù)字化集成是指通過(guò)部署CPS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品需求到最終的產(chǎn)品交付的全流程覆蓋。通過(guò)數(shù)字化建模等方法，在一個(gè)端到端工程工具鏈中，使得用戶的所有需求信息與各個(gè)程序之間的相互依存關(guān)系能夠標(biāo)準(zhǔn)化、準(zhǔn)確、清晰、數(shù)字化高效地描述、確認(rèn)和傳遞，最終完成制造過(guò)程并輸出結(jié)果，且輸出結(jié)果與當(dāng)初的最初輸入的需求完全一致，不產(chǎn)生任何偏差。

把CPS技術(shù)應(yīng)用于基于模型的開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)端到端、模擬、數(shù)值等方法，可以實(shí)現(xiàn)從客戶需求定義到產(chǎn)品設(shè)計(jì)加工，再到成品完成出庫(kù)等各個(gè)方面的配置。

9 網(wǎng)絡(luò)化的縱向垂直集成與網(wǎng)絡(luò)化制造

縱向集成就是解決企業(yè)內(nèi)部信息孤島的集成，“工業(yè)4.0”所追求的就是在企業(yè)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)所有環(huán)節(jié)信息的無(wú)縫連接，這是所有智能化的基礎(chǔ)?？v向集成是基于未來(lái)智能工廠中網(wǎng)絡(luò)化的制造體系，實(shí)現(xiàn)個(gè)性定制生產(chǎn)，替代傳統(tǒng)的固定式生產(chǎn)流程(如固化的流水線)的關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)。

9.1 PDM與ERP集成

在企業(yè)信息化中，PDM與ERP分別被認(rèn)為是涉及技術(shù)管理和信息化管理的兩個(gè)不同領(lǐng)域。若能把PDM和ERP進(jìn)行集成，即將產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)管理甚至倉(cāng)儲(chǔ)管理等打通，有效縮短產(chǎn)品形成周期，加速產(chǎn)品設(shè)計(jì)到制造領(lǐng)域的轉(zhuǎn)化，從而從根本上促進(jìn)企業(yè)的現(xiàn)代化進(jìn)程，對(duì)企業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

PDM與ERP的集成模式有以下3種：接口交換模式、封裝集成模式、緊密集成模式。

9.2 ERP與MES集成

大多數(shù)同時(shí)實(shí)施ERP和MES的制造企業(yè)中，集成企業(yè)模型呈現(xiàn)出典型的三層結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 集成企業(yè)模型

9.2.1 ERP與MES的集成分析

ERP與MES集成系統(tǒng)的信息傳遞具體如下：自上而下的信息流傳遞ERP系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)(主要來(lái)源于客戶訂單和銷售預(yù)測(cè)兩個(gè)方面)至MES層，在MES層進(jìn)行處理后將生成采購(gòu)件的采購(gòu)訂單和自制件的工作訂單；自下而上的信息流將底層控制系統(tǒng)的相關(guān)信息實(shí)時(shí)傳送到MES層，再經(jīng)MES處理后傳送到ERP層。

9.2.2 ERP與MES的集成模式與方法

ERP與MES的集成模式主要有:封裝調(diào)用集成模式、間接集成模式(基于可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言(XML)的集成技術(shù)也屬于間接集成模式)、直接集成模式(需要將兩個(gè)系統(tǒng)分別對(duì)各自的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行操作并交換數(shù)據(jù))。

9.2.3 SAP制造業(yè)ERP與MES系統(tǒng)集成架構(gòu)

SAP APO與獨(dú)立的工業(yè)模塊無(wú)縫集成在一起，組成一個(gè)完整的計(jì)劃體系。這個(gè)計(jì)劃體系可以完成從中長(zhǎng)期的整體計(jì)劃一直到分鐘或秒一級(jí)的作業(yè)計(jì)劃，從而構(gòu)成整個(gè)信息化管理體系中的計(jì)劃層。

9.3 PLM與MES集成

將PLM與MES實(shí)現(xiàn)集成，則PLM系統(tǒng)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與MES系統(tǒng)的相應(yīng)管理模塊可以同步進(jìn)行，即可直接將產(chǎn)品要求、設(shè)計(jì)和制造信息與車間執(zhí)行系統(tǒng)連接。PLM與MES的集成解決方案是一種無(wú)縫的途徑，不僅可以提高生產(chǎn)靈活性，還可以提高生產(chǎn)速度，提供創(chuàng)新的產(chǎn)品和優(yōu)化的方法。

PLM與MES系統(tǒng)之間可以實(shí)現(xiàn)緊密的系統(tǒng)集成，如Teamcenter與SIMATIC IT之間。兩者的數(shù)據(jù)同步并非傳統(tǒng)意義上的通過(guò)中間文件方式實(shí)現(xiàn)，而是通過(guò)底層函數(shù)互調(diào)實(shí)現(xiàn)的，全盤考慮數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎屯暾裕ＷC企業(yè)是在一個(gè)統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)。

PLM系統(tǒng)將完整的產(chǎn)品數(shù)據(jù)包通過(guò)內(nèi)部通道傳遞給MES系統(tǒng)，MES系統(tǒng)內(nèi)部的各個(gè)模塊分別負(fù)責(zé)接收和存儲(chǔ)不同類型的產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

10 案例

10.1 制造運(yùn)營(yíng)管理案例

10.1.1 成功案例1

青島啤酒股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱“青島啤酒”)成立于 1993 年，產(chǎn)品遠(yuǎn)銷70多個(gè)國(guó)家和地區(qū)。青島啤酒(揭陽(yáng))有限公司位于廣東省揭陽(yáng)市揭東區(qū)經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)新區(qū)，是一家新建的生產(chǎn)工廠，總投資8億元人民幣，公司選用目前國(guó)際一流的啤酒生產(chǎn)設(shè)備。

10.1.1.1 企業(yè)信息化應(yīng)用總體現(xiàn)狀

(1)Oracle EBS系統(tǒng)。該系統(tǒng)已經(jīng)在青島啤酒成功應(yīng)用10年以上。

(2)作業(yè)成本系統(tǒng)。該系統(tǒng)已經(jīng)在10多家分公司成功實(shí)施。

(3)KM(知識(shí)管理)系統(tǒng)。

10.1.1.2 信息化項(xiàng)目詳細(xì)情況

青島啤酒(揭陽(yáng))有限公司在設(shè)計(jì)初期即確立了打造一個(gè)一流的自動(dòng)化、信息化的示范生產(chǎn)基地的目標(biāo)，由此，公司引入了西門子的 SIMATIC IT MES系統(tǒng)。

青島啤酒對(duì)信息戰(zhàn)略的總體規(guī)劃框架如下：圍繞啤酒生產(chǎn)進(jìn)行六大改善——品質(zhì)改善、效率改善、質(zhì)量改善、隊(duì)伍改善、安全改善、資源改善，為提升企業(yè)核心能力提供信息化技術(shù)支持，滿足管理進(jìn)一步由定性向定量、由靜態(tài)到動(dòng)態(tài)、由事后到實(shí)時(shí)的轉(zhuǎn)變要求，達(dá)到增強(qiáng)企業(yè)綜合能力、創(chuàng)建“一流啤酒制造工廠”的總體目標(biāo)。信息系統(tǒng)的層級(jí)結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 青島啤酒(揭陽(yáng))有限公司信息系統(tǒng)架構(gòu)圖

如今，生產(chǎn)車間中的每一包物料、每一個(gè)操作都成了鮮活的個(gè)體，它們的整個(gè)生命歷程都有清晰的印記，無(wú)論你身處何方，都可以掌控遠(yuǎn)在千里之外的生產(chǎn)車間的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況，真正讓管理者與操作車間實(shí)現(xiàn)零距離。

10.1.1.3 企業(yè)信息化的未來(lái)發(fā)展規(guī)劃

青島啤酒擬在總部建一套集團(tuán)化MES，用于采集及對(duì)比分析全國(guó)各家工廠的相關(guān)數(shù)據(jù)，將各工廠服務(wù)器內(nèi)的數(shù)據(jù)用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議發(fā)送到中心工廠服務(wù)器，如此就可以在總部對(duì)各工廠的生產(chǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)、直觀的對(duì)比分析。

10.1.2 成功案例2

京信通信成立于1997年，是一家集研發(fā)、生產(chǎn)、銷售及服務(wù)于一體的移動(dòng)通信設(shè)備專業(yè)廠商，致力于為客戶提供無(wú)線優(yōu)化、傳輸與接入的整體解決方案。京信通信注重自主研發(fā)和技術(shù)創(chuàng)新，在廣州科學(xué)城設(shè)有總部研發(fā)基地，在中國(guó)南京、美國(guó)弗吉尼亞州及加利福尼亞州分別設(shè)有研究所，擁有國(guó)內(nèi)外專利1000余項(xiàng)。

10.1.2.1 企業(yè)信息化應(yīng)用總體現(xiàn)狀

京信通信公司目前有多個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)在使用：

(1)SAP。8年的企業(yè)級(jí)ERP應(yīng)用。

(2)PLM。6年的PLM系統(tǒng)應(yīng)用。

(3)ATS(automatic testing system)。自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)為一套測(cè)試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，管理所有測(cè)試設(shè)備，集中記錄所有測(cè)試數(shù)據(jù)。

(4)MES。MES集成了SAP與ATS，管理生產(chǎn)執(zhí)行。

10.1.2.2 信息化項(xiàng)目詳細(xì)情況介紹

為打造一流的數(shù)字化工廠，京信通信引入了西門子的SIMATIC IT MES。京信通信的MES是面向制造企業(yè)車間級(jí)的信息化解決方案，旨在幫助公司提升制造生產(chǎn)管理能力，解決生產(chǎn)黑洞問(wèn)題，提升產(chǎn)品品質(zhì)，提高生產(chǎn)效率，通過(guò)條碼技術(shù)對(duì)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的即時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、控制、監(jiān)控和分析處理，為產(chǎn)品提供全程可追溯管理，從而幫助制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)更加精益化的生產(chǎn)管理、降低成本、減少作業(yè)人員、改進(jìn)工藝工序、應(yīng)對(duì)客戶要求等。

10.1.2.3 企業(yè)信息化的未來(lái)發(fā)展規(guī)劃

在京信通信廣州工廠實(shí)施MES只是京信通信數(shù)字化生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理(MOM)的一個(gè)開(kāi)端， MES 為數(shù)字化工廠的制造執(zhí)行奠定了基礎(chǔ)。要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品送到客戶手中的整個(gè)過(guò)程細(xì)節(jié)都數(shù)字化，使得用到自身產(chǎn)品的所有工程項(xiàng)目以及分公司都在統(tǒng)一的信息化管理平臺(tái)下，則供應(yīng)鏈與物流的信息化管理必然是整個(gè)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理的一個(gè)重要部分，這也是京信通信的下一步發(fā)展規(guī)劃。

10.2 產(chǎn)品全生命周期管理案例

自20世紀(jì)80年代起，濟(jì)南二機(jī)床集團(tuán)有限公司(以下簡(jiǎn)稱“濟(jì)南二機(jī)床”)就已開(kāi)始應(yīng)用CAD，并自主開(kāi)發(fā)了電氣CAD、機(jī)構(gòu)分析、企業(yè)資源規(guī)劃(ERP)及產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)等軟件系統(tǒng)。濟(jì)南二機(jī)床的工程師發(fā)現(xiàn)，若能擴(kuò)展三維CAD技術(shù)的應(yīng)用，就有機(jī)會(huì)進(jìn)一步提高企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量，但公司原有的CAD系統(tǒng)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足其要求，于是，工程師決定引入市面上更加成熟的三維CAD軟件，助其實(shí)現(xiàn)全三維應(yīng)用。

濟(jì)南二機(jī)床的產(chǎn)品是按訂單生產(chǎn)的，產(chǎn)品品種多、技術(shù)含量高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)和制造過(guò)程的難度非常大。濟(jì)南二機(jī)床對(duì)各種商業(yè)軟件系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的比對(duì)分析，最終選擇了產(chǎn)品生命周期管理軟件專家Siemens PLM Software的Solid Edge。

濟(jì)南二機(jī)床的產(chǎn)品BOM復(fù)雜，單臺(tái)產(chǎn)出涉及的零部件達(dá)一萬(wàn)種左右。在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)推動(dòng)下，產(chǎn)品設(shè)計(jì)和更新速度加快，產(chǎn)品設(shè)計(jì)通常會(huì)被反復(fù)修改和完善，其產(chǎn)品的BOM也會(huì)隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。為此，工程師希望可以最大限度地利用設(shè)計(jì)階段的BOM信息，消除“信息孤島”問(wèn)題。

Solid Edge的實(shí)施明顯提升了濟(jì)南二機(jī)床的產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量、研發(fā)效率。Solid Edge允許工程師直接利用所有的資源進(jìn)行關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)和同步修改，大大提高了設(shè)計(jì)效率。同時(shí)，三維進(jìn)階前期準(zhǔn)備工作的開(kāi)展，促使?jié)隙C(jī)床的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)得到了全面整合、梳理和規(guī)范，為以后信息化工作的展開(kāi)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

10.3 全集成自動(dòng)化案例

在制造行業(yè)中，生產(chǎn)效率和生產(chǎn)力是邁向成功的兩大重要因素。在復(fù)雜的機(jī)器和工廠生產(chǎn)中，工程組態(tài)尤為重要。在工程組態(tài)早期階段，即可實(shí)現(xiàn)高效應(yīng)用，從而使生產(chǎn)運(yùn)行更快速、更靈活和更智能。為此，西門子推出了一款卓越的解決方案：全集成自動(dòng)化(TIA)。

西門子推出的這一款工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)TIA是所有自動(dòng)化組件高效協(xié)作的典范，能極大地縮短工程組態(tài)時(shí)間，從而在大幅提升系統(tǒng)靈活性的同時(shí)顯著降低成本和面市時(shí)間。

全新工程設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)——TIA博途將所有的自動(dòng)化軟件工具集成在統(tǒng)一的開(kāi)發(fā)環(huán)境中。TIA包含西門子大部分產(chǎn)品線，主要有SIMATIC STEP7、SIMATIC WinCC和SINAMICS StartDrive V12。

作為寶馬集團(tuán)全球最先進(jìn)工廠之一的沈陽(yáng)鐵西工廠全面應(yīng)用了西門子TIA解決方案，在SIMATIC Manager集成環(huán)境下使用了PLC編程軟件STEP7，還配合著使用了西門子LIS超寬帶實(shí)時(shí)定位識(shí)別系統(tǒng)，且集成了PROFIsafe安全技術(shù)解決方案。

目前，中信戴卡與西門子合作，在秦皇島總部和浙江寧波分廠投入建設(shè)三條新的輪轂壓鑄線，其中兩條已經(jīng)投入生產(chǎn)，產(chǎn)能均達(dá)到220萬(wàn)件/年。借此，中信戴卡開(kāi)始積極嘗試生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)型，依托西門子最新的自動(dòng)化軟件平臺(tái)——TIA博途，雙方共同打造面向未來(lái)的統(tǒng)一工程平臺(tái)，將輪轂生產(chǎn)從人力制造轉(zhuǎn)向機(jī)器制造。TIA博途的使用將能夠?qū)崿F(xiàn)統(tǒng)一的電子化數(shù)據(jù)和權(quán)限管理、高效的信息集成以及高效的質(zhì)量管控三方面的變化。

11 結(jié)語(yǔ)

智能制造的關(guān)鍵核心是數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。數(shù)字化關(guān)鍵技術(shù),如產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術(shù)、虛擬制造技術(shù)、快速成型技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)等均為智能制造的基礎(chǔ)技術(shù)。智能制造是建立在數(shù)字制造的基礎(chǔ)上的更前沿階段，其實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)數(shù)字制造的基礎(chǔ)，《智能制造之路:數(shù)字化工廠》一書(shū)通過(guò)全面描述數(shù)字化生產(chǎn)的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)與軟件平臺(tái)，希望能夠?yàn)橹袊?guó)企業(yè)在智能制造時(shí)代順利完成數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供借鑒。