什么样的工厂算得上数字化工厂？

导 读 ( 文/ 1878 )

数字化车间是基于生产设备、生产设施等硬件设施，以降本提质增效、快速响应市场为目的，在对工艺设计、生产组织、过程控制等环节优化管理的基础上，通过数字化、网络化、智能化等手段。

一、什么是数字化车间

数字化车间是基于生产设备、生产设施等硬件设施，以降本提质增效、快速响应市场为目的，在对工艺设计、生产组织、过程控制等环节优化管理的基础上，通过数字化、网络化、智能化等手段，在计算机虚拟环境中，对“人、机、料、法、环、测”等生产资源与生产过程进行设计、管理、仿真、优化与可视化等工作，以信息数字化及数据流动为主要特征，对生产资源、生产设备、生产设施以及生产过程进行精细、精准、敏捷、高效的管理与控制。

二、为什么要升级到数字化车间

在传统车间中，主要生产要素是“人、机、料”，即由人以手工方式或控制机器将物料变成产品。在相同的设备条件下，人的知识、技能和经验起主导作用，生产效率主要取决于车间管理者的能力和执行者的效率，对于离散型制造行业更是如此。具体来讲，传统车间有如下明显的基本问题：

（1）信息记录与交换手段落后。采用纸质作业指导书（工单）、工艺资料和领料单等载体来记录任务、签字、名称及数量等信息，有信息不完整、难以检索、容易出错等明显缺陷，无法形成完整的信息流，更谈不上信息集成。

（2）生产不可见。即使在实施了ERP系统的生产企业中，生产车间也有“盲区”。由于无法获取实时生产数据，管理层、采购部门、销售部门等均无法知道物料是否缺少、设备是否运转正常、产品生产到哪一步、人员是否空闲以及质量是否合格等信息。

（3）产品质量问题难以追溯。产品质量问题常常是在用户使用时被发现的，由于没有生产过程数据，很难追溯导致问题的原因：是人员操作失误，物料质量不合格，还是设备运行异常？这些都只能靠经验来判断，因此导致同样的质量问题反复出现。

（4）生产计划与控制方法粗糙。成见生产计划制定包括排产（先后顺序）和排程（精确时间点）两个步骤，这对于混线生产和定制化生产非常重要，是提高车间生产效率最关键的步骤之一。在传统车间中，排产和排程的好坏基本取决于生管员的经验，无法精确。在作业任务被分派后，由于没有执行数据反馈，对生产异常情况处理、订单变更和绩效分析等都难以有效应对，计划和控制无法形成闭环。

显然，在传统车间中要实现精益管理很困难，更谈不上智能化。解决途径是先实现数字化，再逐步实现网络化和智能化，渐进式提高生产管理水平。

三、数字化车间的特征

和传统车间相比，数据化车间的显著特征是：在“人、机、料”之外多了数字虚体（计算机、网络、软件、模型、报表和图形等的组合）。

在传统车间中只存在二体：意识人体和物理实体。意识人体是车间管理和生产人员，以及这些人的知识、技能、经验和智慧等构成的意识与行为；物理实体是设备、物料、产品、工装、工位和场地等对象以及它们形成的生产能力。车间活动就是人体用意识和行为操作或操纵实体来完成生产任务，人的脑力和体力就是生产条件的组成部分，也就是说，人体和实体同样处于生产回路中。

显然，按照上述生产方式，人需要劳心劳力，而且效率低下。于是，人们就像，如果机器、物料等实体具有人的智能，就可以将人类从繁重的体力或脑力劳动中解放出来，而且生产效率、产品质量等都会有极大提升。计算机尤其是软件技术的发展提供了这种可能性。虽然无法将人脑嫁接在物理实体（如机器）上，但可以建立与物理实体对应的数字虚体（软件、模型、数据等），将人的知识、技能、经验和智慧植入数字虚体中，用数字虚体替代大部分脑力，指挥物理实体完成“体力”工作，这个过程就是智能制造。

仿照上述智能制造的定义，可以通俗地定义：数字化车间=传统车间+车间数字虚体。

那么，什么是车间数字虚体呢？它是传统车间中的实体和行为在数字空间的映射。实体映射包括“人、机、料”的数字化表现，表达形式有图片、表格、视频、虚拟现实（VR）、数据类以及XML文件等。行为映射是根据采集的生产过程数据（如机器起停时间、收料数量和时间以及工人操作节拍）推演得到的生产过程动态场景。如果数据足够多，就可以想象数字化车间是虚、实两个版本的镜像车间，这也被称作“数字孪生”。西门子公司在北京数字化体验中心展示了两条镜像生产线：虚拟车间是一排计算机屏幕，每个屏幕上展示一个软件（如产品设计、工程设计、生产仿真）；实体车间是一条真实的产线，两条产线的生产对象和生产过程一模一样。

四、数字化车间的构成

总体来说，数字化车间的数字虚体由两个层次构成：生产控制层和现场执行层。

（1）生产控制层：一般由MES软件实现，支持车间生产计划和控制高层管理活动。包括排产排程、任务分派、计划跟踪与调整、生产绩效分析、物料管理、设备管理和质量管理等。

（2）现场执行层：一般由SCADA等数据采集和处理系统实现设备数据采集和人工操作数据采集。设备数据通过接口自动获取，人工操作数据采集需要通过手工输入或借助条码、二维码、射频识别（RFID）等自动识别装置进行采集。设备数据包括设备状态、起停时间、参数和执行结果等，人工操作数据包括人员、操作时间和操作类型等。除了数据采集，现场执行层还要完成生产控制层发出的设备和人员控制指令。

为了支撑上述功能，数字化车间要部署相应的自动化设备、工业网络、IT设施和软件。包括以下三层：

（1）第1层：传感层，包括传感器、数字化设备接口及I/O等，实现车间现场层的数据采集和操作指令接收功能。本层数据主要通过设备通信网络传送。本层的数据特征是数字信号。

(2）第2层：控制层。下半层包括PLC、工业物联网网关等设备，用于汇聚传感层数据及形成操作指令，通过设备通信网络传送数据；上半层包括工控机、PC工作站等设备及HMI、SCADA等软件系统，形成业务数据，通过运营信息网络与执行层进行通信，通过自动化网络和PLC、网关等设备与传感层通信。本层的数据特征是指令和状态。

(3）第3层：执行层。包括服务器、PC、PAD、手机等IT设备设施及MES、WMS等管理软件，实现车间生产控制层的功能。本层的数据特征是业务描述。

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