【導讀】智能工廠構建成為了當下推進智能制造的“標配”，而這離不開頂層設計和結構化分析、分布式構建。智能工廠本身包含太多內容，如軟件（信息化）、硬件（智能裝備）、集成（縱向集成和端到端集成）、工業(yè)大數據應用、智能物流、人員及管理要素等，很難通過一篇文章系統(tǒng)闡述。所以，市面上的文章主要是以單個角度切入、然后形成系列文章進行闡述。本文的視角是從信息化層面的三層架構來分析的，打通數據的縱向集成，提高數據的真實度和使用效率，走向效率更高、質量更優(yōu)、透明度更高的智能工作。
結合中國工業(yè)現狀，未來五年，中國很多制造型企業(yè)將搭建三層架構模式（SFC-MES-ERP）的智能工廠，從“三個維度”對企業(yè)資源計劃、制造過程執(zhí)行和生產底層進行嚴密監(jiān)控，實時跟蹤生產計劃、產品的狀態(tài)，可視化、透明化地展現生產現場狀況，推進企業(yè)改善生產流程、提高生產效率，實現智能化、網絡化、柔性化、精益化，以及綠色生產。
生產現場集中控制管理系統(tǒng)SFC（Shop Floor Control）、制造執(zhí)行系統(tǒng)MES（Manufacturing Execution System）和制造資源計劃管理系統(tǒng)ERP（Enterprise Resource Planning），分別處于工廠生產底層（控制層）、制造過程（執(zhí)行層）和制造資源（計劃層）。通過采用這三套系統(tǒng)，企業(yè)能夠充分利用信息技術、物聯網技術和設備監(jiān)控技術，加強生產信息管理和服務，清楚掌握產銷流程、提高生產過程的可控性、減少生產線上人工的干預，同時還能即時正確地采集生產線數據，合理編排生產計劃與生產進度，打造“三維”智能工廠。
“三維”智能工廠是集綠色、智能等新興技術于一體，構建一個高效節(jié)能、綠色環(huán)保、環(huán)境舒適的生產制造管理控制系統(tǒng)，其核心是將生產系統(tǒng)及過程用網絡化分布式生產設施來實現。同時，企業(yè)管理包括生產物流管理、人機互動管理，以及信息技術在產品生產過程中的應用，形成新產品研發(fā)生產制造管理一體化。
生產底層（控制層）是工業(yè)互聯網的感知層，是三維智能工廠的“觸角”。在生產過程中，所有制造企業(yè)都需要在一個整合的IT系統(tǒng)，或者從多個IT系統(tǒng)中，合并包含電子數據表的管理業(yè)務流程信息。在這些系統(tǒng)當中，許多典型的領域需要被特別予以關注，如設備、工具、質量、工藝、人員等。
在許多制造企業(yè)中，生產現場只具備很有限的IT系統(tǒng)，并且這些系統(tǒng)通常以機械控制與自動化為導向，或者根本就沒有IT系統(tǒng)，從而必須配備額外的管理人員，花費額外的時間，為了不必要的溝通、聯絡、接洽、電話咨詢，產生了很多文件，耽誤了時間，增加了額外的成本。
在較早進行智能工廠建設的制造企業(yè)中，計劃層（ERP）、執(zhí)行層（MES）的管理和生產底層（SFC）之間出現了信息斷層，因此產生低效率與附加成本，從而降低整個企業(yè)的信息化效益。
以SFC系統(tǒng)為例，其涵蓋了整個生產底層（控制層）的完整規(guī)劃，是實現三維智能工廠的基石。它既包括機器、設備組、生產線等各類生產所需的智能終端信息采集技術，也包括射頻識別（RFID）標簽、傳感器、攝像頭、二維條碼、遙測遙感等感知終端信息采集技術，編織了生產底層（控制層）的網絡化平臺，將生產信息集中管理、實時共享，整體跟蹤和管理生產人員所關心的主要生產過程，實時采集生產底層各種加工數據，并加以統(tǒng)計和分析。SFC系統(tǒng)使運行生產底層（控制層）的工作變得更加簡單、有效和有力，重新定義了整個生產車間的自動化過程。
根據“三維”智能工廠的總體規(guī)劃，生產底層（控制層）SFC通過可配置、模塊化的工業(yè)互聯網技術，結合先進的數字化數據錄入/讀出技術，搭建智能工廠車間協同制造平臺，使各生產單元數據在系統(tǒng)內實現無縫連接、快速調用。生產現場通過設備和工位、人員統(tǒng)一聯網管理，在每個生產工序環(huán)節(jié)進行智能化數據采集和反饋，并實時統(tǒng)計和分析，超過25000多種可自定義的圖報表在各個生產工段、部門進行實時展示。同時，企業(yè)領導者可結合大數據分析結果，進行實時決策，以降低制造過程成本，提高產品質量和生產效率。各類生產信息通過“無紙化”方式傳遞到工位、設備，以及生產中央控制室，為智能化排產提供數據支持。通過可視化電子看板和三維模擬實時展現生產現場，所有數據和信息均可動態(tài)地傳輸到各廠區(qū)的各生產數據終端。
基于“三維”智能工廠生產底層的SFC系統(tǒng)，不僅能夠實現物理上的信息傳遞，而且還能實現包括信息安全、數據協議、業(yè)務協議等內容的網絡體系。利用這樣的網絡體系組建車間、工廠互聯網，可實現數據的采集、傳遞、存儲、分析、應用，以及設備級的連通，如M2M（Machine to Machine）的交互、遠程操控等。企業(yè)可構建生產過程各個環(huán)節(jié)的標準化機制，確定哪些信息可被用來交換，哪些屬于標準構件，哪些機器適用等。SFC將先進的信息模式、生產模式形成標準，從而促進企業(yè)技術創(chuàng)新和模式創(chuàng)新。此外，系統(tǒng)還利用物聯網技術、設備監(jiān)控技術加強信息管理，提升產品及零部件生產效率，同時它還能夠利用互聯網幫助企業(yè)進行遠程定制。
目前，生產現場集中控制管理系統(tǒng)SFC已經在主導我國C919、ARJ21飛機研制工作的中國商用飛機有限責任公司、中航工業(yè)西安飛機工業(yè)（集團）有限責任公司，以及西安航空動力控制科技有限公司、沈陽黎明航空發(fā)動機（集團）有限責任公司、三一重工集團有限公司、上海電氣集團股份有限公司、中船重工集團公司等各行業(yè)知名大型制造企業(yè)中得到廣泛的實施應用。
三維智能工廠的“神經”—MES
對于制造型企業(yè)而言，制造過程（執(zhí)行層）MES扮演的是“從訂單出發(fā)到產品完成過程中，將產品及生產現場的實時信息完整無誤地反映給管理者，以促使企業(yè)將生產活動最佳化”的角色。也就是說，MES完成制造計劃的執(zhí)行，它在制造資源（計劃層）ERP和生產底層（控制層）SFC之間架起了一座橋梁，能精確調度、發(fā)送、跟蹤、監(jiān)控車間的生產信息和過程，且同時能測量和報告其實時性能，它是實現車間生產數字化、智能化的基本技術手段。
制造企業(yè)生產過程（執(zhí)行層）在缺乏MES系統(tǒng)的協助下，不僅所有生產活動，如流程控制、派工管理、材料管理、設備操作等，都必須以人工進行作業(yè)，有關現場的數據采集，也只能靠員工手動進行整理、匯總，最快也得第二天才能出數據，最慢三四天也不足為奇。因此，生產現場數據滯后，造成管理者無法實時掌握車間現場的實際生產情況。即便當天發(fā)現生產異常，也無法及時糾正，對企業(yè)造成極大的損害。通過MES系統(tǒng)進行實時采集生產現場數據，管理者可快速了解上下游車間生產產品的種類、進度、數量與缺料等情況，實時進行相關產品的生產管控與調整，以增進整體生產線的作業(yè)效率，避免待料、重工等問題發(fā)生，縮短產品制造周期、減少在制品、縮短前置時間，大幅提高產品質量，降低生產成本。
制造過程（執(zhí)行層）MES系統(tǒng)通過計算機控制所有的生產活動，可以簡化以往的人工操作流程并避免生產錯誤情況的發(fā)生。舉例來說，由于產品制程與所需條件、工藝、工裝工具等均已事先規(guī)劃在系統(tǒng)之中，一旦作業(yè)人員操作的現場狀況與預先規(guī)劃不一致，MES系統(tǒng)便會立刻提出警告，甚至終止作業(yè)進行。除此之外，通過數據自動采集與存儲，如果發(fā)現產品質量不合標準，系統(tǒng)也會立即提出警示，通知現場人員處理。
在工業(yè)4.0時代，云計算、移動終端和大數據等新技術不斷融合到工業(yè)自動化領域當中，制造業(yè)正從信息化邁向智能化。而智能化務必需要運用MES把碎片化、零散化的數據進行整合分析，通過數據互聯互通，打通企業(yè)產品設計、客戶管理、供應鏈管理、效率管理系統(tǒng)，實現生產底層（控制層）、制造過程（執(zhí)行層）、制造資源（計劃層）的整體優(yōu)化，最終使制造業(yè)企業(yè)資產使用效率更高、產品生產成本更低、市場風險可控，提高企業(yè)整體競爭能力。
“互聯網+制造”的浪潮席卷全球，移動、社交、云、物聯網、納米技術、3D打印等先進技術的整合，使制造業(yè)成為所有行業(yè)中發(fā)展最成熟的行業(yè)之一。為了更好地適應這種變化，制造企業(yè)正把目光轉向新一代的ERP。研究報告表明，ERP對80%的公司都起著至關重要的作用——ERP提高了企業(yè)的工作效率，并幫助企業(yè)處理更為復雜的情況，同時還能協助管理者做出更好的決策。
制造資源（計劃層）ERP系統(tǒng)整合企業(yè)流程，強調整個物流、資金流、信息流貫穿整個流程始末，環(huán)環(huán)相扣。注重部門與部門之間的銜接，員工充分知道本職崗位在企業(yè)整個流程中的重要作用，以及不規(guī)范操作所帶來的后果。
ERP通過鏈接價值鏈縱向、橫向、端到端的所有信息，實時監(jiān)控、遠程控制、數據分析及預測，拉近消費者與企業(yè)的距離，協助企業(yè)在互聯網產業(yè)環(huán)境下快速建立大規(guī)模個性化、定制化的智能制造模式。
“三維”智能工廠通過生產底層（控制層）SFC、制造過程（執(zhí)行層）MES、制造資源（計劃層）ERP等軟件系統(tǒng)的支撐，促使制造企業(yè)從最開始的追求低成本、高質量、高效率，升級到互聯網時代要求的高速度，再到探索創(chuàng)新商業(yè)模式。在這個階段，工業(yè)軟件的應用成為核心，協助企業(yè)實現縱向、橫向的全面整合，形成從研發(fā)到銷售再到售后服務的完整價值鏈閉環(huán)。
實踐出真知
國內某制造型企業(yè)，擁有先進的數字化精密機械制造、特種工藝、計量檢測能力和信息化管理手段。該企業(yè)先后為多個型號的航空發(fā)動機研制生產了近200種、數十萬套燃油附件。隨著中國兩化融合的快速推進，企業(yè)想要通過管理信息化與設備自動化的深度融合，利用各種傳感器、智能控制系統(tǒng)、工業(yè)機器人、自動化生產線，構建設計制造一體化、管理智能化、數據信息化、控制自動化的智能工廠體系。
三維智能工廠，始于生產底層。該企業(yè)生產控制層SFC項目在于搭建一個設備層（數控機床）的車間級分布式控制網絡，并實時采集機床數據和其他生產類數據，實現數控程序及相關聯的生產要素（零件圖紙、加工工藝、刀夾量具列表等）的有效管理，同時實現機床狀態(tài)等的可視化展示，為接下來MES、ERP平臺的有效搭建奠定下良好的基礎，因此需先行實施。
通過蓋勒普生產底層（控制層）SFC項目的實施，該企業(yè)完成了以下目標：
第一，建立覆蓋加工車間的分布式控制網絡，實現數控（NC）程序的有效調用、穩(wěn)定有效傳輸和在線加工，實現刀補參數文件從對刀儀到機床端的有效傳輸。
第二，實現對數控機床的實時數據和其他生產類數據的有效采集，并將采集的數據以報表或統(tǒng)計圖表的形式供決策者參考分析。同時，采集的數據對之后MES平臺的生產調度和管理起到有效地指導作用。
第三，實現對NC程序的統(tǒng)一流程管理，并且在系統(tǒng)內實現NC程序與其關聯生產要素文件統(tǒng)一管理。
第四，在實現機床數據采集的基礎上，對車間機床進行三維建模，通過現場的展示大屏幕、數控設備旁的觸摸屏，以及相關管理人員的PC終端對設備狀態(tài)、設備開機率、零件完工率等進行有效展示。
底層SFC項目的建設，是推行智能制造技術的基礎，為企業(yè)推行“三維”智能工廠建設起到了舉足輕重的作用。
在制造過程（執(zhí)行層）MES項目的建設過程中，企業(yè)借鑒SFC項目的成功經驗，繼續(xù)選擇與蓋勒普深入合作，達到以下效果：
第一，通過條碼技術跟蹤訂單從物料投產到成品入庫的整個生產流程，實時采集生產過程中發(fā)生的所有事件，讓整個工廠車間完全透明化。
第二，實現與生產設備、檢驗設備等通信的集成；控制指令隨任務工作流，自動下達到相應硬件設備，降低操作設備人員的出錯率。
第三，產品追溯環(huán)節(jié)讓產品的整個加工和發(fā)貨過程變得清晰可控，能夠在第一時間發(fā)現產品質量問題的原因并制定針對措施，降低質量成本。
第四，保證生產過程中數據記錄的準確性、有效性、安全性，以及操作者記錄的簡便性，提高作業(yè)操作效率，減少人為操作失誤。
第五，實時記錄并監(jiān)控各工序加工任務完成情況，人員工作、勞動生產率情況，設備利用情況，輔助企業(yè)設備、人員績效管理。
第六，實現將工藝數據與設計文件，通過集成產品數據管理（PDM）系統(tǒng)、CAD、CAM軟件等接口，完成系統(tǒng)間的無縫集成和共享。
MES上線以后，生產底層（控制層）SFC與制造資源（計劃層）ERP之間完美銜接，使企業(yè)真正“實時反應”起來。 MES、SFC為企業(yè)“三維”智能工廠的整體布局打下了良好基礎。接下來，該企業(yè)將智能工廠的范圍縱向擴展到制造資源（計劃層）ERP，選擇了國際知名品牌的ERP系統(tǒng)。
歷時一年，ERP系統(tǒng)成功上線。由于前期準確的數據支撐和規(guī)范的管理，ERP系統(tǒng)的上線產生了很好的效益：
第一，庫存下降了30%～50%，庫存周轉率提高40%。
第二，延期交貨率減少46%，企業(yè)的準時交貨率平均提高38%，誤期率平均降低35%。
第三，采購提前期縮短了55%。
第四，停工待料率減少了45%。
第五，制造成本降低了12%。
第六，第一年整體生產效益提升了25%。
此外，ERP系統(tǒng)對該企業(yè)所擁有的人、財、物、信息、時間和空間等綜合資源進行綜合平衡和優(yōu)化管理，協調各管理部門圍繞市場導向開展業(yè)務活動，進一步增強了核心競爭力。
來源：《機器人產業(yè)》雜志
