智能工廠是在數字化工廠的基礎上，利用物聯網技術和監控技術加強信息管理服務，提高生產過程可控性、減少生產線人工干預，合理計劃排程。集初步智能手段和智能系統等新興技術于一體，構建高效、節能、綠色、環保、舒適的人性化工廠。

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基本概念

智能工廠與車間具備自主能力，可采集、分析、判斷、規劃，通過整體可視技術進行預測，利用仿真及多媒體技術，將實境擴增展示設計制造過程。系統中各組成部分可自行組成最佳系統結構，具備協調、重組及擴充特性，自我學習、自行維護，實現人與機器的相互協調合作。其本質是人機交互，如圖1所示。

全球性的產能過剩，導致企業間的競爭越來越激烈，如何提升生產效率、縮短產品周期，成為世界各國關注的問題。車間是制造業的基礎組成部分，如何提升車間的智能化水平， 實現生產流程數字化是目前關注的焦點。

但目前用傳統的虛擬車間、數字化車間設計的智能車間存在非實時交互、數據利用率低等問題。基于數字孿生技術，能夠有效提升車間生產過程的透明度并優化生產過程。數字孿生車間模型，包括物理車間、虛擬車間、車間服務系統和車間孿生數據4部分，通過物理車間與虛擬車間的雙向映射與實時交互，實現物理車間、虛擬車間、車間服務系統的全要素、全流程、全業務數據的集成和融合，在車間孿生數據的驅動下，實現車間生產要素管理、生產活動計劃、生產過程控制等在物理車間、虛擬車間、車間服務系統間的迭代運行，從而達到車間生產和管控的優化運行。

構建數字孿生車間，實現車間信息與物理空間的互聯互通與進一步融合將是車間的發展趨勢，也是實現車間智能化生產與管控。智能工廠的目標是實現從生產排產、數量統計、過程數據監控、報警故障管理到設備智能化管理等工廠工藝一體化的管理模式，如圖2所示。

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智能工廠與車間系統的組成

智能工廠以工業自動化中的ERP-MES-PCS三層構架、PLM為中心的工廠產品設計技術和售后服務、SCR、CRM為中心的原材料供應物流和制成品銷售物流為基礎。

1）智能工廠的組成

（1）PLM（product life-cycle management，產品生命周期管理）：PLM是指對產品的整個生命周期（包括投入期、成長期、成熟期、衰退期、結束期）進行全面管理，通過投入期的研發成本最小化和成長期至結束期的企業利潤最大化來達到降低成本和增加利潤的目標。

（2）ERP（enterprise resource planning，企業資源計劃）：ERP是一種主要面向制造行業進行物質資源、資金資源和信息資源集成一體化管理的企業信息管理系統。ERP 是一個以管理會計為核心可以提供跨地區、跨部門、甚至跨公司整合實時信息的企業管理軟件。針對物資資源管理（物流）、人力資源管理（人流）、財務資源管理（財流）、信息資源管理（信息流）集成一體化的企業管理軟件。ERP具有整合性、系統性、靈活性、實時控制性等顯著特點。ERP 將系統的物資、人才、財務、信息等資源整合調配，實現企業資源的合理分配和利用，作為一種管理工具存在的同時也體現著一種管理思想。市場上比價流行的ERP 系統是SAP系統，適合于中小型企業。

（3）SCM（supply chain management，供應鏈管理）：SCM主要通過信息手段，對供應的各個環節中的各種物料、資金、信息等資源，進行計劃、調度、調配、控制與利用，形成用戶、零售商、分銷商、制造商、采購供應商的全部供應過程的功能整體。

（4）CRM（customer relationship management，客戶關系管理）：作為一種新型管理機制，CRM極大地改善了企業與客戶之間的關系，實施于企業的市場營銷、銷售、服務與技術支持等與客戶相關的領域。

（5）MES（manufacturing execution system，制造企業生產過程執行管理系統）：MES系統是一套面向制造企業車間執行層的生產信息化管理系統。MES可以為企業提供包括制造數據管理、計劃排程管理、生產調度管理、庫存管理、質量管理、人力資源管理、工作中心/設備管理、工具工裝管理、采購管理、成本管理、項目看板管理、生產過程控制、底層數據集成分析、上層數據集成分解等管理模塊，為企業打造一個扎實、可靠、全面可行的制造協同管理平臺。智慧工廠車間的作業根據MES系統發送的指令來進行的，MES系統根據訂單需求，結合智能制造設備的實時運行狀態，給智能制造設備安排作業。

MES控制系統在接收到新的訂單后，會同各個倉庫對訂單所需原材料、包材、耗材等是否充足進行分析匯總，如有短缺則通知采購部在規定期限內采購，而在原材料采購質檢期間，通知生產部做好生產前的準備工作，檢查制造設備、生產設施等的實際情況，并根據智慧工廠內設備的排產情況及剩余訂單合理的給相應設備安排作業任務書。排產作業下達到智慧工廠后，智能制造設備在開機生產第一步，需要人為參與根據作業指導書的排產安排導入相應的工藝參數，進行調試并首件確認后，將微調的工藝參數上傳入MES控制系統數據庫中。

2）智能工廠層級劃分

客戶需求、產品設計、工藝設計、物料采購、生產制造、進出廠物流、生產物流、售后服務構成智能工廠的橫向集成維度；企業內部的設備與控制層、制造執行層、經營管理層、經營決策層構成縱向集成維度；由感知執行、適配控制、網絡傳輸、認知決策和服務平臺組成的信息物理系統（CPS）。這3個維度構建了機械制造行業智能工廠參考模型。

（1）縱向集成維度

? 基礎設施層：企業首先應當建立有線或者無線的工廠網絡，實現生產指令的自動下達和設備與產線信息的自動采集；形成集成化的車間聯網環境，解決不同通訊協議的設備之間，以及PLC、CNC、機器人、儀表/傳感器和工控/IT系統之間的聯網問題；利用視頻監控系統對車間的環境，人員行為進行監控、識別與報警；此外，工廠應當在溫度、濕度、潔凈度的控制和工業安全（包括工業自動化系統的安全、生產環境的安全和人員安全）等方面達到智能化水平。

? 智能制造裝備層：智能制造裝備是智能工廠運作的重要手段和工具。智能制造裝備主要包含智能生產設備、智能檢測設備和智能物流設備。制造裝備在經歷了機械裝備到數控裝備后，目前正在逐步向智能制造裝備發展。智能化的加工中心具有誤差補償、溫度補償等功能，能夠實現邊檢測、邊加工。工業機器人通過集成視覺、力覺等傳感器，能夠準確識別工件，自主進行裝配，自動避讓人，實現人機協作。金屬增材制造設備可以直接制造零件，DMG?MORI已開發出能夠實現同時實現增材制造和切削加工的混合制造加工中心。

? 智能物流設備：則包括自動化立體倉庫、智能夾具、AGV、桁架式機械手、懸掛式輸送鏈等。例如，Fanuc工廠就應用了自動化立體倉庫作為智能加工單元之間的物料傳遞工具。????

? 智能產線層：在生產和裝配的過程中，能夠通過傳感器、數控系統或RFID自動進行生產、質量、能耗、設備績效（OEE）等數據采集，并通過電子看板顯示實時的生產狀態；通過系統實現工序之間的協作；生產線能夠實現快速換模，實現柔性自動化；能夠支持多種相似產品的混線生產和裝配，靈活調整工藝，適應小批量、多品種的生產模式；具有一定冗余，如果生產線上有設備出現故障，能夠調整到其他設備生產；針對人工操作的工位，能夠給予智能的提示。

? 智能車間層：要實現對生產過程進行有效管控，需要在設備聯網的基礎上，利用制造執行系統（MES）、先進生產排產（APS）、勞動力管理等軟件進行高效的生產排產和合理的人員排班，提高設備利用率（OEE），實現生產過程的追溯，減少在制品庫存，應用人機界面（HMI），以及工業平板等移動終端，實現生產過程的無紙化。另外，還可以利用Digital?Twin(數字映射)技術將MES系統采集到的數據在虛擬的三維車間模型中實時地展現出來，不僅提供車間的VR（虛擬現實）環境，而且還可以顯示設備的實際狀態，實現虛實融合。智能物流設備則包括自動化立體倉庫、智能夾具、AGV、桁架式機械手、懸掛式輸送鏈等。例如，Fanuc工廠就應用了自動化立體倉庫作為智能加工單元之間的物料傳遞工具。可以用DPS系統(Digital?Picking?System)實現物料揀選的自動化。

? 智能產線層：智能產線的特點是，在生產和裝配的過程中，能夠通過傳感器、數控系統或RFID自動進行生產、質量、能耗、設備績效（OEE）等數據采集，并通過電子看板顯示實時的生產狀態；通過安燈系統實現工序之間的協作；生產線能夠實現快速換模，實現柔性自動化；能夠支持多種相似產品的混線生產和裝配，靈活調整工藝，適應小批量、多品種的生產模式；具有一定冗余，如果生產線上有設備出現故障，能夠調整到其他設備生產；針對人工操作的工位，能夠給予智能的提示。?????

? 工廠管控層：工廠管控層主要是實現對生產過程的監控，通過生產指揮系統實時洞察工廠的運營，實現多個車間之間的協作和資源的調度。流程制造企業已廣泛應用DCS或PLC控制系統進行生產管控，近年來，離散制造企業也開始建立中央控制室，實時顯示工廠的運營數據和圖表，展示設備的運行狀態，并可以通過圖像識別技術對視頻監控中發現的問題進行自動報警。?

（2） 橫向集成維度

按照“互聯網+協同制造”的精神，重點構建產業鏈的企業間的協同與集成，如跨企業、跨地域的協調設計，企業間的協同供應鏈管理，協同生產、協同服務和企業間的價值鏈重構。實現產業鏈上各企業間的無縫集成、信息共享和業務協同。

（3）信息物理系統（CPS）

智能工廠各層級相互配合，支撐企業縱向集成、企業間橫向集成與端到端集成，實現工業體系與信息體系的深度融合以及全面智能化。信息物理系統通過集成先進的信息通信和自動控制等技術，構建了物理空間與信息空間中人、機、物、環境、信息等要素相互映射、適時交互、高效協同的復雜系統，實現系統內資源配置和運行的按需響應、快速迭代、動態優化。它是智能工廠的技術支持體系如圖3所示。