【軍觀察.導讀】智能工廠構(gòu)建成為了當下推進智能制造的“標配”，而這離不開頂層設(shè)計和結(jié)構(gòu)化分析、分布式構(gòu)建。智能工廠本身包含太多內(nèi)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(shù)據(jù)應(yīng)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(gòu)來分析的，打通數(shù)據(jù)的縱向集成，提高數(shù)據(jù)的真實度和使用效率，走向效率更高、質(zhì)量更優(yōu)、透明度更高的智能工作。by劉成軍

結(jié)合中國工業(yè)現(xiàn)狀，未來五年，中國很多制造型企業(yè)將搭建三層架構(gòu)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(chǎn)底層進行嚴密監(jiān)控，實時跟蹤生產(chǎn)計劃、產(chǎn)品的狀態(tài)，可視化、透明化地展現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場狀況，推進企業(yè)改善生產(chǎn)流程、提高生產(chǎn)效率，實現(xiàn)智能化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化、精益化，以及綠色生產(chǎn)。

來源：《機器人產(chǎn)業(yè)》雜志

沈皓瑋蓋勒普工程咨詢（上海）有限公司市場總監(jiān)

生產(chǎn)現(xiàn)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(chǎn)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(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和設(shè)備監(jiān)控技術(shù)，加強生產(chǎn)信息管理和服務(wù)，清楚掌握產(chǎn)銷流程、提高生產(chǎn)過程的可控性、減少生產(chǎn)線上人工的干預，同時還能即時正確地采集生產(chǎn)線數(shù)據(jù)，合理編排生產(chǎn)計劃與生產(chǎn)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(shù)于一體，構(gòu)建一個高效節(jié)能、綠色環(huán)保、環(huán)境舒適的生產(chǎn)制造管理控制系統(tǒng)，其核心是將生產(chǎn)系統(tǒng)及過程用網(wǎng)絡(luò)化分布式生產(chǎn)設(shè)施來實現(xiàn)。同時，企業(yè)管理包括生產(chǎn)物流管理、人機互動管理，以及信息技術(shù)在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的應(yīng)用，形成新產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)制造管理一體化。

三維智能工廠的“觸角”—SFC

生產(chǎn)底層（控制層）是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的感知層，是三維智能工廠的“觸角”。在生產(chǎn)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(shù)據(jù)表的管理業(yè)務(wù)流程信息。在這些系統(tǒng)當中，許多典型的領(lǐng)域需要被特別予以關(guān)注，如設(shè)備、工具、質(zhì)量、工藝、人員等。

在許多制造企業(yè)中，生產(chǎn)現(xiàn)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(lián)絡(luò)、接洽、電話咨詢，產(chǎn)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(shè)的制造企業(yè)中，計劃層（ERP）、執(zhí)行層（MES）的管理和生產(chǎn)底層（SFC）之間出現(xiàn)了信息斷層，因此產(chǎn)生低效率與附加成本，從而降低整個企業(yè)的信息化效益。

以蓋勒普SFC系統(tǒng)為例，其涵蓋了整個生產(chǎn)底層（控制層）的完整規(guī)劃，是實現(xiàn)三維智能工廠的基石。它既包括機器、設(shè)備組、生產(chǎn)線等各類生產(chǎn)所需的智能終端信息采集技術(shù)，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(shù)，編織了生產(chǎn)底層（控制層）的網(wǎng)絡(luò)化平臺，將生產(chǎn)信息集中管理、實時共享，整體跟蹤和管理生產(chǎn)人員所關(guān)心的主要生產(chǎn)過程，實時采集生產(chǎn)底層各種加工數(shù)據(jù)，并加以統(tǒng)計和分析。SFC系統(tǒng)使運行生產(chǎn)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(chǎn)車間的自動化過程。

根據(jù)“三維”智能工廠的總體規(guī)劃，生產(chǎn)底層（控制層）SFC通過可配置、模塊化的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合先進的數(shù)字化數(shù)據(jù)錄入/讀出技術(shù)，搭建智能工廠車間協(xié)同制造平臺，使各生產(chǎn)單元數(shù)據(jù)在系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)無縫連接、快速調(diào)用。生產(chǎn)現(xiàn)場通過設(shè)備和工位、人員統(tǒng)一聯(lián)網(wǎng)管理，在每個生產(chǎn)工序環(huán)節(jié)進行智能化數(shù)據(jù)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(chǎn)工段、部門進行實時展示。同時，企業(yè)領(lǐng)導者可結(jié)合大數(shù)據(jù)分析結(jié)果，進行實時決策，以降低制造過程成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。各類生產(chǎn)信息通過“無紙化”方式傳遞到工位、設(shè)備，以及生產(chǎn)中央控制室，為智能化排產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支持。通過可視化電子看板和三維模擬實時展現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場，所有數(shù)據(jù)和信息均可動態(tài)地傳輸?shù)礁鲝S區(qū)的各生產(chǎn)數(shù)據(jù)終端。

基于“三維”智能工廠生產(chǎn)底層的SFC系統(tǒng)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)物理上的信息傳遞，而且還能實現(xiàn)包括信息安全、數(shù)據(jù)協(xié)議、業(yè)務(wù)協(xié)議等內(nèi)容的網(wǎng)絡(luò)體系。利用這樣的網(wǎng)絡(luò)體系組建車間、工廠互聯(lián)網(wǎng)，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、傳遞、存儲、分析、應(yīng)用，以及設(shè)備級的連通，如M2M（Machine to Machine）的交互、遠程操控等。企業(yè)可構(gòu)建生產(chǎn)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(gòu)件，哪些機器適用等。SFC將先進的信息模式、生產(chǎn)模式形成標準，從而促進企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新和模式創(chuàng)新。此外，系統(tǒng)還利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、設(shè)備監(jiān)控技術(shù)加強信息管理，提升產(chǎn)品及零部件生產(chǎn)效率，同時它還能夠利用互聯(lián)網(wǎng)幫助企業(yè)進行遠程定制。

目前，生產(chǎn)現(xiàn)場集中控制管理系統(tǒng)SFC已經(jīng)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(yīng)用。

三維智能工廠的“神經(jīng)”—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(chǎn)品完成過程中，將產(chǎn)品及生產(chǎn)現(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)底層（控制層）SFC之間架起了一座橋梁，能精確調(diào)度、發(fā)送、跟蹤、監(jiān)控車間的生產(chǎn)信息和過程，且同時能測量和報告其實時性能，它是實現(xiàn)車間生產(chǎn)數(shù)字化、智能化的基本技術(shù)手段。

制造企業(yè)生產(chǎn)過程（執(zhí)行層）在缺乏MES系統(tǒng)的協(xié)助下，不僅所有生產(chǎn)活動，如流程控制、派工管理、材料管理、設(shè)備操作等，都必須以人工進行作業(yè)，有關(guān)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，最慢三四天也不足為奇。因此，生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)滯后，造成管理者無法實時掌握車間現(xiàn)場的實際生產(chǎn)情況。即便當天發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)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(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)，管理者可快速了解上下游車間生產(chǎn)產(chǎn)品的種類、進度、數(shù)量與缺料等情況，實時進行相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)管控與調(diào)整，以增進整體生產(chǎn)線的作業(yè)效率，避免待料、重工等問題發(fā)生，縮短產(chǎn)品制造周期、減少在制品、縮短前置時間，大幅提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)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(chǎn)活動，可以簡化以往的人工操作流程并避免生產(chǎn)錯誤情況的發(fā)生。舉例來說，由于產(chǎn)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(xiàn)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(shù)據(jù)自動采集與存儲，如果發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量不合標準，系統(tǒng)也會立即提出警示，通知現(xiàn)場人員處理。

在工業(yè)4.0時代，云計算、移動終端和大數(shù)據(jù)等新技術(shù)不斷融合到工業(yè)自動化領(lǐng)域當中，制造業(yè)正從信息化邁向智能化。而智能化務(wù)必需要運用MES把碎片化、零散化的數(shù)據(jù)進行整合分析，通過數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，打通企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計、客戶管理、供應(yīng)鏈管理、效率管理系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)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(chǎn)使用效率更高、產(chǎn)品生產(chǎn)成本更低、市場風險可控，提高企業(yè)整體競爭能力。

三維智能工廠的“大腦”—ERP

“互聯(lián)網(wǎng) 制造”的浪潮席卷全球，移動、社交、云、物聯(lián)網(wǎng)、納米技術(shù)、3D打印等先進技術(shù)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(yīng)這種變化，制造企業(yè)正把目光轉(zhuǎn)向新一代的ERP。研究報告表明，ERP對80%的公司都起著至關(guān)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(xié)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(diào)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(shù)據(jù)分析及預測，拉近消費者與企業(yè)的距離，協(xié)助企業(yè)在互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)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。

在“三維”智能工廠框架中，ERP系統(tǒng)居于計劃層，也就是“領(lǐng)導層”，還能夠體現(xiàn)企業(yè)事前計劃、事中控制的思想，并可以將設(shè)計、制造、銷售、運輸通過智能化集成來并行地進行各種相關(guān)的生產(chǎn)作業(yè)，為企業(yè)提供了對產(chǎn)品質(zhì)量、客戶滿意等關(guān)鍵問題的實時分析能力。同時，ERP系統(tǒng)可以將企業(yè)生產(chǎn)過程中涉及到的各種內(nèi)外部資源、有形無形資源進行很好的整合，如技術(shù)研發(fā)資源與生產(chǎn)流程的整合、外部協(xié)作企業(yè)/機構(gòu)、供應(yīng)商、客戶、渠道資源與企業(yè)本身生產(chǎn)資源的整合等，通過資源整合，實現(xiàn)協(xié)同制造，提高企業(yè)生產(chǎn)效率，提高生產(chǎn)柔性，不斷強化企業(yè)的核心競爭力。

“三維”智能工廠通過生產(chǎn)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(zhì)量、高效率，升級到互聯(lián)網(wǎng)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(yīng)用成為核心，協(xié)助企業(yè)實現(xiàn)縱向、橫向的全面整合，形成從研發(fā)到銷售再到售后服務(wù)的完整價值鏈閉環(huán)。

實踐出真知

國內(nèi)某制造型企業(yè)，擁有先進的數(shù)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(chǎn)了近200種、數(shù)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(shè)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(chǎn)線，構(gòu)建設(shè)計制造一體化、管理智能化、數(shù)據(jù)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(chǎn)底層。該企業(yè)生產(chǎn)控制層SFC項目在于搭建一個設(shè)備層（數(shù)控機床）的車間級分布式控制網(wǎng)絡(luò)，并實時采集機床數(shù)據(jù)和其他生產(chǎn)類數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)控程序及相關(guān)聯(lián)的生產(chǎn)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(xiàn)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(chǔ)，因此需先行實施。

通過蓋勒普生產(chǎn)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(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)數(shù)控（NC）程序的有效調(diào)用、穩(wěn)定有效傳輸和在線加工，實現(xiàn)刀補參數(shù)文件從對刀儀到機床端的有效傳輸。

第二，實現(xiàn)對數(shù)控機床的實時數(shù)據(jù)和其他生產(chǎn)類數(shù)據(jù)的有效采集，并將采集的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)對之后MES平臺的生產(chǎn)調(diào)度和管理起到有效地指導作用。

第三，實現(xiàn)對NC程序的統(tǒng)一流程管理，并且在系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)NC程序與其關(guān)聯(lián)生產(chǎn)要素文件統(tǒng)一管理。

第四，在實現(xiàn)機床數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，對車間機床進行三維建模，通過現(xiàn)場的展示大屏幕、數(shù)控設(shè)備旁的觸摸屏，以及相關(guān)管理人員的PC終端對設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備開機率、零件完工率等進行有效展示。

底層SFC項目的建設(shè)，是推行智能制造技術(shù)的基礎(chǔ)，為企業(yè)推行“三維”智能工廠建設(shè)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(shè)過程中，企業(yè)借鑒SFC項目的成功經(jīng)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(shù)跟蹤訂單從物料投產(chǎn)到成品入庫的整個生產(chǎn)流程，實時采集生產(chǎn)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(xiàn)與生產(chǎn)設(shè)備、檢驗設(shè)備等通信的集成；控制指令隨任務(wù)工作流，自動下達到相應(yīng)硬件設(shè)備，降低操作設(shè)備人員的出錯率。

第三，產(chǎn)品追溯環(huán)節(jié)讓產(chǎn)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(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量問題的原因并制定針對措施，降低質(zhì)量成本。

第四，保證生產(chǎn)過程中數(shù)據(jù)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(wù)完成情況，人員工作、勞動生產(chǎn)率情況，設(shè)備利用情況，輔助企業(yè)設(shè)備、人員績效管理。

第六，實現(xiàn)將工藝數(shù)據(jù)與設(shè)計文件，通過集成產(chǎn)品數(shù)據(jù)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(chǎn)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(yīng)”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(chǔ)。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(shù)據(jù)支撐和規(guī)范的管理，ERP系統(tǒng)的上線產(chǎn)生了很好的效益： 

第一，庫存下降了30%～50%，庫存周轉(zhuǎn)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(chǎn)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(xié)調(diào)各管理部門圍繞市場導向開展業(yè)務(wù)活動，進一步增強了核心競爭力。

（完）