【軍觀察.導(dǎo)讀】智能工廠構(gòu)建成為了當(dāng)下推進(jìn)智能制造的“標(biāo)配”，而這離不開頂層設(shè)計(jì)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(jìn)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(shí)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(jì)劃、制造過程執(zhí)行和生產(chǎn)底層進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)控,，實(shí)時(shí)跟蹤生產(chǎn)計(jì)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(jìn)企業(yè)改善生產(chǎn)流程、提高生產(chǎn)效率,，實(shí)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(jī)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(jì)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(jì)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(qiáng)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(yù),，同時(shí)還能即時(shí)正確地采集生產(chǎn)線數(shù)據(jù),，合理編排生產(chǎn)計(jì)劃與生產(chǎn)進(jìn)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(shí)現(xiàn),。同時(shí)，企業(yè)管理包括生產(chǎn)物流管理,、人機(jī)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(dāng)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(jī)械控制與自動化為導(dǎo)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(fèi)額外的時(shí)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(shí)間，增加了額外的成本,。

在較早進(jìn)行智能工廠建設(shè)的制造企業(yè)中,，計(jì)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(shí)現(xiàn)三維智能工廠的基石。它既包括機(jī)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(biāo)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)采集生產(chǎn)底層各種加工數(shù)據(jù),，并加以統(tǒng)計(jì)和分析。SFC系統(tǒng)使運(yùn)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(jìn)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(shí)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(jìn)行智能化數(shù)據(jù)采集和反饋，并實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)和分析,，超過25000多種可自定義的圖報(bào)表在各個生產(chǎn)工段,、部門進(jìn)行實(shí)時(shí)展示。同時(shí),，企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者可結(jié)合大數(shù)據(jù)分析結(jié)果,，進(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(shí)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(shí)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(yuǎn)程操控等。企業(yè)可構(gòu)建生產(chǎn)過程各個環(huán)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)制,，確定哪些信息可被用來交換，哪些屬于標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件,，哪些機(jī)器適用等,。SFC將先進(jìn)的信息模式,、生產(chǎn)模式形成標(biāo)準(zhǔn)，從而促進(jìn)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(qiáng)信息管理,，提升產(chǎn)品及零部件生產(chǎn)效率,，同時(shí)它還能夠利用互聯(lián)網(wǎng)幫助企業(yè)進(jìn)行遠(yuǎn)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(dǎo)我國C919,、ARJ21飛機(jī)研制工作的中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司,、中航工業(yè)西安飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)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(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司、三一重工集團(tuán)有限公司,、上海電氣集團(tuán)股份有限公司、中船重工集團(tuán)公司等各行業(yè)知名大型制造企業(yè)中得到廣泛的實(shí)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(shí)時(shí)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(jì)劃的執(zhí)行,，它在制造資源（計(jì)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(shí)能測量和報(bào)告其實(shí)時(shí)性能,，它是實(shí)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(jìn)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(jìn)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(shí)時(shí)掌握車間現(xiàn)場的實(shí)際生產(chǎn)情況,。即便當(dāng)天發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)異常,，也無法及時(shí)糾正,，對企業(yè)造成極大的損害。通過MES系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jìn)度、數(shù)量與缺料等情況,，實(shí)時(shí)進(jìn)行相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)管控與調(diào)整,，以增進(jìn)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(shí)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(jì)算機(jī)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(yù)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn),，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(shí)代,，云計(jì)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(dāng)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(yùn)用MES把碎片化,、零散化的數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì),、客戶管理、供應(yīng)鏈管理,、效率管理系統(tǒng),，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)底層（控制層）、制造過程（執(zhí)行層）,、制造資源（計(jì)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(fēng)險(xiǎn)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(jìn)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(bào)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(fù)雜的情況,，同時(shí)還能協(xié)助管理者做出更好的決策。

制造資源（計(jì)劃層）ERP系統(tǒng)整合企業(yè)流程,，強(qiáng)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(jià)值鏈縱向、橫向,、端到端的所有信息,，實(shí)時(shí)監(jiān)控,、遠(yuǎn)程控制,、數(shù)據(jù)分析及預(yù)測，拉近消費(fèi)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(jì)劃層,，也就是“領(lǐng)導(dǎo)層”，還能夠體現(xiàn)企業(yè)事前計(jì)劃,、事中控制的思想,，并可以將設(shè)計(jì)、制造,、銷售,、運(yùn)輸通過智能化集成來并行地進(jìn)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(shí)時(shí)分析能力,。同時(shí)，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(jìn)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(jī)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(shí)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(qiáng)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(jì)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(shí)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(shí)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(jià)值鏈閉環(huán)。

實(shí)踐出真知

國內(nèi)某制造型企業(yè),，擁有先進(jìn)的數(shù)字化精密機(jī)械制造,、特種工藝、計(jì)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(jī)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(jìn),，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(jī)器人,、自動化生產(chǎn)線，構(gòu)建設(shè)計(jì)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(xiàng)目在于搭建一個設(shè)備層（數(shù)控機(jī)床）的車間級分布式控制網(wǎng)絡(luò),，并實(shí)時(shí)采集機(jī)床數(shù)據(jù)和其他生產(chǎn)類數(shù)據(jù),，實(shí)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(shí)實(shí)現(xiàn)機(jī)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(shí)施,。

通過蓋勒普生產(chǎn)底層（控制層）SFC項(xiàng)目的實(shí)施,，該企業(yè)完成了以下目標(biāo)：

第一，建立覆蓋加工車間的分布式控制網(wǎng)絡(luò),，實(shí)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(shí)現(xiàn)刀補(bǔ)參數(shù)文件從對刀儀到機(jī)床端的有效傳輸,。

第二,，實(shí)現(xiàn)對數(shù)控機(jī)床的實(shí)時(shí)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(bào)表或統(tǒng)計(jì)圖表的形式供決策者參考分析。同時(shí),，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(dǎo)作用,。

第三，實(shí)現(xiàn)對NC程序的統(tǒng)一流程管理,，并且在系統(tǒng)內(nèi)實(shí)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(shí)現(xiàn)機(jī)床數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上,，對車間機(jī)床進(jìn)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(jī)率、零件完工率等進(jìn)行有效展示,。

底層SFC項(xiàng)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(xiàng)目的建設(shè)過程中,，企業(yè)借鑒SFC項(xiàng)目的成功經(jīng)驗(yàn)，繼續(xù)選擇與蓋勒普深入合作,，達(dá)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(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)與生產(chǎn)設(shè)備,、檢驗(yàn)設(shè)備等通信的集成,；控制指令隨任務(wù)工作流，自動下達(dá)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(shí)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(zhǔn)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(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)將工藝數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)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(jì)劃層）ERP之間完美銜接，使企業(yè)真正“實(shí)時(shí)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(kuò)展到制造資源（計(jì)劃層）ERP,，選擇了國際知名品牌的ERP系統(tǒng)。

歷時(shí)一年,，ERP系統(tǒng)成功上線,。由于前期準(zhǔn)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(zhǔn)時(shí)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(cái)、物,、信息,、時(shí)間和空間等綜合資源進(jìn)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(dǎo)向開展業(yè)務(wù)活動,，進(jìn)一步增強(qiáng)了核心競爭力,。

（完）