全面實現數字化是通向智能制造的必由之路
——解讀《智能制造之路:數字化工廠》

唐 堂 滕 琳 吳 杰 陳 明

同濟大學，上海,200092

導語21世紀以來，全球正出現以物聯網、云計算、大數據、移動互聯網等為代表的新一輪技術創新浪潮。當前，新興經濟體快速崛起，全球市場經濟交流合作規模空前，多樣化、個性化需求快速發展，用戶體驗成為市場競爭力的關鍵要素。在此背景下，各國將智能制造視為振興實體經濟和新興產業的支柱和核心、提升競爭力和可持續發展能力的基礎和關鍵。同濟大學工業4.0-智能工廠實驗室與西門子數字化工廠合作，結合各自在智能制造領域的實踐經驗和關鍵技術，共同策劃出版了《智能制造之路：數字化工廠》一書。全書共分六篇，分別為理論篇、產品全生命周期管理篇、制造運營管理篇、全集成自動化篇、系統集成篇、案例分析篇。

1 智能制造概述

1.1 智能制造國內外發展與應用狀況

20世紀80年代以來，隨著經濟全球化、國際產業轉移及虛擬經濟發展不斷深化，美國的產業結構發生了深刻的變化，制造業日益衰退，“去工業化”趨勢明顯。面對由虛擬經濟危機爆發導致的增長乏力、失業率居高不下的困境，美國社會各界深刻認識到實體經濟的重要性。金融危機爆發后，美國推出一系列以重振制造業為核心的政策和措施。2009年12月，美國政府出臺《重振美國制造業框架》;2010年10月，奧巴馬總統簽署了《2010美國制造業促進法案》;2011年6月，啟動“先進制造業伙伴關系計劃”;2012年2月推出“先進制造業國家戰略計劃”;2012年3月，提出建設“國家制造業創新網絡”;2014年12月，通過《復興美國制造業創新法案》;2015年10月，發布《美國創新新戰略》。這些策略的實施，使得美國智能制造技術產業保持了全方位高水平發展：智能技術創新全球領先；智能制造產業化應用不斷加深；智能制造產業體系日趨完善；強化戰略頂層設計，完善法律制度保障；重視小企業，使其成為智能制造創新發展重要動力；加深多方合作，促進智能制造跨界融合發展。

1995年，歐盟作為創始成員聯合啟動了“智能制造系統”計劃。從1984起，歐盟制定了7個研發框架計劃(FP1-FP7)(1984～2013)，及“地平線2020”(2014～2020)科技發展計劃，都將先進/智能制造相關技術作為其中工業技術發展計劃的重點。除此之外，歐盟各主要工業國都有自己的先進制造業發展計劃。如英國的“高價值制造”戰略、《工業戰略：政府與工業之間的伙伴關系》；德國的《德國高科技戰略》、《思想·創新·增長——德國2020高科技戰略》、“工業4.0”；法國的《新工業法國》戰略、“未來工業”戰略。歐盟是發展智能制造最積極的地區，以德國、法國、英國、意大利、瑞典為代表，歐盟國家智能制造的工業基礎雄厚，核心技術和部件基本能夠自主保障；歐盟是最早開始支持智能制造的地區之一，目前歐盟框架計劃還在投入大量資金進行相關研究，參與的企業近千家；工業企業發展智能制造的意愿較高，并且以德國為首已經在部分領域實現了突破。

早在1990年6月，日本通產省就提出了智能制造研究的十年計劃，并聯合歐洲共同體委員會、美國商務部協商共同成立IMS(智能制造系統)國際委員會。日本是全球工業機器人裝機數量最多的國家，機器人產業被放在基礎性的突出位置。2015年1月，日本政府發布了《機器人新戰略》。2015年5月，日本機器人革命促進會正式成立。隨后在日本機器人革命促進會下設“物聯網升級制造模式工作組”。日本工業的智能化水平及相關核心技術研發水平等都處于世界第一方陣。日本通過革新技術采用智能化生產線的企業越來越多。除了應對用工短缺，日本政府鼓勵以機器代人。日本在發展先進制造業方面最為成功之處，是生產模式的創新，創建了諸如精益生產模式、作業站生產模式和以人為本的經營管理模式等。

1991年底韓國提出了“高級先進技術國家計劃”(G-7計劃)，目標是到2000年把韓國的技術實力提高到世界一流工業發達國家的水平。1992年，韓國制定了“高技術國家項目(HAN)”；2014年6月正式推出了被譽為韓國版“工業4.0”的《制造業創新3.0戰略》；2015年3月，韓國政府又公布了經過進一步補充和完善后的《制造業創新3.0戰略實施方案》，這標志著韓國版“工業4.0”戰略的正式確立。

我國在制定“九五”計劃時已將先進制造技術(包括智能制造技術及智能制造系統)作為重點發展的支柱產業之一。智能制造相關技術亦被列入國家863計劃。近年來我國制定了一系列智能制造支持政策。2012年1月，發布《“十二五”工業轉型升級規劃》；2012年發布《智能制造科技發展“十二五”專項規劃》和《智能制造裝備產業“十二五”發展規劃》，并設立《智能制造裝備發展專項》，加快智能制造裝備的創新發展和產業化，推動制造業轉型升級；2013年，工業和信息化部(以下簡稱“工信部”)印發了《信息化和工業化深度融合專項行動計劃(2013～2018年)》；2015年國務院發布“中國制造2025”戰略、《關于積極推進“互聯網+”行動的指導意見》。中國智能制造發展總體上取得了一批基礎研究成果和智能制造技術，智能制造裝備產業體系初步形成，國家對智能制造的扶持力度不斷加大。

1.2 工業4.0

“工業4.0”概念指第四次工業革命，它意味著在產品生命周期內整個價值創造鏈的組織和控制邁上新臺階，意味著從創意、訂單，到研發、生產、終端客戶產品交付，再到廢物循環利用，包括與之緊密聯系的各服務行業，在各個階段都能更好地滿足日益個性化的客戶需求。所有參與價值創造的相關實體形成網絡，獲得隨時從數據中創造最大價值流的能力，從而實現所有相關信息的實時共享。以此為基礎，通過人、物和系統的連接，實現企業價值網絡的動態建立、實時優化和自組織，根據不同的標準對成本、效率和能耗進行優化。

“工業4.0”的核心是建立信息物理系統(CPS)，聚焦于智能工廠和智能生產兩個主題，實現領先的供應商戰略與領先的市場戰略，實現橫向集成、縱向集成與端對端的集成。“工業4.0”的核心是智能制造，精髓是智能工廠，精益生產是智能制造的基石，工業標準化是必要條件，軟件和工業大數據是關鍵大腦。

德國“工業4.0”戰略發布后，各大企業積極響應，已經形成了從基礎元器件、自動化控制軟硬件、系統解決方案到供應商的完整產業鏈，形成了圍繞“工業4.0”的生態系統(圖1)。

圖1 圍繞“工業4.0”形成的生態系統

1.3 中國制造2025

“中國制造2025”以促進制造業創新發展為主題，以提質增效為中心，以加快新一代信息技術與制造業深度融合為主線，以推進智能制造為主攻方向，以滿足經濟社會發展和國防建設對重大技術裝備的需求為目標，強化工業基礎能力，提高綜合集成水平，完善多層次多類型人才培養體系，實現制造業由大變強。“中國制造2025”總體目標是中國基本實現工業化，進入制造強國行列。“中國制造2025”是建設制造強國計劃的第一步，遵循“市場主導、政府引導，立足當前、著眼長遠，整體推進、重點突破，自主發展、合作共贏”原則，旨在實現由要素驅動向創新驅動轉變，由低成本競爭優勢向質量效益競爭優勢轉變，由資源消耗大、污染物排放多的粗放制造向綠色制造轉變，由生產型制造向服務型制造轉變。

我國按照“創新驅動、質量為先、綠色發展、結構優化、人才為本”方針，圍繞“中國制造2025”這一主題，于2015年啟動了30個以上智能制造試點示范項目，2016年繼續邊試點示范、邊總結經驗、邊推廣應用，2017年進一步擴大試點示范的范圍，全面推廣有效的經驗和模式。

1.4 智能制造的內涵與特征

智能制造是能夠自動感知和分析制造過程及其制造裝備的信息流和物流，能以先進的制造方式自主控制制造過程的信息流和物流，實現制造過程自主優化運行，滿足客戶個性化需求的現代制造系統。智能制造的基本屬性有三個：對信息流和物流的自動感知和分析，對制造過程信息流和物流的自主控制，對制造過程的自主優化運行。

在2015年12月31日工信部與國家標準化管理委員會聯合發布的《國家智能制造標準體系建設指南》中，智能制造是指將物聯網、大數據、云計算等新一代信息技術與設計、生產、管理、服務等制造活動的各個環節融合，具有信息深度自感知、智慧優化自決策、精準控制自執行等功能的先進制造過程、系統與模式的總稱，具備以智能工廠為載體、以關鍵制造環節智能化為核心、以端到端數據流為基礎、以網通互聯為支撐的四大特征，可有效縮短產品研制周期、提高生產效率、提升產品質量、降低資源能源消耗。

2 智能工廠方案與體系

2.1 智能工廠體系架構

數字化工廠是實現智能制造的基礎和前提，在組成上主要分為三大部分，如圖2所示。在企業層對產品研發和制造準備進行統一管控，與ERP進行集成，建立統一的頂層研發制造管理系統。管理層、操作層、控制層、現場層通過工業網絡(現場總線、工業以太網等)進行組網，實現從生產管理到工業網底層的網絡連接，實現管理生產過程、監控生產現場執行、采集現場生產設備和物料數據的業務要求。除了要對產品開發制造過程進行建模與仿真外，還要根據產品的變化對生產系統的重組和運行進行仿真，在生產系統投入運行前就了解系統的使用性能，分析其可靠性、經濟性、質量、工期等，為生產制造過程中的流程優化和大規模網絡制造提供支持。

圖2 智能工廠架構

西門子基于“工業4.0”概念創建的安貝格數字化工廠，在產品的設計研發、生產制造、管理調度、物流配送等過程中，都實現了數字化操作。安貝格數字化工廠突出數字化、信息化等特征，為制造產業的可持續發展提供了借鑒與啟迪。安貝格數字化工廠已經完全實現了生產過程的自動化，在生產過程的制造研發方面，與國際化的質量標準相對接。安貝格數字化工廠的理念是通過將企業現實和虛擬世界結合在一起，從全局角度看待整個產品開發與生產過程，實現高能效生產覆蓋從產品設計到生產規劃、生產工程、生產實施以及后續服務的整個過程。安貝格數字化工廠對“工業4.0”概念作出了最佳實踐，處于制造業革命的應用前沿。

2.2 智能工廠解決方案要素

(1)產品數字化建模與開發系統。為提高制造的成功率和可靠性，在數字化制造中應非常重視對工藝過程即產品加工過程、裝配過程及生產系統規劃、重組和仿真等技術的研究，以實現生產資源和加工過程的優化及從傳統制造向可預測制造轉變的目的。

(2)產品全生命周期管理系統(PLM)。PLM的主要管理內容是產品信息，唯有擁有具競爭能力的產品，才能為企業獲得更多的用戶和更大的市場占有率，故針對制造業的信息化過程應該以用戶的“產品”為中心，把重點放在為用戶建立一個既能支持產品開發、生產和維護全過程，同時又能持續不斷地提升創新能力的產品信息管理平臺。

(3)制造執行系統(MES)。MES的關鍵是強調整個生產過程的優化，它需要收集生產過程中大量的實時數據，并對實時事件及時處理。同時又與計劃層和控制層保持雙向通信能力，從上下兩層接收相應數據并反饋處理結果和生產指令。MES把制造系統的計劃和進度安排、追蹤、監視和控制、物料流動、質量管理、設備的控制和計算機集成制造接口(CIM)等作一體化全面考慮，以最終實施制造自動化戰略。西門子提出了MOM(manufacturing operations management)系統，對傳統MES系統進行了進一步擴展，MOM系統不僅涵蓋基于傳統國際標準ISA-95 MES系統中關注的產品定義、資源計劃、生產計劃、生產性能等生產核心要素，同時包含了對制造運營過程中的設備全面管控、物料流轉、高級計劃排程、能源管理、工廠/集團智能運營分析等模塊。

(4)全集成自動化系統。全集成自動化系統以工業以太網(或工業總線)為基礎，集成工廠的生產管理系統、人機控制、自動化控制軟件、自動化設備、數控機床，形成工廠的物理網絡，實時采集生產過程數據，分析生產過程的關鍵影響因素，監控生產物流的穩定性和生產設備的實時狀態，以實現智能控制整個工廠的生產資源、生產過程，達到智能化、數字化生產的目的，通過集成自動化系統與MES和企業PLM/ERP的鏈接實現在整個企業層級自上而下的數字化驅動。

(5)企業資源計劃(ERP)。ERP匯合了離散型生產和流程型生產的特點，面向全球市場，包羅了供應鏈上所有的主導和支持能力，協調企業各管理部門圍繞市場導向，更加靈活或“柔性”地開展業務活動，實時地響應市場需求。為此，重新定義供應商、分銷商和制造商相互之間的業務關系，重新構建企業的業務和信息流程及組織結構，使企業在市場競爭中有更大的能動性。

3 數字孿生模型

3.1 數字孿生模型概要

數字孿生模型指的是以數字化方式在虛擬空間呈現物理對象，即以數字化方式為物理對象創建虛擬模型，模擬其在現實環境中的行為特征，它是一個應用于整個產品生命周期的數據、模型及分析工具的集成系統。對于制造企業來說，數字孿生模型能夠整合生產中的制造流程，實現從基礎材料、產品設計、工藝規劃、生產計劃、制造執行到使用維護的全過程數字化。通過集成設計和生產，數字孿生模型可幫助企業實現全流程可視化、規劃細節、規避問題、閉合環路、優化整個系統。

數字孿生模型是在美國國防部提出的信息鏡像模型的基礎上發展而來的。信息鏡像模型包括三個部分：真實世界的物理產品、虛擬世界的虛擬產品、連接虛擬和真實產品的數據和信息。

數字孿生模型在制造中的作用體現在以下幾個方面：預見設計質量和制造過程，推進設計和制造的高效協同，確保設計和制造準確執行。

數字孿生模型存在的重要意義在于實現了現實世界的物理系統與虛擬空間數字化系統之間的交互與反饋，從而達到在產品的全生命周期內物理世界和虛擬世界之間的協調統一，再通過基于數字孿生模型而進行的仿真、分析、決策、數據收集、存儲、挖掘以及人工智能的應用，確保它與物理系統的適用性。

3.2 基于模型的企業

應用基于模型的技術將數字孿生模型應用于企業，建立基于模型的企業(model based enterprise，MBE)是滿足“工業4.0”時代多樣化、個性化需求的最有效的制造新模式。MBE基于模型的定義(model based definition，MBD)，在整個企業以及上下游的供應商之間建立一個集成和協作的環境，各業務環節均在全三維產品定義的基礎上開展工作，這有效地縮短了整個產品研制周期，改善了生產現場的工作環境，提高了產品質量和生產效率。MBE發展過程如圖3所示。

圖3 MBE發展歷程

MBE的相關組成主要分為三大部分：基于模型的工程(model-based engineering，MBe)，基于模型的數字化制造(model based manufacturing，MBm)，基于模型的維護(model based sustainment，MBs)。MBe是將模型作為技術基線的不可或缺的一部分，包括產品全生命周期內需求、分析、設計、實施和驗證的能力。MBm模型用于在虛擬制造環境內部進行工藝規劃設計、優化和管理，直至提供給生產現場。MBs的維持技術能夠提高運行維護效率，降低生命周期成本。

3.3 數字孿生模型的組成

數字孿生模型主要包括：產品設計、過程規劃、生產布局、過程仿真、產量優化等。

3.3.1 產品設計

MBD技術中融入了知識工程、過程模擬和產品標準規范等，將抽象、分散的知識集中在易于管理的三維模型中，使得設計、制造過程能有效地進行知識積累和技術創新，因而MBD是企業知識固化和優化的最佳載體。

針對MBD模型的定義，西門子提供了基于Teamcenter+NX集成一體化平臺的解決方案，利用NX軟件在MBD相關標準的規范下完成產品三維數字化數據定義，利用Teamcenter實現MBD數據的共享控制。

3.3.2 過程規劃

產品的實際制造過程有時可能極其復雜，生產中所發生的一切都離不開完善的規劃。一般的規劃過程通常是設計人員和制造人員采用不同的系統分別開展工作，他們之間無過多溝通，設計人員將設計創意交給制造商，不考慮制造性，由他們去思考如何制造。但是這樣做很容易導致信息流失，使得工作人員很難看到當前的實際狀況，進而增大出錯的幾率。

西門子的愿景是利用數字孿生模型推進設計和制造的高效協同。

3.3.3 生產布局

生產布局指的是用來設置生產設備、生產系統的二維原理圖和紙質平面圖。設計這些布局圖需要耗費大量的精力并進行廣泛的協調。由于計劃和設備設計密切集成，所以用戶能高效管理整個生產過程。通過規定每個生產步驟，甚至管理每個生產資源(比如機械手、夾具等)，用戶可以輕易優化過程。

3.3.4 過程仿真

過程仿真是一個利用三維環境進行制造過程驗證的數字化制造解決方案。制造商可以利用過程仿真在早期對制造方法和手段進行虛擬驗證。過程仿真包括利用裝配過程仿真、利用人員過程仿真、利用Process Simulate Spot Weld仿真、利用機器人過程仿真、利用試運行過程仿真。利用過程仿真能夠對制造過程進行分步驗證。

3.3.5 產量優化

利用產量仿真來優化決定生產系統產能的參數。通過將廠房布局與事件驅動型仿真結合在一起，促進這種優化的實現。這樣可以快速開發和分析多個生產方案，從而消除瓶頸、提高效率并提高產量。工廠仿真可以對各種規模的生產系統和物流系統包括生產線進行建模、仿真，也可以對各種生產系統(包括工藝路徑、生產計劃和管理)進行優化和分析，還可以優化生產布局、資源利用率、產能和效率、物流和供需鏈，考慮不同大小的訂單與混合產品的生產。

3.3.6 維護保障管理

Teamcenter維護保障管理(MRO)系統主要提供維護保障規劃、維護BOM管理、維護保障執行、維護保障知識庫管理，結合Teamcenter研制過程管理平臺提供 FRACAS管理、工程更改管理、返廠維修工藝管理、維護保障報告和分析。

4 制造執行系統(MES)

4.1 MES的體系架構簡介

作為車間信息管理技術的載體，MES在實現生產過程的自動化、智能化、網絡化等方面發揮著巨大作用。MES處于企業級的資源計劃系統和工廠底層的控制系統之間，是提高企業制造能力和生產管理能力的重要手段。MES的關鍵是強調整個生產過程的優化，MES的項目目標如圖4所示。

圖4 MES的項目目標

MES集成了生產運營管理、產品質量管理、生產實時管控、生產動態調度、生產效能分析、物料管理、設備管理和文檔管理等相互獨立的功能,使這些功能之間的數據實時共享，同時MES起到了企業信息系統連接器的作用，使企業的計劃管理層與控制執行層之間實現了數據的流通。

4.2 MES的發展趨勢

20世紀90年代MES概念被提出，經過近30年的發展，MES逐步成為企業信息化的重要環節，特別是隨著智能制造時代的到來，MES被放到了前所未有的重要位置。近年來MES的發展呈現出以下幾個趨勢。

4.2.1 MES朝著新一代MES的方向發展

(1)MES具有開放式、客戶化、可配置、可伸縮等特性，可針對企業業務流程的變更或重組進行系統重構和快速配置；MES新型體系結構基于Web技術、支持網絡化功能。

(2)集成范圍更為廣泛，不僅包括制造車間現場，而且覆蓋企業整個業務流程，建立能量流、物流、質量、設備狀態的統一數據模型，制定系統設計、開發標準，使不同廠商的MES與其他異構的企業信息系統可以實現互連與互操作。

(3)具有更精確的過程狀態跟蹤和更完整的數據記錄功能，可實時獲取更多的數據來更精確、及時地進行生產過程管理與控制，并具有多源信息的融合及復雜信息的處理與快速決策能力。

(4)新一代MES支持生產同步性和網絡化協同制造，能對分布在不同地點甚至全球范圍內的工廠進行實時化信息互聯，建立過程化、敏捷化和級別化的管理。

4.2.2 MES成為智能工廠的核心

按照協同制造模式(collaborative manufacturing model，CMM)，智能工廠可以從三個維度來進行描述，如圖5所示。生產是工廠所有活動的核心，MES是智能工廠三個維度的交叉點和關

圖5 MES是智能工廠的核心

鍵點，是智能工廠的“大腦”。在智能制造時代，MES不再是只連接ERP與車間現場設備的中間層級，而是智能工廠所有活動的交匯點，是現實工廠智能生產的核心環節。

4.2.3 MES成為實現精益生產的關鍵環節

“精益生產”的理念是杜絕浪費和作業流程不間斷，而非分批和排隊等候的一種生產方式。精益生產系統綜合了單件生產與大批量生產的優點，既避免了前者的高成本，又避免了后者的僵化，精益生產的思想需要融入數字化制造的各個環節，業務場景通過相關IT系統和業務的融合應用，將精益思想逐步固化在日常管理和IT系統中，并通過制度確保效果的持續化。MES是貫徹精益生產理念的一個平臺。從傳統精益推進到數字化精益，必須要經歷信息化深度應用。

5 智能制造執行系統——SIMATIC IT

西門子的制造執行系統平臺的名稱是“SIMATIC IT”，是一套優秀的工廠生產運行系統，它提供了“模型化”的理念，可用于工廠建模和生產操作過程的模擬；它的整個功能體系都是依照功能以模塊和組件的協同工作來執行的。

由圖6可知，SIMATIC IT是一個系列產品，包含了幾乎整個制造的各個方面和相關系統，其行業庫更是覆蓋從離散到流程的全行業。

6 全集成的系統概念

“全集成自動化(TIA)”是西門子自動化與驅動集團在1996年為響應市場對工業自動化過程控制系統的愈來愈高的要求而提出的概念。

TIA的概念起源于PLC系統的集成，并將所

圖6 SIMATIC IT制造行業產品組合

有的功能推廣到其他系統中，為生產線提供了一種優秀的解決方案，使控制任務基于一個單一的、集成各系統的、一致性的操作平臺。

6.1 客戶對自動化解決方案的需求

西門子全集成自動化系統從5個方面滿足客戶對自動化解決方案的需求，包括：縱向集成、橫向集成、生產線可用性、可擴展性/模塊化、開放性和標準。

6.2 全集成自動化解決方案的優勢

對設計人員和用戶而言，從最初的規劃與設計，工程與實施，到安裝與調試，運行與維護，以至系統升級改造，TIA使企業在整個產品生命周期中獲得最高的生產力和產品質量，并顯著降低項目成本。此外，TIA還能大大縮短產品上市和系統投入運行時間。TIA在所有的自動化任務中，創造了實際的附加價值。包括：

(1)一體化工程。在生產過程的所有階段，由于一致的、全面的工程，使用戶更節約時間，節省資金，省力。

(2)工業數據管理。通過實時訪問所有重要的過程生產數據，客戶有信心最大限度地進行節約型生產操作。

(3)工業通信。通過使用國際的跨供應商標準，無限的、一致的通信，最大限度地實現跨所有層級的透明度。

(4)工業信息安全。通過自動化安全機制的一致性使用，可以系統性地減小攻擊給工廠和機器所帶來的危險。

(5)安全集成。通過無縫安全地集成到標準的自動化技術中，TIA可以可靠全面地保護人身、機器以及環境的安全。

6.3 一體化的工程

由于TIA的統一性和開放性，使工程的一體化變得可能，大大提高工程的效率。

(1)TIA的統一性。通過一個單一的平臺TIA博途，集成西門子所有基于控制的軟件于一體，用戶可以實現整個產品范圍(從自動化系統以及驅動技術一直到現場設備)的高度集成，其優異特性充分體現在如下幾個方面：統一的數據管理、統一的變量表、變量名自動映射、統一的編程、組態。

(2)TIA的開放性。TIA是一個高度集成和統一的系統，同時它也是一個具有高度開放性的系統。TIA的開放性體現在：對所有類型的現場設備開放、對辦公系統開放并支持Internet。

(3)聯合調試與聯合編程。隨著自動化的快速發展，CPU變得非常強大，一個CPU可能承擔不同的控制任務，這樣可能會有多個工程人員參與到同一個CPU進行調試。使用TIA博途平臺進行調試，可以支持多人同時調試，在修改各自的程序時，系統會自動同步相互之間由于修改而產生的差異，從而保證工程調試的快速性。基于不同的應用，編程人員可能分別負責不同的子項目，這些項目中的設備還需要互通，通過TIA博途的設備代理功能可以非常方便地實現這些需求。一個大型的項目可能需要一個團隊進行實施，在開發的過程中，項目間的數據可能需要實時交換，使用設備代理的方式保證不了工程的快速性和便利性，通過聯合編程的方式，可以在一個局域網內共享一個大的項目，從而實現項目間的數據實時共享。

(4)遠程維護。可以將一個項目放置在云端服務器中，工程人員可以通過Internet遠程接入，實現對目標項目的維護和調試。

(5)過程的模擬與仿真。通過程序和過程的模擬和仿真，可以使設備在現場安裝之前已經完成了大部分的調試工作。

(6)通過TIA實現高效工程并帶來效益。由于TIA具有統一和共享的數據庫以及開放的系統架構(可以在世界任何地方任何時間訪問最新的數據和信息)，故在這種方式下，工作過程可以并行執行，同樣也可以循序執行。

6.4 工業數據的管理

工業數據管理將生產過程中流轉和采集到的各種數據經過綜合管理，轉化為更有價值的信息，并使企業內部能夠實時地訪問到工廠數據。工業數據管理能提高診斷效率，縮短停機時間，優化資源使用率。

(1)跨部門的橫向集成。TIA通過橫向數據管理，集成連接了整個生產鏈的各個部門，從原料接收到實際生產，再到裝運出廠。

(2)跨各層的縱向集成。TIA通過從現場層到控制層，人機控制和監視層，生產執行層，最后匯總到ERP層實現縱向數據管理，來連接自動化金字塔的各個層級。生產工藝和過程參數在金字塔的各層級間傳遞，并且也融入到各種具體的生產活動中，來自于現場的生產和維護數據可以進一步精簡，傳遞到金字塔的頂層，如此便可清楚地看到整個生產線的運行狀態。

(3)工業數據管理可以提供多種維度和視角來視察和利用數據。

TIA的主要貢獻是通過橫向和縱向集成的數據管理來提升工廠的效率。

6.4.1 維護和診斷

基于設備數據采集管理和智能維護策略的組合，顯著地帶來了更高的可用性和更短的停機時間，從而提高了設備的利用率。TIA全集成自動化支持智能維護策略，可以實現自動維護工單的流程：基于故障的糾正性維護、基于狀態的預防性維護、基于計劃的日常維護、基于生產負荷的檢修。

6.4.2 能源數據管理

SIMATIC B.Data是經過TUV認證的符合DIN EN ISO 50001標準的能源數據管理軟件，能夠通過能耗數據采集、管理、分析，幫助工廠實現能耗成本分析、能源采購預測、能源KPI計算和報表、能源/原料的平衡管理等功能，從而有效降低能源消耗，降低生產成本、提高工廠整體能效水平，減少二氧化碳排放。

6.4.3 歸檔和報表

基于TIA高效的數據采集平臺和長期歸檔系統，可以歸檔管理巨量的生產歷史數據，并基于實時和歷史數據可以生成各種視角的生產報表，基于這些數據可以幫助車間進一步優化生產工藝流程，提升產品質量。

6.5 故障安全集成

作為TIA的一部分，安全集成確保了對人員、設備以及環境的保護，同時可以最大限度地保證系統的經濟性和靈活性。

6.5.1 安全集成理念

不同國家已逐漸形成了普遍一致的機械制造技術標準和規定，基于法規確定的一致性，可以在實際中應用相應的歐洲統一標準。并在滿足國家和歐盟標準的前提下，為生產商和操作人員提供法律保護。

6.5.2 設備安全的實現

不同階段的設備安全需求如表1所示。

表1 設備安全

6.5.3 安全控制系統

(1)功能安全。功能安全依賴于系統或設備對輸入的正確操作，它是全部安全的一部分。

(2)西門子 SIMATIC安全集成。安全集成是一個完整、通用的安全解決方案。

(3)安全集成系統及產品。

6.6 工業通信

(1)以太網和工業以太網。在辦公和商業領域，以太網是當今最流行、應用最廣泛的通信技術，具有價格低、通信速率和帶寬高、兼容性好、軟硬件資源豐富、廣泛的技術支持基礎和強大的持續發展潛力等諸多優點。

(2)PROFINET。PROFINET是基于工業以太網的開放的現場總線標準，它獨立于供應商，用于生產自動化與過程自動化。通過 PROFINET 可以提高應用靈活性，可以大幅提升生產效率，穩步提升設備性能。

(3)工業無線通信。無線通信為工業通信的應用開辟了新的領域，無論是現代化工廠的局部還是優化的復雜的物流系統或者是生產線，基于無線遠程通信、RUGGEDCOM WiN、工業無線局域網和WirelessHART，西門子均可提供工業無線通信的可靠解決方案。

(4)PROFIBUS(IEC 61158/61784)。PROFIBUS用于連接現場設備到自動化系統。PROFIBUS符合IEC61158/61784標準，是一種強大、開放、穩定的現場總線系統，具有很短的響應時間。

(5)AS-Interface(EN 50295/IEC 62026)。作為線纜束的一種經濟替代方案，AS-Interface總線連接現場的器件僅通過一根兩芯的電纜，在這一根電纜上同時傳送數據和電源。

(6)IO-Link(IEC61131-9)。IO-Link是一個用于傳感器執行器的開放標準，它實現了至現場過程最后一米的通信。

6.7 工業信息安全

隨著數字化需求的日益增長，自動化的信息安全性變得越來越重要。工業信息安全是數字企業的核心要素，工業信息安全是數字化的一部分。

6.7.1 工業信息安全的防護理念

西門子工業安全理念包含了工廠安全，網絡安全和系統完整性三個重要部分(圖7)。

圖7 西門子工業安全理念

6.7.2 工廠安全

工廠安全包括物理訪問保護、安全管理兩個方面。

6.7.3 網絡安全

網絡安全包括以下三個方面：網絡分段和單元保護概念、辦公網絡和工廠網絡聯網的安全、遠程訪問的安全。

6.7.4 系統完整性

系統完整性意味著自動化系統的控制器組件，SCADA和HMI系統等，要具備防止未經授權和惡意軟件的訪問或者需要滿足特殊需求(如專有知識等)的保護功能,包括在工廠網絡中保護基于PC的系統、控制層級的保護。

7 企業間價值網絡的橫向集成

7.1 橫行集成

橫向集成指的是企業之間通過價值鏈及信息網絡來實現資源整合。橫向集成將企業內部的業務信息向企業外拓展，將其拓展至供應商、銷售商、用戶等，進而實現企業與企業、企業與產品之間的協同。

7.2 橫向集成解決的問題

IT系統和企業計劃過程也許是跨洲的，越洋的，分布在互聯網所在的任何地方。價值網絡所連的公司也可能分布在互聯網所在的任何地方。CPS價值網絡的橫向集成是在世界范圍網絡制造的成功經驗基礎上(如A380飛機的制造)，在IoT和IoS的支持下實現的新的互聯網網絡制造,其機理如圖8所示。

圖8 價值網絡橫向集成

價值網絡也包含了所連接的實體間的商業價值鏈。橫向集成需要解決的問題如下：商業模式；不同公司間的合作形式；商業活動的持續發展；價值鏈鏈接的公司間的商業秘密保護；標準化策略；中長期的職工培訓計劃等。

7.3 橫向集成與車間

高度的網絡化使得產業鏈的信息集成更加便利，也為“工業4.0”時代的制造業革命帶來了車間革命以外的新活力。在實現大規模個性化定制的過程中，產業鏈上游的企業可以集成下游的供應鏈信息，提高智能工廠的原材料供應能力。高度網絡化的制造模式將智能工廠在價值鏈中的觸角延伸到了傳統工廠無法觸及的地方。企業還可以通過服務互聯網(IoS)提供類似目前消費互聯網所提供的電子商務服務，或者通過應用商店的形式擴展產品的增值服務范圍。

7.4 橫向集成與網絡化

工業互聯網技術是“工業4.0”的橫向集成技術賴以實現的基礎，它可以將分布在全球范圍內的智能工廠、公用設備、設計專家、生產工藝、專用設備或機器人，通過特定的CPS集成起來，生產出特定的智能產品,在全球范圍內動態配置各類資源組成智能產品的智能生產線。

8 全流程的端到端集成

端到端集成指的是圍繞客戶價值進行的集成，圍繞企業核心形成競爭優勢，也因此能夠提供最佳的用戶體驗。端到端的集成貫穿于產品的整個生命周期，包括原料供應、研發設計、生產制造、銷售服務等各個環節。通過端到端的集成，產業鏈的領導企業可以獲得競爭優勢。

8.1 全流程的端到端集成

整個工業生產過程中需要實現端到端的數字集成，使現實世界和數字世界在產品的整個生命周期所包含的價值鏈的各個環節之間實現整合(圖9)。所謂的“工業4.0”的端到端的數字化集成，就是用戶可以通過互聯網參與產品的研發與制造的各個環節。“工業4.0”中端到端的集成更強調的是各生產階段的終端設備的集成。

圖9 端到端的制造業業務場景模型

8.2 端到端——供應鏈要達到最佳的狀態

“工業4.0”模式下，理想的狀態是智慧工廠的下游都有共有的云，在云端集成了整個的供應鏈，實現物和物、服務和服務、人和人的對話。

8.3 端到端的解決方案

PLM關系集成模型可以用于描述企業中各項數字業務或者各個學科之間的關系。事實上，企業在信息化的過程中建立系統也正是為了解決眾多的業務問題。從底層技術角度來看，只要實現對PLM關系集成模型中的關系的管理，就能實現端到端的整體協同，因此這是一種不錯的解決方案。

8.4 全價值鏈端到端系統工程

跨越全價值鏈的端到端的數字化集成是指通過部署CPS系統，實現從產品需求到最終的產品交付的全流程覆蓋。通過數字化建模等方法，在一個端到端工程工具鏈中，使得用戶的所有需求信息與各個程序之間的相互依存關系能夠標準化、準確、清晰、數字化高效地描述、確認和傳遞，最終完成制造過程并輸出結果，且輸出結果與當初的最初輸入的需求完全一致，不產生任何偏差。

把CPS技術應用于基于模型的開發的設計生產過程中，通過端到端、模擬、數值等方法，可以實現從客戶需求定義到產品設計加工，再到成品完成出庫等各個方面的配置。

9 網絡化的縱向垂直集成與網絡化制造

縱向集成就是解決企業內部信息孤島的集成，“工業4.0”所追求的就是在企業內部實現所有環節信息的無縫連接，這是所有智能化的基礎。縱向集成是基于未來智能工廠中網絡化的制造體系，實現個性定制生產，替代傳統的固定式生產流程(如固化的流水線)的關鍵實現。

9.1 PDM與ERP集成

在企業信息化中，PDM與ERP分別被認為是涉及技術管理和信息化管理的兩個不同領域。若能把PDM和ERP進行集成，即將產品開發與生產管理甚至倉儲管理等打通，有效縮短產品形成周期，加速產品設計到制造領域的轉化，從而從根本上促進企業的現代化進程，對企業生產活動具有十分重要的現實意義。

PDM與ERP的集成模式有以下3種：接口交換模式、封裝集成模式、緊密集成模式。

9.2 ERP與MES集成

大多數同時實施ERP和MES的制造企業中，集成企業模型呈現出典型的三層結構，其結構如圖10所示。

圖10 集成企業模型

9.2.1 ERP與MES的集成分析

ERP與MES集成系統的信息傳遞具體如下：自上而下的信息流傳遞ERP系統的驅動數據(主要來源于客戶訂單和銷售預測兩個方面)至MES層，在MES層進行處理后將生成采購件的采購訂單和自制件的工作訂單；自下而上的信息流將底層控制系統的相關信息實時傳送到MES層，再經MES處理后傳送到ERP層。

9.2.2 ERP與MES的集成模式與方法

ERP與MES的集成模式主要有:封裝調用集成模式、間接集成模式(基于可擴展標記語言(XML)的集成技術也屬于間接集成模式)、直接集成模式(需要將兩個系統分別對各自的數據庫進行操作并交換數據)。

9.2.3 SAP制造業ERP與MES系統集成架構

SAP APO與獨立的工業模塊無縫集成在一起，組成一個完整的計劃體系。這個計劃體系可以完成從中長期的整體計劃一直到分鐘或秒一級的作業計劃，從而構成整個信息化管理體系中的計劃層。

9.3 PLM與MES集成

將PLM與MES實現集成，則PLM系統的設計數據與MES系統的相應管理模塊可以同步進行，即可直接將產品要求、設計和制造信息與車間執行系統連接。PLM與MES的集成解決方案是一種無縫的途徑，不僅可以提高生產靈活性，還可以提高生產速度，提供創新的產品和優化的方法。

PLM與MES系統之間可以實現緊密的系統集成，如Teamcenter與SIMATIC IT之間。兩者的數據同步并非傳統意義上的通過中間文件方式實現，而是通過底層函數互調實現的，全盤考慮數據傳輸的效率和完整性，保證企業是在一個統一數據源的基礎上實現。

PLM系統將完整的產品數據包通過內部通道傳遞給MES系統，MES系統內部的各個模塊分別負責接收和存儲不同類型的產品設計數據。

10 案例

10.1 制造運營管理案例

10.1.1 成功案例1

青島啤酒股份有限公司(以下簡稱“青島啤酒”)成立于 1993 年，產品遠銷70多個國家和地區。青島啤酒(揭陽)有限公司位于廣東省揭陽市揭東區經濟開發新區，是一家新建的生產工廠，總投資8億元人民幣，公司選用目前國際一流的啤酒生產設備。

10.1.1.1 企業信息化應用總體現狀

(1)Oracle EBS系統。該系統已經在青島啤酒成功應用10年以上。

(2)作業成本系統。該系統已經在10多家分公司成功實施。

(3)KM(知識管理)系統。

10.1.1.2 信息化項目詳細情況

青島啤酒(揭陽)有限公司在設計初期即確立了打造一個一流的自動化、信息化的示范生產基地的目標，由此，公司引入了西門子的 SIMATIC IT MES系統。

青島啤酒對信息戰略的總體規劃框架如下：圍繞啤酒生產進行六大改善——品質改善、效率改善、質量改善、隊伍改善、安全改善、資源改善，為提升企業核心能力提供信息化技術支持，滿足管理進一步由定性向定量、由靜態到動態、由事后到實時的轉變要求，達到增強企業綜合能力、創建“一流啤酒制造工廠”的總體目標。信息系統的層級結構如圖11所示。

圖11 青島啤酒(揭陽)有限公司信息系統架構圖

如今，生產車間中的每一包物料、每一個操作都成了鮮活的個體，它們的整個生命歷程都有清晰的印記，無論你身處何方，都可以掌控遠在千里之外的生產車間的實時運行狀況，真正讓管理者與操作車間實現零距離。

10.1.1.3 企業信息化的未來發展規劃

青島啤酒擬在總部建一套集團化MES，用于采集及對比分析全國各家工廠的相關數據，將各工廠服務器內的數據用一個標準的協議發送到中心工廠服務器，如此就可以在總部對各工廠的生產進行實時、直觀的對比分析。

10.1.2 成功案例2

京信通信成立于1997年，是一家集研發、生產、銷售及服務于一體的移動通信設備專業廠商，致力于為客戶提供無線優化、傳輸與接入的整體解決方案。京信通信注重自主研發和技術創新，在廣州科學城設有總部研發基地，在中國南京、美國弗吉尼亞州及加利福尼亞州分別設有研究所，擁有國內外專利1000余項。

10.1.2.1 企業信息化應用總體現狀

京信通信公司目前有多個系統平臺在使用：

(1)SAP。8年的企業級ERP應用。

(2)PLM。6年的PLM系統應用。

(3)ATS(automatic testing system)。自動測試系統為一套測試數據采集系統，管理所有測試設備，集中記錄所有測試數據。

(4)MES。MES集成了SAP與ATS，管理生產執行。

10.1.2.2 信息化項目詳細情況介紹

為打造一流的數字化工廠，京信通信引入了西門子的SIMATIC IT MES。京信通信的MES是面向制造企業車間級的信息化解決方案，旨在幫助公司提升制造生產管理能力，解決生產黑洞問題，提升產品品質，提高生產效率，通過條碼技術對生產環節的即時數據進行采集、控制、監控和分析處理，為產品提供全程可追溯管理，從而幫助制造企業實現更加精益化的生產管理、降低成本、減少作業人員、改進工藝工序、應對客戶要求等。

10.1.2.3 企業信息化的未來發展規劃

在京信通信廣州工廠實施MES只是京信通信數字化生產運營管理(MOM)的一個開端， MES 為數字化工廠的制造執行奠定了基礎。要實現產品送到客戶手中的整個過程細節都數字化，使得用到自身產品的所有工程項目以及分公司都在統一的信息化管理平臺下，則供應鏈與物流的信息化管理必然是整個生產運營管理的一個重要部分，這也是京信通信的下一步發展規劃。

10.2 產品全生命周期管理案例

自20世紀80年代起，濟南二機床集團有限公司(以下簡稱“濟南二機床”)就已開始應用CAD，并自主開發了電氣CAD、機構分析、企業資源規劃(ERP)及產品數據管理(PDM)等軟件系統。濟南二機床的工程師發現，若能擴展三維CAD技術的應用，就有機會進一步提高企業的產品設計質量，但公司原有的CAD系統已遠遠不能滿足其要求，于是，工程師決定引入市面上更加成熟的三維CAD軟件，助其實現全三維應用。

濟南二機床的產品是按訂單生產的，產品品種多、技術含量高、結構復雜，設計和制造過程的難度非常大。濟南二機床對各種商業軟件系統進行了詳細的比對分析，最終選擇了產品生命周期管理軟件專家Siemens PLM Software的Solid Edge。

濟南二機床的產品BOM復雜，單臺產出涉及的零部件達一萬種左右。在激烈的市場競爭推動下，產品設計和更新速度加快，產品設計通常會被反復修改和完善，其產品的BOM也會隨之發生相應的變化。為此，工程師希望可以最大限度地利用設計階段的BOM信息，消除“信息孤島”問題。

Solid Edge的實施明顯提升了濟南二機床的產品設計質量、研發效率。Solid Edge允許工程師直接利用所有的資源進行關聯設計和同步修改，大大提高了設計效率。同時，三維進階前期準備工作的開展，促使濟南二機床的基礎數據得到了全面整合、梳理和規范，為以后信息化工作的展開打下了堅實的基礎。

10.3 全集成自動化案例

在制造行業中，生產效率和生產力是邁向成功的兩大重要因素。在復雜的機器和工廠生產中，工程組態尤為重要。在工程組態早期階段，即可實現高效應用，從而使生產運行更快速、更靈活和更智能。為此，西門子推出了一款卓越的解決方案：全集成自動化(TIA)。

西門子推出的這一款工業自動化系統TIA是所有自動化組件高效協作的典范，能極大地縮短工程組態時間，從而在大幅提升系統靈活性的同時顯著降低成本和面市時間。

全新工程設計軟件平臺——TIA博途將所有的自動化軟件工具集成在統一的開發環境中。TIA包含西門子大部分產品線，主要有SIMATIC STEP7、SIMATIC WinCC和SINAMICS StartDrive V12。

作為寶馬集團全球最先進工廠之一的沈陽鐵西工廠全面應用了西門子TIA解決方案，在SIMATIC Manager集成環境下使用了PLC編程軟件STEP7，還配合著使用了西門子LIS超寬帶實時定位識別系統，且集成了PROFIsafe安全技術解決方案。

目前，中信戴卡與西門子合作，在秦皇島總部和浙江寧波分廠投入建設三條新的輪轂壓鑄線，其中兩條已經投入生產，產能均達到220萬件/年。借此，中信戴卡開始積極嘗試生產方式的轉型，依托西門子最新的自動化軟件平臺——TIA博途，雙方共同打造面向未來的統一工程平臺，將輪轂生產從人力制造轉向機器制造。TIA博途的使用將能夠實現統一的電子化數據和權限管理、高效的信息集成以及高效的質量管控三方面的變化。

11 結語

智能制造的關鍵核心是數字化、網絡化和智能化。數字化關鍵技術,如產品數據管理技術、虛擬制造技術、快速成型技術、計算機輔助檢測技術、數字控制技術等均為智能制造的基礎技術。智能制造是建立在數字制造的基礎上的更前沿階段，其實現離不開數字制造的基礎，《智能制造之路:數字化工廠》一書通過全面描述數字化生產的相關關鍵技術與軟件平臺，希望能夠為中國企業在智能制造時代順利完成數字化轉型提供借鑒。