解讀數字化工廠頂層設計與規劃

無論身處工業2.0還是3.0階段，許多企業在懷揣智能工廠夢想的同時，卻往往尚未形成清晰的思路及舉措。隨著「工業4.0」的熱潮從德國湧向全球及「中國製造2025」的實施，越來越多的製造企業正決意將未來製造的願景變為現實，以期在數字化引領的工業變革中儘早謀篇布局，但越來越多的企業在智能製造之路上卻不知道從哪裡開始，如何正確的實現數字化工廠。

數字化工廠是邁向智能工廠的基礎

製造業存在三大需求—提高生產效率、縮短產品上市時間、增加製造的靈活性。然而在傳統的製造條件下，要同時滿足這三大需求並不容易，企業通常得犧牲靈活性來提升生產效率和縮短產品上市時間。製造企業要同時滿足這三大需求，保障並提升產品質量，智能製造是製造企業發力方向。

數字化工廠是邁向智能工廠的基礎，數字化工廠是指以產品全生命周期的相關數據為基礎，在計算機虛擬環境中，對整個生產過程進行模擬、評估和優化，並進一步擴展到整個產品生命周期的新型生產組織方式。是現代數字製造技術與計算機模擬技術相結合的產物，同時具有其鮮明的特徵。它的出現給基礎製造業注入了新的活力，主要作為溝通產品設計和產品製造之間的橋樑。

圖1 智能製造之路

智能製造離自己到底有多遠？企業到底處在何水平？這是許多製造企業非常關心的一個話題。智能製造雖已成為製造企業轉型共識，但對其概念和內涵還未有統一的認識，尤其是對智能製造的發展路徑還未明確，卻不知道如何部署智能製造，製造企業在實施智能製造戰略時如何確定最終目標，如何整體策劃、分步實施還缺乏有效的指引。工業4.0能力成熟度模型可以幫助企業明確工業4.0的現狀，指導企業找到提高智能製造水平的方法，逐步建立屬於自己的工業4.0模式。因此，數字化診斷是製造企業數字化工廠頂層設計與規劃的有效依據。

圖2 智能製造推進進程示意圖

為此，我們總結了一套智能製造能力成熟度評估方法，製造企業可基於此方法進行自我評測，用來自我評測對智能製造升級是否準備好，並且通過評測可以了解自己處在一個什麼狀態，再經企業策略訪談確定關鍵流程，在全集成自動化、製造運營管理、產品生命周期管理上進行整合，協助企業理出明確的智能製造藍圖與分段實施的步驟，讓企業打造智能工廠的每一階段投入，都能得到目標效益的反饋，以達到企業獲利並永續經營的目標。

圖3 企業智能製造能力成熟度自評結果舉例

在未來工業4.0時代，智能工廠將取代現在單一的工廠，並且具備更加柔性和智能的能力，支撐更快產品投產與下線，智能工廠將包含 「智能化生產技術」，包括產品全生命周期管理、企業資源規劃系統、生產運營管控、應用鏈管理、實時資料庫、先進過程式控制制，以及分散控制系統和現場匯流排控制系統、大數據處理、雲計算技術、增材製造等新技術應用。如此多的智能製造技術正在重塑製造業，那麼製造企業非常有必要基於能力成熟度模型診斷結果來明確數字化企業的願景。筆者曾幫某一中小企業進行過數字化診斷，並基於診斷結果幫助企業分析數字化企業願景。此企業正在努力由設備製造商向系統集成商轉型，並希望藉此機會抓住機遇迅速做大做強，實現可持續發展，未來通過智能製造縮短產品上市時間、減少設計修改、縮短工藝規劃周期和生產製造周期、提升產品質量和降低產品成本，為客戶提供滿意度超值的智能化產品。

圖4 企業智能製造願景舉例

我們曾花了45天時間對某高新區65家製造企業進行了走訪和調研，發現不少企業在某些領域已構築了單點系統，企業經過第一輪信息化浪潮後急切需要從整個企業頂層上實現業務和信息系統的整合，從而實現數字化企業。其次，製造企業如何基於現有經驗和基礎，以低成本高規格實現數字化工廠是當前許多製造企業面臨的核心問題。因此，製造企業在數字化轉型過程中會遇到各種各樣的問題，涉及到設備層、控制層、介面層、執行層和管理層，非常有必要建立頂層框架來進行思考。

智能工廠設計與建設的關鍵是數字化，只有在數字化的基礎上，引入智能設備、製造智能、商業智能等「智能基因」，才能最終打造出真正意義上的智能工廠，因此，數字化工廠的頂層設計與規劃在製造企業推行智能製造顯得非常重要。製造企業在數字化工廠頂層架構方面可參照ISA-95和IEC62264標準，其定義了製造企業的五個層級。

圖5 製造企業五個層級模型

同時，數字化工廠頂層規劃需要考慮先進生產管理模式，並結合企業自身的生產特點進行突破和創新，實現生產管理的敏捷製造、準時交貨、精益高效和質量至上目標。

圖6 製造企業數字化工廠頂層架構舉例

智能工廠代表了一場產業革命，不僅是創新意義上的，也是在節約生產時間、成本等方面卓有成效、最大程度提高生產力的革命，由此給製造企業創造出更新更大的機遇。製造企業除做好數字化工廠頂層設計與規劃外，還應以產品研製業務主線，以信息集成為技術手段，藉助數字化企業套件建設支撐產品生命周期全過程的數字化統一平台，實現研發過程中管理信息、需求信息、設計信息、工藝信息、資源信息、製造信息、質量信息等基於標準化的有效整合和管理。

圖7 智能製造關鍵數字化使能技術

打造智能工廠是製造企業實現跨越式發展的戰略機遇，做好數字化工廠頂層設計與規劃是製造企業邁向智能工廠的基礎。數字化工廠解決方案是一個高度集成的自動化、信息化整體解決方案，將工廠自動化底層的各種設備統一管理起來、與頂層的PLM、ERP等信息化系統通過中間層的智能化設備實現數據串聯與交互，實現從產品設計到生產的自動化和智能化，實現輸入物流、製造過程、輸出物流、服務等全過程的管理，實現運營管理的高效率和人性化。

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