建立数字化工厂是建立智能工厂的前提，数字化工厂主要包括企业资源计划、产品生命周期管理、制造执行系统、物流管理和自动化层等五个方面的内容。重点阐述了SCADA系统、MES系统、各系统协同集成的构建方法及内容。
 
    通过数字化工厂的建设，实现现场作业的透明化和精细化管理，提升现场管理的效率和水平。数字化工厂在获得车间制造、设备、工艺以及物料等各种数据的同时对数据进行智能分析处理，可为下一步智能工厂的建设奠定基础。
 
    2013年，德国提出了“工业4.0”的概念，其阐释是继机械化、电气化和信息技术之后，以智能制造为主导的第四次工业革命。“工业4.0”的目标就是建设智能工厂，当前阶段，我们主要着眼点应放在数字化工厂的建设，因为数字化工厂是“工业4.0”的重要基础，智能工厂的前提是数字化工厂，只有实现了端到端、从顶层到底层的数字化，才有“智能”的可能性。2015年我国政府正式提出了“中国制造2025”的战略，将智能制造的重要性和紧迫性提升到了一个新的高度。
 
1数字化平台建设内容
    数字化工厂目前已经成为现代制造领域中一个新的研究应用领域。数字化工厂总体架构包含ERP（企业资源计划）、 PLM （ 产品生命周期管理 ）、MES（ 制造执行系统 ）、 物流管理 （Logistics）和自动化层（Automation）五个主要部分。数字化工厂的总体框架如图1所示。

 
1.1企业资源计划（ERP）/产品生命周期层(PLM)
    ERP系统利用从 PDM （ 产品数据管理 ，Product Data Management）/CAPP（计算机辅助工艺过程设计，Computer Aided Process Planning）系统中获取的信息制订主生产计划。主生产计划传递给MES，用于排产和车间生产准备。
 
    PLM包括工厂内所有与产品相关的数据，以及与这些数据相关的作业，经由信息系统做有效的整合性管理与动作，使得产品数据具有共享性、准确性、有效性、完整性和安全性。
 
1.2制造执行系统(MES)/物流层MES
    以生产计划和生产执行为主线，执行实际的生产计划，并实现产品、工艺、设备和质量等各种数据的传递和采集。仓储系统主要对生产中的原料、半制品和成品等物料进行库存管理，高效快速地服务于车间层的实际生产。
 
    物流管理主要包含WMS（ 仓库管理 系统，Warehouse Management System）管理和线边库管理，WMS管理提供了出入库管理、库内管理、仓位信息管理、分拣任务管理和配送管理，这样可以使存储信息更加全面也更加透明化。线边在制品管理包括入库、出库、库存台账和库存盘点等常规物料库管理功能。
 
1.3自动化层(AUTO)
    通过接收MES和仓储系统的操作指令和接收的实际物料，指导自动化层的控制和驱动，确保其顺利生产。该层主要包含SCADA系统、物流自动化系统和工业自动化系统等。
 
1.3.1SCADA系统
    数据采集与监控系统是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统，它可以对现场的运行设备进行监视和控制，其硬件系统一般包括数据采集设备、控制设备以及数据通信设备。
 
    通信设备一般是基于数据通信方式而定，通信方式包括无线数据传输、现场总传输和TCP（传输控制协议，Transmission Control Protocol）/IP（因特网互联协议，Internet Protocol）网络传输等。软件系统与硬件通常通过标准通讯协议、标准的资料交换接口以及特别定制的绑定驱动来实现连接。
 
1.3.2物流自动化系统
    物流自动化系统是一项比较复杂的系统工程，是在一定的时间和空间里，由所需输送的物料和相关的设备、输送工具、人员及通讯联系等构成的具有特定功能的有机整体。物流自动化系统通过机器人输送线、AGV（自动导引运输车，Automated Guided Vehicle）、皮带自动输送线和搬运机械手等将工艺设备连接起来，它提高了自动化作业程度和仓库作业效率，节省劳动力，提高了生产率。
 
1.3.3工业自动化系统
    工业自动化系统是机器设备或生产过程在不需要人工直接干预的情况下，按预期的目标实现测量、操纵等信息处理和过程控制的统称，以工业生产中的各种参数为控制目的，实现各种过程控制。下面主要阐述SCADA系统、制造执行系统以及系统协同集成等重点方面内容的构建。
 
2监控与数据采集系统SCADA的构建
    SCADA（监控与数据采集系统，Supervisory Control And Data Acquisition）作为MES系统和设备层之间的中间层，担负着承上启下的作用。向上能接收MES系统下发的生产任务，并将MES系统需要的信息进行上传。
 
    向下系统应具备多种类型数据的采集功能，将所有在线和离线设备生产过程中设备运行状态、工艺参数和生产数据等进行集中管控，并根据生产任务，实现调度和在线设备远程操作等。
 
2.1设备状态采集
    系统能实时监控生产线上各设备的运行状态，对现场终端及各自动化设备的工作状态等信息进行采集，并对故障状态日志进行统计与展示。对单台设备可按用户自定义的时间周期进行统计分析设备开机率和实际工作效率曲线等，并能自动生成多种形式的统计报告和柱状图等图表。
 
    系统还能实时显示现场出现的各种电控设备的故障及报警，并且对数据进行保存。能够统计故障时间，故障引起原因为计时的起点，故障消失和设备正常运行为结束时间。系统将报警进行分组、分类和关键报警等多种过滤方法，保证现场人员能够及时准确地获取需要的报警信息。
 
2.2生产数据采集
    通过与生产线集成，SCADA系统能获取生产线的加工状态，即从生产线上线点开始，对工件的加工过程数据进行采集，采集内容包括工件已经完成了哪些工序，每道工序是什么时间完成的，是在哪台设备上加工完成的。MES可通过SCADA采集来自生产线工位的生产数据。
 
2.3质量数据采集
    SCADA能根据事先设置的AOI（自动光学检测，Automatic Optic Inspection）和质量监控点采集相关数据。对人工检验的数据采集，通过现场设置终端由检验员录入系统。
 
2.4工艺数据采集
    SCADA实时采集各设备的关键加工工艺参数，并将各产品与其生产工艺进行绑定归档，便于生产工艺员对残次品进行质量分析与追溯，辅助优化各设备的生产工艺，从而达到优化生产和提高产品合格率的目标。对于设备的一些关键运行参数，如温度和压力等可以设定其合理值范围，超出范围值时给与报警处理，并可绘制其上下波动的折线图，提醒相关人员处理。
 
2.5关键物料信息采集
    SCADA系统可通过连接现场的扫码设备或通过数据录入方式采集产品的关键物料信息，并将关键物料信息与产品进行绑定。
 
2.6设备数据交互方式
    传输线其可直接通过TCP/IP协议与控制层进行数据交互。PLC（可编程式逻辑控制器，Programmable Logic Controller）设备可直接通过TCP/IP协议与控制层直接进行数据交互。
 
    工控机设备的实时数据可直接通过设备的管理软件以OPC（用于过程控制的OLEOPC，OLE for Process Control）的方式与控制层进行数据交互，检测结果数据则可通过管理软件直接存储到MES系统的SQL（结构化查询语言，Structured Query Language）数据库中。
 
    仓储管理系统主要指生产线上的存储库，由于其自身具备完善的库存分配和库存管理等功能，因此MES只需与仓储管理系统进行交互，而不需要直接与底层控制设备进行数据交互。MES可通过Web服务方式与仓储系统直接进行数据交互。
 
3制造执行系统（MES）的构建
    MES由生产执行管理、车间物料管理、设备管理、质量管理、生产跟踪/追溯和智能制造及看板管理等模块组成，涵盖了制造现场管理的各个方面。
 
3.1生产执行管理
    生产执行管理就是在接收排产的生产工单计划的指导下，合理组织企业的生产活动，保证生产工单的顺利实现。依据调度规则或操作人员的判断，以自动或人机交互的方式执行生产工单，减少失误，降低手工和重复录入数据的相关成本。
 
3.2车间物料管理
    包括原料、半成品和成品的基础数据管理，同时会进行原料消耗管理等，生产过程中实现物料打码、扫码的方式进行物料管理，方便实现产品后溯和前溯功能。对于最终产品的物料批次，可以查询出使用了哪些批次的原材料、中间物料，以及该物料的数量和特征。对于原材料的批次，可以查询到哪些最终产品使用了该批物料。
 
3.3设备管理
    通过工厂建模实现资源定位，实现设备的使用规范和安全规程的信息化管理。实现设备维修、维护管理，建立设备故障维修的操作员申报和维修记录流程，通过与ERP或资产管理系统的衔接完善设备故障维修和计划维修记录，实现设备维修、点检跟踪管理。
 
    系统使用自动化系统中设备运行状态数据，对设备的开停次数、净运行时间和运行负载分布进行统计，实现生产能力分析、设备故障率分析、设备OEE（设备综合效率，Overall Equipment Effectiveness）分析、设备运行记录统计分析和设备维修统计分析等。
 
3.4质量管理
    系统根据质量检验标准，实时采集来自生产现场自动化系统的质量数据，当发现生产过程有质量问题时，MES系统产生质量异常报警，生产管理人员根据质量控制网，找到关键工艺环节，或者关键质量人员，缩减质量问题的分析过程，加快质量异常的处理速度，提高全员质量意识，保证产品质量。
 
3.5生产跟踪/追溯
    车间生产过程中，随着生产的进行，将整个车间生产过程中涉及的物料信息以及生产过程的质量信息有机地组织在一起，从而实现产品、生产和质量多维度查询，便于后续跟踪和追溯。
 
3.6智能制造及看板管理
    对每种业务数据进行分析和归纳，形成所需的各种报表：生产报表、物料报表、质量报表和设备报表等。对生产相关的业务信息进行实时查询及监控。生产信息：生产计划、生产进度等。质量信息：质量KPI（关键绩效指标，Key Performance Indicator）关键指标、发展趋势等。物料信息：备料、消耗等信息。
 
4数字化车间系统高效协同与集成
    数字化工厂集成主要以PLM、ERP、MES、WMS、自动化系统为核心，实现各业务数据的相互传递，集中于上述五大系统之间的集成数据交互如图2所示。

4.1PLM与ERP集成
    PLM实现以下信息与ERP系统的集成，向ERP进行自动传递或手动传递。
    1）主数据：产品、工艺相关的各类产品的物料数据，包括物理编码、物理属性。
    2）产品BOM（物料清单，Bill of Material）：产品BOM组成及相关属性。
    3）工艺路线：工艺路线及各节点的工艺信息、资源物料信息、工艺参数和工艺内容等。
 
4.2ERP与MES集成
    实现与MES系统的集成，包括主数据、生产计划、库存数据和原料检验信息。
    1）ERP主数据：物料主数据。
    2）生产计划：生产订单信息。
    3）生产计划更改、撤销等变更数据。
 
4.3PLM与MES集成
    实现以下信息向MES进行自动传递或手动传递。
    1）原材料：原材料及相关属性。
    2）产品BOM：产品BOM组成及相关属性。
    3）工艺路线：工艺路线及各节点的工艺信息、资源物料信息、工艺参数和工艺内容等。
    4）工艺文件：电子工艺文件、作业文件和检验文件等各类工艺形成的文件，将电子版本传递给MES。
    5）变更信息：以上数据变更后最新版本或差异信息，以及变更单等变更依据信息。
 
4.4MES与ERP集成
    MES主要向ERP进行生产反馈/报工，内容包括生产计划状态、报工情况。

4.5MES与WMS集成
    MES与WMS进行集成，MES将生产计划信息、成品完工信息传输到WMS系统，同时WMS会将库存信息传递给MES系统，并接收成品数量。
 
4.6MES与自动化层集成
    MES系统与自动化层进行通信，主要是自动化层将MES需要采集的数据通过OPC协议的方式配置。MES向自动化层传递生产计划和 BOM 信息，MES会根据配置的相关采集点进行实际数据采集。
 
5建立数字化车间的步骤
    第一阶段为数字化生产线建设阶段，主要目标为设备设计制造、自动化传输线设计制造以及生产线自动化控制构建，并实现设备互联互通，为数字化工厂构建打基础。
 
    第二阶段为数字化车间建设阶段，主要目标为通过MES系统进行生产管理，打通生产业务层与车间层的信息壁垒，形成全集成化、全透明化的数字化制造体系。
 
    第三阶段为产品研发提升阶段，在自动化生产线、生产运营管理运行稳定后，逐步提高系统应用，提升企业管理水平，通过PLM系统提升产品设计研发水平，通过ERP系统提升企业资源管理水平，最终达到工业3.0的水平。
 
    第四阶段为持续发展阶段，通过五大系统无缝连接紧密协作，在数字化车间的基础上提升智能化水平，不断改进，不断向工业4.0水平进军。
 
6建设数字化工厂的意义
    通过数字化手段替代以往基于手工、纸质的管理模式，将计划管理、 制造资源管理 、物料管理、过程监控、 文档管理 和配套管理等内容有机地集成在一起，实现现场作业的透明化和精细化管理，提升现场管理的效率和水平。
 
    通过数字化车间的建设，既能确保工艺流程本身高效运行，同时能够及时获得车间制造、设备、工艺以及物料等各种数据，并对数据进行智能分析处理，实现生产、管理智能化，为下一步智能工厂建设奠定良好的基础。