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🚀前言

数字化工厂是指将数字化技术应用于制造业生产和管理过程中的一种工厂模式。数字化工厂建立在先进制造技术和数字化技术的基础上，通过使用高度自动化和智能化设备以及实时数据采集、分析和评价等技术来提高生产效率和质量，优化生产计划和资源分配，降低成本和风险，增强生产力和竞争力。数字化工厂的目标是实现工厂数字化转型，促进智能制造和工业互联网的发展，实现生产过程的智能化、信息化和可持续化。

当国家和地方政府在制造业领域提供大力的技术支持和资金扶持，以推动制造企业的数字化升级时，尽管已经取得了显著的进展，但升级进程的速度仍然有待进一步提升。其中最大的挑战之一是，数字化工厂升级后的效益尚未能够完全吸引制造业投资者的兴趣。今天，我将简要探讨数字化工厂升级的必要性和优化效益。

在制造业中，数字化工厂升级是一项重要的举措，有以下几个关键原因：

1. 提高生产效率：数字化工厂采用先进的技术和自动化系统，可以大大提高生产效率。通过实时监测和数据分析，生产过程可以更加精细化地管理，减少生产中的浪费和资源浪费，从而提高了生产效率。

2. 节省成本：数字化工厂升级可以减少人力成本和能源消耗。自动化系统可以执行重复性任务，减少对人工劳动的依赖，同时通过更有效的资源利用，降低了能源和原材料的消耗，从而降低了生产成本。

3. 提高产品质量：数字化工厂可以实现更高的产品质量和一致性。自动化生产可以减少人为误差，提高产品的精确度和质量标准的一致性，有助于满足客户需求并提升企业声誉。

4. 增强竞争力：数字化工厂的升级不仅提高了企业的生产效率，还增强了其在市场竞争中的地位。具备数字化能力的企业更灵活，能够快速调整生产线，适应市场需求的变化，从而更具竞争力。

5. 实现可持续发展：数字化工厂升级有助于降低环境影响。更高效的生产和资源利用减少了废物和排放物的产生，有助于实现可持续发展目标。

数字化工厂升级是为了实现更高的生产效率、降低成本、提高产品质量、增强竞争力以及实现可持续发展而必要的。尽管挑战仍然存在，但理解这些优势可以帮助制造企业和投资者更好地认识到数字化工厂升级的长期价值。

🚀一、数字化工厂升级的意义

🔎1.传统车间数字化转型升级的原因

在传统生产车间中，生产的主要要素是"人、机、料"，即由人手工操作或者控制机器将原材料转化为最终产品。在这种情况下，人员的知识、技能和经验在相同条件下起着主导作用。生产效率主要依赖于车间管理的能力和执行者的效率，特别是对于离散型制造业来说更是如此。然而，传统车间存在一些显而易见的问题：

1）生产不可见：即使车间已经部署了ERP系统，仍然存在生产数据不可见的问题。因为无法实时获取生产数据，管理层、采购部门、销售部门等无法知道物料是否短缺、设备是否正常运行、产品生产的进度、人员是否有空闲时间、产品质量是否合格等信息。

2）信息记录与交换手段落后：传统车间仍然使用纸质工单、工艺资料和领料单等方式来记录任务、签名、物料名称和数量等信息。这种方式存在信息不完整、难以检索和容易出错的明显问题，无法形成完整的信息流，更不用说信息集成了。

3）生产计划与控制方法粗糙：车间生产计划的制定包括排产（确定生产顺序）和排程（确定精确时间）两个关键步骤，对于混合生产和定制化生产至关重要，是提高车间生产效率的关键步骤之一。在传统车间中，排产和排程的质量基本上依赖于生产经理的经验，缺乏精确性。在任务分配后，由于没有执行数据的反馈，很难有效地处理生产异常情况、订单变更和绩效分析等问题，计划和控制无法形成闭环。

4）产品质量难以追溯：产品质量问题通常在客户使用时才会被发现，由于缺乏生产过程数据，很难追溯问题的根本原因：是由于操作人员的错误、原材料质量问题，还是设备运行异常？这些问题通常只能依赖经验来判断，导致相同的质量问题反复出现。

5）制造成本难以核算：传统车间中，对于原材料的使用记录通常由操作人员手动记录，经常出现后期数据补充和批次数据混淆等问题。财务部门通常采用总投入与总产出的方式来核算制造成本，最后将成本分摊到各个生产订单上。

可以看出，在传统车间中实施精益生产管理是相当困难的，更不用说实现智能化。解决这些问题的直接有效方法是首先实现数字化转型，然后逐步实现网络化和智能化，逐渐提高生产管理水平，降低制造成本。

🔎2.数字化车间的特征和作用

当我们谈论数字化车间时，我们指的是一种生产环境，它利用数字化、网络化和智能化技术，以降低成本、提高质量、增加效率并快速响应市场需求为目标。在数字化车间中，我们通过对工艺设计、生产组织、过程控制等方面的管理进行优化，将"人、机、料、法、环"等生产资源以及生产过程，纳入数字虚拟环境中进行设计、管理、仿真、优化和可视化等工作。这一转型的主要特征是信息的数字化和数据的流动。

在数字化车间中，生产资源、生产设备、生产设施以及生产过程都得到了细致、准确、灵活和高效的管理与控制。这种转型有助于消除传统生产车间中存在的许多问题，如生产数据不可见、信息记录与交换不便、生产计划与控制粗糙、产品质量难以追溯和制造成本难以核算等。

数字化车间是一种利用现代技术改进生产管理的方法，旨在提高生产效率、降低成本并满足市场需求。通过数字化、网络化和智能化的手段，数字化车间将生产资源和过程转化为数字虚拟实体，以实现更好的管理和控制。

相对于传统车间，数字化车间的显著特征是：在“人、机、料”之外多了数字虚体（计算机、网络、软件、模型、报表和图形等组合）。三体智能制造模型有助于理解车间，如图所示。

根据上述三体智能制造模型，可以将"车间数字虚体"通俗定义为传统车间与数字化技术相结合的新概念，其中包括以下关键元素：

1. 实体数字化映射： 这是传统车间中的物理实体（人员、机器、原材料等）在数字空间中的虚拟表示。这种表示可以采用各种形式，如图片、表格、视频、虚拟现实等，以准确模拟和呈现实际物体的状态和位置。

2. 行为数字化映射（数字孪生模型）： 这是通过采集和分析生产过程数据（如生产排产计划、生产工艺清单、设备启停时间等）创建的数字模型。这个模型可以在虚拟环境中模拟和验证实际的生产过程，以帮助优化和改进制造流程。

车间数字虚体的主要作用包括：

1. 预测设计和制造质量： 制造企业可以使用数字孪生模型来提前了解产品设计的性能，通过预测和模拟制造过程，发现潜在问题并进行改进。这有助于提前解决生产中的问题，提高产品质量，加速产品上市时间。

2. 推进设计与制造协同： 数字孪生模型可以帮助设计和制造团队更有效地协同工作。它提供了全面的信息，包括产品规划、资源分配、制造方式等，使设计和制造能够更好地协同工作，应对变更并实现生产流程的灵活性和效率。

3. 确保准确执行： 数字孪生模型允许制造企业进行生产策略模拟和优化，以最大化资源利用率。它还支持虚拟和实际生产的闭环，确保生产计划的准确执行，并随时更新以适应变更。此外，它还允许实时监测和质量控制，以确保产品符合规格。

车间数字虚体是数字化制造的核心概念，它结合了实体和行为的数字化映射，为制造企业提供了更好的预测、协同和执行能力，有助于提高生产效率和产品质量。

🔎3.数字化车间的构成

在数字化车间的体系结构中，通常可以分为两个关键层次，即生产控制层和现场执行层。这一架构的主要目标是将生产计划控制和实际现场执行紧密结合起来，通过制造执行系统（MES）有机整合企业资源计划（ERP）和物料需求计划（MRP）等关键元素。生产控制层着重于计划制定和实施，包括排产排程、任务分配、计划跟踪与调整、生产绩效分析、物料管理、设备管理和质量管理等任务，旨在全面管理和监控整个车间生产过程。而现场执行层则侧重于设备控制，包括数控设备、人机界面单元、数据采集等智能接口设备，其功能包括生产数据采集、工序监控、人机界面管理、设备监控等。这一层次从生产控制层接收生产指令和系统运行参数等信息，并向其反馈工序进度、设备运行参数、物料使用信息等现场数据。这一整体体系结构有助于实现生产过程的高效管理和实施，从而提高生产效率和产品质量。

要实现数字化生产车间，还要部署相应的自动化设备、工业网络、IT设施和软件等，用于支撑数字化车间功能的执行。数字化车间设备架构主要为传感层、控制层和执行层，具体如图所示。

在数字化车间的体系结构中，可以优化如下：

1）传感层：传感层包括传感器、数字化设备接口及I/O等，其主要功能是实现车间现场层的数据采集和操作指令接收。通过优化传感器的选择和部署，以及数字化设备接口的性能和稳定性，可以提高数据采集的准确性和实时性。

2）控制层：控制层分为下半层和上半层。下半层包括PLC、工业互联网等设备，用于汇聚传感层数据并形成操作指令，通过设备通信网络传输数据。上半层包括工控机、PC工作站等设备以及HMI、SCADA等软件系统，用于形成业务数据，并通过运营信息网络与执行层进行通信。通过优化控制层设备的性能和通信网络的稳定性，可以提高数据传输的效率和可靠性。

3）执行层：执行层包括服务器、PC、PDA等IT设备设施以及MES、WMS管理软件，主要实现车间生产控制层的功能。通过优化执行层设备的配置和性能，以及MES、WMS管理软件的功能和用户界面，可以提高车间生产管理和执行控制的效率和精度。

通过对数字化车间体系结构的优化，可以提高生产过程的自动化程度、数据采集的准确性和实时性，从而提高生产效率和产品质量。

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