數字化工廠的應用現狀與前景展望

田建忠

[摘 要] 為了促進我國工業化與信息化的高度融合，推進我國工業化發展的進程，加快傳統工業的轉型升級，建立數字化工廠系統并進行深入研究與探索，將有助于促進我國整體制造水平智能化的全面提升，為實現由“中國制造”向“中國創新”邁進的戰略發展要求，奠定堅實的基礎。

[關鍵詞] 數字化工廠；應用現狀；前景展望

[中圖分類號] TQ162 [文獻標識碼] A [文章編號] 1671-0037（2017）5-35-3

Abstract： In order to promote a high-degree integration of industrialization and Informatization in China and promote the development of China's industrialization process， and speed up the transformation and upgrading of traditional industries， establishing digital factory system and conducting in-depth study and exploration， will help promote the overall level of intelligent manufacturing in our country， and lay a solid foundation for the realization of strategic development need， from "made in China" to "China innovation"，.

Key words： digital factory； application status； prospect

數字化工廠融合了計算機仿真技術、大數據傳輸應用、可視化集中聯控等先進技術，使企業超越了傳統的加工制造模式，為產品全生命周期可視化、集成化、智能化管控提供了。數字化工廠的出現，順應了時代發展的潮流，也為我國加工制造業技術的轉型升級創造了極為有利的條件。

1 數字化工廠的概念

數字化工廠是以產品制造過程中的相關數據為依據，根據虛擬制造原理，在計算機仿真技術的支撐下，對整個生產制造過程包括設計、制造、裝配、質量控制、產品檢測等各個階段進行仿真、評估和優化，并進一步擴展到產品全生命周期的新型組織型式，是現代數字制造技術與計算機仿真技術相結合的產物[1]。數字化工廠為產品設計和生產制造之間搭建了便捷的橋梁與扭帶，為降低產品從設計到制造過程之間的不確定性，大幅度地壓縮生產制造過程，提高系統的成功率和可靠性，滿足節能高效、優質創新的要求提供了有力的保障。數字化工廠方案所包含的內容見圖1所示。

近幾年來，國內加工制造業在計算機輔助設計CAD應用方面已得到大面積普及，在生產制造階段也普遍采用了CAM計算機輔助加工技術，有些企業還引入了CAE計算機輔助工程分析技術，對產品進行有限元特性分析，

降低了產品設計和制造的風險，但在解決集成管控與聯機組成方面，還遠遠未能達到普及的程度。數字化工廠作為智能化的管理與制造模式，為企業搭建了工藝制造快速響應的平臺，能夠對加工制造過程進行有效的設計籌劃、動態仿真和綜合管控，并將過程控制的信息及時反饋給系統內的管理人員進行資源共享，使設計部門對制造過程的不確定性進一步降低，實現各部門之間的協同配合與并行作業，因此我們說數字化工廠是實現智能化制造的必由之路。

2 數字化工廠的應用特點

數字化工廠集成了產品的模型數據庫，有效地解決了制造業生產流程中的程序傳輸和現場管理問題，大大壓縮了生產準備時間、提高了設備的有效利用率，通過先進的可視化仿真技術和圖文檔管理模式，對提高產品動態特性管理、縮短產品投放市場周期起到了至關重要的作用[2]。具體來講，數字化工廠大致有以下幾個特點：

第一，根據生產部門的不同需求，搭建多樣化的網絡管理系統，消除不同生產部門普通設備與數控設備相互之間信息傳遞的斷裂，徹底扭轉過去所有設備的單機通訊聯絡模式，全面實現設備成組的集中管理與有效控制。

第二，按照生產流程對NC程序進行規范化管理，通過對程序傳輸和用戶權限進行有效管控，實現產品質量的可追溯性以及全生命周期的跟蹤服務。

第三，數據集中存放于終端服務器，任何客戶端查詢和調用的數據均來源于系統終端的數據服務器，如果數據服務器中的程序進行更新，客戶查詢和調用所得到的信息也將隨之改變，并與之始終保持同步。

第四，系統根據生產任務和作業計劃，對設備進行能力平衡計算，可減少數控設備的準備時間，最大限度地提高數控設備的有效利用率，實現均衡生產。

第五，采用集中聯控手段，可有效避免程序出錯和各種誤判動作，從管理層面和技術手段上使產品質量有了根本的保障，確保產品的合格率不斷攀升，為實現節能降耗帶來好處。

第六，由于實現了遠程的數據傳輸和集中控制，操作者能夠便捷地完成對程序的遠程調用、遠程比較和遠程上傳等工作，同時生成各種即時的數據報表和計劃調度單，實現協同管理與并行作業，明顯降低了作業人員的勞動強度，提高了工作效率。

第七，通過對NC程序進行集中傳輸和有效管控，使得生產現場不再需要大量的臺式計算機和數據傳輸裝置，取而代之的是整潔、美觀的現場觸摸屏等數顯裝置，生產現場顯得更加整潔、有序，符合現代企業精細化生產管理的要求。

第八，車間生產現場的通訊數據與企業的信息化管理系統集成應用，實現節能、高效的資源共享，為企業實現擴能改造和創新活動預留數據接口，搭建一體化的數字化工廠網絡管理平臺。

數字化工廠的信息化需求見圖2所示。

3 數字化工廠應用現狀

從二十世紀末以來，一些發達國家率先采用了數字化工廠的解決方案，如美國的波音公司在波音777大型客機和F35隱形戰機的研制過程中，利用數字化技術實現了飛機的“無紙化”設計和生產，產品研制過程中，采用數字化模塊式組合型式，通過集成控制的數據從上游向下游暢通傳遞，有效地減少了飛機在加工、組裝、測試等方面的作業周期，對降低生產制造成本，縮短研制開發時間，起到了難以估量的作用。

在國內，數字化工廠技術的應用還處于起步階段，目前僅在航空、航天、汽車、船舶以及機器人智能制造等領域得到應用，如國內航天事業的發展，由于采用了數字化設計、制造和管理的一覽子方案，重點解決了產品加工、裝配、檢測等裝備的數字化協同問題，實現了關鍵裝備從設計、制造到裝配一次成功，為我國航天事業的發展與進步起到了巨大的助推作用，重點項目取得了突破性進展。上述應用目前已推廣至汽車、造船等其他領域，特別是國產航母在短短幾年內就能很快建成下水試航，譜寫了世界造船史上的新篇章，更是突顯了網絡化、數字化、模塊化應用管理平臺所帶來的卓越功能和豐碩成果。

4 數字化工廠的前景展望

工業制造數字化、網絡化、智能化已是世界范圍內新一輪科技革命的核心技術，作為承載智能制造的數字化工廠，則是國家“兩化融合”路略發展要求的重要應用體現，更是實現智能化工廠的必由之路，它的出現給基礎制造業注入了新的活力[3]。可以預見，未來幾年數字化工廠將主要朝著以下幾個方向發展：

第一，企業通過局域網實現由傳統的順序工作方式向并行工作方式轉變，達到模塊化、集成化、數字化的綜合協同管理，搭建Internet虛擬結構模式，實現跨區域的資源共享。

第二，通過各種加工制造先進技術的融合，將實現CAD/CAPP/CAM/CAE各功能軟件技術的一體化，使產品制造的現場管理向無紙化的互聯網輔助制造方向發展。

第三，數字化工廠的系統將實現智能化的快速響應執行能力，系統更具自主決策能力，能夠采集與理解外部的信息資訊，并加以智能化的分析判斷，規劃出自身的優化結構型式。

第四，數字化工廠系統的協調、重組及擴充能力將進一步提高，依據工作任務，系統可自行組成最佳的結構型式。

第五，結合訊號處理、預測、仿真及多媒體技術，將實現從設計到制造過程的可視化實境展示。

第六，數字化工廠系統將根據設備的使用情況自動執行故障診斷，故障排除、設備維護、異常情況通報的執行能力。

第七，利用互聯網+技術催生的各種實用新型應用技術，必將促使加工制造企業向構建一個節能高效、環保綠色、舒適宜人的人性化工廠邁進，最終實現智慧化工廠的目標。

數字化工廠作為一項系統工程，消除了設計、制造、生產各環節的信息孤島，保證了各種產品數據的完整性和一致性，形成一體化的數字化管理模式，建立起穩定可靠的數據傳輸、采集監測、制造過程管理等功能的信息化管理平臺，從而實現數字化工廠的先進制造模式，這一模式也必將成為未來數控加工技術的主流發展方向。可以預見，未來的數字化工廠將向著更高集成化、更高智能化、更高可靠性方向發展，數字化工廠的建立與逐步普及也必將彰顯出科技引領未來的時代發展趨勢。

5 結語

隨著人工智能和大數據技術的不斷發展和應用，融合多學科技術的數字化工廠建設也已成為加工制造企業轉型升級的主流方向，同時利用國外先進技術優勢來提升我國企業的生產制造能力和核心競爭力，也必將促進我國數字化工廠技術的研究和應用向更高水平大步邁進。

參考文獻：

[1] 劉志.關于數字化工廠建設的探索與實踐[J].科學與財富，2014（4）：132.

[2] 展如.數字化工廠：工業新革命[N].經濟觀報.2010-10-30（048）.

[3] 李明貴，徐成威.反映現代工業發展趨勢的先進制造技術[J].機電工程技術，2014（3）：14-15.