1.3 生产自动化与信息化融合

1.3.1 生产自动化

工厂自动化，也称车间自动化，是指自动完成产品制造的全部或部分加工过程的技术。工厂自动化就是以生产中各种参数为控制目的，实现各种过程控制，在整个生产中尽量减少人力操作，而能充分利用人力以外的能源与各种信息来进行生产工作。工厂自动化技术促进了工业进步，成为提高产品质量和生产效率的重要手段之一。

20世纪40年代，分散式测量仪表和控制装置取代了传统的手工操作，实现设备参数自动调节。后续逐步实现了检测仪表化、局部自动化和车间集中控制，检测与控制仪表集中在中央控制室。单元组合仪表的出现进一步提高了工厂自动化程度。微型计算机的应用与自动化仪表的智能化，实现了对整个工厂，乃至整个工艺流程的集中控制。通过计算机系统进行多参数综合控制，生产过程自动化水平得到进一步提高。进人21世纪，随着计算机技术、无线技术、现场总线技术、工业以太网技术、IT技术、机器人技术、传感器技术等的不断发展与创新，工厂自动化在经历单机自动化、车间自动化、全厂集中控制等阶段后，向工厂综合自动化发展，即把过程控制、监督控制、产品设计、质量监测、生产管理等方面融为一体。

1.过程控制

工业中的过程控制是指以温度、压力、流量、液位和成分等工艺参数作为被控变量的自动控制，过程控制也被称为实时控制。过程控制通过及时采集检测数据，按最佳值迅速地对控制对象进行自动控制和自动调节。过程控制的对象一般包括工厂级、车间级和产线设备级三种层级，各个层级有机联系在一起。过程控制的主要作用是确保产品质量、提高生产效率、发挥设备能力、防止事故发生、降低资源消耗、减轻劳动强度等。过程控制系统的结构如图1-7所示。

过程控制不仅能够有效和可靠地完成各种控制任务，覆盖过程控制系统（Process Control System，PCS）和可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）的所有功能，还能实现任意地点的控制，即用户能够把控制功能下装到现场设备或系统中执行。任意地点的控制是工厂网络结构与现场总线（Fieldbus）技术相结合的产物。对于一些基本的控制回路，把控制功能下装到现场变送器或阀门中执行，既能加快回路信号响应，改善调节品质，又能减轻控制系统负担，使其完成较复杂的优化控制等任务。同时，系统分散度的增加提高了系统可靠性。

2. 现场总线技术

现场总线是一种工业数据总线技术，主要用于数字化仪器仪表、控制器、执行机构等工厂底层设备之间以及与上层控制系统之间的数字通信与信息传递。现场总线作为工厂数字通信网络的基础，实现了生产过程现场与控制设备之间，以及其与更高控制管理层次之间的联系。现场总线根据传输对象与数据类型一般分为传感器总线、设备总线和现场总线。现场总线的主要特点如下：

（1）增强现场数据采集能力

现场总线可以从现场设备实时获取大量数据信息，满足工厂自动化生产与生产执行系统的信息集成要求。现场总线是数字化的通信网络，可实现设备状态、故障和参数信息传送。系统不但可以完成远程控制，还可完成远程参数化工作。

（2）开放可集成性

系统为开放式，不同厂家产品只要采用同一种总线标准，就具有互操纵性、互换性，因此设备具有很好的可集成性。

（3）系统可靠性与可维护性好

对于大批量过程监控系统，采用总线连接方式替换一对一的I/O连线，可以减少由接线点造成的不可靠因素。同时，系统具有底层设备的在线故障诊断、报警和记录功能，可完成现场设备的远程参数设定、参数修改等工作，并增强了系统的可靠性。

3. 仪器仪表与检测

在过程控制系统中，仪器仪表作为其构成元素，其技术进展跟随控制系统技术而发展。仪器仪表的智能化主要归结于微处理器和人工智能技术的发展与应用。例如运用神经网络、遗传算法、进化计算、混沌控制等智能技术，使仪器仪表实现高速、高效、多功能、高机动灵活等性能。

智能仪器仪表一般包括智能压力、温度、流量等多参数变送器、智能分析仪，以及具有预测性维护和诊断能力的阀门等。工业控制系统是计算机技术与自动控制技术结合的产物，不仅是计算机的重要门类，还是实现工业生产自动化，优质、高产、低耗，提高工业企业经济效益的重要技术手段。

此外，随着现代质量控制方式的演变，在线检测与监测呈现智能化的趋势。例如，对于曲轴生产线，在主轴颈和连杆轴颈精加工时，将坐标测量机串接于生产线中，使之成为其中一个工位。在生产过程中，对工件的圆度、轮廓等主要几何参数进行自动测量。检测结果实时反馈给数控磨床，数控磨床通过自动控制程序实现高速、高效随动与跟踪修正，仅需要通过一次装夹完成全部的磨削加工。

1.3.2 生产信息化

生产信息化实质上是将企业的计划调度、加工组装、品质保证、物料供应、部门协同等业务过程数字化。通过各种数据采集、信息系统、网络系统形成生产过程数据，提供给与生产相关的各个部门，便于企业生产资源要素配置的优化决策，帮助企业应对动态的内部波动以及外部市场的不确定性。

企业可持续发展的关键在于创新与技术。信息技术与信息系统对制造企业的发展战略、组织建设、流程变革、辅助和支持企业生产管理具有不可低估的作用。信息技术有助于提高企业组织变革和业务流程的整合能力，实现市场快速响应与柔性生产。

信息化是以先进的生产管理思想为基础，以信息技术和信息系统为工具手段，对生产运作流程进行优化、标准化与固化的过程。它将传统的人工、封闭、基于经验的垂直管理体系转化为信息驱动、动态闭环、系统协同控制的管理体系，实现企业业务流程的系统集成。信息化系统包括基础网络、系统平台、数据库平台、应用软件、终端设备等。

1.体系架构

企业信息化的体系结构自上而下可以分为三层：企业应用层、业务模型层和基础架构层，如图1-8所示。这种层次化体系架构的核心目标包括：一是围绕企业价值链和运营核心业务进行模块化的体系功能设计，满足不同企业的设计、制造与销售活动，提高企业的资源利用能力、应变能力和竞争力。二是通过对企业业务流程进行分析，特别是对企业关键流程的分析，整合企业内部与外部的各种相关信息，实现业务流程与信息流程的合理化耦合。三是为企业高效运营提供一个支撑环境，实现高效的数据传输与业务交互。图1-8中三个层次功能不是相互孤立的，而是有着内在的联系，需要对这些不同作用的分层进行综合分析，才能把握企业信息化建设的方向。

2.企业资源计划（Enterprise Resource Planning，ERP）

物料需求计划（Material Requirement Planning，MRP）经过不断发展完善后，形成了ERP系统。ERP系统是建立在信息技术基础上，利用现代企业的先进管理思想，将企业的整个生产过程和所有资源有机结合在一起，为企业提供决策、计划、控制与经营业绩评估的全方位和系统化管理平台。ERP系统目前在企业管理中得到广泛应用。ERP系统的主要功能特点如下：

①ERP系统是一个以计划为导向的生产与管理系统，可以满足MRP与JIT的混合管理模式。对于离散型制造、流程型制造等多种生产模式，ERP系统通过对采购、生产、成本、库存、销售、运输、财务、人力资源进行合理计划与优化，达到最佳资源组合，降低库存，提高效率。.

②ERP系统对企业的内部业务流程和管理过程进行优化与规范，使原本分散的生产流程能够有效衔接。通过工作流实现企业人员、财务、制造与分销的集成，支持企业过程重组。

③ERP系统具有较完善的财务管理和成本分析体系，价值管理概念得以实施，实现资金流、物流与信息流有机结合。

④ERP系统是一个在企业内部应用的高度集成化系统，保证系统运行数据的一致性，数据在各业务系统之间高度共享。

3. 生产自动化与信息化融合

（1）工厂自动化系统

工厂自动化系统通常分为五种管理层级：企业管理级、生产管理级、过程控制级、设备控制级和检测驱动级。前两种管理层级主要涉及计算机技术、软件技术、网络技术和信息技术；过程控制级主要涉及智能控制技术和工程方法；设备控制级和检测驱动级主要涉及的机电一体化技术、现场总线技术和交流数字变频调速技术。工厂自动化系统的管理层次及其技术体系如图1-9所示。

也可将上述五级分层归纳为企业管理决策系统层（ERP）、生产执行系统层（MES）和过程控制系统层（PCS）三层结构，采用计算机支撑系统（企业网络、数据库）进行系统集成。其中，ERP和MES必须建立在设备自动化和过程自动化基础之上。

（2）工厂自动化与信息化是有机融合、不可分割的整体

采用现代信息技术，可以降低消耗，提高生产率，提升企业产品质量。将先进的制造工艺技术、现代管理技术与先进的信息技术相结合，实现以提高总体经济效益为目标的传统工业技术改造。把现代信息技术融入到传统制造产业中，能够促进传统制造产业向智能化、数字化、网络化、虚拟化、敏捷化的方向发展。此外，企业自动化离不开企业信息化。信息化需要与自动化融合，在实现自动化的过程中，充分发挥信息化的作用，实现两者协调发展。

总之，在企业系统规划与实施过程中，必须明确工厂自动化系统的基础地位，加大对工厂自动化基础建设投入，运用计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufactuirng System，CIMS）的思想，以信息集成和协同运行为目标，做好统一规划和设计，实现生产自动化系统与企业管理信息系统的快速、协调发展。围绕产品设计研发、流程控制、企业管理、市场营销等环节，提升自动化、智能化和管理现代化水平，促进传统制造业的结构调整和改造升级。

但同时需要注意的是，生产的自动化与信息化融合不能简单等同于传统的CIMS。传统的CIMS更多聚焦于MRP的生产管理系统，并不能直接提高生产运行效率。因此，生产的自动化与信息化的融合不能简单理解为借助信息化技术手段实现制造自动化，只有与生产管理方式相辅相成，才能够发挥最大效能。

1.3.3 智能制造

1. 什么是智能制造

互联网、物联网、云计算、大数据等信息技术和信息经济迅速发展，对传统制造业形成巨大冲击，但同时也成为制造业突破性发展的历史机遇。新技术与传统制造技术不断融合发展，持续推动制造业的技术集成与模式变革。

在20世纪末人口老龄化与人工成本高的背景下，德国企业开始学习日本企业消除浪费、提高效率的精益生产管理体系和方法。工业4.0是德国工业坚持25年学习和实践精益生产基础上，将制造业与信息化、自动化结合后提出的一种创新生产理念。工业4.0强调基于互联网和物联网的智能化、自动化、个性化敏捷生产模式。通过产业链联动与协同，满足用户的个性化要求。

如图1-10所示，工业4.0是以智能制造为主导的一种生产模式。充分结合信息物理系统（Cyber Physical System，CPS）与信息通信技术，通过分散式增强型控制和去中心的智能化，实现制造业从自动化向智能化的转变。其本质就是构建基于信息物理系统的智能工厂，以此实施智能生产，实现人、设备以及产品的实时连通。

工业4.0的核心内容可概括总结为：建设一个CPS网络，研究智能工厂与智能生产两大主题，实现纵向集成、横向集成与端到端集成三大集成，推进生产由集中向分散转变、产品由趋同向个性转变、用户由部分参与向全程参与转变三大转变。

工业4.0具备以下特征：

（1）低成本的个性化定制

在研发设计和生产制造的过程中，充分考虑用户的个性化需求，在智能供应链、智能物流系统、智能工厂和智能制造的支持下实现小批量、多批次的定制化生产，通过效率最大化和资源消耗最小化创造利润。

（2）高灵活性的作业流程和制造工艺

基于CPS的自组织网络可根据业务流程进行动态配置，实现灵活的作业流程和高柔性的制造工艺，同时打造适应性较强的动态物流与供应链体系，灵活应对定制生产和市场动态变化。

（3）生产效率和资源利用率的系统优化

虚实融合系统贯穿于价值链的各个环节，对制造与物流过程进行系统优化。在生产不停顿的情况下，系统能够对生产过程的资源消耗进行持续优化。

（4）工业4.0代表有数据的管理

工业4.0关注的数据主要包括产品主数据、生产运营数据、价值链数据、对企业经营有价值的外部数据等。这些数据通过数据集成、清洗、转换、抽取、数据仓库关联、数学建模分析、多维度展现等一系列过程，为企业的市场战略、产品研发设计、生产制造与售后服务等提供相应的业务运作与管理决策支持。

2. 智能制造的特点

智能制造是融合物联网、智能机器人、虚拟现实系统以及大数据等技术，整合自动控制、信号感测、资料处理与综合决策的一种智能自动化生产系统。

例如，在移动客户端，用户如果计划购买一台汽车，可以自主定制喜欢的外观颜色，通过手机直接下单到业务部门，经过设计转化、计划系统、物料采购、生产系统、物流等环节送达用户。

在车辆生产环节的场景中，生产车间流水线上的作业人员被智能生产线和智能协作机器人所取代，这些智能设备能够根据大数据操作显示屏指令精准地完成切割、冲压、涂装、组装、质量检测等作业。在零部件的加工过程中，通过设备监控系统、图像识别系统、视觉检测装置等自动保证零部件加工的质量，最终由机器人自动将零部件装在对应的车型上。生产自动化的提高，使得品质大大提升。更重要的是，物流也实现了智能化，零部件的物流计划与路线由系统预先设定，系统根据生产实际进度自动发出供应指令，由机器人将零部件运送到指定工位。

智能制造的主要特点可以概括如下：

（1）提升制造过程的柔性与智能程度

传统工厂的生产时间多为辅助时间，真正的机械加工时间占比较低。而智能工厂使用智能生产中心系统，作业准备工作通过生产管理系统提前运算设定，并可以同时和其他工作并行开展。通过智能化的生产运作管理，减少生产辅助时间，提高生产效率和设备开动率。

此外，智能工厂的一个特征是可重新配置生产系统。智能工厂的设备均以柔性制造系统（Flexible Manufacture System，FMS）、机械手、机器人、自动导引运输车（Automated Guided Vehicle，AGV）等制造单元的形式出现。由于FMS适用于多品种、小批量加工，可以灵活应对生产计划的调整。FMS可以根据产品、市场的具体要求，对生产系统的各种资源要素进行动态调整、优化配置和系统扩展。

（2）智能制造强调以人为本，人机协同、服务于人

智能工厂并不完全谋求无人化工厂，或者人的作用降低。相反，人会被提高到更为重要的位置。机器人代替人工是基于成本、效率、质量三者之间的平衡兼顾原则。机器人具有持续、稳定、高效的特点，可以代替人工作业，确保产品质量的稳定、一致性以及单位产能的提升。而对需要高度主观能动性及适应性的生产工艺与作业，机器人目前尚无法完全替代人工作业。

因此，智能制造生产的定位是人机结合，服务于人。实现智能生产后，虽然对工人生产效率要求标准有所降低，但机器人需要由工人操作管理，机器人精准执行指令。工人同时还要负责周边设备的调试和维护，这样对产品的品质，对技术的研究、加工工艺的把握会更进一步，工人的思维要和智能制造的发展匹配。

智能制造利用互联网，将机器人、设备和人连在一起组成一个系统，再利用传感器技术，读取其中的数据，通过计算机分析并反馈到终端。此外，在工厂生产的每一款产品，都是由机器来模拟用户的实际操作环境和模式，以此检测产品是否合格。因此，在工业4.0阶段，人主要负责设计产品并确定生产规则和运行参数，机器、虚拟电子物理体系则基于这些指令，触发、比对路径并选择、优化生产。

（3）智能制造强调物流为先

智能生产物流为智能工厂的物料供应与周转提供服务。在生产过程中，配料准确，执行规范，上下联动紧密准确；在仓储上，物料识别简单方便，任务交接快捷简单，物料存放清晰透明；在配送上，物料配送准时，配送路径畅通，载货清晰。同时还能实现缓存区、库位、生产线等多方位物料信息的透明化，大幅度减少在制品和库存数量；实现生产物流系统中的人、机、物等信息的自动绑定和记录，以使生产、物流的整个过程可跟踪、可追溯。

（4）智能制造重视生产过程管控

智能制造仍然是以产品质量为基础。智能化生产的主要内容之一是把品质保证体系重点转移到确保制造过程运行的稳定、可靠和强化产品的制造质量，以及对柔性化、混线生产方式的适应等方面。生产过程管控是构建智能生产系统的重要环节和关键技术。

生产过程管控通过生产工序间流转过程的跟踪及生产相关业务的协调控制，及时识别和处理各类生产异常，确保生产过程按照计划执行。正确的生产过程监控可以减少停线时间，提高设备运行安全性，降低生产成本。生产过程监控的内容主要包括过程监视和过程控制两个方面。生产过程监控以生产全过程的数据采集为基础，实时显示生产过程的各种现场数据，监视和控制生产过程，对生产业务流程进行实时调度指挥和过程质量在线控制。

（5）强调全价值链的同步与集成

作为集成项目的工业4.0，是指横向集成增值链，纵向集成所有生产流程和系统，并且集成到自动化层面。生产系统的逐步细化意味工厂规模缩小的同时，生产系统的柔性提高。在工业化大生产中，单元模组式生产通过系统间的集成和标准化的自动通信，生产的灵活性更高，更容易对局部生产进行调整优化。

3. 智能制造的物理模型——智能工厂

对制造企业而言，工业4.0的核心在于智能化，无论是信息技术与制造业的深度融合，还是数字化产品与服务模式的创新，其物理模型主要由智能工厂、智能生产和智能物流组成。

智能工厂是工业4.0最主要的应用实体与实施载体。就智能工厂而言，结构化系统（流程、组织等）、生产资源（设备、人、物料等）和产品是三个重要的智能元素。智能化趋势同时影响和推动工厂的这三个方面，使之紧密结合、高效集成。

智能工厂的网络架构如图1-11所示。在智能工厂中，结构化系统和生产资源通过检测装置与工业网络相互连接，进行设备数据收集、数据分析、生产预测和资源配置。例如，通过信息技术对研发过程进行管理；对生产和制造工艺流程进行分析、验证和优化；对产品的功能、性能、智能进行模拟以及全生命周期的服务支持；协调生产控制系统、生产管理软件和业务决策系统中的业务流程。此外，这些内部集成系统可以与基于互联网协议的其他系统相互作用，将智能化的范围由单个企业扩大到整个价值链。

智能工厂由数字化智能制造车间组成。数字化智能制造车间是由智能工艺装备系统、智能车间物流系统和智能车间生产信息系统三大系统组成。数字化智能制造车间通过自动化检测、传输与控制设备，将生产线上各工序主要生产设备连接成数字化全自动生产线，生产过程中的设备、产品等能够智能感知自我所需、所缺和下一步去向，实现物料、机器、生产、物流、仓储等相互间的智能匹配、协调与控制。简单来讲，就是在MES的控制调度下，自动实现生产线计划调度、任务下达与生产工艺设定；控制生产线物料输送执行机构，进行生产线物料的自动分配、跨线调运等，将物料自动输送到各生产设备；通过网络通信系统，控制生产线主要加工设备，自动调用控制程序，对来料进行加工，生产线的全自动连线生产，实现无人化或少人化生产。智能工厂的生产运作场景如图1-12所示。

案例 日本电装的领先工厂

领先工厂是日本电装公司2015年提出的一个概念。电装公司是日本汽车产业最大的系统零部件制造商，同时也是全球最大的汽车系统零部件制造商之一。

领先工厂是基于产品批量减少而成本不变的思想提出的，融合了精益生产和大批量定制生产方式。其具体做法是先对生产流程和制造设备进行改造，将原有生产工艺上的装备缩小，并集中到最终的组装车间安放。在改造的过程中，实现设备自动化和生产流程标准化。同时，在设备与设备之间、生产车间与生产车间之间实现信息互联，最后实现工厂与工厂信息互联。领先工厂的架构如图1-13所示。

领先工厂的架构设计主要是从生产工艺流程角度，采用ECRS原则，即取消（Eliminate）、合并（Combine）、调整顺序（Rearrange）、简化（Simplify），将生产工艺流程中的不同工序、作业、动作等进行整合，并进行必要的工位调整，重新对工厂车间布局、物流路线与工位布置进行精益规划，实现连续流生产。

在领先工厂的实际导入过程中，日本电装公司对生产设备同步进行了小型化、自动化、信息化改造。在设备实现灵巧化的基础上，对生产工艺流程与工序进行优化重组。组装车间实现生产工位与设备的集中布置。按照工艺顺序形成连续流生产，在制品库存大幅降低，节约生产与物流仓储面积。在上下料和换模过程中，采用机器人替代人工，实现整个生产过程自动化。

从日本电装公司的领先工厂案例可以看出，电装公司的生产模式创新是独具特色的。不断运用业务流程重组和ECRS原则，持续对企业流程进行优化、重组与集成。更为重要的是，将生产管理创新与生产自动化、信息化举措并行发展，实现生产流程、制造工艺、设备工装的迭代创新，提升企业生产水平。