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数字化工厂建设方案探讨

随着科学技术的不断发展，制造类企业也经历了几次变革，从实际发展来看，

每一次变革都带来了制造水平的大幅提升，体现了科学技术的主导作用，研究认

为制造类企业向智能化发展大致经历以下四个阶段：手工作业→自动化流水作业

→数字化网络化作业→网络化智能化作业。

从历史发展规律来看，随着科学技术的不断进步，制造类企业变革也是一种

必然，从大的发展周期角度，研究认为当前的制造类企业发展正处于第三阶段数

字化网络化作业的发展时期，即信息化和工业化两化深度融合的阶段，同时正在

初步探索网络化智能化作业。

1数字化工厂概念

数字化工厂是随着数字仿真技术和虚拟现实技术发展而来的，它通过对真实

工业生产的虚拟规划、仿真优化，实现对工厂产品研发、制造生产和服务的优化

和提升，是现代工业化与信息化融合的应用体现。随着产品需求的不断变化、产

品周期的更新换代速度提升，以及3D打印、物联网、云计算、大数据等新兴信

息技术的不断应用，为了缩短研发周期，降低生产成本，提升企业产品质量和效

益，先进的制造类企业开始越来越重视数字化工厂的建设，如上汽、海尔、华为、

西门子等制造企业均已着手开始建设自己的数字化工厂，以支撑企业实现新的突

破和发展。

作为信息化和工业化融合应用的最佳结合点，研究数字化工厂如何建设，探

讨虚拟设计与物理设备之间怎样实现无缝衔接，对驱动信息化和工业化的深度融

合发展、以及未来智能工厂发展具有十分重要的意义。数字化工厂具有广义和狭

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义的概念，其涉及的内容也随着分析的角度不同而有所区别。

本文数字化工厂结合国内离散型制造企业的实际情况（如兵器、航天等领域

的部分制造企业），是以广义数字化工厂中核心制造企业为主，在满足自身生产

和管理任务的同时，需要具备产品研发能力和售后服务保障能力，因此本论文中

的“数字化工厂”不仅仅是生产的概念，它是向前延伸到设计，向后推移到服务，

同时涵盖企业管理，包括产品研发设计过程、生产制造过程、企业管理过程、服

务保障过程等产品全生命周期整个过程。

2数字化工厂架构

数字化工厂的规划建设、投产运营及优化改进是企业信息化和工业化融合不

断深入的过程。在这个过程中数字世界与物理世界不断迭代，支持企业产品设计、

生产制造、运营管理等各个环节的PDCA循环不断改进和提升。本论文数字化工

厂建设架构从产品生命周期、系统层级两个维度来进行构建，实现数字世界与物

理世界的交互迭代。

1）产品全生命周期：由产品设计、工艺规划、生产制造、服务保障等一系列

相互联系的价值创造活动组成的链式集合。生命周期中各项活动相互关联、互相

影响。

2）系统层级：本论文提出数字化工厂建设系统层级自下而上共四层结构：

（1）设备资源及控制层：包括传感器、仪器仪表、条码、射频识别、机器、

机械和装置、以及电力、燃气能源设施等硬件设备，以及与硬件设备密切相关的

可编程逻辑控制器（PLC）、数据采集与监视控制系统（SCADA）、分布式控制系

统（DCS）和现场总线控制系统（FCS）等控制系统，是企业进行生产活动的技术

基础。

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（2）数据库层：包括设计类、工艺类、制造类、管理类、试验类、标准体系

库（包括数字化管理标准、测试与试验标准、设计标准、STEP标准（产品信息交

换标准））等。各类数据库又有各自的基本数据库与知识库。作为数字化工厂体系

框架的第二层，为数字化工厂提供最基本的数据支撑。

（3）管理层：包括面向设计部门的产品数据管理（PDM）、面向工艺部门的

工艺工装管理、面向生产部门的制造执行系统（MES）、面向后勤保障部门的能源

管理系统等。

（4）协同层：包括产品生命周期管理（PLM）、企业资源计划系统（ERP）、

供应链管理系统（SCM）和客户关系管理系统（CRM）等，并通过互联网络共享

信息实现企业内部各部门之间协同和产业链上不同企业间协同。从产品全生命周

期和系统层级构建数字化工厂二维系统架构示意图如图1所示。