JNTY体育：数字化工厂系列｜盘点关键技术、常见系统及应用案例

什么是数字化工厂？

数字化工厂是企业应用数字相关技术实现研发设计数字化、生产准备数字化、 生产制造数字化、运营管理数字化和营销服务数字化，即通过应用数字相关技术提升产品全生命周期数字化水平，从而提升企业经营的可靠性、安全性和经济性。

数字工厂没有单一的技术或标准。典型的数字化工厂是一个生态系统，各种工具、技术、流程和数字化系统相互融合。数字工厂利用许多常用技术和解决方案，这些技术和解决方案经常被提及为数字化转型和工业 4.0/5.0 概念的一部分。它们包括 IIoT（工业物联网）设备、大数据、机器、机器人、其他类型的连接设备，以及跨企业网络所有层的软件解决方案。

任何数字工厂的目的都是尽可能简化、自动化和优化所有操作流程。自然地，所有数字过程都是由从传感器和机器到软件应用程序的各种网络组件收集的数据流驱动的。

数字化工厂的关键技术

作为数字化转型概念一部分的多种技术被应用于智能工厂内，以支持使用来自人、机器人、物联网解决方案和软件系统的数据。以下是在现代数字工厂中发挥最关键作用的一些技术。

大数据

从智能工厂内的各种来源收集的巨量信息通常被称为大数据。它主要是时间序列数据，通过撷取、管理、处理，用于业务分析、工业流程的自动跟踪，及时解析故障、问题和缺陷的根源，辅助企业进行流程优化和经营决策。

云计算

从技术上看，大数据与云计算的关系就像一枚硬币的正反面一样密不可分。大数据必然无法用单台的计算机进行处理，必须采用分布式架构。云计算支持快速检索、存储和访问从数字工厂网络的不同组件收集的时间序列数据，这是推动数字化转型企业流程的一项更重要的技术。

人工智能 (AI)

人工智能是数字化转型和智能工厂的另一个基本技术概念。它们使组织能够自动化所有规律的机械的工作流程，这些操作和日常工作流程是作为传统工业设施的一部分人工组成，能够极大释放人力。在智能制造系统中，人类的部分脑力劳动被机器所替代，计算机能够模仿人的思维方式，进行条件判断、数据分析、资源管理、调度决策等行为。

工业物联网 (IIoT)

物联网 (IoT) 描述了嵌入传感器、软件和其他自动化技术的各种计算设备，这些设备允许它们相互连接并与外部系统交换数据。IIoT 是指物联网在工业自动化解决方案中的扩展使用：传感器、机器、机器人设备和其他仪器的生态系统通过工业通信协议连接在一起，并与内部和外部软件自动化系统交换数据。

区块链

区块链，就是一个又一个区块组成的链条。每一个区块中保存了一定的信息，它们按照各自产生的时间顺序连接成链条。这个链条被保存在所有的服务器中，只要整个系统中有一台服务器可以工作，整条区块链就是安全的。区块链具有两大核心特点：一是数据难以篡改、二是去中心化。区块链在工厂应用的部分主要是在设计变更管理、产品全生命溯源管理、物料溯源至结算自动化、配件防伪溯源管理。

增强现实 (AR)

增强现实 (AR) 是一种技术，可以实现数字对象或信息与现实世界之间的交互，将数字模拟投射到现实世界的背景中。在数字化工厂中，AR应用可以有多种应用，包括真实工业环境中设备定位的虚拟规划、AR辅助装配线、物流、材料的运输和存储、机器和机器人的控制等。jnty有限公司

数字化工厂常用的几类系统

数字工厂融合了种类繁多的系统、工具和技术，主流系统包括以下几种：

ERP（企业资源规划系统）

ERP（企业资源规划）系统是一种软件，被组织用作管理所有运营和业务活动的集中解决方案，从会计、人力资源和项目管理到采购、风险管理、物流和供应链。一个 ERP 解决方案可以包含几十个，有时是数百个负责业务运营不同方面的应用程序，所有这些都可以集中访问并实时运行。

通常，作为ERP系统一部分的各种应用程序按一般功能区域划分，并在特定模块中组合在一起。以下是最常用的ERP模块：

• 客户关系管理（CRM）；
• 供应商关系管理（SRM）；
• 会计管理；
• 财务管理;
• 人力资源（HR）；
• 项目管理;
• 制造过程；
• 订单处理;
• 数据服务;
• 学习资料管理

MES（制造执行系统）

MES，制造执行系统，是用于管理、跟踪和记录所有制造过程的软件解决方案。MES充当ERP（企业资源规划系统）和流程控制系统之间的集中层，允许担任不同角色的人员访问有关制造运营的数据，并协作优化所有流程的生产力和效率。

以下是 MES 解决方案的核心功能：

• 生产监视；
• 数据采集；
• 生产单位调度；
• 收集和存储与制造过程和材料相关的数据；
• 文档的管理和分发；
• 产品质量管理；
• 制造设备的预测性维护；
• 劳工管理；
• 跟踪和控制制造过程；
• 生产相关数据分析和自动报告

仓储管理系统(WMS)

仓储管理系统(WMS)是物流信息化管理的核心系统，其通过连接产品实物具体位置和仓库结构定位， 以及设定对物料物流相关行为(如出库、入库等)的指令，实现工厂物料资源的高效管理。WMS通过连接产品实物具体位 置和仓库结构定位，以及设定对物料物流相关行为(如出库、入库等)的指令，实现 工厂物料资源的高效管理。WMS可助力工厂实现仓库管理模式变革(以经验主导向以 流程主导转变)、标准化作业(通过系统控制收货、拣货、补货、发货等)和供应链 协同(实时库存信息分享，提升上下游信息透明度)，显著提升库存准确率(全程条 码化作业流程)和现场作业效率(基于RFID的无纸化作业与实时调度)

以下是WMS 在数字工厂环境中最常见的用途

• 入库管理
• 出库管理
• 劳动力检测
• 库存管理

数字孪生系统

数字孪生是实时物理对象、结构、过程或系统的虚拟副本/表示。最常见的是，数字孪生由来自传感器的数据流提供支持，这些传感器从模拟系统的主要功能组件收集信息。数据由软件系统处理并应用于数字孪生。

数字孪生用于运行模拟、进行工具和设备的虚拟集成、监控工业机器的性能、研究潜在问题的过程、分析设备的磨损和维护要求等。工业自动化环境中使用了多种类型的数字孪生。

四种最常见的数字孪生类型是：

• 资产孪生；
• 系统孪生；
• 组件/零件孪生；
• 进程孪生

M2M系统（机器对机器）

M2M 是各种技术的总称，可在数字工厂网络内的不同设备之间实现自动通信和数据交换。建立M2M通信的方法多种多样，包括将传感器和仪表集成连接到设备和软件系统，以及通过通信协议连接到基础设施的工业仪器。数字工厂环境中的现代 M2M 通信通常是通过实施一个网络系统来建立的，该网络系统在所有硬件和软件层以及人类用户之间传输数据。

M2M强调的是在商业活动中通过移动通讯技术和设备的应用变革既有商务模式或创造出新商务模式，是机器设备间的自动通讯。从狭义上说，M2M只代表机器和机器之间的通信。目前，人们提到M2M的时候，更多的是指非IT机器设备通过移动通信网络与其他设备或IT系统的通信。放眼未来，人们认为M2M的范围不应拘泥于此，而是应该扩展到人对机器、机器对人、移动网络对机器之间的连接与通信。

以下是M2M解决方案的几种常见应用：

• 机械和其他工业资产跟踪软件；
• 供应链管理解决方案；
• 机器的预测性维护；
• 库存管理;
• 自动计费和电子支付

产品生命周期管理系统(PLM)

产品生命周期管理系统(PLM)通过集成产品从概念提出至研发设计，再至生产制造和销售服务等全生命周期的要素(例如人力、工艺流程、信息等)，协助管理层优化决策输出和实现企业可视化和高效的运维管理。PLM包含ERP、CAD、 CAM等在内的多种系统，可供企业内不同层级的人员使用，且不同层级人员的使用权限不同。

PLM覆盖产品从概念提出至研发设计，再至生产制造和销售服务全生命周期 各阶段，通过集成ERP、MES等信息系统，协助管理层优化决策输出和实现企业可视化和高效的运维管理。PLM的核心即通过统一和集成产品全生命周期相关的数据信息，使作业人员可更便捷和高效地使用和变 更数据，减少数据不统一造成的资源浪费，减少企业的研发试错成本和缩短企业的产品研发周期。

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来自头豹研究院

数字化工厂的应用案例

保时捷

传奇的德国高性能跑车制造商保时捷有一个保时捷生产4.0项目，旨在在公司位于斯图加特的生产设施中实施数字工厂概念的所有方面。

保时捷生产4.0数字化工厂实施项目计划大致分为三个领域：数字化集成生产、生产工作和生产技术。

以下是保时捷数字化工厂的一些组件，这些组件已经实施并成功运行，并提供了预期的结果：

• 在公司工厂设计和制造的每个细节的数字布局的集成规划模型。它允许保时捷工人以数字形式创建组件设计的各种迭代。第三方供应商可以访问此数字规划模型，这使他们能够提前配置设备，以确保生产线正常运行和无差错。
• 保时捷实施了电子车辆路线卡 (eWBK) 和保时捷制造和检验系统 (PFPS)，以确保所有制造流程和方法的可持续生产和效率。
• 保时捷声称是全球第一家在连续流水线中使用自动导引车 (AGV) 进行汽车总装的汽车制造商。虽然AGV小车在工厂并不少见，但第一次“AGV”整个流水线。这样做的好处是便于顶吊和输送的匹配，并且支持AGV系统输送线的自动无缝对接，大大提高了装配效率，实现了更加灵活的定制化生产。
• 公司在祖文豪森工厂的生产已经实现碳中和，生产设施和物流使用绿色电力和电力驱动的卡车。

祖文豪森工厂生产线

图片来自网络

西门子

2017 年，该公司启动了精益数字化工厂 (LDF) 计划，旨在为西门子主要子公司之一西门子数字化工业软件的所有工厂制定概念性的整体数字化转型计划和路线图。

以下是西门子数字工厂项目中最引人注目的几项：

该公司采用工业边缘和数据湖概念，以实现强大的制造数据平台 (MDP)，用于存储和利用西门子内部与制造流程相关的所有数据。MDP 平台提供分布式组织数据集的集中和索引聚合，独立存储大量原始数据以备将来使用。MDP 的数据来自西门子内部不同部门、团队和部门的各种来源，包括 MES 解决方案、ERP、SCADA、工业边缘平台、Simatic PLC、传感器和多种其他工业机器和设备。

除此之外，西门子正在推出一个产品碳足迹 (PCF)解决方案，可以查询、计算和分享 真实世界复杂供应链中生产的产品总碳足 迹。为减少排放，制造商必须了解整个供应 链中所有产生碳活动的位置和强度。

欧洲银行

Eurobank是欧盟最大的金融机构之一，决定实施数字工厂作为更大的数字转型战略的一部分，目标是重新设计其数字渠道和客户体验。Eurobank聘请埃森哲为数字工厂提供端到端服务。

据说该项目实施了一个全新的技术平台，以支持Eurobank客户的一致全渠道体验。具体来说，Eurobank成功迁移到基于云的微服务，并为其IT基础设施采用了无缝的全渠道云环境。

这使金融机构能够将新功能的平均上市时间缩短至八周，并将发布周期缩短至两周。作为Eurobank数字工厂项目的一部分实施的解决方案包括精选的智能财务管理工具、确保电子交易安全的创新技术、非接触式支付、数字入职以及一系列其他数字生态系统组件。

罗克韦尔自动化

该公司通过将罗克韦尔自动化团队和部门使用的许多不同的企业资源规划系统组合到一个集中式ERP中，开始了实施数字工厂的过程。

通过启动集中式制造执行系统 (MES) 来管理其所有工厂和制造流程，从而增强了单一 ERP 的推出。以此为基础，罗克韦尔自动化还实施了统一的IT和OT（运营技术）系统，能够有组织地收集、访问和监控所有制造和业务数据。

这些创新使公司能够在所有设施和运营团队中建立标准化的工作流程和流程。他们还实现了关键绩效指标的显着可衡量改进，加快了产品上市时间，将供应链交付速度提高了 96%，减少了库存的日销售量 (DSI) 等。这些成就使他们能够提高年度生产力平均提高 4-5%。

海尔

2020年，中国跨国家电和消费电子公司海尔联合GSMA、中国移动和华为实施了数字工厂概念验证项目，将边缘计算、机器视觉和5G技术集成到海尔的制造环境中。

利用5G和边缘计算，海尔能够在整个不锈钢冰箱生产线上实施近乎实时的分析，自动检查部件和成品冰箱是否存在缺陷和潜在错误。由华为和中国移动实施的 5G 网络使海尔能够在其工厂内建立多接入边缘计算 (MEC) 架构。该解决方案使公司能够部署延迟最小的大容量图像处理解决方案，确保自动化生产线无延迟地运行。

海尔及其合作伙伴实施的另一项值得注意的工业创新是配备500W工业相机的机械臂，能够在冰箱下线时对其进行扫描。该系统基于机器视觉算法，可识别冰箱外部的损坏情况。5G网络的功能以其高连接速度和低延迟支持该解决方案，它允许将机械臂内的工业相机生成的高清图像传输到基于 AI 的集中式系统。