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【摘要】信息技术在工厂的生产和经营管理过程发挥着越来越广泛的作用。信息技术与制造技术的结合，产生了新的生产实现模式，数字化工厂、智能化工厂就是其中的典型代表。实践应用表明，数字化工厂、智能化工厂可以缩短设计时间，优化生产制造，提高协同工作能力，降低成本。
【关键词】工厂；数字化；智能化；制造；设备
1.引言
工厂在经历了最初手工操作、人工控制的阶段后，进入仪表控制阶段。随着系统控制的改进提升，智能控制系统（如DCS、PLC等）已经广泛应用，大大提高了控制精度和可靠性。同时，以计算机为代表的信息技术在工厂生产经营管理过程应用越来越广泛，从最初的模拟计算、会计电算化等部门级单项应用，发展到MRP、CIMS、ERP、MES、PLM等企业级综合应用。自控技术、信息技术、通信技术等在工厂设计、生产执行、经营管理等方面的应用，为构建数字化工厂提供了技术条件。本世纪以来，企业和社会纷纷提出数字化的目标，取得了不少成功经验和案例。同时，以智能设备和智能终端为基础的智能化技术也在工厂推广应用，智能化工厂成为企业信息化的新热点。
2.工厂的特点与需求
工厂又称制造厂，顾名思义常规的工厂属于制造业。现代化的工厂一般都拥有以机器设备构成的生产线，按照市场需求或订单投入一定的资源（如物料、设备、能源等），按照生产工艺经过一系列物理或变换，得到目标产品，提供给社会。现代的大中型工厂是一个分工精细的复杂机构，需要根据产品订单和原料供应情况，精确计算投入的原料量、生产工艺、加工条件、能源需求，精确调度设备和人力资源，通过计划、调度、控制、协调等一系列手段，把各个部门、各个环节、各种资源统筹优化，合理安排产品生产进度，保证产品质量，控制产品成本，提高劳动生产率和效益。
从生产工艺角度工厂可分为离散型生产和流程型生产。装备制造、汽车、造船、电子等行业属于离散型工业，其特点是加工装配式生产。炼油、化工、冶金、制药等行业都是连续型流程工业，其特点是一种从原料通过物理变化和化学变化，以连续生产方式到产品。从近半个世纪的发展看，工厂基本沿两条路线发展：一是依靠传统制造技术的发展而发展，二是借助自动化和计算机等技术的发展而发展。上世界八十年代以来，信息技术的应用越来越广泛，在工厂生产经营管理过程中发挥的作用越来越显著。信息技术等新兴技术与传统的制造技术相融合，产生了新型生产制造方式与信息系统，数字化工厂、智能化工厂就是新型生产方式的典型表现形式。
3.数字化工厂的发展与实现
3.1 数字化的概念
数据是人们利用规定的符号对现实世界的事物及其活动所做的抽象描述和记录，将数据以有意义的形式加以排列和处理，就形成了信息。记录数据最常用的是数字，如在数学语言中通用的是阿拉伯数字，二进制的“0”和“1”是计算机处理语言的基础。数字化是将各种形式的信息转变为可以度量的数据，再以这些数据为基础建立起适当的数字化模型，把它们转变为一系列二进制代码，引入计算机内部，进行统一处理和应用。
3.2 数字化工厂的发展
随着以计算机为核心的数字化技术应用于制造业，逐步产生了数字化工厂的概念。数字化工厂是将真实有形的工厂映射到虚拟的网络中，形成一个与现实工厂相对应的，其功能可以局部或全部模拟工厂行为的系统，可以反映或预测工厂真实的结果。数字化工厂最初侧重于企业内部微观过程数字化，主要是对产品生产过程机理知识的获取，以及进行生产工艺设计和优化控制，即通过虚拟制造技术对生产过程仿真，提前解决实际生产中可能出现的问题。随着技术的进步与功能的扩展，形成广义的数字化工厂，即利用集成的信息技术优化整个生产系统的设计与性能，实现生产运营和管理的数字化。
数字化工厂最初起源于数字化产品设计，其代表技术是CAD（计算机辅助设计）、CAM（计算机辅助制造）、CAE（计算机辅助工程）、CAPP（计算机辅助工艺过程设计）和PDM（产品数据管理），目的是解决产品设计和产品制造之间的“鸿沟”。通过对生产过程的模拟，使生产制造过程在数字空间中得以检验，缩短从设计到生产的转化时间，优化生产线配置和布局，减少生产线准备和停机时间，提高产品质量。在广义的数字化工厂中，实现设计数字化、制造装备数字化、生产过程数字化、管理数字化，上至宏观战略决策、下到具体业务操作都采用数字化管理方法和手段。
图1 数字化工厂设计与运营
图2 数字化产品设计与生产
3.3 数字化工厂的应用
数字化工厂是由数字化模型、方法和工具构成的综合应用系统，通过连续的数据集成，对真实工厂进行虚拟现实的仿真，进行数字化综合集成应用。数字化工厂概念和产品出现后，许多制造企业进行实践应用，取得了不少的成功案例。波音公司采用数字化工厂技术缩短飞机设计与制造时间、减少产品缺陷，大幅度降低成本。欧洲空中客车公司在A380飞机研制过程，应用数字化技术，建立了基于PLM（产品生命周期管理）的全球设计制造管理信息平台，实现了分散在30个国家的1500家零部件生产商和供应商之间的网络协同，让所有合作伙伴在统一的数字化平台下协同地开展数字化方式的设计、制造、测试飞机零部件和飞机装配过程。康佳集团通过数字化工厂，减少了90%的手工操作错误，节约30%的产品研发费用。在国内外一些领先的炼油企业，全面集成各种现场数据，实时监测，动态预警，精细化生产运行管理和操作执行。如美国瓦莱罗（Valero）能源公司通过数字化工厂平台，实时监控20000个数据流的情况，对所有信息进行实时汇总，并可实时报警显示，通过电子仪表盘可以知道每桶油的能耗是否超过了计划用量，工厂每年可以节能1.2亿美元到2亿美元的成本。
4.智能化工厂的概念与特征
4.1 智能化工厂的概念
如果说数字化是信息化的基本阶段，那么智能化是信息化的高级阶段。智能化的概念很早就有，我们所熟知的机器人就是智能化产品的代表。智能化是指使对象具备灵敏准确的感知功能、正确的思维与判断功能以及行之有效的执行功能而进行的工作。如今智能化的概念逐渐渗透到社会生活的各个方面，出现了智能电网、智能交通、智能物流、智能工厂等。 智能化在企业的应用形式是建立智能化系统，即利用现代通信技术、软件技术、计算机网络技术、智能控制技术等汇集而成的针对某一个方面应用的智能集合。智能工厂是通过智能设备和模型驱动而构造的智能制造模式，是智能系统与其它学科互相交织而在工厂的综合应用，包括智能控制、智能测量与诊断、智能设计、智能加工、智能调度等。在流程行业广泛应用的先进控制系统是一种基于模型，以系统辨识、最优控制、最优估计等为基础的一种智能控制系统，可以改善过程动态控制的性能，减少过程变量的波动幅度，保证产品质量，提高目标产品收率。中石化燕山石化公司历时五年建成的乙烯APC系统是中国石化第一套乙烯全流程先进过程控制系统，该系统自动将装置总处理量实时推向最大化，每年可提高产量2%左右。
4.2 智能化工厂的主要特征
智能化工厂是采用智能技术的生产实现模式，以智能系统为载体和平台，代替人的部分活动。智能化强调整体自组织能力与个体的自主性，系统的建模需要大量的基础数据，系统的仿真需要实时数据支持，系统要具备一定的容错能力，并具有学习能力。通过与物联网、移动应用、虚拟现实等新技术结合，不断将智能化工厂的功能扩展。智能化工厂主要特征如下。
（1）自组织能力
系统具有思维能力，即具有处理和再生信息的能力，通过模型和知识库及相关规则，进行经验思维、逻辑思维或创造性思维，从而使系统具有智能的行动和反应能力，支持快速的智能管理决策，使生产操作更加智能和可控。
（2）自学习和调整
系统可以从专家和知识库直接获取知识，可以依据指令、状态变化和工作任务，学习和积累相关知识，完善和改进控制策略，在信息不完整或出现误差时，可以自我判断、自我调整，具有容错能力。
（3）广泛的互联互通
通过物联网实现物与物、人与物的互联，通过互联网实现企业内外信息互联互通，通过传感器与工业无线网通信技术、WI-FI通信技术、RFID通信技术、以及3G、4G通信技术相结合，实现信息的实时传递，保证系统运行的有效性，使各级用户得到工厂真实的信息，可以远程监视现场状态。
（4）全面实时的感知
RFID、传感器等感知设备广泛应用。由传感器构成信息感知单元，感知了物体的信息，RFID赋予物体电子编码，构成了完整的感知网，实现实时自动采集。智能传感器精度更高，具有判断、分析和信息处理能力，具备良好的可靠和稳定性，并能够自我管理。
（5）模拟与预测
模型是智能系统的基础之一，通过模型可以在工厂投产进行模拟，检查缺陷，完善设计和施工；在工厂运营过程中对生产计划、生产运营、能源消耗等模拟，对工厂运行状态进行描述和预测，发现瓶颈和问题，给出调整和改造建议。
（6）智能维护管理
通过对现场设备的实时监控和建模分析，可以自动生成维修计划，系统会自动提醒管理人员及时对设备进行维护，预防事故的发生。设备资产具有唯一的识别码，可以自动跟踪资产的数量和位置，合理安排采购计划和库存。
5.结束语
传统工厂采用先进的工艺技术和设备，先进的自动化控制系统及先进的管理方法，实现现代化。以计算机和网络为代表的信息技术覆盖到工厂各个环节，以数字化工厂为目标，在产品设计研发、生产制造、经营管理、办公管理等方面数字化、信息化水平不断提高。
随着智能技术的发展，智能化系统在工厂逐步推广应用。通过智能系统驱动智能设备，实现智能设计、智能操作、智能调度、智能生产、智能维护与管理等，使生产、经营管理的一体化、集成化水平进一步提高，并向柔性化、敏捷化、虚拟化发展。随着技术的发展与应用的深入，数据化工厂与智能化工厂互相交融，自动化、数字化、网络化、模型化、智能化等综合集成应用，为建立内外协同的信息平台，提高企业工作效率和竞争能力，提供全面的支撑。
参考文献
[1]中国石油和化学工业联合会.中国石油和化工化工两化融合发展报告[R].2011.
[2]庄亚明.数字化工厂信息系统结构研究[J].计算机与应用化学，2005，22（8）.
[3]周新建，潘磊.基于数字化工厂的虚拟制造技术[J].机械设计与制造，2006（7）.
[4]曾芬芳，景旭文.智能制造概述[J].清华大学出版社， 2001，4.
[5]顾新建，祁国宁，唐任仲.智慧制造企业——未来工厂的模式[J].航空制造技术，2010（12）.
[6]王亚唯.物联网发展综述[J].科技信息，2010（3）.
[7]中华人民共和国科学技术部.智能制造科技发展“十二五”专项规划.2012.
【关键词】工厂；数字化；智能化；制造；设备
1.引言
工厂在经历了最初手工操作、人工控制的阶段后，进入仪表控制阶段。随着系统控制的改进提升，智能控制系统（如DCS、PLC等）已经广泛应用，大大提高了控制精度和可靠性。同时，以计算机为代表的信息技术在工厂生产经营管理过程应用越来越广泛，从最初的模拟计算、会计电算化等部门级单项应用，发展到MRP、CIMS、ERP、MES、PLM等企业级综合应用。自控技术、信息技术、通信技术等在工厂设计、生产执行、经营管理等方面的应用，为构建数字化工厂提供了技术条件。本世纪以来，企业和社会纷纷提出数字化的目标，取得了不少成功经验和案例。同时，以智能设备和智能终端为基础的智能化技术也在工厂推广应用，智能化工厂成为企业信息化的新热点。
2.工厂的特点与需求
工厂又称制造厂，顾名思义常规的工厂属于制造业。现代化的工厂一般都拥有以机器设备构成的生产线，按照市场需求或订单投入一定的资源（如物料、设备、能源等），按照生产工艺经过一系列物理或变换，得到目标产品，提供给社会。现代的大中型工厂是一个分工精细的复杂机构，需要根据产品订单和原料供应情况，精确计算投入的原料量、生产工艺、加工条件、能源需求，精确调度设备和人力资源，通过计划、调度、控制、协调等一系列手段，把各个部门、各个环节、各种资源统筹优化，合理安排产品生产进度，保证产品质量，控制产品成本，提高劳动生产率和效益。
从生产工艺角度工厂可分为离散型生产和流程型生产。装备制造、汽车、造船、电子等行业属于离散型工业，其特点是加工装配式生产。炼油、化工、冶金、制药等行业都是连续型流程工业，其特点是一种从原料通过物理变化和化学变化，以连续生产方式到产品。从近半个世纪的发展看，工厂基本沿两条路线发展：一是依靠传统制造技术的发展而发展，二是借助自动化和计算机等技术的发展而发展。上世界八十年代以来，信息技术的应用越来越广泛，在工厂生产经营管理过程中发挥的作用越来越显著。信息技术等新兴技术与传统的制造技术相融合，产生了新型生产制造方式与信息系统，数字化工厂、智能化工厂就是新型生产方式的典型表现形式。
3.数字化工厂的发展与实现
3.1 数字化的概念
数据是人们利用规定的符号对现实世界的事物及其活动所做的抽象描述和记录，将数据以有意义的形式加以排列和处理，就形成了信息。记录数据最常用的是数字，如在数学语言中通用的是阿拉伯数字，二进制的“0”和“1”是计算机处理语言的基础。数字化是将各种形式的信息转变为可以度量的数据，再以这些数据为基础建立起适当的数字化模型，把它们转变为一系列二进制代码，引入计算机内部，进行统一处理和应用。
3.2 数字化工厂的发展
随着以计算机为核心的数字化技术应用于制造业，逐步产生了数字化工厂的概念。数字化工厂是将真实有形的工厂映射到虚拟的网络中，形成一个与现实工厂相对应的，其功能可以局部或全部模拟工厂行为的系统，可以反映或预测工厂真实的结果。数字化工厂最初侧重于企业内部微观过程数字化，主要是对产品生产过程机理知识的获取，以及进行生产工艺设计和优化控制，即通过虚拟制造技术对生产过程仿真，提前解决实际生产中可能出现的问题。随着技术的进步与功能的扩展，形成广义的数字化工厂，即利用集成的信息技术优化整个生产系统的设计与性能，实现生产运营和管理的数字化。
数字化工厂最初起源于数字化产品设计，其代表技术是CAD（计算机辅助设计）、CAM（计算机辅助制造）、CAE（计算机辅助工程）、CAPP（计算机辅助工艺过程设计）和PDM（产品数据管理），目的是解决产品设计和产品制造之间的“鸿沟”。通过对生产过程的模拟，使生产制造过程在数字空间中得以检验，缩短从设计到生产的转化时间，优化生产线配置和布局，减少生产线准备和停机时间，提高产品质量。在广义的数字化工厂中，实现设计数字化、制造装备数字化、生产过程数字化、管理数字化，上至宏观战略决策、下到具体业务操作都采用数字化管理方法和手段。
图1 数字化工厂设计与运营
图2 数字化产品设计与生产
3.3 数字化工厂的应用
数字化工厂是由数字化模型、方法和工具构成的综合应用系统，通过连续的数据集成，对真实工厂进行虚拟现实的仿真，进行数字化综合集成应用。数字化工厂概念和产品出现后，许多制造企业进行实践应用，取得了不少的成功案例。波音公司采用数字化工厂技术缩短飞机设计与制造时间、减少产品缺陷，大幅度降低成本。欧洲空中客车公司在A380飞机研制过程，应用数字化技术，建立了基于PLM（产品生命周期管理）的全球设计制造管理信息平台，实现了分散在30个国家的1500家零部件生产商和供应商之间的网络协同，让所有合作伙伴在统一的数字化平台下协同地开展数字化方式的设计、制造、测试飞机零部件和飞机装配过程。康佳集团通过数字化工厂，减少了90%的手工操作错误，节约30%的产品研发费用。在国内外一些领先的炼油企业，全面集成各种现场数据，实时监测，动态预警，精细化生产运行管理和操作执行。如美国瓦莱罗（Valero）能源公司通过数字化工厂平台，实时监控20000个数据流的情况，对所有信息进行实时汇总，并可实时报警显示，通过电子仪表盘可以知道每桶油的能耗是否超过了计划用量，工厂每年可以节能1.2亿美元到2亿美元的成本。
4.智能化工厂的概念与特征
4.1 智能化工厂的概念
如果说数字化是信息化的基本阶段，那么智能化是信息化的高级阶段。智能化的概念很早就有，我们所熟知的机器人就是智能化产品的代表。智能化是指使对象具备灵敏准确的感知功能、正确的思维与判断功能以及行之有效的执行功能而进行的工作。如今智能化的概念逐渐渗透到社会生活的各个方面，出现了智能电网、智能交通、智能物流、智能工厂等。 智能化在企业的应用形式是建立智能化系统，即利用现代通信技术、软件技术、计算机网络技术、智能控制技术等汇集而成的针对某一个方面应用的智能集合。智能工厂是通过智能设备和模型驱动而构造的智能制造模式，是智能系统与其它学科互相交织而在工厂的综合应用，包括智能控制、智能测量与诊断、智能设计、智能加工、智能调度等。在流程行业广泛应用的先进控制系统是一种基于模型，以系统辨识、最优控制、最优估计等为基础的一种智能控制系统，可以改善过程动态控制的性能，减少过程变量的波动幅度，保证产品质量，提高目标产品收率。中石化燕山石化公司历时五年建成的乙烯APC系统是中国石化第一套乙烯全流程先进过程控制系统，该系统自动将装置总处理量实时推向最大化，每年可提高产量2%左右。
4.2 智能化工厂的主要特征
智能化工厂是采用智能技术的生产实现模式，以智能系统为载体和平台，代替人的部分活动。智能化强调整体自组织能力与个体的自主性，系统的建模需要大量的基础数据，系统的仿真需要实时数据支持，系统要具备一定的容错能力，并具有学习能力。通过与物联网、移动应用、虚拟现实等新技术结合，不断将智能化工厂的功能扩展。智能化工厂主要特征如下。
（1）自组织能力
系统具有思维能力，即具有处理和再生信息的能力，通过模型和知识库及相关规则，进行经验思维、逻辑思维或创造性思维，从而使系统具有智能的行动和反应能力，支持快速的智能管理决策，使生产操作更加智能和可控。
（2）自学习和调整
系统可以从专家和知识库直接获取知识，可以依据指令、状态变化和工作任务，学习和积累相关知识，完善和改进控制策略，在信息不完整或出现误差时，可以自我判断、自我调整，具有容错能力。
（3）广泛的互联互通
通过物联网实现物与物、人与物的互联，通过互联网实现企业内外信息互联互通，通过传感器与工业无线网通信技术、WI-FI通信技术、RFID通信技术、以及3G、4G通信技术相结合，实现信息的实时传递，保证系统运行的有效性，使各级用户得到工厂真实的信息，可以远程监视现场状态。
（4）全面实时的感知
RFID、传感器等感知设备广泛应用。由传感器构成信息感知单元，感知了物体的信息，RFID赋予物体电子编码，构成了完整的感知网，实现实时自动采集。智能传感器精度更高，具有判断、分析和信息处理能力，具备良好的可靠和稳定性，并能够自我管理。
（5）模拟与预测
模型是智能系统的基础之一，通过模型可以在工厂投产进行模拟，检查缺陷，完善设计和施工；在工厂运营过程中对生产计划、生产运营、能源消耗等模拟，对工厂运行状态进行描述和预测，发现瓶颈和问题，给出调整和改造建议。
（6）智能维护管理
通过对现场设备的实时监控和建模分析，可以自动生成维修计划，系统会自动提醒管理人员及时对设备进行维护，预防事故的发生。设备资产具有唯一的识别码，可以自动跟踪资产的数量和位置，合理安排采购计划和库存。
5.结束语
传统工厂采用先进的工艺技术和设备，先进的自动化控制系统及先进的管理方法，实现现代化。以计算机和网络为代表的信息技术覆盖到工厂各个环节，以数字化工厂为目标，在产品设计研发、生产制造、经营管理、办公管理等方面数字化、信息化水平不断提高。
随着智能技术的发展，智能化系统在工厂逐步推广应用。通过智能系统驱动智能设备，实现智能设计、智能操作、智能调度、智能生产、智能维护与管理等，使生产、经营管理的一体化、集成化水平进一步提高，并向柔性化、敏捷化、虚拟化发展。随着技术的发展与应用的深入，数据化工厂与智能化工厂互相交融，自动化、数字化、网络化、模型化、智能化等综合集成应用，为建立内外协同的信息平台，提高企业工作效率和竞争能力，提供全面的支撑。
参考文献
[1]中国石油和化学工业联合会.中国石油和化工化工两化融合发展报告[R].2011.
[2]庄亚明.数字化工厂信息系统结构研究[J].计算机与应用化学，2005，22（8）.
[3]周新建，潘磊.基于数字化工厂的虚拟制造技术[J].机械设计与制造，2006（7）.
[4]曾芬芳，景旭文.智能制造概述[J].清华大学出版社， 2001，4.
[5]顾新建，祁国宁，唐任仲.智慧制造企业——未来工厂的模式[J].航空制造技术，2010（12）.
[6]王亚唯.物联网发展综述[J].科技信息，2010（3）.
[7]中华人民共和国科学技术部.智能制造科技发展“十二五”专项规划.2012.