智慧工厂:工业4.0实训解决方案

本方案以工业4.0（Industry 4.0）和中国制造2025指导思想为主体，融合“互联网+”将工业领域新一代革命技术的研发与创新技术成果、互联网的创新成果深度融合于智能工厂领域之中，提升实体经济的创新力和生产力，形成更广泛的以互联网为基础设施和实现工具的经济发展新形态。

促进以云计算、物联网、大数据为代表的新一代信息技术与现代制造业、生产性服务业等的融合创新，发展壮大新兴业态，打造新的产业增长点，为大众业、万众创新提供环境，为产业智能化提供支撑，增强新的经济发展动力，促进国民经济提质增效升级。旨在将企业生产制造车间由集中式控制向分散式增强型控制的基本模式转变，目标是建立一个高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式。

重点研究智能化生产系统及过程，以及网络化分布式生产设施的实现，主要涉及整个企业的生产物流管理和人机互动在工业生产过程中的应用。同时结合企业生产物流运营模式，结合学校电子技术、机电一体化、电气自动化、生产管理、物流管理及其相关专业现阶段建设情况，以及工业4.0智能工厂实验室规划理念，进行综合且专业化的设计，以工业4.0和“互联网+”模式为实训教学研究载体，构建一个高端精细化实体制造企业运作模式的实验室。

让学生足不出校就能真实体验工业4.0和“互联网+”在生产制造企业的运营模式，增强学生的社会实践能力，提高学生社会竞争力。通过校企合作，校方教师与企业共同从项目调研、需求分析、产品研发、项目实施、系统调试、试运行到实训课程建设，获得成果共享为社会创造价值，从而增强师资教学水平与科研思维意识；提高学校的社会知名度。

1.1 实训室建设目标

通过建立工业4.0智能工厂实验室，能够实现以下目标：

 

建
理论与社会实践相结合；

• 提高学生社会就业竞争力；
• 教学和研究一体化；
• 打造“校中企”的实训模式，创新工业4.0智能工厂综合实训教学模式；
• 在当地打造成工业4.0智能工厂综合实训示范基地；
• 让学生实训后具备制造企业中层管理决策能力；
• 培养具备高端制造领域运作模式和数字化控制技术的高级人才；
• 培养具备“互联网+”业态创新思维与智能工厂整合能力的复合型管理人才。

1.2 实训教学成长规划

认识—让学生通过从观念工业4.0智能工厂到实际工业4.0智能工厂的认识。

理论—从认知层面学习掌握理论、原理、创新思维和技术知识。
 

实操—通过智能工厂实训智能装备与数字化软件系统相结合对所学原理与技术进行实践，掌握工业4.0智能工厂运作中智能制造、智能生产、智能物流运营管理以及信息流通活动协作技能。

演练—根据实验设计，学生通过动脑和动手提升理论与实际的紧密结合能力，深入工业4.0智能工厂跨领域活动各个环节团队运作能力。
 

应用—以满足行业市场需求为任务，模拟高端制造企业实际场景，完成应用操练，形成工业制造生产企业的产前物流、产中物流、第三方物流、智能工厂、“互联网+”企业运作的“战略”意识。

集成—培养学生科技创新意识，利用所学原理知识和掌握的研发技能训练，形成整体工业4.0智能工厂“战略”布局，转化为更为符合中国制造2025战略的层面，提升知识技能系统化。

1.3 工业4.0智能工厂优势特点

 

本工业4.0智能工厂实训实验室不同于以往一般院校建立的工业工程、电气自动化、生产物流实训室，它依托工业4.0、中国制造2025、“互联网+”的信息化技术整合，旨在通过互联网思维、信息通讯技术、网络空间虚拟系统—信息物理系统、相结合的手段，将制造业向智能化转型，提升制造业的智能化水平，建立具有适应性、资源效率及人因工程学的智能工厂，在商业流程及价值流程中整合客户及商业伙伴，其技术基础是网络实体系统及物联网。
 

同时以硬件环境建设、软件环境搭建以及课程体系建设并重的方式实施，确保学校在工业4.0智能工厂硬件设备投入的情况下，通过互联网及其软件平台以及丰富的实践教学课程体系，开展智能化生产、智能制造、智能物流实训实验，充分培养学生在机电一体化、电气工程、电子技术、生产管理、物流工程、工业工程及其相关专业的综合实践应用和科研创新能力。

工业性：硬件产品配置的标准件均采用工业一线品牌，非标件的加工和电气配线均符合国际化工业标准，软件系统均经过世界五百强制造企业运行验证合格，符合“互联网+”行动计划中的数据实时和协同创新理念，最大程度的缩短了与工业级设备的差距。
 

系统以工业柔性加工项目为设计目标，该系统可全自动化、高效率、高精度的制造工业级产品，并可通过射频技术存储并追踪各工序生产信息。

其中数控车床、加工中心、工业机器人、工业总线、工业柔性传输线、检测系统等设备与控制系统均与工业生产应用相一致，将现代化工业现场的各项先进生产制造技术充分融合并展现。

开放性：产品开放了电路气路配线、机械装调等功能，使学生可以真正实现动手实操。电气部分的扩展体现在接口自由，各从控单元均可外接控制器来实现控制功能；机械部分的扩展体现在系统可通过添加新的模块单元来完成系统升级。
 

产品高端性：产品主要电气元件和传动机构均选用德、日进口一线工业品牌产品；机械加工零件如钢制、铝制零件均在保证高标准加工精度的同时，进行了表面氧化、喷涂等处理方式。可确保设备在保证质量和稳定性的同时，达到外形美观的特点。
 

系统采用了德国SIEMENS可编程控制器、变频器；德国P+F工业传感器与RFID射频识别系统；德国SIEMENS或日本FANUC数控系统；日本KAWASAKI工业机器人

柔性生产性：可根据生产计划执行全自动化毛坯出库、检测识别、一次加工、 二次加工、后处理、装配、成品入库的系统功能。

从软件上，通过上位机自动化生产管理系统，可实现生产信息存储追踪功能，和柔性排产计划功能，从而有效记录、统计、追踪、变换生产质量和效率；从硬件上，系统可通过简单的更换一些工装夹具和加工程序，改变生产产品。
 

技术先进性：系统所涉及的车削中心、四轴加工中心、工业机器人（配走行轴）、多轴运动控制系统、工业柔性传输线、RFID射频识别系统等，物联网数据传输可追溯性管理等先进技术均充分体现了系统技术应用的先进型。
 

系统模块化：系统中的单元设备（立体仓库单元、车削中心、四轴联动加工中心、机器人、检测设备等）具有“联机/单机”两种操作模式。所有的单元设备的都可以独立操作，可以单机设备为平台，进行单项技术的研发。
 

综合性：整套系统从机械传动的精心设计、控制元件类型的选用、数据采集的实时、软件系统的集成、产品的柔性化和控制类型上，均体现其特点特性，以多元化为出发点，避免重复使用，使学生可以在一套系统中最大可能的掌握更多知识点。使用户可以根据这一套系统同时设立多门实训课程，从而达到同类几套产品的实训功能。能够实现的技术实训内容包括：系统集成技术、IE工程改善技术、物流工程技术、PLC控制技术、总线技术、电气控制技术、气动技术、液压技术、伺服控制技术、变频控制技术、电子技术、组装技术、运动控制技术、电机拖动技术、直流调速技术、步进闭环控制技术、PID控制技术、机械传动与执行机构技术、故障

     

检测与排除技术、传感技术、测控技术、组态技术、HMI人机交互技术、自动化仓储管理技术、智能仪表控制技术、质量控制技术、图像视觉处理技术、RFID射频识别技术。

便捷性：产品由一个总控单元和各类从控单元等组成，其组成形式采用模块化设计理念，每个从控单元均由支撑平台、刹车脚轮、配电板、执行部分组成。具备结构风格统一、升级扩展灵活等特点。各单元分为手动/自动两种模式，可单站训练也可整体运行，使得实训能够更加安全便捷的进行。
 

安全性：设备具有接地保护、过载保护、短路保护、漏电保护功能、具有误操作保护功能、安全性符合相关的国标标准、所有材质均符合环保标准。所有元器件满足国家CCC认证。

本实训室最大亮点在于改进常规的软、硬件脱节与只做不研或者只研不做的弊端，通过软件集成实训室所有的智能设备，建设创新、智能、自动、系统的工业4.0智能工厂实验室。移植企业运营管理模式，将传统制造业通过互联网思维优化整合与信息物联无缝集成并且转化为高校教学是我司最大的特色。

 

1.4 实训室布局

此工业4.0智能工厂实验室布局灵活，可以系统性布局也可以模块化布局，建议实训室场地在100²以上。

2.1工业4.0智能工厂管理系统

工业4.0智能工厂管理系统是速昇经过数百家知名生产制造企业的咨询规划和实施经验沉淀，同时基于ERP、PLM（产品全生命周期管理系统）、MES（制造执行系统）、控制系统及供应链管理于一体实现整体无缝的信息互联，研发而成的一个透明化智能工厂管理系统。

                                       

               

工业4.0智能工厂管理系统为在激烈的全球竞争中保持优势，制造企业要最大化利用资源，将生产变得更加高效；为适应不断变化的客户需求，制造企业必须尽可能的缩短产品上市时间，对市场的响应更加快速；为满足市场多元化的需求，制造企业还要快速实现各环节的灵活变动，将生产变得更加柔性。而高效、快速、柔性，正是智能化企业为制造业带来的最大变化。

通过智能化的工厂规划，可以减少产品上市时间至少30%；通过优化规划质量，可以降低制造成本20%。而在新产品上市比例、设备生产效率、产品交付能力及营运利润率等多个方面，智能化工厂的指标均远远高于传统制造企业。智能制造带来的不只是炫目的科技，还有实实在在的收益，以及支撑企业长远发展的竞争力。主要包含以下功能特点。

在精益混流生产组织上，基于生产管理的决策，需要采集大量的辅助生产数据。这些数据可以采用DAS系统、条形码和射频标签(RFID)的方式等获得。

系统根据实际需要可以灵活的采用自动收集的收据或者采用条码和RFID以及手工录入的方式提供必要的基础数据，以符合国家要求和生产管理的需要。

根据混流平衡的原则实现排产，由日计划排定上线顺序计划，并计算出装配过程中各个相关工位所需要的物料信息，实现物料的拉动管理。订单管理将允许方便进行次序的调整（包括改序，插序等）。

由于有了相应的订单和BOM信息，还可在特定的工位进行生产的指导，对于出错的情况进行指导和防错防呆处理。

生产物料管理实现对整个生产过程的物料信息的全面实时管理。生产物料管理的功能与生产计划和生产跟踪管理紧密结合，通过设备状态和生产监控的实时数据，对物料消耗的情况进行及时的监控和报告。

根据生产情况，拉动综合仓库和直投料供应商的供料(看板供料、JIT供料、JIS供料)；线边库进行物料的接收；

                      

包括采购计划、采购订单、采购结算、采购费用、价格及供货信息资料等功能模块，基于工作流驱动对采购业务的物流进行有效的跟踪和管理。

                

订单是整个系统的内在驱动力之一，针对不同客户具有多种订单接收策略，常用的 XML 、 EMAIL 、 TXT 文件等方式；订单管理主要包括订单的接收 / 录入、执行情况跟踪等功能。

仓储是供应链执行过程的核心环节，仓储管理包括仓储资源的管理和业务运作流程的实现。主要包括收货、品检、上架、拣选、流通加工、装运、补货、库存控制、可视化监控、移库、盘点等功能。

供应商评估，支持对供应商在的质量、价格、交期、服务、可持续性的改进等各方面进行综合评估； 全程的合同纪录和跟踪；建立供应商-存货价格体系，实现采购询价、比价、筛选、分析等。

             

在生产过程中，产品跟踪尤为重要。产品生产动态队列是物料拉动和订单跟踪的基础。跟踪方式以条形码和射频标签为主，进行生产投料、生产装配、检测，收集生产数据，建立生产信息档案和生产线的监控；根据生产情况进行计划调整。

即时资料处理(Real Time)：生产过程的数据可以进行实时反馈， 保障实时对生产现场的管控。

全部采用电子设备采集生产数据，不需要再填写大量的书面报告

可以及时了解生产现场包括人力、设备、材料等资料的利用情况。

可以通过系统及时了解产品情况，实时把握生产的最新状况。

可与生产自动化设备进行对接，使系统与设备真正一体化。

及时反馈现场生产数据给管理者，让管理者及时对生产过程进行调控。

对于产品生产质量数据，当发现有质量问题的时候，操作员可选择相应的质量问题原因，完成整个记录过程。质量问题的原因内容可根据需要做自定义的修改。需要查询质量数据，只要输入产品的VIN号，即可显示产品的相关质量信息。

建立产品生产全过程档案(工艺、时间、人员、部件、检测等)；建立质量追溯链，实现正反向追溯，追溯至供应商和人员。

                     

从原材料的供应商，生产批号资讯，到生产中的人员设备资讯， 生产测试记录，维修记录以及产品出货后的位址，数量等资讯工业4.0智能工厂管理系统都会忠实的进行记录以建立完整的追溯档案。 当发生问题时，可以提供精确的资料来给分析人员提供帮助来确定问题和确定影响的范围。

通过系统的预警功能，我们可以透过Mail，短信，报警灯等方式可以让相关人员及时发现问题， 在问题扩大之前就将问题消灭，减少由此造成的损失。系统通过现场采集的即时生产资料中发现异常， 然后通知到相关责任人并且停线防止问题扩大而停线，相关人员如果措施正确可以继续生产，否则停线整顿。

                     

在产品生产过程中，提供生产工艺路线视觉化查询, 直观的显示产品应该走的工序，已经走过哪些工序，以及生产详细资料。

以最大限度的降低生产物流成本、提高运作效率为目的，按照实时配送（ JIT ）原则，在多购买商并存的环境中，通过在购买商和各自的供应商之间建立实时的双向链接，构筑一条顺畅、高效的物流通道，为购买、供应双方提供高度集中的、功能完善的和不同模式的配送信息服务。

通过对客户资料的收集、分类、存档、检索和管理，全面掌握不同客户群体、客户性质、客户需求、客户信用等客户信息。以提供最佳客户服务为宗旨，为客户提供物流运作、方案、价格、市场、信息等各种服务内容，及时处理客户在合作中遇到的各类问题，妥善解决客户合作中发生的问题，培养长期的忠诚的客户群体，为企业供应链的形成和整合提供支持。同时包括对客户服务渠道和业务查询的管理，通过客户服务渠道，客户可以通过多种方式（如网上查询、电话查询、短信通知、 E-MAIL 通知等）或者客户订单的状态及其作业情况。

是以集中管控、协同应用的企业管理模式为背景，满足制造企业管理模式变革平稳过渡需要，符合企业管理发展趋势，引入PM、SCM、JIT等思想，结合MRP原理，形成了制造供应链和典型离散制造模式。

2.2 智能生产总控单元

采用了先进的Profibus工业现场总线控制方式，配有主控S7-300PLC、人机界面、MCGS嵌入式组态软件等，系统更大程度上的展现了工业现场的工作状态及现代制造工业的发展方向。