郝靜++張凱

摘要：基于“工業(yè)4.0”背景下的高校數字化工廠實踐平臺以建設數字化產品數據、智能化管理軟件、可視化生產過程、自動化生產設備，即“四化融合”為核心，以為學生、企業(yè)、社會“三服務”為宗旨，以培養(yǎng)學生的工程設計能力、工程實踐能力、生產管理能力、信息化應用能力、智能制造能力為重點，為全校各相關專業(yè)提供集機械、電子、信息、系統(tǒng)和管理為一體的具有現(xiàn)代工程背景的教學環(huán)境和平臺。通過平臺的實踐項目訓練，培養(yǎng)學生具有多學科的綜合知識和技能，為智能制造提供人才支撐。

Abstract： Digital Factory is built with the core of "four modernizations integration" which are digital product data， intelligent management software， visualization of the production process and automated production equipment. It provides mechanical， electronics， information， systems and management as one of the modern teaching environment and platform engineering background to the relevant professional of the school. It can train students engineering design capabilities， the ability to practice engineering， production management ability， information technology application ability and intelligent manufacturing capacity by giving service to students， enterprises and society. Through the platform of practice project training， the students have the multi-disciplinary comprehensive knowledge and skills， to provide talent support for intelligent manufacturing.

關鍵詞：工業(yè)4.0；數字化工廠；實踐平臺

Key words： industry 4.0；digital factory；practice platform

中圖分類號：G719.21 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）30-0115-03

0 引言

新一輪工業(yè)革命大潮中，各國紛紛把發(fā)展先進制造業(yè)上升為國家戰(zhàn)略，德國推出“工業(yè)4.0”，美國提出“再工業(yè)化”，都在努力爭奪全球制造業(yè)的領先地位[1]。中國制造業(yè)由于人力成本上漲、產能過剩、技術含量不高、品牌影響力不夠，一直以來依靠低成本、高消耗、高排放推動增長的模式已經嚴重阻礙其發(fā)展。目前企業(yè)以勞動密集型為主，自動化水平較低，已實現(xiàn)數字化管理，數字化設計，數字化制造的還不多，隨著人口紅利減弱，低成本優(yōu)勢消失，發(fā)達國家制造業(yè)回流，傳統(tǒng)制造業(yè)的產業(yè)升級成為必須要著力解決的關鍵問題。

企業(yè)在產業(yè)升級過程中需要面對兩個問題，一個是企業(yè)需要大量復合型高技術技能人才問題，二個是如何升級的問題。高校建設數字化工廠實踐平臺可以解決這兩個問題。利用數字化工廠實踐平臺，培養(yǎng)學生對數字化工廠體系的認識理解及相關設備的操作，了解工業(yè)，制造業(yè)，智能制造的生產模式、組織模式，產品形態(tài)等，為企業(yè)升級提供相關的高技能人才。同時，又可以為企業(yè)升級做示范。

國內的高校對數字化工廠實踐平臺的研究比較少，知網上相關文章并不多，如：蘇亞輝《高職工科類專業(yè)數字化實訓工廠的建設》只是提出把現(xiàn)代化的企業(yè)生產流程引入日常實訓教學。宮海斌《校企合作——數字化實訓基地的建設與管理研究》提出了通過校企合作、工學合一，引進企業(yè)先進生產理念、企業(yè)文化、管理經驗、產品設備為學生實習實訓提供保障的理念。周月俠《高職院校建立數字化工廠意義淺析》只是介紹了高職院校建立數字化工廠的意義。武平麗《模擬數字化工廠的實訓中心建設方案研究》提出利用工業(yè)控制軟件，模擬數字化工廠控制工程的設計、安裝、仿真調試和投運的方案。這些研究還只是對數字化工廠理念和實訓仿真的研究。還有少數的高職院校建設了校內智能工廠，但只是停留在現(xiàn)成的硬件集成或建一條數字化生產線和廠房，在軟件方面，基本是購買商品化的各種應用軟件，不僅成本高，而且各軟件的集成相當困難，應用的效果并不理想。

基于“工業(yè)4.0”高校數字化工廠實踐平臺依托于具有自主知識產權的JDDFS數字化工廠平臺，根據校內現(xiàn)有的以及可以增加的硬件設備進行數字化升級和改造，不僅成本低，而且易實現(xiàn)，可以作為機械、機電、控制、電子乃至管理類專業(yè)的實踐基地。通過依托平臺開發(fā)的實踐項目，培養(yǎng)學生具有生產第一線或工作現(xiàn)場技術操作與指導、工程管理方面的技能，知識技能高度復合，該實踐平臺建設對培養(yǎng)數字化設計與制造、數字化加工、數字化管理人才，推進數字化工程，提升制造業(yè)競爭力有重要意義。

1 數字化工廠實踐平臺建設目標

建設“四化融合，三服務”的數字化工廠實踐平臺，即：數字化產品數據、智能化管理軟件、可視化生產過程、自動化生產設備，更好的為學生、企業(yè)、社會服務。

①數字化工廠實踐平臺面向學生主體群，面向全校相關專業(yè)，打造一個真實的、適合的、可行的，能培養(yǎng)適應智能制造的專業(yè)技能人才的實踐平臺，使學生在校期間對未來智能制造體系有一個比較清晰的認識和概念。

②為目前自動化程度不高，信息化管理落后的中小企業(yè)提供數字化工廠的示范。

③培訓社會人員。企業(yè)經營風險增加，員工技能老化率上升，工作崗位重組頻繁，在職員工流動加大，再就業(yè)的終身進修成為必要手段。利用該實踐平臺可以開展層次多樣，期限不同的各種培訓，為社會人員再就業(yè)提供保障。

2 數字化工廠實踐平臺建設內容

數字化工廠實踐平臺建設分為兩部分，一是數字化工廠實踐平臺的建設，二是針對此平臺的教學實踐項目的開發(fā)。

2.1 數字化工廠實踐平臺的建設

數字化工廠實踐平臺是由硬件與軟件組成，即車間硬件設備與產品數據管理系統(tǒng)、企業(yè)資源計劃系統(tǒng)、制造執(zhí)行系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)進行集成，形成綜合信息流自動化集成制造系統(tǒng)[2]。

數字化工廠實踐平臺從組織結構上分為四層：設計與制造層、計劃管理層、數字化制造層和底層控制層。

2.1.1 數字化工廠實踐平臺軟件運用

數字化工廠實踐平臺軟件主要由三部分組成：PDM系統(tǒng)（產品數據管理）、ERP系統(tǒng)（企業(yè)資源計劃）、MES系統(tǒng)（制造執(zhí)行系統(tǒng)）。PDM解決了“做什么”的問題，ERP解決了“何時何地由誰做”的問題，MES解決了“怎么做”的問題。

①產品數據管理（PDM， Production Data Management）軟件的運用。

產品數據管理是位于設計與制造層的管理軟件，它是介于數據庫和應用軟件間的一個軟件開發(fā)平臺，解決了“做什么”的問題。通過PDM平臺，實現(xiàn)CAD/CAM/CAPP/CAE的一體化，使產品向無圖紙制造方向發(fā)展。產品CAD數據經過校核，直接傳送給數控機床完成加工[3]。

②企業(yè)資源計劃（ERP， Enterprise Resource Planning）軟件的運用。

ERP是位于計劃管理層的管理軟件，主要用于制造資源（人、財、物、信息等）的組織和控制，解決了“何時何地由誰做”的問題，在數字化工廠實踐平臺上重點實現(xiàn)物料需求、物流及庫存管理功能。

③制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES， Manufacturing Execution System）軟件的運用。

MES是處于計劃管理層與底層控制層之間的數字化制造層的管理軟件，解決了“怎么做”的問題，在數字化工廠平臺上實現(xiàn)生產調度、產品跟蹤、質量控制、設備故障分析及在ERP生產計劃的指導下，采集現(xiàn)場自動化系統(tǒng)與生產相關的實時數據，自動生成生產日計劃，現(xiàn)場監(jiān)控、生產過程優(yōu)化等任務[4]。

2.1.2 數字化工廠實踐平臺系統(tǒng)集成

數字化工廠實踐平臺實現(xiàn)以數字化制造層為核心與其它部分的集成。一與設計與制造層進行集成。二與計劃經營管理層集成。三與底層控制集成。

2.1.3 數字化工廠的硬件建設

根據已有的數控設備及增加設備，進行整體布局。即對廠房設計、車間內部設施、整體信息化及各種物流進行規(guī)劃設計。車間內部設施的布局包括：生產設備的位置與擺放；各工位的位置；車間內各種附件位置；立體化倉庫的位置以及實時數據采集設備的安裝；車間生產監(jiān)控設備安裝；車間信息看板設備安裝等。整體信息化包括：機房、中控室的選擇；DNC子網的綜合布線、網絡設備的位置及其防護設備等[5]。

數字化工廠實踐平臺的總體運行機制是“數據驅動”，即從PDM系統(tǒng)中獲取產品的結構數據信息，輸出各種與生產有關的信息，實現(xiàn)與ERP和MES等系統(tǒng)的交互。圖1給出了數字化工廠實踐平臺信息化框架圖。

2.2 數字化工廠實踐平臺教學實踐項目開發(fā)

數字化工廠實踐平臺提供一個了具有現(xiàn)代化管理特征的工廠環(huán)境，在此平臺上開發(fā)了五大模塊的實踐項目，分別為基礎模塊、設計工藝模塊、計劃管理模塊、數字化制造模塊、設備操作模塊。圖2給出了數字化工廠實踐平臺教學實踐項目。

第一模塊：基礎模塊

①數字化工廠認識（音像教材、數字化工廠實踐平臺）；

第二模塊：設計工藝模塊

②機械CAD/CAM（產品設計與制造）；

③CAPP（產品工藝）；

④逆向工程（產品設計過程再現(xiàn)）；

第三模塊：計劃管理模塊

⑤物料管理（適時、適量、適價、適質地滿足對物料的需求）；

⑥生產管理（信息化生產管理）；

第四模塊：數字化制造模塊

⑦制造物聯(lián)網工程（把互聯(lián)網和物聯(lián)網技術應用到制造業(yè)領域）；

⑧質量管理（全面、全過程、全員參與、全企業(yè)的質量管理）；

⑨數據采集技術（從系統(tǒng)外部采集數據并輸入到系統(tǒng)內部，如條碼技術、RFID技術）；

⑩傳感器技術應用（合理選用各種類型的傳感器，常用檢測儀器和傳感器的操作和調試）；

{11}AGV小車（原理、結構、種類及應用，物料運輸、出入庫運輸等）；

{12}立體化倉庫（工作原理、貨物入庫、出庫及盤庫流程）；

第五模塊：設備操作模塊

{13}數控設備編程與操作（數控車、銑，加工中心的編程與操作）；

{14}用于典型加工對象的制造單元{箱體類零件、軸類零件、盤類零件}（針對不同加工對象的機床選擇、工藝安排與加工操作）。

3 數字化工廠實踐平臺建設過程

數字化工廠的建設過程分五步：①總體規(guī)劃；②初步設計；③詳細設計；④工程實施；⑤運行和維護。圖3給出了數字化工廠實踐平臺研究過程。

4 結論

數字化工廠實踐平臺以建設數字化產品數據、智能化管理軟件、可視化生產過程、自動化生產設備，即“四化融合”為核心，以為學生、企業(yè)、社會“三服務”為宗旨，以培養(yǎng)學生的工程設計能力、工程實踐能力、生產管理能力、信息化應用能力、智能制造能力為重點，為全校各相關專業(yè)提供集機械、電子、信息、系統(tǒng)和管理為一體的具有現(xiàn)代工程背景的教學環(huán)境和平臺。通過平臺的實踐項目訓練，培養(yǎng)學生具有多學科的綜合知識和技能，為智能制造提供人才支撐。

產品數據管理PDM、制造執(zhí)行系統(tǒng)MES、企業(yè)資源計劃ERP三個管理軟件的開發(fā)依托于具有自主知識產權的JDDFS數字化工廠平臺，根據校內現(xiàn)有及增加的硬件設備進行數字化升級和改造，成本低，集成方便，易于實現(xiàn)，應用的針對性更強。

針對數字化工廠產品生產過程來開發(fā)實踐項目。在實踐項目的總體構建上注重實踐項目之間的學科相關性和生產、工藝、技術、管理的完整性，使學生得到對數字化工廠從產品設計、工藝、管理到加工的完整實踐，保證了認識的全面性和系統(tǒng)性。

參考文獻：

[1]李志東.數字化制造車間系統(tǒng)構建[J].一重技術，2011（2）：27-30.

[2]王海峰.高職軟件技術專業(yè)實訓基地建設研究——以南通職業(yè)大學為例[J]. 南通職業(yè)大學學報，2013（4）：22-24.

[3]王建軍，魏平安.高速數控技術的發(fā)展及其應用[J].機械制造，2009（9）：12-15.

[4]張國軍，黃剛.數字化工廠技術的應用現(xiàn)狀與趨勢[J].航空制造技術，2013（4）：18-20.

[5]吳云峰，邱華，胡華強.面向設計與制造的數字化工廠平臺[J].中國制造業(yè)信息化，2011（1）：25-28.