1. 前言

21世纪以来，全球科技创新进入密集活跃期，自动化加速走向信息化、数字化、网络化、智能化，新技术、新产业、新模式新业态大规模涌现，深刻影响着全球科技创新版图、产业生态格局和经济走向。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，以产品全生命周期的相关数据为基础，在计算机虚拟环境中，对整个生产过程进行仿真、评估和优化，并进一步扩展到整个产品生命周期的新型生产组织方式。同时也是现代数字制造技术与计算机仿真技术相结合的产物，同时具有其鲜明的特征。它的出现给基础制造业注入了新的活力，主要作为沟通产品设计和产品制造之间的桥梁。不过，数字化工厂也不等于全自动化。数字化工厂的价值，并不是完全用自动化设备取代人，而是用来帮助人。此外，数字化工厂另一个重要价值是提高效率。当前中国制造企业更多地是考虑如何控制成本、提高效率。通过效率的提高，可以在人工成本不增加的同时增加产能。所以数字化工厂建设意义重大，本文将结合化工企业的实际情况，探讨如何构建数字化工厂。

2. 数字化工厂建设构架

数字化工厂建设架构从产品全生命周期、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。

(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。

数字化工厂核心，即是ERP、PLM、MOM、WMS、DCS五大系统的全面集成，并以MES(制造运营系统)为中枢核心，形成智能制造创新平台。通过五大系统深度集成，明确定义系统业务边界。

(1) PLM：对企业知识型资产的管理，实现对产品的数据管理、项目管理、变更管理、协同管理、标准化管理、安全管理等，为制造企业提供了一个可伸缩的研发管理平台。

•PLM与ERP集成：PLM将PBOM和工艺路线传给ERP，ERP根据零件的标准成本、建议成本、现行成本基础数据，结合加工中心和成本中心，自动生成CBON。

•PLM与MOM集成：PLM将MBOM、SOP传给MOM，指导MOM生产管理。当产品发生设计变更，会将变更数据实时同步到ERP、MOM系统。

(2) ERP：将企业的三大流：物流，资金流，信息流进行全面一体化管理。特别提一下，ERP不要过多管理制造端，只需以报工方式，保存制造端的生产结果，用于财务成本核算。

•与PLM集成

•与MOM集成：将生产基础数据(物料、销售订单)传给MOM。APS将分解后的制造工单回传给ERP，MES将生产数量、物料消耗数量，按照一定周期回传给ERP。

•与WMS集成：实时同步物料基础数据、仓库基础数据、库存数量。

(3) WMS：通过入库业务、出库业务、仓库调拨、库存调拨和虚仓管理等功能，对批次管理、物料对应、库存盘点、质检管理、虚仓管理和即时库存管理等功能综合运用的管理系统，有效控制并跟踪仓库业务的物流和成本管理全过程。

•与ERP集成：如果需要提供一整套的仓库解决方案的话，ERP系统依然存在一些缺陷的，我们也了解到WMS系统可以弥补ERP系统的一些缺陷。因此，如果你想拥有一个强大的仓库管理解决方案，那么可以将ERP系统与WMS系统两者结合起来使用。

•与MOM集成：当车间MES接料时，WMS实时将物料批次信息传给MES，绑定接料工位。当成品入库时，MES实时将物料批次信息传给WMS，绑定仓库和储位。

(4) DCS：SCADA+PLC的生产现场控制系统。

•与MOM集成：MES将工单下达到机台设备，对设备、模具、刀具、人员防错，指导设备生产。DCS将设备状态、工艺参数数据(温度、压力、扭矩、...)回传给MES，与生产工单关联，用于生产追溯。

数字化工厂解决方案-系统工具组合

在数字化工厂解决方案方案中，系统工具的组合如下：

•APS：高级排产排程，Preactor

•MES：制造执行系统，SIMATIC IT UA、CAMSTAR

•QMS：质量管理系统，IBS

•SCADA：数据采集与监控系统，WinCC

3. 数字化工厂的中枢核心

MES在整个企业信息集成系统中承上启下，是生产活动与管理活动信息沟通的桥梁，以MES(制造运营系统)为中枢核心，形成了智能制造创新平台。不实施MES，管控一体化只是一句空话。对于面向制造加工业和过程工业的ERP，脱离MES将无法根据市场需求去组织、管理和优化生产。它在生产过程控制与管理之间实现无缝链接，从而对生产过程实现全过程高度协调的控制和管理。

1.MES是一座“桥”，是在ERP(Enterprise Resource Planning)与PCS(Process Control System)之间的一座桥，起到了承上启下的核心作用。它为管理与过程控制系统之间提供了一个通道，使两者之间有机地构成一个整体，实现信息的无缝链接与共享。

2.MES实现了生产工艺全过程的一体化管理，并对全过程进行优化处理。在特殊情况下，可以保证全流程生产的正常进行，所有有价值的数据还可以得到妥善保存。

3.MES成功地消除了“数据断层”这一困扰钢铁企业信息化的老大难问题。

4.MES将多个自成系统的信息孤岛集成为一个物流、信息流统一的信息系统。

MES的核心是集成，通过对企业各种资源的有效集成，将企业的生产和经营集成为一个高效运转，高效自动化的整体。ERP系统可以从MES中获取到生产成本，制造周期以及预计产出时间等实际生产数据；ERP还可以从MES中取得生产定单的实际状态，企业当前的实际生产能力情况，以及企业中生产内容变化的相互约束关系。PCS过程控制可以利用MES对生产的工艺参数进行优化，PLC基础自动化则可以从MES中获取控制数据或操作指令。当然，MES也需要从ERP或PCS中获取到自身需要的数据，这些数据可以保证MES在生产中的正常运行。

MES的主要功能之一即将企业管理和过程控制衔接起来，形成从传感器到ERP的信息集成。因此，信息集成是流程行业ERP成功发挥作用的基础条件，也是实施MES的第一步。MES信息集成包括：与ERP信息集成；MES横向信息集成；与PCS信息集成。ERP关注产品使用、顾客定单和材料需求，给MES发出生产更多产品或增加库存的指令，以满足客户定单要求。MES负责执行产品制造和所有与产品制造有关的操作。料单和产品设计细节可以存储在MES层，通过MES转化为“如何生产”的指令，提供给操作者和物理设备。一旦指令、规范或其它形式的制造要求传递给控制层，控制层通过改变设备状态和物流形态，满足制造要求。每一层也会发生双向数据交换，以反馈计划执行情况，判断意料之外的状态变化、报警信息和异常事件。MES是一个进入制造过程的双向窗口，在控制和业务计划间集成和驱动关键信息流和命令，从而形成ERP、MES、PCS集成的基础。

MES旨在提升企业执行能力，具有不可替代的作用。尽管MES在国内的应用仍然处于初级阶段，但是，从MES的应用案例中，企业用户已经达成共识：MES如果应用得当，企业最终能够从中获益。我们应该认识到MES是一种非常个性化的系统，这对企业根据自身情况合理选择MES提出了更高的要求。为了配备一套与自己的企业最有效地结合在一起的MES，在建设过程中，我们不仅要客观地认识市场、深入理解MES的真正含义，更要深入分析企业特点、明确企业实际需求，只有在这种基础上建设起来的MES系统才会给我们的企业带来真实的效益。

4. 化工企业数字化工厂建设

化工企业数字化工厂建设架构从产品全生命周期、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。而化工企业构建数字化工厂，要充分考虑到化工工厂的特殊性。

化工生产上的危险源主要有：易燃易爆高温高压，主要炸药库，油库，贮气柜，辐射源(常用于计量)，易燃易爆物品的贮存、输送、反应器，有毒有害物质的贮存、输送、反应器，腐蚀性物质(如酸、碱)的贮存、输送、反应器，强氧化剂的贮存、输送、反应器，高压容器，压力管道，高压电器等。在生产过程中可能造成能量与物质的意外逸散，并可能造成设备损坏、人员伤亡、财产损失和环境污染。过程工业化学工业是属于知识和资金密集型的行业，它由最初只生产纯碱、硫酸等少数几种无机产品和主要从植物中提取茜素制成染料的有机产品，逐步发展为一个多行业、多品种的生产部门。

所以基于化工工业的特殊性，构建数字化化工工厂要充分考虑，笔者通过APS+MES+QMS+TIA无缝深度集成，融入考勤系统，GDS系统和消防火灾报警系统来打造化工企业数字化工厂。

APS系统主要功能为基础数据管理和排产功能。基础数据管理具体为：人员管理。设置各人员基本信息、人工成本、工作时间、排班计划、可操作设备等相关信息。设备管理。包括设备基本信息、工作时间、排班计划等。可对设备进行分组、分工段管理，并能随时查看每台设备所承担任务及任务进展情况。工作日历管理。通过设置工厂日历、周工作计划等工作时间，对每个罐区、每个工人进行映射设定，符合企业生产管理模式。工作时间可准确到分钟，实现对计划的精确管理。排产功能具体为：订单管理。包括项目的创建、分解、浏览、修改、激活、暂停、停止、统计等各种项目管理。直观地查看每个订单和工序的状态，包括是否投产、计划数量、计划交货期、所用时间、提前(或延迟)时间、已完成数量等，所有信息一目了然。精确计划。这是APS的核心排产模块，主要提供各种自动、手动的高级图形化排产功能，轻松应对各种复杂生产情况。

在MES系统的应用下，实现专业的工厂、车间生产信息化管理方案，帮助制造企业提高生产效率。针对目前制造行业的生产管理状况，以及提升企业生产效率和企业竞争力的需求，实施MES系统解决方案成为企业实现生产经营目标的关键。实施MES系统解决方案，能够控制制造型企业工厂车间内的物料、设备、人员、流程指令以及所有资源来提高车间生产的执行控制能力，以提升制造竞争力，从而实现企业实时化的ERP/MES/SFC系统的信息集成控制与管理。透明化制造执行过程，满足企业内部管理改进需求，缩短了产品制造的周期，保障企业的效益同时提高了产品质量。

借助质量管理系统(QMS)，制造商能够以电子方式监控、管理和记录其质量过程，从而确保产品能够在公差范围内制造、符合所有适用标准且不含任何缺陷。质量管理系统(QMS)软件提供了必要的程序、流程、结构和资源，能够简化制造和ERP操作，以经济高效的方式管理质量问题。有效集成在能够主动监控任何企业来源事件的闭环质量流程中，可以在发生质量问题之前发现潜在问题，做到防患于未然。除了监控流程和触发警报，质量管理系统(QMS)还可以直接与制造执行系统(MES)和制造智能协同运行，确保符合公司和行业监管规定，并推行精益和六西格玛等质量计划。因此，质量管理系统(QMS)有助于持续改进产品质量并预防不良事件的发生。质量管理系统(QMS)与制造执行系统(MES)相集成，两者对制造商的业务发展具有战略意义，能够让制造商全面了解制造、现场使用和服务信息。这些信息有助于改进未来的产品设计工作，同时优化生产方法，从而加快制造速度。

TIA全集成自动化包含三方面内容：丰富的产品线：西门子公司能提供覆盖全线的从底层的传感器，驱动设备，到控制器，再到上层的人机界面，SCADA系统，MES系统的软硬件和解决方案。对于现代分层的大型自动化系统，各层之间需要数据交换，在全集成自动化理念下，基于统一的工程工具，数据在各层之间(纵向)能够很轻易地实现共享。自动化系统不会独立于其他系统而存在，在越来越庞大复杂的系统架构下，不同系统之间的合作，共享和兼容是其成功的关键。TIA统一的工程组态环境(SIMATIC Manager/TIA Portal)。可从该统一平台中管理项目，添加集成各种设备，并打开相应的工程软件，项目中各种设备通过各种网络互联。为现场层到管理层提供一致的过程数据，诊断数据和时钟等。

构建数字化化工工厂，通过APS+MES+QMS+TIA无缝深度集成之外，基于化工工业实际情况，考虑集成考勤系统，GDS系统和智能消防火灾报警系统来打造化工企业数字化工厂。

GDS可燃气体和有毒气体检测报警系统。气体报警系统GDS系统由多项设备所构成，包括：气体探测器、GDS系统控制柜、交换机、操作站等。系统的主要功能包含以下几个方面：

1、实时监测：该系统可以实时监测接入系统气体检测仪的浓度数据及工作状态进行显示、记录存储，对超限报警信号进行处理、显示和输出信号。

2、声光报警：当待测气体浓度值超过预设值时，会发出声光报警提示。

3、断电保护：该系统配有UPS不间断电源，当外部电源故障，该电源可以持续进行供电。

4、安全管理：完善用户和权限管理，实时查看现场各个检测仪的位置情况。

5、电子地图：定制化真实厂区平台面图。

消防火灾报警系统，它是由感应触发装置、火灾报警装置、联动输出装置以及其他辅助装置组成的，在火灾发生的初期，会产生烟雾、阴燃烟、火焰等状态，通过感应触发装置探测到相应的信号，触发装置将这一信号传输给火灾报警控制器，并通过声光的形式进行报警通知建筑物内的人员，同时，这一信号传输到监控主机内进行时间、地点的标识，便于及时发现火灾并及时采取处置措施。

消防火灾报警系统是在传统火灾报警系统上的升级，是基于物联网、大数据、云计算等信息化技术实现消防数据云端化监测分析的火灾管理系统。通过在原有感应装置上加装无线网关，将探测到的所有信号直接实现云联动，实现数据上传云端管理，替换原有的主机的管理形式，云端数据管理起来不受设备、地点的控制，更加的方便、灵活，数据安全性更高。智慧用电探测器，针对电气火灾的主要形成因素进行不间断的数据跟踪和监管，实时发现安全隐患，及时开展隐患治理，保障用电安全。

消防用水监控探测器，监测消防用水设备的水位、水压，及时发现消防用水设备上存在的异常及时解决，保障消防用水的稳定正常供应。AI视频联动系统，消防通道堵塞自动报警；烟感视频联动，一旦出现烟雾报警，可联动视频确认警情。将物联网、云平台、大数据、互联网等高新技术集于一体的智能消防无线报警网络服务系统，它改变了过去传统、落后和被动的报警、接警、出警方式，实现了报警自动化、接警智能化、出警预案化、管理网络化、大大提高报警的及时性以及接警出警的速度，有效保障了企业员工生命、财产的安全。

通过APS+MES+QMS+TIA无缝深度集成，融入考勤系统，GDS系统和消防火灾报警系统，至此可视化平台打造的数字化工厂实现数据统一化，集成工业智能化管理系统，打破了数据孤岛化现状，实现了设备可视化，打造工厂管控一体化平台和工业智能化管理平台。有效提高工厂作业的综合监管能力、降低企业运营成本，实现管理精细化、决策科学化和服务高效化，可广泛应用于生产决策、日常监控、作业调度、数据分析、成果汇报等多种场景打造化工企业数字化工厂生产运营端一体化解决方案，数据采集与监控系统安置于中央控制室，用三维技术，在云端再造工厂、车间、设备3个层级的全视角实时场景，配合各类生产计划、产品质量、产量进度、设备状态等管理数据，实时呈现出工厂实际运行状态，消除物理工厂与数字工厂的边界，让智慧工厂信息在大屏一“幕”了然，让决策者、管理者能更清晰地掌握工厂运营状态，实现企业的高效透明运营管理，有任何问题能够及时发现及时反馈及时解决。

5. 总结

综上所述，本文结合工业生产实际和笔者经验首先分析了数字化工厂建设的可行性，探讨利用5G技术实现互联互通、系统集成、数据信息融合和产品全生命周期集成的形式构建数字化工厂。探讨数字化工厂建设的构架基础从产品全生命周期、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。进而探讨针对化工企业数字化工厂建设的方法及内容。尽管数字化工厂不等于全自动化但数字化工厂的价值，并不是完全用自动化设备取代人，而是用来帮助人的，而且数字化工厂的建设极大地提高了效率。

当前中国制造企业更多地是考虑如何控制成本、提高效率。通过效率的提高，可以在人工成本不增加的同时增加产能。所以数字化工厂建设意义重大。本文结合化工企业的实际情况，提出的化工企业数字化工厂构建体系可以帮助企业实现生产过程的数字化和智能化，提高生产效率和质量，降低成本和风险，提高竞争力和市场份额。

作者：宁夏泰胜生物科技有限公司 田亮 吴和平