基于“工业4.0”背景下的高校数字化工厂实践平台建设研究
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摘要：基于“工业4.0”背景下的高校数字化工厂实践平台以建设数字化产品数据、智能化管理软件、可视化生产过程、自动化生产设备，即“四化融合”为核心，以为学生、企业、社会“三服务”为宗旨，以培养学生的工程设计能力、工程实践能力、生产管理能力、信息化应用能力、智能制造能力为重点，为全校各相关专业提供集机械、电子、信息、系统和管理为一体的具有现代工程背景的教学环境和平台。通过平台的实践项目训练，培养学生具有多学科的综合知识和技能，为智能制造提供人才支撑。
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.
关键词：工业4.0；数字化工厂；实践平台
Key words： industry 4.0；digital factory；practice platform
中图分类号：G719.21 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）30-0115-03
0 引言
新一轮工业革命大潮中，各国纷纷把发展先进制造业上升为国家战略，德国推出“工业4.0”，美国提出“再工业化”，都在努力争夺全球制造业的领先地位[1]。中国制造业由于人力成本上涨、产能过剩、技术含量不高、品牌影响力不够，一直以来依靠低成本、高消耗、高排放推动增长的模式已经严重阻碍其发展。目前企业以劳动密集型为主，自动化水平较低，已实现数字化管理，数字化设计，数字化制造的还不多，随着人口红利减弱，低成本优势消失，发达国家制造业回流，传统制造业的产业升级成为必须要着力解决的关键问题。
企业在产业升级过程中需要面对两个问题，一个是企业需要大量复合型高技术技能人才问题，二个是如何升级的问题。高校建设数字化工厂实践平台可以解决这两个问题。利用数字化工厂实践平台，培养学生对数字化工厂体系的认识理解及相关设备的操作，了解工业，制造业，智能制造的生产模式、组织模式，产品形态等，为企业升级提供相关的高技能人才。同时，又可以为企业升级做示范。
国内的高校对数字化工厂实践平台的研究比较少，知网上相关文章并不多，如：苏亚辉《高职工科类专业数字化实训工厂的建设》只是提出把现代化的企业生产流程引入日常实训教学。宫海斌《校企合作――数字化实训基地的建设与管理研究》提出了通过校企合作、工学合一，引进企业先进生产理念、企业文化、管理经验、产品设备为学生实习实训提供保障的理念。周月侠《高职院校建立数字化工厂意义浅析》只是介绍了高职院校建立数字化工厂的意义。武平丽《模拟数字化工厂的实训中心建设方案研究》提出利用工业控制软件，模拟数字化工厂控制工程的设计、安装、仿真调试和投运的方案。这些研究还只是对数字化工厂理念和实训仿真的研究。还有少数的高职院校建设了校内智能工厂，但只是停留在现成的硬件集成或建一条数字化生产线和厂房，在软件方面，基本是购买商品化的各种应用软件，不仅成本高，而且各软件的集成相当困难，应用的效果并不理想。
基于“工业4.0”高校数字化工厂实践平台依托于具有自主知识产权的JDDFS数字化工厂平台，根据校内现有的以及可以增加的硬件设备进行数字化升级和改造，不仅成本低，而且易实现，可以作为机械、机电、控制、电子乃至管理类专业的实践基地。通过依托平台开发的实践项目，培养学生具有生产第一线或工作现场技术操作与指导、工程管理方面的技能，知识技能高度复合，该实践平台建设对培养数字化设计与制造、数字化加工、数字化管理人才，推进数字化工程，提升制造业竞争力有重要意义。
1 数字化工厂实践平台建设目标
建设“四化融合，三服务”的数字化工厂实践平台，即：数字化产品数据、智能化管理软件、可视化生产过程、自动化生产设备，更好的为学生、企业、社会服务。
①数字化工厂实践平台面向学生主体群，面向全校相关专业，打造一个真实的、适合的、可行的，能培养适应智能制造的专业技能人才的实践平台，使学生在校期间对未来智能制造体系有一个比较清晰的认识和概念。
②为目前自动化程度不高，信息化管理落后的中小企业提供数字化工厂的示范。
③培训社会人员。企业经营风险增加，员工技能老化率上升，工作岗位重组频繁，在职员工流动加大，再就业的终身进修成为必要手段。利用该实践平台可以开展层次多样，期限不同的各种培训，为社会人员再就业提供保障。
2 数字化工厂实践平台建设内容
数字化工厂实践平台建设分为两部分，一是数字化工厂实践平台的建设，二是针对此平台的教学实践项目的开发。
2.1 数字化工厂实践平台的建设
数字化工厂实践平台是由硬件与软件组成，即车间硬件设备与产品数据管理系统、企业资源计划系统、制造执行系统、过程控制系统进行集成，形成综合信息流自动化集成制造系统[2]。
数字化工厂实践平台从组织结构上分为四层：设计与制造层、计划管理层、数字化制造层和底层控制层。
2.1.1 数字化工厂实践平台软件运用
数字化工厂实践平台软件主要由三部分组成：PDM系统（产品数据管理）、ERP系统（企业资源计划）、MES系统（制造执行系统）。PDM解决了“做什么”的问题，ERP解决了“何时何地由谁做”的问题，MES解决了“怎么做”的问题。
①产品数据管理（PDM， Production Data Management）软件的运用。
产品数据管理是位于设计与制造层的管理软件，它是介于数据库和应用软件间的一个软件开发平台，解决了“做什么”的问题。通过PDM平台，实现CAD/CAM/CAPP/CAE的一体化，使产品向无图纸制造方向发展。产品CAD数据经过校核，直接传送给数控机床完成加工[3]。
②企业资源计划（ERP， Enterprise Resource Planning）软件的运用。
ERP是位于计划管理层的管理软件，主要用于制造资源（人、财、物、信息等）的组织和控制，解决了“何时何地由谁做”的问题，在数字化工厂实践平台上重点实现物料需求、物流及库存管理功能。
③制造执行系统（MES， Manufacturing Execution System）软件的运用。
MES是处于计划管理层与底层控制层之间的数字化制造层的管理软件，解决了“怎么做”的问题，在数字化工厂平台上实现生产调度、产品跟踪、质量控制、设备故障分析及在ERP生产计划的指导下，采集现场自动化系统与生产相关的实时数据，自动生成生产日计划，现场监控、生产过程优化等任务[4]。
2.1.2 数字化工厂实践平台系统集成
数字化工厂实践平台实现以数字化制造层为核心与其它部分的集成。一与设计与制造层进行集成。二与计划经营管理层集成。三与底层控制集成。
2.1.3 数字化工厂的硬件建设
根据已有的数控设备及增加设备，进行整体布局。即对厂房设计、车间内部设施、整体信息化及各种物流进行规划设计。车间内部设施的布局包括：生产设备的位置与摆放；各工位的位置；车间内各种附件位置；立体化仓库的位置以及实时数据采集设备的安装；车间生产监控设备安装；车间信息看板设备安装等。整体信息化包括：机房、中控室的选择；DNC子网的综合布线、网络设备的位置及其防护设备等[5]。
数字化工厂实践平台的总体运行机制是“数据驱动”，即从PDM系统中获取产品的结构数据信息，输出各种与生产有关的信息，实现与ERP和MES等系统的交互。图1给出了数字化工厂实践平台信息化框架图。
2.2 数字化工厂实践平台教学实践项目开发
数字化工厂实践平台提供一个了具有现代化管理特征的工厂环境，在此平台上开发了五大模块的实践项目，分别为基础模块、设计工艺模块、计划管理模块、数字化制造模块、设备操作模块。图2给出了数字化工厂实践平台教学实践项目。
第一模块：基础模块
①数字化工厂认识（音像教材、数字化工厂实践平台）；
第二模块：设计工艺模块
②机械CAD/CAM（产品设计与制造）；
③CAPP（产品工艺）；
④逆向工程（产品设计过程再现）；
第三模块：计划管理模块
⑤物料管理（适时、适量、适价、适质地满足对物料的需求）；
⑥生产管理（信息化生产管理）；
第四模块：数字化制造模块
⑦制造物联网工程（把互联网和物联网技术应用到制造业领域）；
⑧质量管理（全面、全过程、全员参与、全企业的质量管理）；
⑨数据采集技术（从系统外部采集数据并输入到系统内部，如条码技术、RFID技术）；
⑩传感器技术应用（合理选用各种类型的传感器，常用检测仪器和传感器的操作和调试）；
{11}AGV小车（原理、结构、种类及应用，物料运输、出入库运输等）；
{12}立体化仓库（工作原理、货物入库、出库及盘库流程）；
第五模块：设备操作模块
{13}数控设备编程与操作（数控车、铣，加工中心的编程与操作）；
{14}用于典型加工对象的制造单元{箱体类零件、轴类零件、盘类零件}（针对不同加工对象的机床选择、工艺安排与加工操作）。
3 数字化工厂实践平台建设过程
数字化工厂的建设过程分五步：①总体规划；②初步设计；③详细设计；④工程实施；⑤运行和维护。图3给出了数字化工厂实践平台研究过程。
4 结论
数字化工厂实践平台以建设数字化产品数据、智能化管理软件、可视化生产过程、自动化生产设备，即“四化融合”为核心，以为学生、企业、社会“三服务”为宗旨，以培养学生的工程设计能力、工程实践能力、生产管理能力、信息化应用能力、智能制造能力为重点，为全校各相关专业提供集机械、电子、信息、系统和管理为一体的具有现代工程背景的教学环境和平台。通过平台的实践项目训练，培养学生具有多学科的综合知识和技能，为智能制造提供人才支撑。
产品数据管理PDM、制造执行系统MES、企业资源计划ERP三个管理软件的开发依托于具有自主知识产权的JDDFS数字化工厂平台，根据校内现有及增加的硬件设备进行数字化升级和改造，成本低，集成方便，易于实现，应用的针对性更强。
针对数字化工厂产品生产过程来开发实践项目。在实践项目的总体构建上注重实践项目之间的学科相关性和生产、工艺、技术、管理的完整性，使学生得到对数字化工厂从产品设计、工艺、管理到加工的完整实践，保证了认识的全面性和系统性。
参考文献：
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[2]王海峰.高职软件技术专业实训基地建设研究――以南通职业大学为例[J]. 南通职业大学学报，2013（4）：22-24.
[3]王建军，魏平安.高速数控技术的发展及其应用[J].机械制造，2009（9）：12-15.
[4]张国军，黄刚.数字化工厂技术的应用现状与趋势[J].航空制造技术，2013（4）：18-20.
[5]吴云峰，邱华，胡华强.面向设计与制造的数字化工厂平台[J].中国制造业信息化，2011（1）：25-28.