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智能制造系统全景图

工业4.0的核心架构由一系列相互关联的关键概念与系统组成。

以下是对智能制造系统核心概念的梳理与解析。

1、CPS

信息物理融合系统：CPS，Cyber - Physical System，由具备物理输入输出，且可相互作用的单元组成的网络。强调各硬件单元之间的相互交流，进一步的，可由交流衍生出决策。

工业3.0和工业4.0区别在于自动决策的层级：工业3.0中，控制单元仅对动作的执行做控制，人仍要向控制单元发出指令；工业4.0中，软件将替代大部分人类的决策过程，由中枢控制软件向受控单元网络发出指令，安排资源调配、时间分配等，并接受受控单元网络的反馈。

2、PLM

产品全生命周期管理：PLM，Product Lifecycle Management，对一个产品的整个生命周期进行管理，从最初的生产设计和生产规划，到生产工程的建设和生产（包括物流），再到产品的使用和服务。

图源：织信PLM

PLM是一种企业信息化的商业战略：它实施一整套的业务解决方案，把人、过程和信息有效集成在一起。

3、CRM

客户关系管理：CRM，Customer Relationship Management，是一种以客户为中心的企业战略与管理技术。它通过信息技术整合销售、营销与服务流程，构建系统化的客户数据仓库，实现对客户生命周期的全程管理，旨在提升客户满意与忠诚度，并驱动业务增长与决策优化。

图源：织信CRM

4、DCS

集散控制系统：DCS，Distributed Control System，是一种以微处理器为基础，遵循“控制分散、管理集中”原则的先进自动化控制系统。它将控制功能分布到多个现场控制器，同时通过中央监控站实现操作、监视与协调，在确保各单元自主可靠运行的基础上，达成系统整体的综合优化与协同。

图源：百科

5、ERP

企业资源计划：ERP，Enterprise Resource Planning，是一种面向整个企业的集成化信息管理平台。它以供应链管理为核心，通过统一的数据和流程模型，将企业内部及外部的物流、资金流、信息流与人力资源进行高效整合与协同规划，为企业战略决策和日常运营提供跨部门、跨地域的实时数据支持与流程优化。

来源：织信ERP

6、MES

制造执行系统：MES，Manufacturing Execution System，是连接上层计划管理与底层工业控制的车间级核心运营管理系统。它通过实时采集与反馈生产现场的人员、设备、物料、工艺指令等信息，对生产订单的执行进行全程跟踪、调度与优化，实现计划层与控制层的信息贯通，是构建透明化、柔性化智能工厂的关键环节。

图源：织信MES

7、PDM

产品数据管理：PDM，Product Data Management，是一项用于统一管理所有与产品相关的数据（如零部件、图纸、规范、结构关系）及其创建与变更过程的技术体系。它确保产品数据的准确性、一致性与安全性，并为产品研发协同提供结构化平台，是支撑产品全生命周期管理（PLM）的重要数据基础。

图源：百科

8、PLC

可编程逻辑控制器：PLC，Programmable Logic Controller，是一种为工业环境设计的专用数字化控制装置。它通过可编程的存储器执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等指令，来控制各类机械或生产过程。作为工业自动化系统的核心执行单元，其软件与硬件的紧密结合实现了高度的可靠性与灵活性。

图源：百科

9、SCADA

监控与数据采集系统：SCADA，Supervisory Control And Data Acquisition，是一种以计算机为基础的生产过程监视与控制架构。它通过对广泛分布的现场设备进行数据采集、状态监控、过程控制和报警管理，实现对远程设施的集中可视化管控与高效调度，是构成工业物联网和实现远程智能运维的关键系统。

图源：织信

10、SCM

供应链管理：SCM，Supply Chain Management，是一种对从原材料采购到产品交付最终用户的整个供应链网络进行系统化计划、协调、操作、控制和优化的集成化管理模式。它通过信息流、物流、资金流的高效协同，旨在以最低的总成本实现客户需求的最大化满足，提升整个链条的响应速度、柔性与竞争力。

图源：百科

11、WMS

仓库管理系统：WMS，Warehouse Management System，是一种通过信息技术对仓库作业全流程进行精细化管理的软件系统。它覆盖从货物入库、存储、拣选、配送到盘点等所有环节，通过任务调度、资源优化和实时数据跟踪，实现对库存水平、作业效率与物流成本的精准控制，是现代智能物流与供应链的核心执行单元。

图源：织信

典型智能制造系统的构成

典型的智能制造系统由3大部分组成，分别是信息空间、物理空间、通信系统。

1、信息空间：

由数据库和工业控制软件两部分组成，它们共同的特点是，它们的存在和呈现依附于实物（比如说计算机和硬盘），但它们的变化并不依托于实物的运动。

• 工业控制软件：在现阶段，主要起到辅助人类梳理信息、做出规划和决策、并发出指令；

• 数据库：一切有效决策必然是基于已知信息，信息、基础设施和规则，构成了数据库。

2、物理空间：

主要是指用于工业加工的设备及其他硬件，多数自动化设备不仅包含执行运动的单元，也包括PLC、传感器等非运动单元，此二者常集成在设备上，其中PLC负责控制设备的运动，在功能上PLC等是信息空间的一部分；传感器负责生产过程中的信息采集，功能上是通信系统的一部分。

3、通信系统：

工业4.0和工业3.0相比，最重要的特点之一，就是不仅软件和设备之间可以进行信息的交流，软件与软件之间、硬件与硬件之间，也存在信息的交流。通信系统是信息传递和交流所依赖的载体，按照通讯范围常用的通信方式包括内网、局域网、外网等。通信系统也包括一些硬件的基础设施，包括路由器、电缆/光缆、信号发生器/接收器等。

• 内网：仅能实现系统内各单元之间的相互通信；

• 外网：可实现与系统外（包括市场、其他公司等）的相互通信；

• 局域网：允许系统访问外网，但不允许外网访问系统。

信息空间+物理空间+通信系统=完整的CPS系统

系统构成的仿生学类比

典型的智能制造系统的基本结构与人体系统有很强的相似性，智能制造系统是在工业1.0、工业2.0、工业3.0的基础上逐步演化而来，所以整体的仿生学设计可能并不存在。这种相似性也许是由于人类认知的局限导致的。

数据库类似于大脑的记忆功能：已知的信息，无论对于智造系统来说，还是对于人体来说，都是做出决策的基础。

工业软件类似于大脑的思考决策功能：工业软件主要是基于已有数据信息，辅助人类梳理信息、做出规划和决策、并发出指令。

通信系统类似于神经纤维：人类的神经纤维主要起到传输人类大脑和各肢体器官中的电信号的作用，肢体器官靠电信号向大脑反馈感觉，大脑靠电信号向肢体发送指令。

智能装备类似于人的躯干：当前常用的机械手，无论是外部形态和内部结构，都与人类手臂有很大相似性。

大脑思考VS工业软件

就像人类大脑的不同区域，有语言、动作、情感等不同分工一样，智能制造的过程也涉及不同的功能板块，对应的由不同的工业软件进行管理，常见的工业软件包括PLM、ERP、MES、WMS、PDM、SCM、CRM、SCADA等，整个软件系统大体分为三个层次：

1、规划层（企业层）：

PLM为基础，ERP为核心，制定总的生产计划，负责资源的调配，并将生产计划的命令下达给操作层；由于PLM涉及研发过程，通常PLM平台上会集成CAD等研发类软件。

2、操作层（车间层）：

以MES为核心和平台，集成所有生产中所需要的功能操作模块，包括SCADA、WMS等，分解和细化规划层下达的生产计划，将生产命令下达给控制层。

3、控制层（终端层）：

以PLC为代表，是集成了软件的硬件，接受操作层的指令，并直接控制设备运动。控制层不是完全的软件，也是硬件设备的一部分。

通过以上概念与架构的协同，工业4.0实现了从传统自动化到智能化、自决策生产的跨越。