“智能工厂”是描述工业 4.0项目的另一专业术语。这些项目看起来是已经替代了CIM和CAM，但CIM和CAM却并没有因此而被弃用。尽管这些主题受到了很多媒体的广泛关注，但却没有什么新内容。我们从上世纪七十年代中期就开启了向自动化制造发展的征程。真正获得发展的是速度越来越快、价格越来越便宜的计算机，以及越来越复杂、集成程度越来越高的网络连接。同时，无线通讯的成本也大幅降低，但人工和材料成本却不断增加。这些因素都促使自动化风潮再次席卷而来，并且有可能实现无灯、对环境不会产生不良影响的工厂，从而真正实现“精益环保”。
战略与规划
多年来，一直未改变的是实现智能工厂的战略性规划。虽然在自动化方面的投资是很简单，但在集成这些自动化“孤岛”方面的投资却并不简单。这种集成的战略性规划是智能工厂要面临的主要问题。其间，网络连接取得了巨大的进步，已经成为了新型智能工厂中最关键的要素。在I-Connect007发布的免费电子书《印制电路制造中的自动化与高阶制程》中详细介绍了这些要素。
现在，要素是自动化的孤岛。这一重要的第三轴涉及到单元和工作中心之间的物料处理程度和网络通信程度。图1所示为规划智能工厂的6个阶段。大多数要素是目前的设备及新的自动化“孤岛”。这些箭头有着重要意义，表示信息流动的方向，这些信息是智能工厂中新的重要组成部分。
图1：首要任务就是针对智能工厂的整体状况和运营方式制定策略
表1列出了制定智能工厂战略时的更多详情。所需时间是大约值，具体取决于给这项工作所分配的资源。
|
第1阶段 环境评估（4周~8周） |
活动 • 进行系统化检查（流程和质量等等） • 进行“CAD/CAM”审核 • 完成“工艺扫描” • 完成公司审查 • 分析业务预测 |
交付成果 • 系统化/机械化机会概要 • CAD/CAM系统技术指标输入 • 对组织影响的评估 • 成本/效益分析模型的合理性 |
|
第2阶段 计划策略（6周~10周） |
活动 • 针对CBA进行宏观级仿真 • 确定效果目标 • 确立CIM策略和自动化计划 • 为CIM系统开发归档方法 |
交付成果 • 归档的CIM策略和实施计划 • CIM架构 • 组织和人员配备计划 • 功能性流程的数据库映射 |
|
第3阶段 概念设计（6周~10周） |
活动 • 探索初步工艺设备和自动化替代方案 • 发起信息请求（RFI） • 为MFG支持系统制定概念技术指标 • 组件生产技术团队 |
交付成果 • 设备/软件开发的预算详情 • 归档批准的概念性技术指标 |
|
第4阶段 详细设计、要求和规格（13~26周） |
活动 • 完成详细的工艺/设备设计 • 完成系统技术规范规模的详细制造支持 • 与技术供应商交涉 • 制定集成计划 • 执行自动化替代方案的仿真模型 • 制定供应商RFP技术规范 |
交付成果 • 制造系统使用的交互（I/O级）设计文件 • 包含系统功能性规模的REF技术规范 • 详细的成本/效益模型文件 • 实施计划 |
|
第5阶段 开发（此周期依第4阶段用时而定） |
活动 • 选择设备、硬件和软件供应商 • 开发硬件和软件 • 软件编程 • 调试并测试次级系统 |
交付成果 • 已完成的系统软件 • 已完成安装、可运行的操作设备 |
|
第6阶段 实施（此周期依第4阶段用时而定） |
活动 • 构建ATP • 执行系统测试 • 构建系统和用户归档文件 • 执行ATP • 为终端用户提供培训 |
交付成果 • 测试程序验收 • 可运行的CIM系统 • 技术和用户归档文件 |
表1：创建6阶段智能工厂战略的具体详情
计算机架构
智能工厂的计算机架构是人们熟悉的4级架构（图2）。特殊的架构是1995年界定的欧洲ISA-95标准架构。与早期架构的唯一区别在于第4层可能是云。
图2：ISA-95架构仍然是实施工业 4.0自动化首选层级结构
智能工厂另一个必要特征就是以互动的方式来采用众多传感器和物联网设备所产生的数据。管理环境和技术环境的数据所有权和数据结构由多个要素组成（图2）。这些活动都很简单直观，但可交付结果对于项目取得成功是不可或缺的。
图3：e智能工厂的数据所有权和数据结构有被分解为层次、几何结构和功能分散的管理环境和技术环境
数字孪生模型
实施工业 4.0的过程中，数字孪生模型的使用变得越来越普遍。这些产品、制程或服务的虚拟预测模型构成了工程、制造、交付和可持续性的预测模型。
图4：在智能工厂中数字孪生模型越来越多地用于预测结果。（来源：《机械设计》，2019年3月）
虚拟世界和现实世界的结合使人们能够通过分析数据和监控系统来阻止问题的发生。因此可以预防停机故障，同时还可以提供新机遇，具备使用仿真方式来规划未来的能力。由物联网和系统网络（IoS）提供模型和仿真，物联网和系统网络遵循已规划好的未来联网系统所定义的数据结构和数据所有权（图3）。
