1、智能制造概念

 

    “智能制造”可以從制造和智能兩方面進行解讀。首先，制造是指對原材料進行加工或再加工，以及對零部件進行裝配的過程。通常，按照生產方式的連續(xù)性不同，制造分為流程制造與離散制造。根據我國現行標準GB/T4754-2002，我國制造業(yè)包括31個行業(yè)，又進一步劃分約175個中類、530個小類，涉及了國民經濟的方方面面。

 

    智能是由“智慧（wisdom）”和“能力”兩個詞語構成。從感覺到記憶到思維這一過程，稱為“智慧”，智慧的結果產生了行為和語言，將行為和語言的表達過程稱為“能力”，兩者合稱為“智能（intelligent/smart）”。因此，將感覺、記憶、回憶、思維、語言、行為的整個過程稱為智能過程，它是智慧和能力的表現。

 

    目前，國際和國內都尚且沒有關于智能制造的準確定義，但剛剛發(fā)布的《智能制造發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）》給出了一個比較全面的描述性定義：智能制造是基于新一代信息通信技術與先進制造技術深度融合，貫穿于設計、生產、管理、服務等制造活動的各個環(huán)節(jié)，具有自感知、自學習、自決策、自執(zhí)行、自適應等功能的新型生產方式。推動智能制造，能夠有效縮短產品研制周期、提高生產效率和產品質量、降低運營成本和資源能源消耗，并促進基于互聯網的眾創(chuàng)、眾包、眾籌等新業(yè)態(tài)、新模式的孕育發(fā)展。智能制造具有以智能工廠為載體，以關鍵制造環(huán)節(jié)智能化為核心，以端到端數據流為基礎、以網絡互聯為支撐等特征，這實際上指出了智能制造的核心技術、管理要求、主要功能和經濟目標，體現了智能制造對于我國工業(yè)轉型升級和國民經濟持續(xù)發(fā)展的重要作用。

 

    然而，由于我國技術基礎薄弱發(fā)展不平衡，企業(yè)在進行智能制造實施和升級改造過程中往往茫然不知從何做起。因此，以下將根據智能制造的描述性定義，提出關于智能工廠、制造環(huán)節(jié)智能化、網絡互聯互通，以及端到端數據流等四個方面的初步認識，以期說明智能制造的主要內容。

 

    2、什么是智能工廠

 

    智能工廠是實現智能制造的載體。在智能工廠中通過生產管理系統、計算機輔助工具和智能裝備的集成與互操作來實現智能化、網絡化分布式管理，進而實現企業(yè)業(yè)務流程與工藝流程的協同，以及生產資源（材料、能源等）在企業(yè)內部及企業(yè)之間的動態(tài)配置。

 

    一方面，“工欲善其事必先利其器”，實現智能制造的利器就是數字化、網絡化的工具軟件和制造裝備，包括以下類型：

 

    1）計算機輔助工具，如CAD（計算機輔助設計）、CAE（計算機輔助工程）、CAPP（計算機輔助工藝設計）、CAM（計算機輔助制造）等；

 

    2）計算機仿真工具，如物流仿真、工程物理仿真（包括結構分析、聲學分析、流體分析、熱力學分析、運動分析、復合材料分析等多物理場仿真）、工藝仿真等；

 

    3）工廠/車間業(yè)務與生產管理系統，如ERP（企業(yè)資源計劃）、MES（制造執(zhí)行系統）、PLM（產品全生命周期管理）/PDM（產品數據管理）等；

 

    4）智能裝備，如高檔數控機床與機器人、增材制造裝備（3D打印機）、智能傳感與控制裝備、智能檢測與裝配裝備、智能物流與倉儲裝備等；

 

    5）新一代信息技術，如物聯網、云計算、大數據等。

 

    另一方面，智能制造是一個覆蓋更寬泛領域和技術的“超級”系統工程，在生產過程中以產品全生命周期管理為主線，還伴隨著供應鏈、訂單、資產等全生命周期管理，如圖1所示。

 

 

 

圖1 智能制造生命周期管理

 

    在智能工廠中，借助于各種生產管理工具/軟件/系統和智能設備，打通企業(yè)從設計、生產到銷售、維護的各個環(huán)節(jié)，實現產品仿真設計、生產自動排程、信息上傳下達、生產過程監(jiān)控、質量在線監(jiān)測、物料自動配送等智能化生產。下面介紹了幾個智能工廠中的“智能”生產場景。

 

    場景1：設計/制造一體化。在智能化較好的航空航天制造領域，采用基于模型定義（MBD）技術實現產品開發(fā)，用一個集成的三維實體模型完整地表達產品的設計信息和制造信息（產品結構、三維尺寸、BOM等），所有的生產過程包括產品設計、工藝設計、工裝設計、產品制造、檢驗檢測等都基于該模型實現，這打破了設計與制造之間的壁壘，有效解決了產品設計與制造一致性問題。

 

    場景2：供應鏈及庫存管理。企業(yè)要生產的產品種類、數量等信息通過訂單確認，這使得生產變得精確。例如：使用ERP或WMS（倉庫管理系統）進行原材料庫存管理，包括各種原材料及供應商信息。當客戶訂單下達時，ERP自動計算所需的原材料，并且根據供應商信息及時計算原材料的采購時間，確保在滿足交貨時間的同時使得庫存成本最低甚至為零。

 

    場景3：質量控制。車間內使用的傳感器、設備和儀器能夠自動在線采集質量控制所需的關鍵數據；生產管理系統基于實時采集的數據，提供質量判異和過程判穩(wěn)等在線質量監(jiān)測和預警方法，及時有效發(fā)現產品質量問題。此外，產品具有唯一標識（條形碼、二維碼、電子標簽），可以以文字、圖片和視頻等方式追溯產品質量所涉及的數據，如用料批次、供應商、作業(yè)人員、作業(yè)地點、加工工藝、加工設備信息、作業(yè)時間、質量檢測及判定、不良處理過程等。

 

    場景4：能效優(yōu)化。采集關鍵制造裝備、生產過程、能源供給等環(huán)節(jié)的能效相關數據，使用MES系統或EMS（能源管理系統）系統對能效相關數據進行管理和分析，及時發(fā)現能效的波動和異常，在保證正常生產的前提下，相應地對生產過程、設備、能源供給及人員等進行調整，實現生產過程的能效提高。

 

    總之，智能工廠的建立可大幅改善勞動條件，減少生產線人工干預，提高生產過程可控性，最重要的是借助于信息化技術打通企業(yè)的各個流程，實現從設計、生產到銷售各個環(huán)節(jié)的互聯互通，并在此基礎上實現資源的整合優(yōu)化和提高，從而進一步提高企業(yè)的生產效率和產品質量。

 

    3、如何實現制造環(huán)節(jié)智能化

 

    互聯網技術的普及使得企業(yè)與個體客戶間的即時交流成為現實，促使制造業(yè)可實現從需求端到研發(fā)生產端的拉動式生產，以及從“生產型”向“服務型”產業(yè)轉變。因此，企業(yè)領先于競爭對手完成數字化、網絡化與智能化的轉型升級，實現大規(guī)模定制化生產來滿足個性化需求并提供智能服務，方能在瞬息萬變的市場上立于不敗之地。

 

    看得見的是個性化定制和智能服務，看不見的是生產制造各環(huán)節(jié)的數字化、網絡化與智能化。實現智能制造，網絡化是基礎，數字化是工具，智能化則是目標。

 

    網絡化是指使用相同或不同的網絡將工廠/車間中的各種計算機系統、智能裝備，甚至操作人員、物料、半成品和成品等連接起來，以實現設備與設備、設備與人、物料與設備之間的信息互通和良好交互。生產現場的智能裝備通過工業(yè)控制網絡連接，工業(yè)控制網絡包括現場總線（如PROFIBUS、CC-Link、Modbus等）、工業(yè)以太網（如PROFINET、CC-LinkIE、Ethernet/IP、EtherCAT、POWERLINK、EPA等）、工業(yè)無線網（如WIA-PA、WIA-FA、WirelessHART、ISA100.11a等）等網絡技術。射頻識別（RFID）技術在智能工廠中也扮演重要角色，可實現產品在整個制造過程中的自動識別與跟蹤管理。車間/工廠的生產管理系統則直接使用以太網連接。此外，工廠網絡還要求與互聯網連接，通過大數據應用和工業(yè)云服務實現價值鏈企業(yè)協同制造、產品遠程診斷和維護等智能服務。

 

    數字化是指借助于各種計算機工具，一方面在虛擬環(huán)境中對產品物體特征、生產工藝甚至工廠布局進行輔助設計和仿真驗證，例如：使用CAD（計算機輔助設計）進行產品二維、三維設計并生成數控程序G代碼，使用CAE（計算機輔助工程）對工程和產品進行性能與安全可靠性分析與驗證，使用CAPP（計算機輔助工藝設計）通過數值計算、邏輯判斷和推理等功能來制定和仿真零部件機械加工工藝過程，使用CAM（計算機輔助制造）進行生產設備管理控制和操作過程等；另一方面，對生產過程進行數字化管理，例如：使用CDD（通用數據字典）建立產品全生命周期數據集成和共享平臺，使用PDM管理產品相關信息（包括零件、結構、配置、文檔、CAD文件等），使用PLM進行產品全生命周期管理（產品全生命周期的信息創(chuàng)建、管理、分發(fā)和應用的一系列應用解決方案）等。

 

    智能化可分為兩個階段，當前階段是面向定制化設計，支持多品種小批量生產模式，通過使用智能化的生產管理系統與智能裝備，實現產品全生命周期的智能管理，未來愿景則是實現狀態(tài)自感知、實時分析、自主決策、自我配置、精準執(zhí)行的自組織生產。這就要求首先實現生產數據的透明化管理，各個制造環(huán)節(jié)產生的數據能夠被實時監(jiān)測和分析，從而做出智能決策；其次要求生產線具有高度的柔性，能夠進行模塊化的組合，以滿足生產不同產品的需求。此外，還應提升產品本身的智能化，如提供友好的人機交互、語言識別、數據分析等智能功能，并且生產過程中的每個產品和零部件是可標識、可跟蹤的，甚至產品了解自己被制造的細節(jié)以及將被如何使用。

 

    數字化、網絡化、智能化是保證智能制造實現“兩提升、三降低”經濟目標的有效手段。數字化確保產品從設計到制造的一致性，并且在制樣前對產品的結構、功能、性能乃至生產工藝都進行仿真驗證，極大地節(jié)約開發(fā)成本和縮短開發(fā)周期。網絡化通過信息橫縱向集成實現研究、設計、生產和銷售各種資源的動態(tài)配置以及產品全程跟蹤檢測，實現個性化定制與柔性生產同時提高了產品質量。智能化將人工智能融入設計、感知、決策、執(zhí)行、服務等產品全生命周期，提高了生產效率和產品核心競爭力。

 

    4、如何實現網絡互聯互通

 

    智能制造的首要任務是信息的處理與優(yōu)化，工廠/車間內各種網絡的互聯互通則是基礎與前提。沒有互聯互通和數據采集與交互，工業(yè)云、工業(yè)大數據都將成為無源之水。智能工廠/數字化車間中的生產管理系統（IT系統）和智能裝備（自動化系統）互聯互通形成了企業(yè)的綜合網絡。按照所執(zhí)行功能不同，企業(yè)綜合網絡劃分為不同的層次，自下而上包括現場層、控制層、執(zhí)行層和計劃層。圖2給出了符合該層次模型的一個智能工廠/數字化車間互聯網絡的典型結構。隨著技術的發(fā)展，該結構呈現扁平化發(fā)展趨勢，以適應協同高效的智能制造需求。

 

 

 

圖2 智能工廠/數字化車間典型網絡結構

 

    智能工廠/數字化車間互聯網絡各層次定義的功能以及各種系統、設備在不同層次上的分配如下。

 

    1）計劃層：實現面向企業(yè)的經營管理，如接收訂單，建立基本生產計劃（如原料使用、交貨、運輸），確定庫存等級，保證原料及時到達正確的生產地點，以及遠程運維管理等。企業(yè)資源規(guī)劃（ERP）、客戶關系管理（CRM）、供應鏈關系管理（SCM）等管理軟件在該層運行。

 

    2）執(zhí)行層：實現面向工廠/車間的生產管理，如維護記錄、詳細排產、可靠性保障等。制造執(zhí)行系統（MES）在該層運行。

 

    3）監(jiān)控層：實現面向生產制造過程的監(jiān)視和控制。按照不同功能，該層次可進一步細分為：

 

    監(jiān)視層：包括可視化的數據采集與監(jiān)控（SCADA）系統、HMI（人機接口）、實時數據庫服務器等，這些系統統稱為監(jiān)視系統；

 

    控制層：包括各種可編程的控制設備，如PLC、DCS、工業(yè)計算機（IPC）、其他專用控制器等，這些設備統稱為控制設備；

 

    4）現場層：實現面向生產制造過程的傳感和執(zhí)行，包括各種傳感器、變送器、執(zhí)行器、RTU（遠程終端設備）、條碼、射頻識別，以及數控機床、工業(yè)機器人、AGV（自動引導車）、智能倉儲等制造裝備，這些設備統稱為現場設備。

 

    工廠/車間的網絡互聯互通本質上就是實現信息/數據的傳輸與使用，具體包含以下含義：物理上分布于不同層次、不同類型的系統和設備通過網絡連接在一起，并且信息/數據在不同層次、不同設備間的傳輸；設備和系統能夠一致地解析所傳輸信息/數據的數據類型甚至了解其含義。前者即指網絡化，后者需首先定義統一的設備行規(guī)或設備信息模型，并通過計算機可識別的方法（軟件或可讀文件）來表達設備的具體特征（參數或屬性），這一般由設備制造商提供。如此，當生產管理系統（如ERP、MES、PDM）或監(jiān)控系統（如SCADA）接收到現場設備的數據后，就可解析出數據的數據類型及其代表的含義。

 

    5、什么是端到端數據流

 

    智能制造要求各層次網絡集成和互操作打破原有的業(yè)務流程與過程控制流程相脫節(jié)的局面，使得分布于各生產制造環(huán)節(jié)的系統不再是“信息孤島”，數據/信息交換要求從底層現場層向上貫穿至執(zhí)行層甚至計劃層網絡，使得工廠/車間能夠實時監(jiān)視現場的生產狀況與設備信息，并根據獲取的信息來優(yōu)化和調整生產調度與資源配置。按照圖2的智能工廠/數字化車間網絡結構，工廠/車間中可能的端到端數據流如圖3所示。

 

 

 

圖3 智能制造端到端數據流

 

    具體包括：

 

    1）現場設備與控制設備之間的數據流包括：交換輸入、輸出數據，如控制設備向現場設備傳送的設定值（輸出數據），以及現場設備向控制設備傳送的測量值（輸入數據）；控制設備讀寫訪問現場設備的參數；現場設備向控制設備發(fā)送診斷信息和報警信息；

 

    2）現場設備與監(jiān)視設備之間的數據流包括：監(jiān)視設備采集現場設備的輸入數據；監(jiān)視設備讀寫訪問現場設備的參數；現場設備向監(jiān)視設備發(fā)送診斷信息和報警信息；

 

    3）現場設備與MES/ERP系統之間的數據流包括：現場設備向MES/ERP發(fā)送與生產運行相關的數據，如質量數據、庫存數據、設備狀態(tài)等；MES/ERP向現場設備發(fā)送作業(yè)指令、參數配置等；

 

    4）控制設備與監(jiān)視設備之間的數據流包括：監(jiān)視設備向控制設備采集可視化所需要的數據；監(jiān)視設備向控制設備發(fā)送控制和操作指令、參數設置等信息；控制設備向監(jiān)視設備發(fā)送診斷信息和報警信息；

 

    5）控制設備與MES/ERP之間的數據流包括：MES/ERP將作業(yè)指令、參數配置、處方數據等發(fā)送給控制設備；控制設備向MES/ERP發(fā)送與生產運行相關的數據，如質量數據、庫存數據、設備狀態(tài)等；控制設備向MES/ERP發(fā)送診斷信息和報警信息；

 

    6）監(jiān)視設備與MES/ERP之間的數據流包括：MES/ERP將作業(yè)指令、參數配置、處方數據等發(fā)送給監(jiān)視設備；監(jiān)視設備向MES/ERP發(fā)送與生產運行相關的數據，如質量數據、庫存數據、設備狀態(tài)等；監(jiān)視設備向MES/ERP發(fā)送診斷信息和報警信息。

 

    6、我國制造業(yè)現狀和首要任務

 

    我國制造業(yè)現狀是“2.0補課，3.0普及，4.0示范”，其中工業(yè)2.0、3.0、4.0對應的含義如下：

 

    1）2.0實現“電氣化與自動化”生產：使用繼電器、電氣自動化來控制機械制造裝備，但各生產環(huán)節(jié)和制造裝備都是“信息孤島”，生產管理系統與自動化系統信息不貫通，甚至企業(yè)尚未使用ERP或MES系統進行生產信息化管理。我國許多中小企業(yè)都處于此階段；

 

    2）3.0實現“信息化”生產：廣泛應用電子與信息技術，使得制造過程的自動化控制程度大幅度提高。使用網絡化的基于PC、PLC或單片機的生產制造裝備，制造裝備具有一定智能功能（如標識與維護、診斷與報警等），采用ERP和MES系統進行生產信息化管理，初步實現了企業(yè)內部的橫向集成與縱向集成；

 

    3）4.0實現“智能化”生產：利用信息通信技術將工廠中的所有信息基礎設施（包括智能制造裝備、操作人員、物料、半成品和成品）高度互聯互通，借助計算機軟件工具實現產品數字仿真設計及快速實體化“虛擬”實現，借助生產管理軟件實現產品全生命周期和全制造流程數字化管理，利用互聯網、云計算、大數據實現實現價值鏈企業(yè)協同生產、產品遠程維護智能服務等，形成高度靈活、大規(guī)模個性化的產品與服務新生產模式。

 

    我國實現智能制造必須2.0、3.0、4.0并行發(fā)展，既要在改造傳統制造方面“補課”，又要在綠色制造、智能升級方面“加課”。對于制造企業(yè)而言，應著手于完成傳統生產裝備網絡化和智能化的升級改造，以及生產制造工藝數字化和生產過程信息化的升級改造。對于裝備供應商和系統集成商，應加快實現安全可控的智能裝備與工業(yè)軟件的開發(fā)和應用，以及提供智能制造頂層設計與全系統集成服務。

 

    小結

 

    必須牢記，企業(yè)不是為了“智能制造”而智能制造，應以智能、協同、綠色、安全發(fā)展為突破口，以“兩提升、三降低”為目標，本著長遠規(guī)劃、逐步實施、重點突破原則，對整個制造業(yè)進行逐步升級改造。