智能制造概念詳解及架構探究.doc

摘要: 智能制造概念關于智能制造的研究大致經歷了三個階段：起始于20世紀80年代人工智能在制造領域中的應用，智能制造概念正式提出，發(fā)展于20世紀90年代智能制造技術、智能制造系統(tǒng)的提出，成熟于21世紀以來新一代信息技術條件下的“智能制造(Smart Manufacturing)”。 一、智能制造的內涵 (一)概念 關于智能制造的研究大致經歷了三個階段：起始于20世紀80年代人工智能在制造領域中的應用，智能制造概念正式提出，發(fā)展于20世紀90年代智能制造技術、智能制造系統(tǒng)的提出成熟于21世紀以來新一代信息技術條件下的“智能制造(Smart Manufacturing)”。 20世紀80年代：概念的提出。1998年，美國賴特(Paul Kenneth Wright )、伯恩(David Alan Bourne)正式出版了智能制造研究領域的首本專著制造智能(Smart Manufacturing)，就智能制造的內涵與前景進行了系統(tǒng)描述，將智能制造定義為“通過集成知識工程、制造軟件系統(tǒng)、機器人視覺和機器人控制來對制造技工們的技能與專家知識進行建模，以使智能機器能夠在沒有人工干預的情況下進行小批量生產”。在此基礎上，英國技術大學Williams教授對上述定義作了更為廣泛的補充，認為“集成范圍還應包括貫穿制造組織內部的智能決策支持系統(tǒng)”。麥格勞- 希爾科技詞典將智能制造界定為，采用自適應環(huán)境和工藝要求的生產技術，最大限度的減少監(jiān)督和操作,制造物品的活動。 20世紀90年代：概念的發(fā)展。20世紀90年代，在智能制造概念提出不久后，智能制造的研究獲得歐、美、日等工業(yè)化發(fā)達國家的普遍重視，圍繞智能制造技術(IMT)與智能制造系統(tǒng)(IMS)開展國際合作研究。1991年，日、美、歐共同發(fā)起實施的“智能制造國際合作研究計劃”中提出：“智能制造系統(tǒng)是一種在整個制造過程中貫穿智能活動，并將這種智能活動與智能機器有機融合,將整個制造過程從訂貨、產品設計、生產到市場銷售等各個環(huán)節(jié)以柔性方式集成起來的能發(fā)揮最大生產力的先進生產系統(tǒng)”。 21世紀以來：概念的深化。21世紀以來，隨著物聯網、大數據、云計算等新一代信息技術的快速發(fā)展及應用，智能制造被賦予了新的內涵，即新一代信息技術條件下的智能制造(Smart Manufacturing)。2010年9月，美國在華盛頓舉辦的“21世紀智能制造的研討會”指出，智能制造是對先進智能系統(tǒng)的強化應用，使得新產品的迅速制造，產品需求的動態(tài)響應以及對工業(yè)生產和供應鏈網絡的實時優(yōu)化成為可能。德國正式推出工業(yè)4.0戰(zhàn)略，雖沒明確提出智能制造概念，但包含了智能制造的內涵，即將企業(yè)的機器、存儲系統(tǒng)和生產設施融入到虛擬網絡實體物理系統(tǒng)(CPS)。在制造系統(tǒng)中，這些虛擬網絡實體物理系統(tǒng)包括智能機器、存儲系統(tǒng)和生產設施，能夠相互獨立地自動交換信息、觸發(fā)動作和控制。 綜上所述，智能制造是將物聯網、大數據、云計算等新一代信息技術與先進自動化技術、傳感技術、控制技術、數字制造技術結合，實現工廠和企業(yè)內部、企業(yè)之間和產品全生命周期的實時管理和優(yōu)化的新型制造系統(tǒng)。 (二)特征 智能制造的特征在于實時感知、優(yōu)化決策、動態(tài)執(zhí)行等三個方面： 一是數據的實時感知。智能制造需要大量的數據支持，通過利用高效、標準的方法實時進行信息采集、自動識別，并將信息傳輸到分析決策系統(tǒng); 二是優(yōu)化決策。通過面向產品全生命周期的海量異構信息的挖掘提煉、計算分析、推理預測，形成優(yōu)化制造過程的決策指令。 三是動態(tài)執(zhí)行。根據決策指令，通過執(zhí)行系統(tǒng)控制制造過程的狀態(tài)，實現穩(wěn)定、安全的運行和動態(tài)調整。 (三)構成 1、智能產品(裝備) 智能產品是發(fā)展智能制造的基礎與前提，由物理部件、智能部件和聯接部件構成。智能部件由傳感器、微處理器、數據存儲裝置、控制裝置和軟件以及內置操作和用戶界面等構成;聯接部件由接口、有線或無線聯接協(xié)議等構成;物理部件由機械和電子零件構成。智能部件能加強物理部件的功能和價值，而聯接部件進一步強化智能部件的功能和價值，使信息可以在產品、運行系統(tǒng)、制造商和用戶之間聯通，并讓部分價值和功能脫離物理產品本身存在。 智能產品具有監(jiān)測、控制、優(yōu)化和自主等四個方面的功能。監(jiān)測是指通過傳感器和外部數據源，智能產品能對產品的狀態(tài)、運行和外部環(huán)境進行全面監(jiān)測;在數據的幫助下，一旦環(huán)境和運行狀態(tài)發(fā)生變化，產品就會向用戶或相關方發(fā)出警告。控制是指可以通過產品內置或產品云中的命令和算法進行遠程控制。算法可以讓產品對條件和環(huán)境的特定變化做出反應;優(yōu)化是指對實時數據或歷史記錄進行分析，植入算法，從而大幅提高產品的產出比、利用率和生產效率;自主是指將檢測，控制和優(yōu)化功能融合到一起，產品就能實現前所未有的自動化程度。 2、智能生產 智能生產是指以智能制造系統(tǒng)為核心，以智能工廠為載體，通過在工廠和企業(yè)內部、企業(yè)之間以及產品全生命周期形成以數據互聯互通為特征的制造網絡，實現生產過 程的實時管理和優(yōu)化。智能生產涵蓋產品、工藝設計、工廠規(guī)劃的數字設計與仿真，底層智能裝備、制造單元、自動化生產線，制造執(zhí)行系統(tǒng)，物流自動化與管理等 企業(yè)管理系統(tǒng)等。 3、智能服務 通過采集設備運行數據，并上傳至企業(yè)數據中心(企業(yè)云)，系統(tǒng)軟件對設備實時在線監(jiān)測、控制，并經過數據分析提早進行設備維護。例如維斯塔斯通過在風機的機艙、輪轂、葉片、塔筒及地面控制箱內，安裝傳感器、存儲器、處理器以及SCADA系 統(tǒng)，實現對風機運行的實時監(jiān)控。還通過在風力發(fā)電渦輪中內置微型控制器，可以在每一次旋轉中控制扇葉的角度，從而最大限度捕捉風能，還可以控制每一臺渦 輪，在能效最大化的同時，減少對鄰近渦輪的影響。維斯塔斯通過對實時數據進行處理預測風機部件可能產生的故障，以減少可能的風機不穩(wěn)定現象，并使用不同的 工具優(yōu)化這些數據，達到風機性能的最優(yōu)化。 (四)作用 發(fā)展智能制造的核心是提高企業(yè)生產效率，拓展企業(yè)價值增值空間，主要表現在以下幾個方面：一是縮短產品的研制周期。通過智能制造，產品從研發(fā)到上市、從下訂單到配送時間可以得以縮短。通過遠程監(jiān)控和預測性維護為機器和工廠減少高昂的停機時間，生產中斷時間也得以不斷減少。 二是提高生產的靈活性。通過采用數字化、互聯和虛擬工藝規(guī)劃，智能制造開啟了大規(guī)模批量定制生產乃至個性化小批量生產的大門。 三是創(chuàng)造新價值。通過發(fā)展智能制造，企業(yè)將實現從傳統(tǒng)的“以產品為中心”向“以集成服務為中心”轉變，將重心放在解決方案和系統(tǒng)層面上，利用服務在整個產品生命周期中實現新價值。 二、國外智能制造系統(tǒng)架構 自美國20世紀80年代提出智能制造的概念后，一直受到眾多國家的重視和關注，紛紛將智能制造列為國家級計劃并著力發(fā)展。目前，在全球范圍內具有廣泛影響的是德國“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略和美國工業(yè)互聯網戰(zhàn)略。 (一)德國 2013年4月，德國在漢諾威工業(yè)博覽會上正式推出了“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略，其核心是通過信息物理系統(tǒng)(CPS)實現人、設備與產品的實時連通、相互識別和有效交流，構建一個高度靈活的個性化和數字化的智能制造模式。在這種模式下，生產由集中向分散轉變，規(guī)模效應不再是工業(yè)生產的關鍵因素;產品由趨同向個性的轉變，未來產品都將完全按照個人意愿進行生產，極端情況下將成為自動化、個性化的單件制造;用戶由部分參與向全程參與轉變，用戶不僅出現在生產流程的兩端，而且廣泛、實時參與生產和價值創(chuàng)造的全過程。 德國工業(yè)4.0戰(zhàn)略提出了三個方面的特征：一是價值網絡的橫向集成，即通過應用CPS，加強企業(yè)之間在研究、開發(fā)與應用的協(xié)同推進，以及在可持續(xù)發(fā)展、商業(yè)保密、標準化、員工培訓等方面的合作;二是全價值鏈的縱向集成，即在企業(yè)內部通過采用CPS，實現從產品設計、研發(fā)、計劃、工藝到生產、服務的全價值鏈的數字化;三是端對端系統(tǒng)工程，即在工廠生產層面，通過應用CPS，根據個性化需求定制特殊的IT結構模塊，確保傳感器、控制器采集的數據與ERP管理系統(tǒng)進行有機集成，打造智能工廠。 2013年12月，德國電氣電子和信息技術協(xié)會發(fā)表了德國“工業(yè)4.0”標準化路線圖，其目標是制定出一套單一的共同標準，形成一個標準化的、具有開放性特點的標準參考體系，最終達到通過價值網絡實現不同公司間的網絡連接和集成。德國“工業(yè)4.0”提出的標準參考體系是一個通用模型，適用于所有合作伙伴公司的產品和服務，提供了“工業(yè)4.0”相關的技術系統(tǒng)的構建、開發(fā)、集成和運行的框架，意圖是將不同業(yè)務模型的企業(yè)采用的不同作業(yè)方法統(tǒng)一為共同的作業(yè)方法。 (二)美國 1、工業(yè)互聯網 “工業(yè)互聯網”的概念最早由通用電氣于2012年提出，與工業(yè)4.0的基本理念相似，倡導將人、數據和機器連接起來，形成開放而全球化的工業(yè)網絡，其內涵已經超越制造過程以及制造業(yè)本身，跨越產品生命周期的整個價值鏈。工業(yè)互聯網和“工業(yè)4.0”相比，更加注重軟件、網絡和大數據，目標是促進物理系統(tǒng)和數字系統(tǒng)的融合，實現通信、控制和計算的融合，營造一個信息物理系統(tǒng)的環(huán)境。 工業(yè)互聯網系統(tǒng)由智能設備、智能系統(tǒng)和智能決策三大核心要素構成，數據流、硬件、軟件和智能的交互。由智能設備和網絡收集的數據存儲之后，利用大數據分析 工具進行數據分析和可視化，由此產生的“智能信息”可以由決策者必要時進行實時判斷處理，成為大范圍工業(yè)系統(tǒng)中工業(yè)資產優(yōu)化戰(zhàn)略決策過程的一部分。 智能設備：將信息技術嵌入裝備中，使裝備成為可智能互聯產品。為工業(yè)機器提供數字化儀表是工業(yè)互聯網革命的第一步，使機器和機器交互更加智能化，這得 益于以下三個要素：一是部署成本：儀器儀表的成本已大幅下降，從而有可能以一個比過去更經濟的方式裝備和監(jiān)測工業(yè)機器。二是微處理器芯片的計算能力：微處 理器芯片持續(xù)發(fā)展已經達到了一個轉折點，即使得機器擁有數字智能成為可能。三是高級分析：“大數據”軟件工具和分析技術的進展為了解由智能設備產生的大規(guī) 模數據提供了手段。 智能系統(tǒng)：將設備互聯形成的一個系統(tǒng)。智能系統(tǒng)包括各種傳統(tǒng)的網絡系統(tǒng)，但廣義的定義包括了部署在機組和網絡中并廣泛結合的機器儀表和軟件。隨著越來 越多的機器和設備加入工業(yè)互聯網，可以實現跨越整個機組和網絡的機器儀表的協(xié)同效應。智能系統(tǒng)的構建整合了廣泛部署智能設備的優(yōu)點。當越來越多的機器連接 在一個系統(tǒng)中，久而久之，結果將是系統(tǒng)不斷擴大并能自主學習，而且越來越智能化。 智能決策：大數據和互聯網基礎上實時判斷處理。當從智能設備和系統(tǒng)收集到了足夠的信息來促進數據驅動型學習的時候，智能決策就發(fā)生了，從而使一個小機組網絡層的操作功能從運營商傳輸到數字安全系統(tǒng)。 2014年3月，美國通用電氣、IBM、思科、英特爾和AT&T五家行業(yè)龍頭企業(yè)聯手組建了工業(yè)互聯網聯盟(IIC)， 其目的是通過制定通用標準，打破技術壁壘，使各個廠商設備之間可以實現數據共享，利用互聯網激活傳統(tǒng)工業(yè)過程，更好地促進物理世界和數字世界的融合。工業(yè) 互聯網聯盟已經已經開始起草工業(yè)互聯網通用參考架構，該參考架構將定義工業(yè)物聯網的功能區(qū)域、技術以及標準，用于指導相關標準的制定，幫助硬件和軟件開發(fā) 商創(chuàng)建與物聯網完全兼容的產品，最終目的是實現傳感器、網絡、計算機、云計算系統(tǒng)、大型企業(yè)、車輛和數以百計其他類型的實體得以全面整合，推動整個工業(yè)產 業(yè)鏈的效率全面提升。 2、智能制造 2011年6月24日美國智能制造領導聯盟(Smart Manufacturing Leadership Coalition，SMLC)發(fā)表了實施21世 紀智能制造報告。報告認為智能制造是先進智能系統(tǒng)強化應用、新產品制造快速、產品需求動態(tài)響應、以及工業(yè)生產和供應鏈網絡實時優(yōu)化的制造。智能制造的核 心技術是網絡化傳感器、數據互操作性、多尺度動態(tài)建模與仿真、智能自動化、以及可擴展的多層次的網絡安全。該報告給出了智能制造企業(yè)框架。智能制造企業(yè)將 融合所有方面的制造，從工廠運營到供應鏈，并且使得對固定資產、過程和資源的虛擬追蹤橫跨整個產品的生命周期。最終結果，將是在一個柔性的、敏捷的、創(chuàng)新 的制造環(huán)境中，優(yōu)化性能和效率，并且使業(yè)務與制造過程有效串聯在一起。 圖1 美國智能制造企業(yè)框架 三、對我國智能制造系統(tǒng)架構的設想 借鑒德國、美國智能制造的發(fā)展經驗，我國的智能制造系統(tǒng)架構，應該是一個通用的制造體系模型，其作用是為智能制造的技術系統(tǒng)提供構建、開發(fā)、集成和運行的框架;其目標是指導以產品全生命周期管理形成價值鏈主線的企業(yè)，實現研發(fā)、生產、服務的智能化，通過企業(yè)間的互聯和集成建立智能化的制造業(yè)價值網絡，形成具有高度靈活性和持續(xù)演進優(yōu)化特征的智能制造體系。 (一)基本架構 智能制造系統(tǒng)是供應鏈中的各個企業(yè)通過由網絡和云應用為基礎構建的制造網絡實現相互鏈接所構成的。企業(yè)智能制造系統(tǒng)的構成是由企業(yè)計算與數據中心、企業(yè)管 控與支撐系統(tǒng)、為實現產品全生命周期管理集成的各類工具共同構成，智能制造系統(tǒng)具有可持續(xù)優(yōu)化的特征。智能制造系統(tǒng)可分為五層，第一層是生產基礎自動化系 統(tǒng)，第二層是生產執(zhí)行系統(tǒng)，第三層是產品全生命周期管理系統(tǒng)，第四層是企業(yè)管控與支撐系統(tǒng)，第五層是企業(yè)計算與數據中心(私有云)。 圖2 智能制造系統(tǒng)架 (二)具體構成 1、生產基礎自動化系統(tǒng)層 主要包括生產現場設備及其控制系統(tǒng)。其中生產現場設備主要包括傳感器、智能儀表、PLC、機器人、機床、檢測設備、物流設備等?？刂葡到y(tǒng)主要包括適用于流程制造的過程控制系統(tǒng)，適用于離散制造的單元控制系統(tǒng)和適用于運動控制的數據采集與監(jiān)控系統(tǒng)。 2、制造執(zhí)行系統(tǒng)層 制造執(zhí)行系統(tǒng)包括不同的子系統(tǒng)功能模塊(計算機軟件模塊)， 典型的子系統(tǒng)有制造數據管理系統(tǒng)、計劃排程管理系統(tǒng)、生產調度管理系統(tǒng)、庫存管理系統(tǒng)、質量管理系統(tǒng)、人力資源管理系統(tǒng)、設備管理系統(tǒng)、工具工裝管理系 統(tǒng)、采購管理系統(tǒng)、成本管理系統(tǒng)、項目看板管