三分鐘讓你了解智能制造

1、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(也有離散和流程混合的生產方式)。根據(jù)我國現(xiàn)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” 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”。因此，將感覺、記憶、回憶、思維、語言、行為的整個過程稱為

2、智能過程，它是智慧和能力的表現(xiàn)。目前，國際和國內尚且沒有關于智能制造的準確定義，但工信部組織專家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技術，貫穿設計、生產、管理、服務等制造活動各個環(huán)節(jié)， 具有信息深度自感知、 智慧優(yōu)化自決策、精準控制自執(zhí)行等功能的先進制造過程、系統(tǒng)與模式的總稱。 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(shù)據(jù)流為基礎、 以網絡互聯(lián)為支撐等特征，可有效縮短產品研制周期、降低運營成本、提高生產效率、提升產品質量、降低資源能源消耗。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(xiàn)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

3、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(jù)智能制造的描述性定義，提出關于智能工廠、 制造環(huán)節(jié)及裝備智能化、 網絡互聯(lián)互通、 端到端數(shù)據(jù)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(xiàn)智能制造的載體。在智能工廠中通過生產管理系統(tǒng)、計算機輔助工具和智能裝備的集成與互操作來實現(xiàn)智能化、網絡化分布式管理， 進而實現(xiàn)企業(yè)業(yè)務流程、工藝流程及資金流程的協(xié)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(xiàn)智能制造的利器就是數(shù)字化、網絡化

4、的工具軟件和制造裝備，包括以下類型：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 )、 CAT( 計算機輔助測試，如ICT 信息測試、 FCT 功能測試 )等;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 ;工廠 / 車間業(yè)務與生產管理系統(tǒng)，如ERP(企業(yè)資源計劃 )、MES( 制造執(zhí)行系統(tǒng) )、PLM( 產品全生命周期管理 )/PDM( 產品數(shù)據(jù)管理 )等 ;智能裝備，如高檔數(shù)控機床與機器人、增材制造裝備(3D

5、 打印機 )、智能爐窯、反應釜及其他智能化裝備、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 ;新一代信息技術，如物聯(lián)網、云計算、大數(shù)據(jù)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(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)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典型“智能”生產

6、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(xiàn)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(xiàn)，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。制造過程某些環(huán)節(jié)，甚至全部環(huán)節(jié)都可以在全國或全世界進行代工，使制造過程性價比最優(yōu)化，實現(xiàn)協(xié)同制造。場景 2 ：供應鏈及庫存管理。企業(yè)要生產的產品種類、數(shù)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

7、庫管理系統(tǒng) )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(jù)供應商信息即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(shù)據(jù) ;生產管理系統(tǒng)基于實時采集的數(shù)據(jù)，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(xiàn)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(shù)據(jù)， 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

8、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(shù)據(jù)，使用MES 系統(tǒng)或 EMS( 能源管理系統(tǒng) )系統(tǒng)對能效相關數(shù)據(jù)進行管理和分析，及時發(fā)現(xiàn)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(xiàn)生產過程的能效提高。因此，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(xiàn)從設計、生產到銷售各個環(huán)節(jié)的互聯(lián)互通，并在此基礎上實現(xiàn)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(xiàn)制造環(huán)節(jié)智能化互聯(lián)網技術的

9、普及使得企業(yè)與個體客戶間的即時交流成為現(xiàn)實，促使制造業(yè)實現(xiàn)從需求端到研發(fā)端、服務端的拉動式生產，以及從“生產型”向“服務型”模式轉變。因此，企業(yè)領先于競爭對手完成數(shù)字化、 網絡化與智能化的轉型升級，實現(xiàn)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?？吹靡姷氖莻€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(shù)字化、網絡化與智能化。實現(xiàn)智能制造，網絡化是基礎，數(shù)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管理軟件、智能裝備連接起來， 以實現(xiàn)設備與設備之間、 設備與人之間的信息互通和良好交互。將生產現(xiàn)場的智能裝備連接起來

10、的網絡被稱為工業(yè)控制網絡，包括現(xiàn)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 、ISA 100.11a 等)，對于控制要求不高的應用還可使用移動網絡 (如 2G、 3G、 4G 以及未來 5G 網絡 )。車間 / 工廠的生產管理系統(tǒng)則可以直接使用以太網連接。對于智能制造， 往往還要求工廠網絡與互聯(lián)網連接，通過大數(shù)據(jù)應用和工業(yè)云服務實現(xiàn)價值鏈企業(yè)協(xié)同制造、產品遠

11、程診斷和維護等智能服務。 為了防止竊密， 在工廠網絡與互聯(lián)網連接中要設防火墻，特別防止木馬、病毒攻擊企業(yè)網絡，注意網絡信息安全與功能安全。數(shù)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(shù)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(shù)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，使用 CAT(計算機

12、輔助測試 )實現(xiàn)集成試驗臺與各種試驗參數(shù)的仿真與測試等;另一方面，對生產過程進行數(shù)字化管理，例如、使用CDD( 通用數(shù)據(jù)字典 )建立產品全生命周期數(shù)據(jù)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(tǒng)與智能裝備，實現(xiàn)產品全生命周期的智能管理，未來愿景則是實現(xiàn)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(xiàn)

13、生產數(shù)據(jù)的透明化管理，各個制造環(huán)節(jié)產生的數(shù)據(jù)能夠被實時監(jiān)測和分析，從而做出智能決策， 并且智能化系統(tǒng)要能接受企業(yè)最高領導層的決策 (BI)，及有突發(fā)情況要能接受人工干預;其次要求生產線具有高度的柔性，能夠進行模塊化組合，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(shù)據(jù)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(shù)字化、網絡化、智能化是保證智能制造實現(xiàn)“兩提升、三降低”經濟目標的有效手段。數(shù)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

14、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(xiàn)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(xiàn)個性化定制與柔性生產的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(xiàn)網絡互聯(lián)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(lián)互通則是基礎與前提。 沒有互聯(lián)互通和數(shù)據(jù)采集與交互，工業(yè)云、工業(yè)大數(shù)據(jù)都將成為無源之水。智能工廠/ 數(shù)字化車間中的生產管理系統(tǒng)(IT 系統(tǒng) )和智能裝備 (自動化系統(tǒng) )互聯(lián)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

15、網絡劃分為不同的層次，自下而上包括現(xiàn)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(shù)字化車間互聯(lián)網絡的典型結構。隨著技術的發(fā)展，該結構呈現(xiàn)扁平化發(fā)展趨勢，以適應協(xié)同高效的智能制造需求。圖 2：智能工廠 / 數(shù)字化車間典型網絡結構智能工廠 / 數(shù)字化車間互聯(lián)網絡各層次定義的功能以及各種系統(tǒng)、設備在不同層次上的分配如下。計劃層：實現(xiàn)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) 等管理軟件都在該層運

16、行。執(zhí)行層：實現(xiàn)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(tǒng) (MES) 在該層運行。監(jiān)控層：實現(xiàn)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(shù)據(jù)采集與監(jiān)控(SCADA) 系統(tǒng)、 HMI(人機接口)、實時數(shù)據(jù)庫服務器等，這些系統(tǒng)統(tǒng)稱為監(jiān)視系統(tǒng);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(tǒng)稱為控制設備;現(xiàn)場層：實現(xiàn)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(shù)控機床、工業(yè)機器人、工藝裝備、 A

17、GV( 自動引導車 )、智能倉儲等制造裝備， 這些設備統(tǒng)稱為現(xiàn)場設備。工廠 / 車間的網絡互聯(lián)互通本質上就是實現(xiàn)信息/ 數(shù)據(jù)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(tǒng)和設備通過網絡連接在一起，并且信息 / 數(shù)據(jù)在不同層次、不同設備間的傳輸;設備和系統(tǒng)能夠一致地解析所傳輸信息 / 數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類型甚至了解其含義。前者即指網絡化，后者需首先定義統(tǒng)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(shù)或屬性 )，這一般由設備制造商提供。 如此，當生產管理系統(tǒng) (如 ERP、 MES、 PDM) 或監(jiān)控系統(tǒng) (如 SCADA)

18、接收到現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)后，就可解析出數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類型及其代表的含義。5 、什么是端到端數(shù)據(jù)流智能制造要求通過不同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，分布于各生產制造環(huán)節(jié)的系統(tǒng)不再是“信息孤島”，數(shù)據(jù) / 信息交換要求從底層現(xiàn)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(xiàn)場的生產狀況與設備信息，并根據(jù)獲取的信息來優(yōu)化生產調度與資源配置。也要涉及到協(xié)同制造單位(如上游零部件供應商、下游用戶)的信息改變，這就需要用互聯(lián)網實現(xiàn)企業(yè)與企業(yè)數(shù)據(jù)流動。按照圖2 的智能工廠 / 數(shù)字化車間網絡結構，工廠/ 車間中可能的端到端數(shù)據(jù)流如圖3 所示。圖 3：智能制造端到

19、端數(shù)據(jù)流具體包括：現(xiàn)場設備與控制設備之間的數(shù)據(jù)流包括：交換輸入、 輸出數(shù)據(jù)，如控制設備向現(xiàn)場設備傳送的設定值(輸出數(shù)據(jù) )，以及現(xiàn)場設備向控制設備傳送的測量值(輸入數(shù)據(jù) );控制設備讀寫訪問現(xiàn)場設備的參數(shù);現(xiàn)場設備向控制設備發(fā)送診斷信息和報警信息 ;現(xiàn)場設備與監(jiān)視設備之間的數(shù)據(jù)流包括：監(jiān)視設備采集現(xiàn)場設備的輸入數(shù)據(jù);監(jiān)視設備讀寫訪問現(xiàn)場設備的參數(shù);現(xiàn)場設備向監(jiān)視設備發(fā)送診斷信息和報警信息 ;現(xiàn)場設備與 MES/ERP 系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)流包括：現(xiàn)場設備向MES/ERP 發(fā)送與生產運行相關的數(shù)據(jù)，如質量數(shù)據(jù)、庫存數(shù)據(jù)、設備狀態(tài)等;MES/ERP 向現(xiàn)場設備發(fā)送作業(yè)指令、參數(shù)配置等;控制設備與監(jiān)視設備

20、之間的數(shù)據(jù)流包括：監(jiān)視設備向控制設備采集可視化所需要的數(shù)據(jù) ;監(jiān)視設備向控制設備發(fā)送控制和操作指令、參數(shù)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;控制設備與 MES/ERP 之間的數(shù)據(jù)流包括： MES/ERP 將作業(yè)指令、參數(shù)配置、處方數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，如質量數(shù)據(jù)、庫存數(shù)據(jù)、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 ;監(jiān)視設備與 MES/ERP 之間的數(shù)據(jù)流包括： MES/ERP 將作業(yè)指令、參數(shù)配置、處方數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，如質量數(shù)據(jù)、庫存數(shù)據(jù)、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(xiàn)狀和首要任務我國制造業(yè)現(xiàn)狀是“2.0 補課， 3.0 普及， 4.0 示范”，其中工業(yè) 2.0 、