對智能制造的一些認識

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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡化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(wǎng)、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(wǎng)技術的普及使得企業(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(wǎng)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。

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(shù)字化、網(wǎng)絡化與智能化。實現(xiàn)智能制造，網(wǎng)絡化是基礎，數(shù)字化是工具，智能化則是目標。

網(wǎng)絡化是指使用相同或不同的網(wǎng)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的網(wǎng)絡被稱為工業(yè)控制網(wǎng)絡，包括現(xiàn)場總線（如PROFIBUS、CC－Link、Modbus等）、工業(yè)以太網(wǎng)（如PROFINET、CC－Link IE、Ethernet／IP、EtherCAT、POWERLINK、EPA等）、工業(yè)無線網(wǎng)（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(wǎng)絡（如2G、3G、4G以及未來5G網(wǎng)絡）。

車間／工廠的生產管理系統(tǒng)則可以直接使用以太網(wǎng)連接。對于智能制造，往往還要求工廠網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)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、產品遠程診斷和維護等智能服務。為了防止竊密，在工廠網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)連接中要設防火墻，特別防止木馬、病毒攻擊企業(yè)網(wǎng)絡，注意網(wǎng)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)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡。按照所執(zhí)行功能不同，企業(yè)綜合網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡結構

智能工廠／數(shù)字化車間互聯(lián)網(wǎng)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、AGV（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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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）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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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、3．0、4．0對應的含義如下：

2．0實現(xiàn)“電氣化、半自動化”：使用電氣化和機械化制造裝備，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(tǒng)與自動化系統(tǒng)信息不貫通，甚至企業(yè)尚未使用ERP或MES系統(tǒng)進行生產信息化管理。我國也有許多中小企業(yè)都處于此階段；

3．0實現(xiàn)“高度自動化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化”：使用網(wǎng)絡化的生產制造裝備，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(tǒng)進行生產信息化管理，初步實現(xiàn)了企業(yè)內部的橫向集成與縱向集成；

4．0實現(xiàn)“數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化”：適應多品種、小批量生產需求，實現(xiàn)個性化定制和柔性化生產，使用高檔數(shù)控機床、工業(yè)機器人、智能測控裝置、3D打印機、智能倉庫和智能物流等智能裝備，借助各種計算機輔助工具實現(xiàn)虛擬生產，利用互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)實現(xiàn)實現(xiàn)價值鏈企業(yè)協(xié)同生產、產品遠程維護智能服務等。

我國實現(xiàn)智能制造必須2．0、3．0、4．0并行發(fā)展，既要在改造傳統(tǒng)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(tǒng)生產裝備網(wǎng)絡化和智能化的升級改造，以及生產制造工藝數(shù)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(tǒng)集成商，應加快實現(xiàn)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(tǒng)集成服務。

7、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(xié)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。