一文三分鐘帶你了解智能制造！

智能是由“智慧”和“能力”兩個詞語構(gòu)成。從感覺到記憶到思維這一過程，稱為“智慧”，智慧的結(jié)果產(chǎn)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)。

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(chǎn)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(chǎn)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(jīng)濟的方方面面。

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(chǎn)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(luò)化分布式管理，進而實現(xiàn)企業(yè)業(yè)務(wù)流程、工藝流程及資金流程的協(xié)同，以及生產(chǎn)資源（材料、能源等）在企業(yè)內(nèi)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(luò)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(shè)計）、CAE（計算機輔助工程）、CAPP（計算機輔助工藝設(shè)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(jié)構(gòu)分析、聲學(xué)分析、流體分析、熱力學(xué)分析、運動分析、復(fù)合材料分析等多物理場仿真）、工藝仿真等；

工廠／車間業(yè)務(wù)與生產(chǎn)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(chǎn)品全生命周期管理）／PDM（產(chǎn)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(yīng)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(shù)，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(lǐng)域和技術(shù)的“超級”系統(tǒng)工程，在生產(chǎn)過程中以產(chǎn)品全生命周期管理為主線，還伴隨著供應(yīng)鏈、訂單、資產(chǎn)等全生命周期管理。

在智能工廠中，借助于各種生產(chǎn)管理工具／軟件／系統(tǒng)和智能設(shè)備，打通企業(yè)從設(shè)計、生產(chǎn)到銷售、維護的各個環(huán)節(jié)，實現(xiàn)產(chǎn)品仿真設(shè)計、生產(chǎn)自動排程、信息上傳下達、生產(chǎn)過程監(jiān)控、質(zhì)量在線監(jiān)測、物料自動配送等智能化生產(chǎn)。下面介紹了幾個智能工廠中的典型“智能”生產(chǎn)場景。

場景1：設(shè)計／制造一體化。

在智能化較好的航空航天制造領(lǐng)域，采用基于模型定義（MBD）技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)，用一個集成的三維實體模型完整地表達產(chǎn)品的設(shè)計信息和制造信息（產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、三維尺寸、BOM等），所有的生產(chǎn)過程包括產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計、工裝設(shè)計、產(chǎn)品制造、檢驗檢測等都基于該模型實現(xiàn)，這打破了設(shè)計與制造之間的壁壘，有效解決了產(chǎn)品設(shè)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(yīng)鏈及庫存管理。

企業(yè)要生產(chǎn)的產(chǎn)品種類、數(shù)量等信息通過訂單確認，這使得生產(chǎn)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(yīng)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(yīng)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(zhì)量控制。

車間內(nèi)使用的傳感器、設(shè)備和儀器能夠自動在線采集質(zhì)量控制所需的關(guān)鍵數(shù)據(jù)；生產(chǎn)管理系統(tǒng)基于實時采集的數(shù)據(jù)，提供質(zhì)量判異和過程判穩(wěn)等在線質(zhì)量監(jiān)測和預(yù)警方法，及時有效發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量問題。此外，產(chǎn)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(chǎn)品質(zhì)量所涉及的數(shù)據(jù)，如用料批次、供應(yīng)商、作業(yè)人員、作業(yè)地點、加工工藝、加工設(shè)備信息、作業(yè)時間、質(zhì)量檢測及判定、不良處理過程等。

場景4：能效優(yōu)化。

采集關(guān)鍵制造裝備、生產(chǎn)過程、能源供給等環(huán)節(jié)的能效相關(guān)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(guān)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(chǎn)的前提下，相應(yīng)地對生產(chǎn)過程、設(shè)備、能源供給及人員等進行調(diào)整，實現(xiàn)生產(chǎn)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(chǎn)線人工干預(yù)，提高生產(chǎn)過程可控性，最重要的是借助于信息化技術(shù)打通企業(yè)的各個流程，實現(xiàn)從設(shè)計、生產(chǎn)到銷售各個環(huán)節(jié)的互聯(lián)互通，并在此基礎(chǔ)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(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

3．如何實現(xiàn)制造環(huán)節(jié)智能化。

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(wù)端的拉動式生產(chǎn)，以及從“生產(chǎn)型”向“服務(wù)型”模式轉(zhuǎn)變。因此，企業(yè)領(lǐng)先于競爭對手完成數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化與智能化的轉(zhuǎn)型升級，實現(xiàn)大規(guī)模定制化生產(chǎn)來滿足個性化需求并提供智能服務(wù)，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(wù)，看不見的是生產(chǎn)制造各環(huán)節(jié)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化與智能化。實現(xiàn)智能制造，網(wǎng)絡(luò)化是基礎(chǔ)，數(shù)字化是工具，智能化則是目標。

數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化是保證智能制造實現(xiàn)“兩提升、三降低”經(jīng)濟目標的有效手段。數(shù)字化確保產(chǎn)品從設(shè)計到制造的一致性，并且在制樣前對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、功能、性能乃至生產(chǎn)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(luò)化通過信息橫縱向集成實現(xiàn)研究、設(shè)計、生產(chǎn)和銷售各種資源的動態(tài)配置以及產(chǎn)品全程跟蹤檢測，實現(xiàn)個性化定制與柔性生產(chǎn)的同時提高了產(chǎn)品質(zhì)量。智能化將人工智能融入設(shè)計、感知、決策、執(zhí)行、服務(wù)等產(chǎn)品全生命周期，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品核心競爭力。

4．如何實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通化。

智能制造的首要任務(wù)是信息的處理與優(yōu)化，工廠／車間內(nèi)各種網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通則是基礎(chǔ)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(chǎn)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(luò)。按照所執(zhí)行功能不同，企業(yè)綜合網(wǎng)絡(luò)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(luò)的典型結(jié)構(gòu)。隨著技術(shù)的發(fā)展，該結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)扁平化發(fā)展趨勢，以適應(yīng)協(xié)同高效的智能制造需求。

智能工廠／數(shù)字化車間互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)各層次定義的功能以及各種系統(tǒng)、設(shè)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(jīng)營管理，如接收訂單，建立基本生產(chǎn)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(chǎn)地點，以及遠程運維管理等。企業(yè)資源規(guī)劃（ERP）、客戶關(guān)系管理（CRM）、供應(yīng)鏈關(guān)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(chǎn)管理，如維護記錄、詳細排產(chǎn)、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(chǎn)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(wù)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(shè)備，如PLC、DCS、工業(yè)計算機（IPC）、其他專用控制器等，這些設(shè)備統(tǒng)稱為控制設(shè)備；

現(xiàn)場層：

實現(xiàn)面向生產(chǎn)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(shè)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(dǎo)車）、智能倉儲等制造裝備，這些設(shè)備統(tǒng)稱為現(xiàn)場設(shè)備。

工廠／車間的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通本質(zhì)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(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)連接在一起，并且信息／數(shù)據(jù)在不同層次、不同設(shè)備間的傳輸；設(shè)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(luò)化，后者需首先定義統(tǒng)一的設(shè)備行規(guī)或設(shè)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(shè)備的具體特征（參數(shù)或?qū)傩裕?，這一般由設(shè)備制造商提供。如此，當生產(chǎn)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(shè)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(luò)集成和互操作，打破原有的業(yè)務(wù)流程與過程控制流程相脫節(jié)的局面，分布于各生產(chǎn)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(luò)，使得工廠／車間能夠?qū)崟r監(jiān)視現(xiàn)場的生產(chǎn)狀況與設(shè)備信息，并根據(jù)獲取的信息來優(yōu)化生產(chǎn)調(diào)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(yīng)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(luò)結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)場設(shè)備與控制設(shè)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(shè)備向現(xiàn)場設(shè)備傳送的設(shè)定值（輸出數(shù)據(jù)），以及現(xiàn)場設(shè)備向控制設(shè)備傳送的測量值（輸入數(shù)據(jù)）；控制設(shè)備讀寫訪問現(xiàn)場設(shè)備的參數(shù)；現(xiàn)場設(shè)備向控制設(shè)備發(fā)送診斷信息和報警信息；

現(xiàn)場設(shè)備與監(jiān)視設(shè)備之間的數(shù)據(jù)流包括：監(jiān)視設(shè)備采集現(xiàn)場設(shè)備的輸入數(shù)據(jù)；監(jiān)視設(shè)備讀寫訪問現(xiàn)場設(shè)備的參數(shù)；現(xiàn)場設(shè)備向監(jiān)視設(shè)備發(fā)送診斷信息和報警信息；

現(xiàn)場設(shè)備與MES／ERP系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)流包括：現(xiàn)場設(shè)備向MES／ERP發(fā)送與生產(chǎn)運行相關(guān)的數(shù)據(jù)，如質(zhì)量數(shù)據(jù)、庫存數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)等；MES／ERP向現(xiàn)場設(shè)備發(fā)送作業(yè)指令、參數(shù)配置等；

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

控制設(shè)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(shè)備；控制設(shè)備向MES／ERP發(fā)送與生產(chǎn)運行相關(guān)的數(shù)據(jù)，如質(zhì)量數(shù)據(jù)、庫存數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)等；控制設(shè)備向MES／ERP發(fā)送診斷信息和報警信息；

監(jiān)視設(shè)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(shè)備；監(jiān)視設(shè)備向MES／ERP發(fā)送與生產(chǎn)運行相關(guān)的數(shù)據(jù)，如質(zhì)量數(shù)據(jù)、庫存數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)等；監(jiān)視設(shè)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(wù)。

智能制造要求通過不同層次網(wǎng)絡(luò)集成和互操作，打破原有的業(yè)務(wù)流程與過程控制流程相脫節(jié)的局面，分布于各生產(chǎn)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(luò)，使得工廠／車間能夠?qū)崟r監(jiān)視現(xiàn)場的生產(chǎn)狀況與設(shè)備信息，并根據(jù)獲取的信息來優(yōu)化生產(chǎn)調(diào)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(yīng)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(luò)結(jié)構(gòu)。

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(yīng)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(chǎn)環(huán)節(jié)和制造裝備都是“信息孤島”，生產(chǎn)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(chǎn)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(luò)化”：

使用網(wǎng)絡(luò)化的生產(chǎn)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(chǎn)信息化管理，初步實現(xiàn)了企業(yè)內(nèi)部的橫向集成與縱向集成；

4.0實現(xiàn)“數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化”：

適應(yīng)多品種、小批量生產(chǎn)需求，實現(xiàn)個性化定制和柔性化生產(chǎn)，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(chǎn)，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(chǎn)、產(chǎn)品遠程維護智能服務(wù)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(yīng)著手于完成傳統(tǒng)生產(chǎn)裝備網(wǎng)絡(luò)化和智能化的升級改造，以及生產(chǎn)制造工藝數(shù)字化和生產(chǎn)過程信息化的升級改造。對于裝備供應(yīng)商和系統(tǒng)集成商，應(yīng)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(yīng)用，以及提供智能制造頂層設(shè)計與全系統(tǒng)集成服務(wù)。

必須牢記，企業(yè)不是為了“智能制造”而智能制造，應(yīng)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。

審核編輯 黃宇