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“智能制造”可以從制造和智能兩方面進(jìn)行解讀。首先，制造是指對原材料進(jìn)行加工或再加工，以及對零部件進(jìn)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)。智能是由“智慧”和“能力”兩個(gè)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(dá)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(gè)過程稱為智能過程，它是智慧和能力的表現(xiàn)。
然而，由于我國技術(shù)基礎(chǔ)薄弱發(fā)展不平衡，企業(yè)在智能制造實(shí)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(guān)于智能工廠、制造環(huán)節(jié)及裝備智能化、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通、端到端數(shù)據(jù)流等四個(gè)方面的初步認(rèn)識，以期說明智能制造的主要內(nèi)容。
1、什么是智能工廠
智能工廠是實(shí)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)、電腦輔助工具和智能裝備的集成與互操作來實(shí)現(xiàn)智能化、網(wǎng)絡(luò)化分布式管理，進(jìn)而實(shí)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(shí)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：
電腦輔助工具，如CAD(電腦輔助設(shè)計(jì))、CAE(電腦輔助工程)等;
電腦仿真工具，如物流仿真、工程物理仿真、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(jì)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(jī)床與機(jī)器人、增材制造裝備(3D打印機(jī))、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(jì)算、大數(shù)據(jù)等。
另一方面，智能制造是一個(gè)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，還伴隨著供給鏈、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(jì)、生產(chǎn)到銷售、維護(hù)的各個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品仿真設(shè)計(jì)、生產(chǎn)自動排程、信息上傳下達(dá)、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)。
2、如何實(shí)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(gè)體客戶間的即時(shí)交流成為現(xiàn)實(shí)，促使制造業(yè)實(shí)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(shí)現(xiàn)大規(guī)模定制化生產(chǎn)來滿足個(gè)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(gè)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(shí)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(biāo)。
網(wǎng)絡(luò)化是指使用相同或不同的網(wǎng)絡(luò)將工廠/車間中的各種電腦管理軟件、智能裝備連接起來，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備之間、設(shè)備與人之間的信息互通和良好交互。將生產(chǎn)現(xiàn)場的智能裝備連接起來的網(wǎng)絡(luò)被稱為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，包括現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)無線網(wǎng)，對于控制要求不高的應(yīng)用還可使用移動網(wǎng)絡(luò)(如2G、3G、4G以及未來5G網(wǎng)絡(luò))。車間/工廠的生產(chǎn)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(luò)與互聯(lián)網(wǎng)連接，通過大數(shù)據(jù)應(yīng)用和工業(yè)云服務(wù)實(shí)現(xiàn)價(jià)值鏈企業(yè)協(xié)同制造、產(chǎn)品遠(yuǎn)程診斷和維護(hù)等智能服務(wù)。為了防止竊密，在工廠網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)連接中要設(shè)防火墻，特別防止木馬、病毒攻擊企業(yè)網(wǎng)絡(luò)，注意網(wǎng)絡(luò)信息安全與功能安全。
數(shù)字化是指借助于各種電腦工具，一方面在虛擬環(huán)境中對產(chǎn)品物體特征、生產(chǎn)工藝甚至工廠布局進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證；另一方面，對生產(chǎn)過程進(jìn)行數(shù)字化管理。
智能化可分為兩個(gè)階段，當(dāng)前階段是面向定制化設(shè)計(jì)，支持多品種小批量生產(chǎn)模式，通過使用智能化的生產(chǎn)管理系統(tǒng)與智能裝備，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期的智能管理，未來愿景則是實(shí)現(xiàn)狀態(tài)自感知、實(shí)時(shí)分析、自主決策、自我配置、精準(zhǔn)執(zhí)行的自組織生產(chǎn)。這就要求首先實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的透明化管理，各個(gè)制造環(huán)節(jié)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)能夠被實(shí)時(shí)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(lǐng)導(dǎo)層的決策(BI)，及有突發(fā)情況要能接受人工干預(yù);其次要求生產(chǎn)線具有高度的柔性，能夠進(jìn)行模塊化組合，以滿足生產(chǎn)不同產(chǎn)品的需求。此外，還應(yīng)提升產(chǎn)品本身的智能化，如提供友好的人機(jī)交互、語言識別、數(shù)據(jù)分析等智能功能，并且生產(chǎn)過程中的每個(gè)產(chǎn)品和零部件是可標(biāo)識、可跟蹤的，甚至產(chǎn)品了解自己被制造的細(xì)節(jié)以及將被如何使用。
數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化是保證智能制造實(shí)現(xiàn)“兩提升、三降低”經(jīng)濟(jì)目標(biāo)的有效手段。數(shù)字化確保產(chǎn)品從設(shè)計(jì)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(jìn)行仿真驗(yàn)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(shí)現(xiàn)研究、設(shè)計(jì)、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(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制與柔性生產(chǎn)的同時(shí)提高了產(chǎn)品質(zhì)量。智能化將人工智能融入設(shè)計(jì)、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。
3、如何實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通
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(jì)劃層。
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(jì)劃層：實(shí)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(jì)劃(如原料使用、交貨、運(yùn)輸)，確定庫存等級，保證原料及時(shí)到達(dá)正確的生產(chǎn)地點(diǎn)，以及遠(yuǎn)程運(yùn)維管理等。企業(yè)資源規(guī)劃(ERP)、客戶關(guān)系管理(CRM)、供給鏈關(guān)系管理(SCM)等管理軟件都在該層運(yùn)行。
執(zhí)行層：實(shí)現(xiàn)面向工廠/車間的生產(chǎn)管理，如維護(hù)記錄、詳細(xì)排產(chǎn)、可靠性保障等。制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)在該層運(yùn)行。
監(jiān)控層：實(shí)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(jìn)一步細(xì)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(jī)接口)、實(shí)時(shí)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)電腦(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(shí)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(yuǎn)程終端設(shè)備)、條碼、射頻識別，以及數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)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(shí)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，并通過電腦可識別的方法(軟件或可讀文件)來表達(dá)設(shè)備的具體特征(參數(shù)或?qū)傩?，這一般由設(shè)備制造商提供。如此，當(dāng)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。
4、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(jì)劃層網(wǎng)絡(luò)，使得工廠/車間能夠?qū)崟r(shí)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(如上游零部件供給商、下游用戶)的信息改變，這就需要用互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)企業(yè)與企業(yè)數(shù)據(jù)流動。
5、我國制造業(yè)現(xiàn)狀和首要任務(wù)
我國制造業(yè)現(xiàn)狀是“2.0補(bǔ)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(shí)現(xiàn)“電氣化、半自動化”：使用電氣化和機(jī)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)信息不貫穿，甚至企業(yè)尚未使用ERP或MES系統(tǒng)進(jìn)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(shí)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(biāo)識與維護(hù)、診斷與報(bào)警等)，采用ERP和MES系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)信息化管理，初步實(shí)現(xiàn)了企業(yè)內(nèi)部的橫向集成與縱向集成;
4.0實(shí)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(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制和柔性化生產(chǎn)，使用高檔數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、智能測控裝置、3D打印機(jī)、智能倉庫和智能物流等智能裝備，借助各種電腦輔助工具實(shí)現(xiàn)虛擬生產(chǎn)，利用互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)價(jià)值鏈企業(yè)協(xié)同生產(chǎn)、產(chǎn)品遠(yuǎn)程維護(hù)智能服務(wù)等。
我國實(shí)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(bǔ)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。對于裝備供給商和系統(tǒng)集成商，應(yīng)加快實(shí)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(jì)與全系統(tǒng)集成服務(wù)。
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