1、智能制造概念

智能制造是工業(yè)4.0的重要組成部分，本質上是基于數據（信息、知識、模型）驅動的C2B制造模式，涉及用戶需求、產品研發(fā)、工藝設計、智能生成、產品服務。“智能”體現(xiàn)在兩個層面：一是面對C端個性化的、復雜的、不穩(wěn)定、變化的需求如何去合理的根據B端已有的資源（組織、能力、原料、設備、庫存、供應鏈），快速的適配出解決方案，完成高品質的產品。二是基于工廠內部人、設備、物料之間的信息互聯(lián)、感知、優(yōu)化、控制、執(zhí)行。

智能制造是實現(xiàn)整個制造業(yè)價值鏈的智能化和創(chuàng)新，是信息化與工業(yè)化深度融合的進一步提升。智能制造融合了信息技術、先進制造技術、自動化技術和人工智能技術。智能制造包括開發(fā)智能產品；應用智能裝備；自底向上建立智能產線，構建智能車間，打造智能工廠；踐行智能研發(fā)；形成智能物流和供應鏈體系；開展智能管理；推進智能服務；最終實現(xiàn)智能決策。

傳統(tǒng)的制造系統(tǒng)在前三次工業(yè)革命中主要圍繞著它的五個核心要素進行技術升級，它包含了：

Material——材料，包括特性和功能等

Machine——機器，包括精度、自動化、和生產能力等

Methods——方法，包括工藝、效率、和產能等

Measurement——測量，包括六西格瑪、傳感器監(jiān)測等

Maintenance——維護，包括使用率、故障率、和運維成本等

這些改善活動都是圍繞著人的經驗開展的，人是駕馭這5個要素的核心。生產系統(tǒng)在技術上無論如何進步，運行邏輯始終是：發(fā)生問題->人根據經驗分析問題->人根據經驗調整5個要素->解決問題->人積累經驗。而智能制造系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)制造系統(tǒng)最重要的要素在于第6個M，也就是建模（Modeling——數據和知識建模，包括監(jiān)測、預測、優(yōu)化和防范等）,并且通過這第6個M來驅動其他5個M的要素，從而解決和避免制造系統(tǒng)的問題。

因此，智能制造運行的邏輯是：發(fā)生問題->模型（或在人的幫助下）分析問題->模型調整5個要素->解決問題->模型積累經驗，并分析問題的根源->模型調整5個要素->避免問題。智能制造所要解決的核心問題是知識的產生與傳承過程。

2、什么是智能工廠

美國ARC總結：以制造為中心的數字制造、以設計為中心的數字制造、以管理為中心的數字制造，并考慮了原材料、能源供應、產品銷售的銷售供應，提出用工程技術、生產制造、供應鏈這三個維度來描述工程師的全部活動。

通過建立描述這三個維度的信息模型，利用適當的軟件，能夠完整表達圍繞產品設計、技術支持、生產制造已經原材料供應、銷售和市場相關的所有環(huán)節(jié)的活動。實時數據的支持，實時下達指令制導這些活動，全面的優(yōu)化，在三個維度之間交互，我們叫數字化工廠或智慧工廠。

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字化、網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(產品數據管理)等;
• 智能裝備，如高檔數控機床與機器人、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、云計算、大數據等。

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據;生產管理系統(tǒng)基于實時采集的數據，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據，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)的能效相關數據，使用MES系統(tǒng)或EMS(能源管理系統(tǒng))系統(tǒng)對能效相關數據進行管理和分析，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、制造環(huán)節(jié)智能化

互聯(lián)網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。

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-Link IE、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，通過大數據應用和工業(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的仿真與測試等;另一方面，對生產過程進行數字化管理，例如、使用CDD(通用數據字典)建立產品全生命周期數據集成和共享平臺，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)生產數據的透明化管理，各個制造環(huán)節(jié)產生的數據能夠被實時監(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、數據分析等智能功能，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、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)互通和數據采集與交互，工業(yè)云、工業(yè)大數據都將成為無源之水。智能工廠/數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/數字化車間典型網絡結構

智能工廠/數字化車間互聯(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：包括可視化的數據采集與監(jiān)控(SCADA)系統(tǒng)、HMI(人機接口)、實時數據庫服務器等，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/車間的網絡互聯(lián)互通本質上就是實現(xiàn)信息/數據的傳輸與使用，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/數據在不同層次、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/數據的數據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)場設備的數據后，就可解析出數據的數據類型及其代表的含義。

5、端到端數據流

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”，數據/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)數據流動。按照圖2的智能工廠/數字化車間網絡結構，工廠/車間中可能的端到端數據流如圖3所示。

圖3：智能制造端到端數據流

具體包括：

現(xiàn)場設備與控制設備之間的數據流包括：交換輸入、輸出數據，如控制設備向現(xiàn)場設備傳送的設定值(輸出數據)，以及現(xiàn)場設備向控制設備傳送的測量值(輸入數據);控制設備讀寫訪問現(xiàn)場設備的參數;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)視設備之間的數據流包括：監(jiān)視設備采集現(xiàn)場設備的輸入數據;監(jiān)視設備讀寫訪問現(xiàn)場設備的參數;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)之間的數據流包括：現(xiàn)場設備向MES/ERP發(fā)送與生產運行相關的數據，如質量數據、庫存數據、設備狀態(tài)等;MES/ERP向現(xiàn)場設備發(fā)送作業(yè)指令、參數配置等;

控制設備與監(jiān)視設備之間的數據流包括：監(jiān)視設備向控制設備采集可視化所需要的數據;監(jiān)視設備向控制設備發(fā)送控制和操作指令、參數設置等信息;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之間的數據流包括：MES/ERP將作業(yè)指令、參數配置、處方數據等發(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據，如質量數據、庫存數據、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之間的數據流包括：MES/ERP將作業(yè)指令、參數配置、處方數據等發(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據，如質量數據、庫存數據、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。

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)生產裝備網絡化和智能化的升級改造，以及生產制造工藝數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。