文章來源：裝備司

編者（zhě）按：當前，以新一代信息通信技術與製造業融合發展為主要特征的產業變革在世界範圍內（nèi）孕育興起，智能製（zhì）造已成為（wéi）製造業發展的主要方向。智能（néng）製造尚處（chù）於不斷發展過程中，社會各界（jiè）的認（rèn）識和理解各有不同。機械工業儀器儀表綜合技術經濟研究所長期跟蹤世界製造技術發展，在大量的企業調研和國際交流的基（jī）礎上，形（xíng）成了“對智能製造的一些認識”一文，與大家分享（xiǎng）。

對智（zhì）能製造的一些認識

機械工業儀器儀表綜合技術經（jīng）濟研究所

1、智能製造概念

“智能製造”可以從（cóng）製造和智能兩方麵進行（háng）解讀。首先，製造是指對原材（cái）料進行加工（gōng）或再加工（gōng），以及對零部件進行裝配的過（guò）程。通常，按照生產方式的連續性不同，製造分（fèn）為流程製造與離散製造。根據我國現（xiàn）行標準GB/T4754-2002，我國製造業包括31個行業，又進一步劃分約175個中類、530個小類，涉（shè）及了（le）國民經濟（jì）的方方（fāng）麵麵。

智（zhì）能是由“智慧（wisdom）”和（hé）“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（zhě）合稱為“智能（intelligent/smart）”。因此，將感覺、記憶、回憶、思維、語言、行為的（de）整個過程稱為智能過程，它是智慧和能力的表現。

目前，國際和國內都尚且沒（méi）有關於智能製造的準確定義，但剛剛發布的《智能製造發展規劃（2016-2020年）》給出了一個比較多方麵的描述性定義：智能製造是基於新一代信息通信技術與先進製造技術深（shēn）度融合，貫穿於設（shè）計、生產、管理（lǐ）、服務等製造活動的各個（gè）環節，具（jù）有（yǒu）自感知、自學（xué）習、自決策、自執行、自適應等功能的新型生（shēng）產方（fāng）式。推動智能製造，能（néng）夠（gòu）有效縮短產品研（yán）製周期、提高生產效率和產品質量、降低運營成本和資源（yuán）能源消耗，並（bìng）促進基於互聯網的眾創、眾包（bāo）等新業態、新模式的孕育發展。智能製造具有（yǒu）以（yǐ）智能工廠為載體，以關鍵製造環節智能化為主，以端到端數據流為基礎、以網絡互（hù）聯為支撐等特征，這實際（jì）上指（zhǐ）出了（le）智能製造的主要技術、管理要（yào）求、主要功能和經濟目標，體現了智能製造對於我國工業轉型（xíng）升級和國民經濟（jì）持續發展的重（chóng）要作用。

然（rán）而（ér），由於我國技術基礎薄弱發展不平衡，企業在進行智能製造實施和升級改（gǎi）造過程中往往茫然不知從何（hé）做（zuò）起。因此，以下將根據智能製造的描述（shù）性定義，提出關於智能工廠、製（zhì）造環節智能化、網絡（luò）互聯互通，以及端到（dào）端數據流等四個方麵的初步認（rèn）識，以期說（shuō）明智（zhì）能製造的主要內容。

2、什麽（me）是智能工廠

智能工廠是實現智能（néng）製（zhì）造的載體。在智能工（gōng）廠中通過生（shēng）產管理係統、計算機輔助工具和智能裝（zhuāng）備的（de）集成與互操作來實現（xiàn）智能化、網絡化分布式管理，進而（ér）實現企業業務流程（chéng）與工藝流程的協同（tóng），以及生（shēng）產資源（材料、能源等）在企業內（nèi）部及（jí）企業之間的動態配置。

一（yī）方麵，“工欲善其事必先利其器”，實現智能製造的利器就是（shì）數字化、網絡化的工具軟件和製（zhì）造裝備，包括以（yǐ）下類型：

1）計算機（jī）輔助工具，如CAD（計算機輔助設計（jì））、CAE（計算機輔助工程）、CAPP（計算機輔助工藝設計）、CAM（計算機輔助製造）等；

2）計算機仿（fǎng）真工具，如物流仿真、工程物（wù）理仿真（包（bāo）括結構分析、聲學分析、流體分析、熱力學（xué）分析、運動分析、複合材料分析等（děng）多物理場仿真）、工藝仿真等；

3）工廠/車間業務（wù）與（yǔ）生產管理係統，如（rú）ERP（企業資源計劃）、MES（製造執行係統）、PLM（產品全生命周期管理）/PDM（產品數據管理）等（děng）；

4）智能裝備，如數控機床與機器人、增材製造裝備（3D打印機）、智能傳感與控製裝備、智能檢測與裝（zhuāng）配裝備、智能物流與倉儲裝備（bèi）等；

5）新一代信息技術，如物聯網、雲計算、大數據等。

另一方麵，智能製造是一個覆蓋更（gèng）寬泛領域和技術的係統工（gōng）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：智能製造生命周期管理

在智能工廠中，借助於各種（zhǒng）生產管理工具/軟件/係統和智能設備，打通企業從設計、生產到銷售、維護的各個環節，實現產品仿真設計、生產自動排程、信息上傳下達、生產（chǎn）過程監控、質量在線監測、物（wù）料自動配送等智能（néng）化生產（chǎn）。下麵介紹了幾個智能工廠（chǎng）中的“智能”生產場景。

場景1：設計/製造一體化。在智能化較（jiào）好的航空航天製造領域，采用（yòng）基於模型定義（MBD）技術實現產品開發，用一個集成的三維實體模型完整地表達產品的設（shè）計信（xìn）息和製造信息（xī）（產品結構（gòu）、三維（wéi）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、產品製造、檢驗檢測等都基於該（gāi）模型實現，這打破了設計與（yǔ）製（zhì）造之間的壁壘，有效（xiào）解決（jué）了產品設計與製造（zào）一致性問題。

場景2：供應鏈及庫存管理。企業要生產的產品（pǐn）種類、數量等（děng）信息通過訂單確認，這使得生產變得精。例如：使用ERP或WMS（倉庫（kù）管（guǎn）理係統）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（suàn）所需的原材料，並（bìng）且根據供應商信息及時計算原材料的采購時間（jiān），以保在滿足（zú）交貨時間的同時使得庫存成本很低甚至為零。

場景3：質量控（kòng）製。車間內使用的傳感器、設備和儀器能夠自動在線采集（jí）質量控製所需的（de）關鍵（jiàn）數據；生產管理係統基（jī）於實時（shí）采集的數據，提供質量判異和（hé）過程判（pàn）穩等在線質量監測和預警方法，及時有效發現產品質量問題。此外，產品具有標準的標識（shí）（條形碼、二維碼、電子（zǐ）標簽），可以以（yǐ）文字、圖片和視頻等方式追溯產品質量所涉及（jí）的數據，如用料批次、供應商、作業人員、作業地（dì）點、加工工藝、加工設備信（xìn）息（xī）、作業時間、質量檢測及判定、不良處（chù）理過程等。

場（chǎng）景4：能效優化。采集（jí）關鍵製造裝備（bèi）、生產過程、能源供（gòng）給（gěi）等環節的能效相關數據，使用（yòng）MES係統或EMS（能源管理係統）係統對能效相關（guān）數據進行（háng）管理和分析，及時發現（xiàn）能效的波動和異常，在保障正常（cháng）生產的前提下，相應地對生產過程（chéng）、設備、能源供給及人員（yuán）等進（jìn）行（háng）調整，實現生產（chǎn）過程的能效提高。

總之（zhī），智能工廠的建（jiàn）立可大幅（fú）改善勞動（dòng）條件（jiàn），減少生產線人工幹預，提高生產（chǎn）過程可控性（xìng），重要的是借助（zhù）於（yú）信息（xī）化技術打通（tōng）企（qǐ）業的各個流程（chéng），實現從設計、生產到（dào）銷售各個環節的互聯互通，並在此基礎上實現資源（yuán）的整合優化和提高（gāo），從而（ér）進一步提高企業的生產效率和產品質量。

3、如何實現製造環節智能化

互（hù）聯網（wǎng）技術的普及使得企（qǐ）業與個體客戶（hù）間的即時交流成為現實，促使製造（zào）業可實現從需求端到研發生（shēng）產端（duān）的拉動式生產，以及從“生產型”向“服務型”產業轉變（biàn）。因（yīn）此，企業先於競爭對手（shǒu）完成數字化、網絡化與智（zhì）能化的（de）轉（zhuǎn）型升級，實現大規模定製化生產來滿足個性化需求並提供智能服務，方能在瞬息萬變的市場上立於不（bú）敗之地。

看得見的是個性化定（dìng）製和智能服務，看不見的是生（shēng）產製造各環節的數字化、網絡化與智能化。實現智能製造，網絡化是基礎，數字化是工具，智能化則是目（mù）標。

網絡（luò）化是指使用相同或不同的網絡（luò）將工廠/車間中的各種計算機係統、智能裝（zhuāng）備，甚至操作人員、物料、半成品和成品等（děng）連接起來，以實現設備與設備、設（shè）備與人、物料與設備之間的信（xìn）息互（hù）通和良好交互。生產現場的智能裝備通過工業控製網絡連接，工業控製網絡（luò）包括現場總線（如PROFIBUS、CC-Link、Modbus等）、工（gōng）業以太網（如PROFINET、CC-LinkIE、Ethernet/IP、EtherCAT、POWERLINK、EPA等）、工（gōng）業無線網（如WIA-PA、WIA-FA、WirelessHART、ISA100.11a等）等網絡技術。射頻識別（RFID）技術在智能工廠中也扮演重要角色，可實現產（chǎn）品在整個製造過程中的自動識別與跟蹤管理。車間/工廠的生產管理係統則直接使用以太網連接。此外，工廠網絡還要求與互聯網連接（jiē），通過大（dà）數據應用和工業雲服務實現價值鏈企業協同製造、產品遠程診斷和維護等智能服務（wù）。

數字（zì）化是（shì）指借助於各種（zhǒng）計算機工具，一方（fāng）麵在（zài）虛擬環境中對產品（pǐn）物體特征、生產工藝甚至工（gōng）廠布局進行輔助（zhù）設計和仿真驗證，例如：使用CAD（計算機輔助設計（jì））進（jìn）行產品二維（wéi）、三維設計並生成數控程序G代碼，使用（yòng）CAE（計算機輔助工程）對（duì）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（zhí）計算、邏輯判斷和推理等功能來製定和仿真零部件機械加工（gōng）工藝過程，使用CAM（計算機輔助製造）進（jìn）行（háng）生產設備管理（lǐ）控製（zhì）和操作過程等；另一方麵，對生（shēng）產過（guò）程（chéng）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台，使用PDM管理（lǐ）產品相關信息（包括零件、結構（gòu）、配置、文檔、CAD文件等），使用PLM進行產品全生命（mìng）周期管（guǎn）理（產品全生命周期的信息創建、管理、分發和應用的一係列應用解決方案）等。

智能化可分（fèn）為兩個階段，當前階段是（shì）麵向定製化設計，支持多品（pǐn）種（zhǒng）小批量生產模式，通過使用智能化（huà）的生產管理係統與智能裝備（bèi），實現產（chǎn）品全（quán）生命周期（qī）的智能管（guǎn）理，未來願景則是實現狀態自感知、實時分析（xī）、自主決策、自我配置、執行的自組織生產。這就要求首先實現生產數據（jù）的透明（míng）化管理，各個製造環（huán）節產生的數據能夠被實時監測和分析（xī），從而做（zuò）出智能決策；其次要求生產線具有高度的柔性，能夠進（jìn）行模塊化的組合，以（yǐ）滿足（zú）生產不同產品的需求。此外，還應提升產品本身的智能化，如（rú）提供友（yǒu）好的人機交互、語言識別、數據分析等智能功能，並且生產過程中（zhōng）的每個產品和零部件是可（kě）標識、可跟蹤的，甚至產品了解自己被製造的（de）細節以及將被如何（hé）使用。

數字化、網絡化、智能化是保（bǎo）障智能製造實現“兩提、三降”經濟目標的手段。數字（zì）化以（yǐ）保產品從設計到製造（zào）的一致性，並且在製樣前對產品的結構、功能、性能乃至生產工藝（yì）都進行仿真驗證，節約（yuē）開發成本和縮短開發周期。網絡化通過信（xìn）息橫縱向集成實現（xiàn）研究、設（shè）計、生產和銷售各種資源的動態配置以及產品全程跟蹤檢測（cè），實現個性化定製與柔性生產同時提高了產品質量。智（zhì）能化將人工智能融（róng）入設計、感知、決策、執行、服務（wù）等產品全生（shēng）命周期，提高了生產效率和（hé）產品主要競爭力。

4、如何實現網絡互聯互通

智能製造的（de）首要任務是信息的處理與優化，工（gōng）廠/車間內各種網絡的互聯互通則是基礎與前提。沒有互聯互通和數據采集與交互，工業雲、工業大數據都將成為無源之（zhī）水。智能工廠/數字化（huà）車間中的生產管理係統（tǒng）（IT係統（tǒng））和（hé）智（zhì）能裝備（自動（dòng）化係統）互聯互通形成了企業的綜合網絡（luò）。按照所執行功能不同（tóng），企業綜合網絡劃分為不同（tóng）的層次，自下而上包括現場層（céng）、控製層、執行層和計劃層。圖（tú）2給出了符合該層次模型的一個智能工廠/數字化車間互（hù）聯網絡的典型結構。隨著技術的發展（zhǎn），該結構呈現扁平（píng）化發展趨勢，以適應（yīng）協同智能製（zhì）造需求。

  圖2：智（zhì）能工廠/數字化車間典型網絡結構

智（zhì）能工廠/數字化車間互聯網絡各層次定義的功能以及各種係（xì）統、設備在不同層次上的（de）分配如（rú）下。

1）計劃層：實現麵向企業的經營管理，如（rú）接收訂單，建立基本生產計劃（如原料使用（yòng）、交貨、運（yùn）輸），確定庫存等級，以保原料及時（shí）到達正確的生（shēng）產地點，以及遠程運維管理等。企業資源規劃（ERP）、客戶（hù）關（guān）係管理（CRM）、供（gòng）應鏈關係管（guǎn）理（SCM）等管理軟件在該（gāi）層運行。

2）執行層：實現麵（miàn）向工廠/車間（jiān）的生（shēng）產管理（lǐ），如（rú）維護記錄、詳細（xì）排產、可（kě）靠性保障（zhàng）等。製造執行係統（MES）在該層運行。

3）監控層：實現（xiàn）麵向生（shēng）產製造過程的監視和控製。按照不同功（gōng）能，該層次可進一步細分為：

監視層：包括可視化的數據（jù）采集與監控（SCADA）係統、HMI（人機接口）、實時數據庫服務（wù）器等，這些係統統稱為監視係統；

控（kòng）製層：包括各種可編程的控製設（shè）備，如PLC、DCS、工業（yè）計算機（IPC）、其他專用控（kòng）製器等，這些設備統稱為控製設備；

4）現場層：實現麵向生產製造過程（chéng）的傳感和執行，包括各種傳感器、變送器、執行器、RTU（遠（yuǎn）程終端設備）、條碼、射頻識別，以及（jí）數（shù）控機床、工業機器人、AGV（自（zì）動引導車）、智能倉儲等製造裝（zhuāng）備，這些設備統稱為現場設備。

工廠/車間的網絡互聯互（hù）通本質上就是實現信息/數據的傳輸與使用，具體包含以下含義：物理上分布於不同層次、不同類型的係統和設備通過網絡連接在一起，並且信息/數據在不同（tóng）層次、不同設備間的傳輸；設備和係統能夠一致地解析（xī）所傳輸信息/數據的數據（jù）類型甚至了解其含義。前者即指網絡化，後者需首先定義統一的設備行規或設備信息模型，並通過計算機可識別的方法（fǎ）（軟件（jiàn）或可讀文件）來表達設備的具體特征（參數或屬性），這一般由設備製造商提供（gòng）。如此，當生產管理係統（tǒng）（如ERP、MES、PDM）或監控係統（如SCADA）接收到現場設備的數據後，就可解析出數據的數據類型及其代表的含義。

5、什麽是端到端數（shù）據流

智能製造要求各層次網絡集成和互操作打破原有（yǒu）的業務流程與過程控製流程相脫節的局麵，使得分布於各生產製造環節的係（xì）統不再是“信息孤島”，數據/信息交換要求從底層現場層向上貫穿（chuān）至執行層甚至計劃層網（wǎng）絡，使得工廠/車間能夠實時（shí）監視現場的生產狀況與設備信息，並根（gēn）據獲取的信息來優化和調整生產（chǎn）調（diào）度與資（zī）源配（pèi）置。按照圖2的智能工廠（chǎng）/數字（zì）化車（chē）間網絡結構，工廠/車間中可能的端到端數據（jù）流如圖3所示。

  圖3：智能製造（zào）端到端數據流

具體（tǐ）包括：

1）現場設備（bèi）與（yǔ）控製設備之間的數據流（liú）包括：交換輸入、輸出數據，如控製設備向現（xiàn）場設備傳送的設定值（輸出數據），以及現場設備向（xiàng）控製設備傳送的測量值（輸入數（shù）據）；控製設備讀寫訪（fǎng）問現場設備的參數；現場設備向控製設備發送診斷信息和報警信息；

2）現場設備與（yǔ）監視設（shè）備之間的數據流包括：監視設備采集現場設備（bèi）的輸入數據；監視設備讀寫訪問現場設備的參數；現場設備向監視設備發送診斷信息和報警信息；

3）現場（chǎng）設備與MES/ERP係統（tǒng）之（zhī）間的數據流包括：現場設備向MES/ERP發送與生產運行相關（guān）的數據，如質量數據、庫存數據、設（shè）備狀態等；MES/ERP向（xiàng）現場（chǎng）設（shè）備發送作業指令、參數（shù）配置等；

4）控製設備與監視設備之間（jiān）的數據流包括：監（jiān）視設備向控製設備采集可（kě）視化所需要的數據（jù）；監視設備向控（kòng）製設備發（fā）送控製和操（cāo）作指令、參數設置等信息；控製設（shè）備向監視設備（bèi）發送診斷信（xìn）息和報（bào）警信息；

5）控（kòng）製設備與MES/ERP之間的數據（jù）流包括：MES/ERP將作業指令、參數配置、處方數據（jù）等發送給控製設備（bèi）；控製（zhì）設備向MES/ERP發送與生產運行相關的數據，如質量數據、庫存數據、設備狀態等；控製設備向MES/ERP發送（sòng）診斷信息和報警信息；

 6）監視設（shè）備與MES/ERP之（zhī）間的數據流包（bāo）括：MES/ERP將作業（yè）指令、參數（shù）配置、處方（fāng）數據等發送給監視設備；監視設備向MES/ERP發送與生產（chǎn）運行相關的數據，如質量數據（jù）、庫存數據、設備狀態等；監視設備（bèi）向MES/ERP發送診斷信息和報警信息（xī）。

6、我國製造業現（xiàn）狀和（hé）首要任務

我國製造業現狀是“2.0補課，3.0普（pǔ）及，4.0示範”，其中工（gōng）業（yè）2.0、3.0、4.0對應的含義如下：

1）2.0實現“電氣化與自動化（huà）”生產：使用繼電器、電氣自（zì）動化來控製機（jī）械製造裝備，但各生（shēng）產環節和製造裝備都是“信息孤島”，生產管理係統與自動化係統信息不貫通，甚至企業尚未（wèi）使（shǐ）用ERP或MES係統進行生（shēng）產信息化管理。我國許多中小企業（yè）都處於此階段；

2）3.0實現（xiàn）“信息化”生（shēng）產（chǎn）：廣泛應用電子與信息技術，使得製造過程（chéng）的自動化控製程度（dù）大幅度提高。使用網絡化的基於PC、PLC或單片機的生產製造裝備，製造裝備具有智能（néng）功能（如標識與（yǔ）維護、診斷與報警等），采用ERP和MES係統進行生產信息化管理，初步實現了企業內部的橫向集成與縱（zòng）向集成；

3）4.0實現“智能化”生產：利用信（xìn）息通信技術將工廠中的（de）所有信息基（jī）礎設施（包括智能製造裝備、操作人員、物料、半成品和成品）高（gāo）度互聯互通，借助計算機軟件工具實現產品數字（zì）仿真設（shè）計及快速實體化“虛（xū）擬”實現，借助生產管理軟件（jiàn）實現產品全生命周期和全製造流程數字化（huà）管理，利用互聯網（wǎng）、雲計算（suàn）、大（dà）數據（jù）實現實現價值鏈企業協同生產、產（chǎn）品遠程維護智能服務等，形成高度靈活、大規模（mó）個性化的產品與服（fú）務新生產模式。

我國實現智能製造須2.0、3.0、4.0並行發（fā）展（zhǎn），既要在改造傳統製造方麵“補課（kè）”，又要在綠色製造（zào）、智能升級方麵“加課”。對於製造企業而言，應著手於完成傳統生產裝備網絡化和智能（néng）化的升級改造，以及（jí）生產製造工（gōng）藝數字化和生（shēng）產（chǎn）過程信息化的升級改造。對於裝備供應商和（hé）係（xì）統集成商，應加快實現安全可控的智能裝備與工業（yè）軟件的開發和應用，以（yǐ）及提供智能製造頂層設（shè）計與全係統集成服務。

7、小結

須牢記，企（qǐ）業不是為了“智能製造”而智能製造，應以智能、協同、綠（lǜ）色、安全發展為（wéi）突破口，以“兩提（tí）升、三降低（dī）”為目標，本著長遠規劃、逐步實（shí）施、突破原則，對整個製造（zào）業進行逐步升級改（gǎi）造。