文章來源：裝備司
編者按：當前，以新一代信息通信技術與製造業融合發（fā）展為（wéi）主要特征的產業變革在世界範圍內孕育興（xìng）起，智能製造已成為製造業發展的主要方向。智（zhì）能製造尚處於不斷發展過（guò）程中，社會各界的認（rèn）識和理解各有（yǒu）不同。機械工（gōng）業儀器（qì）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（liàng）的企業（yè）調研和（hé）國際交流的基礎上，形成（chéng）了“對智（zhì）能（néng）製造的一（yī）些認識”一（yī）文，與大家（jiā）分享。
對智能製造的一些認識（shí）
機（jī）械工業儀器儀表綜合技術經濟研究（jiū）所
1、智（zhì）能製（zhì）造概念
“智能製造”可以從製造和（hé）智能兩方麵進行解讀。首先，製造是指對原材料進（jìn）行加工或再加工（gōng），以及對零部件進行裝配的過程（chéng）。通常，按照（zhào）生產方式的連續性不同，製造分為流程製造與離散製造。根據我國現行標準GB/T4754-2002，我國製造業包括31個行業，又進一步（bù）劃分約175個中類、530個小類，涉及了國民經濟的方方麵麵。
智能是（shì）由“智慧（wisdom）”和“能（néng）力”兩（liǎng）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（yán）的（de）表（biǎo）達過程稱為“能力”，兩者合稱（chēng）為“智能（intelligent/smart）”。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（zhì）慧和能力（lì）的（de）表現。
目（mù）前，國際和國（guó）內都尚且沒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（yì）：智能製造是基於新一代信息通信技術與先進製（zhì）造技術深度融合，貫穿於設計、生（shēng）產、管理、服務等製造活動的（de）各個環節，具有自感（gǎn）知、自學習、自決策、自執行、自適應等功能的新型生產（chǎn）方式。推動智能製造，能夠有效縮短產品研製周（zhōu）期、提高生產效率和產品質量、降低運營成本和資源能源消（xiāo）耗，並促進基於互聯網的眾創、眾（zhòng）包等新業態、新模式的孕育發展。智能製造具有以智能工廠為載體，以關（guān）鍵製造環節（jiē）智能化為主，以端到端數據流（liú）為基礎、以網（wǎng）絡互聯為支撐等特征，這實際上指出了智能製造的主要技術、管理要求（qiú）、主要功能和經濟目標，體現了智能製造對於我國工業轉型升級和國民經（jīng）濟持（chí）續發展的重要作用。
然而，由於我（wǒ）國技術基礎薄弱發展不平衡，企（qǐ）業在進行智能製造實施和升級改造（zào）過程中（zhōng）往往茫然不知（zhī）從何做（zuò）起（qǐ）。因此，以下將根據智能製造的描述性定義，提出關於智能工廠、製造環節（jiē）智能化、網絡互聯互通，以及端到端數據流等四個方麵的初步認識，以期說明智能製造的主要內容。
2、什麽是智能工廠
智能工廠是實現智能（néng）製造的載體。在智能工廠中通（tōng）過生產管理係統、計算機輔助工具和智能裝備（bèi）的集成與互操作來實現智能化、網絡化分布式管理，進而實現企業業務流程與（yǔ）工藝流程的協同，以及（jí）生（shēng）產資源（材料（liào）、能源等）在企業內部及企業之間的動態（tài）配（pèi）置。
一方（fāng）麵，“工欲善其事必先利其（qí）器”，實現智能製造的利器就（jiù）是數字化、網（wǎng）絡化（huà）的工具軟件和製（zhì）造裝備，包括以下類型：
1）計算機輔助工具，如CAD（計算機輔助（zhù）設計）、CAE（計算機（jī）輔助（zhù）工程）、CAPP（計算機輔助工藝（yì）設計）、CAM（計算機輔助製造（zào））等；
2）計算機（jī）仿真工具，如物流仿真、工（gōng）程物（wù）理仿真（包括結構（gòu）分析、聲學分（fèn）析、流體分析、熱力學分析（xī）、運動分析、複合材（cái）料（liào）分析等多物理場仿真）、工藝仿真等；
3）工（gōng）廠/車間業（yè）務與（yǔ）生產管理係統，如ERP（企業資源計劃）、MES（製造執行係統）、PLM（產品全生命周期管（guǎn）理）/PDM（產品（pǐn）數據管理）等；
4）智能裝備，如數控機床與（yǔ）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（yǔ）裝（zhuāng）配裝備、智能物流與倉儲裝備等；
5）新一代信息技術，如物聯網、雲計算（suàn）、大數據等。
另一（yī）方麵，智能（néng）製造是一個覆蓋（gài）更寬泛領域（yù）和技術的係統工程，在（zài）生（shēng）產過程中以產品全生命周期管理為主線，還伴隨著供（gòng）應鏈、訂單、資產（chǎn）等全生命（mìng）周期管理，如圖1所示。
圖1：智能製造生命周期管（guǎn）理（lǐ）
在智能（néng）工廠中，借助於各種生產管理工具/軟件/係（xì）統和智能設備，打（dǎ）通企業從設計、生產到（dào）銷售、維護的各個環（huán）節，實現產品仿真設（shè）計、生產自動排程（chéng）、信息上傳下達、生產過程（chéng）監（jiān）控、質量在線監測、物料自動配送等智能化生產。下麵介紹了幾個智能工廠中（zhōng）的（de）“智能（néng）”生產場景。
場景1：設計/製造一體化。在智能化較好的（de）航空航天製造領域，采用基於模型定義（MBD）技術實（shí）現產品開發，用一個集成的三維實（shí）體模型完整（zhěng）地表達產品的設計信息和製造信息（產品結構、三維尺（chǐ）寸、BOM等），所有的生（shēng）產過程包括產品設計、工藝設計、工裝設計、產品製造、檢（jiǎn）驗檢測（cè）等都基於該模型實現，這打破了設計與製造之（zhī）間的壁壘，有效解決了產品設（shè）計與製造一致性問題。
場景2：供應鏈及庫存管理。企業要（yào）生產的產品種類、數量等信息（xī）通過訂單確（què）認，這使得生產變得精。例如：使用ERP或WMS（倉庫管理係統（tǒng））進（jìn）行原材（cái）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（dòng）計算所需的原材料，並且根據供應（yīng）商信息及（jí）時計算原材料的采購時間，以（yǐ）保在滿足交貨時間的同時使得庫（kù）存成本很低甚至為（wéi）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質量控製所需的關鍵數據；生（shēng）產管理係統基於實時采集的數據，提供質量判異和過程判穩等在線質量監測和（hé）預警方法，及時有效發現產品質量問題（tí）。此外，產品具有標準的標識（條形碼（mǎ）、二維碼、電子標簽），可以以（yǐ）文字、圖片和視頻（pín）等方式追溯產品質量所涉（shè）及的數據，如用料批次、供應商、作業人員、作業（yè）地點、加工工藝、加工設備信息、作業時間、質量檢測及判定、不（bú）良處理過程等。
場景4：能效優化。采集關鍵製造裝備、生產過程、能源（yuán）供（gòng）給等環節的能效相關數據，使（shǐ）用（yòng）MES係統或EMS（能源管理係統）係統對（duì）能效相（xiàng）關數據進行管理和分析，及時發現能效的波動和異（yì）常，在保障正常生（shēng）產的前提下，相應地對生產過程（chéng）、設備、能源供給及人員等進行調（diào）整，實現生產過程的能效（xiào）提高。
總之，智能工廠的建立可大幅改善勞動條件，減少生產線人工幹預，提高生產過程可控性，重要的是（shì）借助於信息化技術打通企業的各個流程，實現從設計、生產到銷售各個（gè）環節的互聯互通，並在（zài）此基礎上實現資（zī）源的整合優化和提高，從而進一步提高企業的生產效率和產品質量。
3、如何實現製（zhì）造（zào）環節智能化
互聯網技（jì）術的普及使得企業與個體客戶間（jiān）的即時交流成為現實，促使製造業可實現從需求端到研發生產端的拉動式生產，以及從“生產型”向“服務（wù）型”產業轉變。因此，企業先於競爭對手完成數字化、網（wǎng）絡化與智能化的轉型升級，實現大規模定（dìng）製化生產來滿足個性化需求並提（tí）供智能服務（wù），方能在瞬息萬變的（de）市場上立（lì）於不敗之地。
看得見的是個性化定製（zhì）和智能服務，看不見的是生產製造各環節的數字化、網絡化與智能（néng）化。實現智能製造（zào），網絡化（huà）是基礎，數字化是工具，智能化則是目標。
網絡化是（shì）指使用相同或不同（tóng）的網絡將工廠/車間中的各種計算機係統、智能裝備，甚至操作人（rén）員、物（wù）料、半成品和（hé）成（chéng）品等連接起來，以實現設備與設備、設備與人、物料與設備之間的（de）信息互通和良好交互。生產現場的智能裝備通過工業控製網（wǎng）絡連接，工業控製網絡包括現場總線（如PROFIBUS、CC-Link、Modbus等）、工（gōng）業以太網（如PROFINET、CC-LinkIE、Ethernet/IP、EtherCAT、POWERLINK、EPA等）、工業無（wú）線（xiàn）網（如WIA-PA、WIA-FA、WirelessHART、ISA100.11a等）等網絡技（jì）術。射頻識別（bié）（RFID）技術在智能工廠中也扮演重要角色，可實現產品在整個製造過程中的自動識別（bié）與跟蹤（zōng）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（chǎng）網絡還要求與互（hù）聯網連接（jiē），通過（guò）大數據應用和（hé）工業雲服務實現（xiàn）價值鏈企業協同製造、產品遠程診斷和維護等智能服務。
數字化是指借助於各種計（jì）算機（jī）工（gōng）具，一方麵在（zài）虛擬環境中對產品物體（tǐ）特征、生（shēng）產工藝甚至工廠布（bù）局進行輔助設計和仿（fǎng）真（zhēn）驗證，例如：使用CAD（計算（suàn）機輔助設計）進行產品二維、三維設計並生成數控程序G代（dài）碼，使用CAE（計算機輔助工程）對工程（chéng）和產品進（jìn）行性能與安全可靠性分析與驗證（zhèng），使用CAPP（計算機輔助工藝設計）通過（guò）數（shù）值計算、邏輯判斷和推理等（děng）功能來製定和仿（fǎng）真零部件機械加工工藝（yì）過程，使用CAM（計算機輔助製造）進行生產（chǎn）設備管（guǎn）理控製和操作過程等；另一（yī）方麵，對生產過程進行數字化管理，例（lì）如：使用CDD（通用數據（jù）字（zì）典）建立產品（pǐn）全生命周期數據集成和共享平台，使用PDM管理產品（pǐn）相關信息（包括零（líng）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（de）信息創（chuàng）建、管理、分發和應（yīng）用的一係列應用解（jiě）決（jué）方案（àn））等。
智能化可分為（wéi）兩個（gè）階段，當前階段是麵向定製化（huà）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係（xì）統與智能裝備，實現產品全生命周期的智能管理，未來願景則是實現狀態自感（gǎn）知、實時分析、自主決策、自（zì）我配置、執行的自組織生（shēng）產。這就要求首先實現生產數據的透明化管（guǎn）理，各個製造環節產（chǎn）生的數據能夠被實時（shí）監測和（hé）分析，從（cóng）而做出智能決策；其次要求生（shēng）產線具有高度的柔性，能夠進行模塊化的組（zǔ）合（hé），以滿足生產不同產品的（de）需求。此外，還應提升產品（pǐn）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（néng），並且生產過程中（zhōng）的每個（gè）產品（pǐn）和零部件是可標識、可跟（gēn）蹤的，甚至（zhì）產品了解自己被製（zhì）造的細節以及將被如何使用。
數字化、網絡化、智（zhì）能（néng）化（huà）是保障智能製（zhì）造實現“兩（liǎng）提、三降”經濟目標的手段。數字化以保產品從設（shè）計到製造的一致性，並且在製樣前對產品的結構、功能、性（xìng）能乃至生產工藝都進行仿真驗證，節約開發成（chéng）本和縮短開發周期。網絡化通過信（xìn）息橫縱向集成實現研（yán）究、設計、生產和銷售各種資（zī）源的動態（tài）配置以及（jí）產品全程跟（gēn）蹤檢測，實現個（gè）性化定製與柔（róu）性生產同時提高了產品（pǐn）質量（liàng）。智能化將人工智能（néng）融入設計、感知、決策、執行、服務等產品全生命周期，提高（gāo）了生產效率和產品主要競爭力。
4、如何實現網絡互聯互通
智能製造的首（shǒu）要任務是信息的（de）處理與優化，工廠/車間內各種網（wǎng）絡的互聯互通則是基礎與前提（tí）。沒有互聯互通和數據采集與交互，工業雲（yún）、工（gōng）業（yè）大數據都將成為無（wú）源之水。智能（néng）工廠/數（shù）字化車間中的生產管理係統（IT係統（tǒng））和智能裝備（自動化係統）互聯互通形成了企業的綜合網絡。按（àn）照所執行功能不同，企業綜合（hé）網絡劃分為不同的層次，自下而上包括現場層、控製層、執行層和計劃層（céng）。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（hù）聯（lián）網絡的典型結構。隨著技術的（de）發展，該結構呈現扁平化發展趨勢，以（yǐ）適應協同智能製造需求（qiú）。
圖2：智能工廠/數字化車間典型網絡結構
智能工廠/數字化車間互聯網絡各層次定義的功能以及各種係統、設備（bèi）在不同層次上的分配如下。
1）計劃層：實現麵向企業的經營管理，如接收訂單，建立基本生產計劃（如原料（liào）使用、交（jiāo）貨、運輸），確定庫存等級，以保原（yuán）料及時到達正確的生（shēng）產地點，以及遠程運維管理（lǐ）等。企業資源規劃（ERP）、客（kè）戶（hù）關係管理（CRM）、供（gòng）應鏈關係管理（SCM）等管理軟（ruǎn）件在該層運行（háng）。
2）執行層：實現（xiàn）麵（miàn）向工廠/車間的生產管理，如維護記錄、詳細（xì）排產、可靠性保障等。製造執行（háng）係統（MES）在該層運行。
3）監控層：實現麵向生產製造過程的監視和控製。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控（SCADA）係統、HMI（人機接口）、實時數（shù）據庫服務器等，這些係統統（tǒng）稱為監視係統；
控製層：包括各種可編程的控製設備，如PLC、DCS、工業計算機（IPC）、其他（tā）專用控製器等，這些設備統稱（chēng）為控製設備；
4）現場層：實現麵向生產製造過（guò）程的傳感和執行，包括（kuò）各種傳感（gǎn）器、變送器、執（zhí）行器、RTU（遠程終端設備）、條碼、射頻（pín）識別，以及數控機床（chuáng）、工業機器人（rén）、AGV（自動引導車）、智能倉儲等製造裝備，這些設備統稱為現場設備。
工廠/車間的網絡互聯互通本質上就是（shì）實現信（xìn）息/數據的傳輸與使用，具體包含以下含義：物（wù）理上（shàng）分布於不同層次、不同（tóng）類型的係統和（hé）設備通過網絡連（lián）接在一起，並且信息/數據在不（bú）同（tóng）層次、不（bú）同設備間的傳輸；設備和係統能（néng）夠一致地解析所傳輸信息/數據的數據類型甚至了解其含（hán）義。前者即（jí）指網（wǎng）絡化，後者需首先定義統一的設備行規（guī）或設備信（xìn）息模型，並（bìng）通過計算機（jī）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），這一般由設備製造商提（tí）供。如此，當生產管（guǎn）理係統（如ERP、MES、PDM）或監控係（xì）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、什麽是端到端數據流
智能製造要求各層次網絡集成和互操（cāo）作打破原有（yǒu）的業務流程與過程控製流程相脫（tuō）節的局麵，使得分布於各生產製造環節的（de）係統不再是“信息孤島”，數據/信息交換要求從底（dǐ）層現場層向上貫穿至執行層（céng）甚至計（jì）劃層網絡，使得工廠/車間能夠實（shí）時監視現場（chǎng）的生產狀況與設備信息，並根據獲取的信息來優化和調整（zhěng）生產調度與資源配置。按照圖（tú）2的（de）智能工廠（chǎng）/數字化車間網絡結構，工廠（chǎng）/車間中可能的（de）端到端數據流如圖（tú）3所示。
圖3：智能製造端到端數據流
具體包（bāo）括：
1）現場設備與控製設備之間的數據流（liú）包括：交換輸入、輸（shū）出數據，如控製設備向現場設備傳送的設定值（輸出數據（jù）），以（yǐ）及現場設備向控製設備傳送的測量（liàng）值（輸入數據）；控製設備讀寫訪問現場設備的參數；現場設備向控製設備發送診（zhěn）斷信息和報警信息；
2）現場（chǎng）設備與監視設備（bèi）之間的數據流包括：監視設備采集現場設備的輸入（rù）數據；監視設備（bèi）讀寫訪問現場設備的參數（shù）；現場設（shè）備向監視設備發（fā）送診斷信息和報警信息；
3）現場設備與MES/ERP係統之間的數據流包括（kuò）：現場設備向MES/ERP發送與（yǔ）生產運行相關的數（shù）據（jù），如質（zhì）量數據、庫存數據（jù）、設備狀態等；MES/ERP向現（xiàn）場設備發送（sòng）作業指令（lìng）、參數配置等（děng）；
4）控製設備與監視設備之間的（de）數據流包括：監視設備向控（kòng）製設備采集（jí）可視化所需要的數據；監（jiān）視設備向控製設（shè）備發送控製和（hé）操作指令、參數設置等信息（xī）；控製設備向監視（shì）設備發送診斷信息和報警信息；
5）控製（zhì）設備與MES/ERP之間的數據流包括：MES/ERP將作業指令、參數配置、處方數據等發送給控製設備；控製設備向MES/ERP發送與生（shēng）產運行（háng）相（xiàng）關的（de）數據，如質量數據、庫存（cún）數據、設備狀態等；控製設備向MES/ERP發送診斷信息和（hé）報警信息；
6）監視（shì）設備與MES/ERP之間的數據流包括：MES/ERP將作業指令、參數配置、處方（fāng）數據等（děng）發（fā）送給監視設備；監視設備向MES/ERP發送與（yǔ）生產運行相關的數據，如質量數據、庫（kù）存數據（jù）、設備狀態等；監視設備向MES/ERP發送診斷信息和報警（jǐng）信息。
6、我（wǒ）國製造（zào）業現狀（zhuàng）和首要任務
我國製造業現狀（zhuàng）是“2.0補課，3.0普及，4.0示範”，其中工業2.0、3.0、4.0對應的含義如下：
1）2.0實現“電氣化與自（zì）動化”生產：使（shǐ）用繼電器、電氣（qì）自動（dòng）化來控製機械製造裝備，但各生產環節和製造裝備都是“信息孤島”，生產（chǎn）管理係統與自動化係統信（xìn）息不貫通，甚至企業尚未使用ERP或MES係統進行生產信息化管理。我國許多中小企業都處於此階段；
2）3.0實現“信息化”生產：廣泛應用電子與信（xìn）息技術，使得製造過（guò）程的自動（dòng）化（huà）控製程度大幅度提高。使用網絡化的基於PC、PLC或單片機的生（shēng）產製造裝備，製造（zào）裝備具有智能功能（如標識（shí）與維護、診斷與報警等），采用ERP和MES係統進行生產信息化管理（lǐ），初步實現（xiàn）了企業內部的橫向集成與縱向集成（chéng）；
3）4.0實現“智能化”生產（chǎn）：利用信息通信技術將工廠中的所有信息基礎設施（包括（kuò）智能製造裝備（bèi）、操作（zuò）人員、物料、半成品和成品）高度互聯互通，借助（zhù）計算機軟件工具實現（xiàn）產品（pǐn）數字仿（fǎng）真設計及快速實體化“虛擬”實現，借助生產管理軟（ruǎn）件實現產品全生命周期和全製造流程數字化（huà）管（guǎn）理，利（lì）用互聯網、雲計算、大數據實現實現（xiàn）價值鏈企業協同生（shēng）產、產品遠程維護智能服務（wù）等（děng），形成高度靈活、大規模個性化（huà）的產品與服務新生（shēng）產模式。
我國實現智能製造須2.0、3.0、4.0並（bìng）行（háng）發展，既要在改造傳統製造方麵“補課（kè）”，又要在綠色製造、智能升級方麵“加（jiā）課”。對（duì）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化的升級改（gǎi）造，以及生產製造工藝數字（zì）化（huà）和生（shēng）產過程信（xìn）息化的升級改造（zào）。對於裝備供應商和係統集成商，應加快實現（xiàn）安（ān）全可控的（de）智能裝備與工業軟件的開發和應用，以及提供智能製造頂層設計與（yǔ）全係統（tǒng）集成服務。
7、小（xiǎo）結
須牢記，企業不是為了“智能製造（zào）”而智能製造，應以智能（néng）、協同、綠色、安全發展為突破口，以“兩提（tí）升、三降低”為目標（biāo），本著長遠規劃、逐步實施、突破（pò）原（yuán）則，對整個製造業進行逐步升級改造。
