1 概念

智能制造源于人工智能的研究。一般認(rèn)為智能是知識(shí)和智力的總和，前者是智能的基礎(chǔ)，后者是指獲取和運(yùn)用知識(shí)求解的能力。智能制造應(yīng)當(dāng)包含智能制造技術(shù)和智能制造系統(tǒng)，智能制造系統(tǒng)不僅能夠在實(shí)踐中不斷地充實(shí)知識(shí)庫(kù)，具有自學(xué)習(xí)功能，還有搜集與理解環(huán)境信息和自身的信息，并進(jìn)行分析判斷和規(guī)劃自身行為的能力。

目前，國(guó)際和國(guó)內(nèi)都尚且沒(méi)有關(guān)于智能制造的準(zhǔn)確定義，但剛剛發(fā)布的《智能制造發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）》給出了一個(gè)比較全面的描述性定義：智能制造是基于新一代信息通信技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)深度融合，貫穿于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)等功能的新型生產(chǎn)方式。推動(dòng)智能制造，能夠有效縮短產(chǎn)品研制周期、提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量、降低運(yùn)營(yíng)成本和資源能源消耗，并促進(jìn)基于互聯(lián)網(wǎng)的眾創(chuàng)、眾包、眾籌等新業(yè)態(tài)、新模式的孕育發(fā)展。智能制造具有以智能工廠為載體，以關(guān)鍵制造環(huán)節(jié)智能化為核心，以端到端數(shù)據(jù)流為基礎(chǔ)，以網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)為支撐等特征，這實(shí)際上指出了智能制造的核心技術(shù)、管理要求、主要功能和經(jīng)濟(jì)目標(biāo)，體現(xiàn)了智能制造對(duì)于我國(guó)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的重要作用。

2 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(guò)生產(chǎn)管理系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)輔助工具和智能裝備的集成與互操作來(lái)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)流程與工藝流程的協(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(dòng)態(tài)配置。

智能工廠包括以下方面：

1）計(jì)算機(jī)輔助工具；

2）計(jì)算機(jī)仿真工具；

3）工廠/車間業(yè)務(wù)與生產(chǎn)管理系統(tǒng)；

4）智能裝備；

5）新一代信息技術(shù)。

如圖1所示。

圖1：智能制造生命周期管理

下面介紹了幾個(gè)智能工廠中的“智能”生產(chǎn)場(chǎng)景。

場(chǎng)景1：設(shè)計(jì)/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(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，用一個(gè)集成的三維實(shí)體模型完整地表達(dá)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)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(guò)程包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)、產(chǎn)品制造、檢驗(yàn)檢測(cè)等都基于該模型實(shí)現(xiàn)，這打破了設(shè)計(jì)與制造之間的壁壘，有效解決了產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造一致性問(wèn)題。

場(chǎng)景2：供應(yīng)鏈及庫(kù)存管理。企業(yè)要生產(chǎn)的產(chǎn)品種類、數(shù)量等信息通過(guò)訂單確認(rèn)，這使得生產(chǎn)變得精確。例如：使用ERP或WMS（倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)）進(jìn)行原材料庫(kù)存管理，包括各種原材料及供應(yīng)商信息。當(dāng)客戶訂單下達(dá)時(shí)，ERP自動(dòng)計(jì)算所需的原材料，并且根據(jù)供應(yīng)商信息及時(shí)計(jì)算原材料的采購(gòu)時(shí)間，確保在滿足交貨時(shí)間的同時(shí)使得庫(kù)存成本最低甚至為零。

場(chǎng)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(dòng)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(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)，提供質(zhì)量判異和過(guò)程判穩(wěn)等在線質(zhì)量監(jiān)測(cè)和預(yù)警方法，及時(shí)有效發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題。此外，產(chǎn)品具有唯一標(biāo)識(shí)（條形碼、二維碼、電子標(biāo)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(diǎn)、加工工藝、加工設(shè)備信息、作業(yè)時(shí)間、質(zhì)量檢測(cè)及判定、不良處理過(guò)程等。

場(chǎng)景4：能效優(yōu)化。采集關(guān)鍵制造裝備、生產(chǎn)過(guò)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(duì)能效相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)能效的波動(dòng)和異常，在保證正常生產(chǎn)的前提下，相應(yīng)地對(duì)生產(chǎn)過(guò)程、設(shè)備、能源供給及人員等進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的能效提高。

3 制造環(huán)節(jié)智能化

網(wǎng)絡(luò)化是指使用相同或不同的網(wǎng)絡(luò)將工廠/車間中的各種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、智能裝備，甚至操作人員、物料、半成品和成品等連接起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備與人、物料與設(shè)備之間的信息互通和良好交互。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的智能裝備通過(guò)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)連接，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)包括現(xiàn)場(chǎng)總線（如PROFIBUS、CC-Link、Modbus等）、工業(yè)以太網(wǎng)（如PROFINET、CC-LinkIE、Ethernet/IP、EtherCAT、POWERLINK、EPA等）、工業(yè)無(wú)線網(wǎng)（如WIA-PA、WIA-FA、WirelessHART、ISA100.11a等）等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)在智能工廠中也扮演重要角色，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品在整個(gè)制造過(guò)程中的自動(dòng)識(shí)別與跟蹤管理。車間/工廠的生產(chǎn)管理系統(tǒng)則直接使用以太網(wǎng)連接。此外，工廠網(wǎng)絡(luò)還要求與互聯(lián)網(wǎng)連接，通過(guò)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)。

數(shù)字化是指借助于各種計(jì)算機(jī)工具，一方面在虛擬環(huán)境中對(duì)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，例如：使用CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）進(jìn)行產(chǎn)品二維、三維設(shè)計(jì)并生成數(shù)控程序G代碼，使用CAE（計(jì)算機(jī)輔助工程）對(duì)工程和產(chǎn)品進(jìn)行性能與安全可靠性分析與驗(yàn)證，使用CAPP（計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)）通過(guò)數(shù)值計(jì)算、邏輯判斷和推理等功能來(lái)制定和仿真零部件機(jī)械加工工藝過(guò)程，使用CAM（計(jì)算機(jī)輔助制造）進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)備管理控制和操作過(guò)程等；另一方面，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行數(shù)字化管理，例如：使用CDD（通用數(shù)據(jù)字典）建立產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)集成和共享平臺(tái)，使用PDM管理產(chǎn)品相關(guān)信息（包括零件、結(jié)構(gòu)、配置、文檔、CAD文件等），使用PLM進(jìn)行產(chǎn)品全生命周期管理（產(chǎn)品全生命周期的信息創(chuàng)建、管理、分發(fā)和應(yīng)用的一系列應(yīng)用解決方案）等。

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(guò)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(lái)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(cè)和分析，從而做出智能決策；其次要求生產(chǎn)線具有高度的柔性，能夠進(jìn)行模塊化的組合，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(yǔ)言識(shí)別、數(shù)據(jù)分析等智能功能，并且生產(chǎn)過(guò)程中的每個(gè)產(chǎn)品和零部件是可標(biāo)識(shí)、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(duì)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(kāi)發(fā)成本和縮短開(kāi)發(fā)周期。網(wǎng)絡(luò)化通過(guò)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(dòng)態(tài)配置以及產(chǎn)品全程跟蹤檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制與柔性生產(chǎn)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(jìng)爭(zhēng)力。

4 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(méi)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(wú)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(dòng)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(chǎng)層、控制層、執(zhí)行層和計(jì)劃層。圖2給出了符合該層次模型的一個(gè)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(shì)，以適應(yīng)協(xié)同高效的智能制造需求。

圖2：智能工廠/數(shù)字化車間典型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

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。

1）計(jì)劃層：實(shí)現(xiàn)面向企業(yè)的經(jīng)營(yíng)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(kù)存等級(jí)，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）、供應(yīng)鏈關(guān)系管理（SCM）等管理軟件在該層運(yùn)行。

2）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。

3）監(jiān)控層：實(shí)現(xiàn)面向生產(chǎn)制造過(guò)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(kù)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(jì)算機(jī)（IPC）、其他專用控制器等，這些設(shè)備統(tǒng)稱為控制設(shè)備；

4）現(xiàn)場(chǎng)層：實(shí)現(xiàn)面向生產(chǎn)制造過(guò)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(shí)別，以及數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、AGV（自動(dòng)引導(dǎo)車）、智能倉(cāng)儲(chǔ)等制造裝備，這些設(shè)備統(tǒng)稱為現(xiàn)場(chǎng)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(guò)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(guò)計(jì)算機(jī)可識(shí)別的方法（軟件或可讀文件）來(lái)表達(dá)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(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(chǎng)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 端到端數(shù)據(jù)流

智能制造要求各層次網(wǎng)絡(luò)集成和互操作打破原有的業(yè)務(wù)流程與過(guò)程控制流程相脫節(jié)的局面，使得分布于各生產(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(chǎng)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(chǎng)的生產(chǎn)狀況與設(shè)備信息，并根據(jù)獲取的信息來(lái)優(yōu)化和調(diào)整生產(chǎn)調(diào)度與資源配置。按照?qǐng)D2的智能工廠/數(shù)字化車間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，工廠/車間中可能的端到端數(shù)據(jù)流如圖3所示。

圖3：智能制造端到端數(shù)據(jù)流

具體包括：

1）現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)設(shè)備傳送的設(shè)定值（輸出數(shù)據(jù)），以及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備向控制設(shè)備傳送的測(cè)量值（輸入數(shù)據(jù)）；控制設(shè)備讀寫訪問(wèn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的參數(shù)；現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備向控制設(shè)備發(fā)送診斷信息和報(bào)警信息；

2）現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)設(shè)備的輸入數(shù)據(jù)；監(jiān)視設(shè)備讀寫訪問(wèn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的參數(shù)；現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備向監(jiān)視設(shè)備發(fā)送診斷信息和報(bào)警信息；

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

4）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(bào)警信息；

5）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(yùn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)，如質(zhì)量數(shù)據(jù)、庫(kù)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(bào)警信息；

6）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(yùn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)，如質(zhì)量數(shù)據(jù)、庫(kù)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(bào)警信息。