文章來源：裝（zhuāng）備司

編者按：當前，以新一代信息通信技術與製造業融合發展（zhǎn）為主要特征（zhēng）的產業變革在世界範圍（wéi）內孕育興起，智能製造（zào）已成（chéng）為製造業發展的主要方向。智能製造尚處（chù）於不斷（duàn）發展過程（chéng）中，社會各界的認識和理解各有不同。機械工業儀器儀表綜合技術經濟研究所長（zhǎng）期跟蹤世界製造技術發（fā）展，在大量（liàng）的企業調研和國際交流的基礎上，形成了“對智能製造的一些認識”一文，與大家分享。

對智能製造的一些認識

機械工業儀器儀表綜合技術經濟研（yán）究所

1、智能製造概（gài）念

“智能製造”可以從製造和智能兩方麵進行解（jiě）讀。首先，製造是指（zhǐ）對原材料進（jìn）行加工或再加工，以（yǐ）及對零部（bù）件進行（háng）裝配的過程。通常，按照生產方式的連續性不（bú）同，製造分為流程製造與離散製造。根據（jù）我（wǒ）國現（xiàn）行標準GB/T4754-2002，我國製（zhì）造（zào）業包括31個行業，又進一步劃分約175個中類、530個小類，涉及了國民經濟的方方麵麵。

智能是由“智慧（wisdom）”和“能力”兩個詞語構成。從感覺到記憶到思維這（zhè）一（yī）過程，稱為“智慧”，智慧的結果產生了（le）行（háng）為（wéi）和語（yǔ）言，將行為和語言的表達（dá）過程稱為（wéi）“能（néng）力”，兩者合稱為“智能（intelligent/smart）”。因（yīn）此，將感覺、記憶、回憶、思維、語言、行為的（de）整個過程稱為智（zhì）能過程，它是智慧和（hé）能力的表現。

目前，國際和（hé）國內都尚且沒有關於智能製造的準（zhǔn）確定義，但剛剛發布（bù）的《智（zhì）能（néng）製造發展規劃（2016-2020年）》給出了一個比較多方麵的描述（shù）性定義：智能製造是基於新一代信息通（tōng）信技術與（yǔ）先進製（zhì）造技術深度融合（hé），貫穿於設計、生產、管理、服務等製造（zào）活（huó）動的（de）各個環節，具有自感知、自學習、自決策、自執行、自（zì）適應等功能的新型（xíng）生產方（fāng）式。推動智能製造，能夠（gòu）有效縮短產品研製周期、提高生產效（xiào）率（lǜ）和產品質量、降低運營成本和資源能源消耗，並促進基於互聯網的（de）眾創、眾包（bāo）等新業態、新模（mó）式的孕育發展。智能製造具有（yǒu）以智能工廠為載體，以關鍵（jiàn）製造環節智能（néng）化為主（zhǔ），以端（duān）到（dào）端數據（jù）流為基礎、以網絡互聯為支撐等特征，這實際上指出了（le）智能製（zhì）造的主要技術、管理要求、主要功能和經濟目（mù）標，體現了智（zhì）能製造對於我國工業轉型（xíng）升級和國民經濟持續發展的重要作用。

然而，由於（yú）我國技術基礎薄（báo）弱發展不平（píng）衡，企業在進行智能製造實施和升（shēng）級改造過程中往往茫然不知從何做（zuò）起。因此，以下將根據智能製造的（de）描述（shù）性定義，提（tí）出關於智能工廠、製造（zào）環節智能化、網絡（luò）互聯互通，以及端（duān）到端數據流等四個（gè）方（fāng）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（néng）工廠

智能工（gōng）廠是實現智能製造的（de）載體。在智能工廠中通過生產管理係統、計算機輔助工具和智能（néng）裝備的集成與互操作來實現智能化、網絡化（huà）分布式管（guǎn）理，進而實（shí）現企業業務（wù）流程與工藝流（liú）程的協同，以及生產資源（材料、能源等（děng））在（zài）企業（yè）內部及（jí）企業之間（jiān）的動態配置。

一方麵，“工欲善其事必先（xiān）利其器”，實現智（zhì）能製造的利器就是數字化、網絡化的工具軟件和製造裝（zhuāng）備，包（bāo）括以下類（lèi）型：

1）計（jì）算機輔助工具，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（jì））、CAM（計算機輔助製造）等；

2）計算機仿真工具，如（rú）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（fèn）析、複合材料分析等多物理場仿（fǎng）真）、工藝仿真等；

3）工廠/車間業（yè）務與生產管理係統，如ERP（企業資源計（jì）劃）、MES（製造執行係統（tǒng））、PLM（產（chǎn）品全生命周期管理）/PDM（產品數據管理）等；

4）智能裝備，如（rú）數控機床與機器人、增（zēng）材製造裝備（bèi）（3D打印機）、智能傳感與控製裝備、智能檢測與裝配裝備、智能（néng）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寬泛領域和技術的係統工程，在生產過程中以產品全生命周期管理為主線，還（hái）伴隨（suí）著供應鏈（liàn）、訂單、資產等全生命周期管理，如圖1所示。

圖1：智能製（zhì）造（zào）生命周期管理

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

場景1：設計/製造（zào）一體（tǐ）化。在智能化較好的航空航天製造領域，采用（yòng）基於模型定（dìng）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（pǐn）的設計信息和製造信息（產品結構、三維（wéi）尺寸、BOM等），所有的生產過程（chéng）包括（kuò）產品設計、工藝設（shè）計、工裝設計、產品製造、檢驗檢測等都（dōu）基於（yú）該模型實現，這打破了設計（jì）與製造之間的壁壘，有效解決了（le）產品設計與製造一致性問題。

場景2：供應鏈及庫存（cún）管理。企業要（yào）生產的產品種類、數量等信（xìn）息通過訂單確認，這使得生產變得（dé）精。例如：使用ERP或WMS（倉庫管理係統）進行（háng）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，並且根據供應商信息及時計算原材料的采購（gòu）時間，以保在滿足交貨時間（jiān）的同時使得庫存成本很低甚至為零。

場（chǎng）景3：質量控製。車間內使用的（de）傳感器、設備和儀器能夠自動在（zài）線采集質量控（kòng）製所需的關鍵數據；生產管理係（xì）統基於實時采集的數據（jù），提供質（zhì）量判異和過程判穩等（děng）在線質（zhì）量監測和預（yù）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、二維碼、電子標（biāo）簽），可以以文字（zì）、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、作業人員、作業地點、加工工藝、加工設備信（xìn）息、作業時間、質量檢測及判定、不良處理過程等。

場景4：能（néng）效優（yōu）化。采（cǎi）集關鍵製造裝（zhuāng）備、生產過程、能源供（gòng）給（gěi）等環節的能效相關數據，使用MES係統或EMS（能源管理係統）係統對（duì）能效相關數據進行管理和分析，及時（shí）發現能效的波動和異常，在保障（zhàng）正常生產的前提下，相應地對生產過程、設（shè）備、能源供給及人員等進行調整，實現生產過程的能效提高。

總之，智能工廠的建（jiàn）立可大幅（fú）改善（shàn）勞動條件（jiàn），減少（shǎo）生（shēng）產線人工幹預，提高生產（chǎn）過（guò）程（chéng）可控性，重要的是借助於信息化技術打通企業（yè）的各個流程，實現從設計、生產到（dào）銷售各個環節的互聯互（hù）通，並在此基礎上（shàng）實現資源的整合優化和提（tí）高，從而進一步提（tí）高企（qǐ）業的生產效率和（hé）產品質量。

3、如何實現製造環節（jiē）智能（néng）化

互聯網技（jì）術的普及使得企業（yè）與（yǔ）個體客（kè）戶間的即時交（jiāo）流成為現實，促使製造業可實現（xiàn）從需求端到研發生產端（duān）的拉動式生（shēng）產，以及從“生產型”向“服務型”產業轉變。因此，企業先於競爭對手（shǒu）完成數字化、網絡化與智能化的轉型升級，實（shí）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（shàng）立於不敗之地（dì）。

看得見的是個性（xìng）化定製和智能服務，看不（bú）見的是生產製造（zào）各環（huán）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，智能化則是目標。

網絡（luò）化是指使（shǐ）用相同或不同的網絡將（jiāng）工廠/車間中的各種計算機（jī）係統、智能裝備，甚（shèn）至操作人（rén）員、物料、半成（chéng）品和成品等連接（jiē）起來，以實現設備與設備、設備與人、物料與設備之間的信息互通和良好（hǎo）交（jiāo）互。生產現場的智能（néng）裝備通過工業控製（zhì）網絡連接，工（gōng）業控製網絡包（bāo）括（kuò）現場總線（如PROFIBUS、CC-Link、Modbus等）、工業以太網（如PROFINET、CC-LinkIE、Ethernet/IP、EtherCAT、POWERLINK、EPA等）、工業無線網（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（sè），可實現產品在整個（gè）製造過程中（zhōng）的（de）自動識別與跟蹤管理。車間/工廠的（de）生產管理係統則直接使用以太網連接。此外，工（gōng）廠網（wǎng）絡還要求與互聯網連接，通過大數據應用和工（gōng）業雲服務（wù）實現價值鏈企業（yè）協（xié）同製造、產品遠程診斷和維（wéi）護等智能（néng）服務。

數字化是指借助於各種計算機工具，一方麵在（zài）虛擬環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（jì）和仿真驗證，例如：使用CAD（計算機輔助設計）進行產品二維、三維設計並生（shēng）成數控程序G代碼，使用CAE（計算機輔助工程）對工（gōng）程和產品進行性能與安全可靠性（xìng）分析與驗證，使用CAPP（計算機輔（fǔ）助工藝設計）通過數值計算、邏輯判斷和推理等功能來製（zhì）定和仿（fǎng）真零部件機械加工工藝過程，使用CAM（計算機輔助製造）進行生產設備管理控製和操作過程等；另一方麵（miàn），對生（shēng）產過程進行數字化管理，例如：使（shǐ）用（yòng）CDD（通用數據字典）建立（lì）產品全生（shēng）命周期數據集成和共享平台，使用PDM管理產品相關信息（包括零件、結構（gòu）、配置、文檔、CAD文件等），使用（yòng）PLM進行產品全生命周期管理（產品全（quán）生命周期的（de）信息創建、管理、分發和應用的一係列應用解決方案（àn））等。

智能化可分為兩個階段（duàn），當前階段是麵向定製化設計，支持多品種小批量（liàng）生產模式，通（tōng）過使用智能化的生產管理係統與智能裝備，實（shí）現產品全生命周期的智能（néng）管理，未來願景則是實現狀態（tài）自感知、實時分析、自主決策、自我配置、執行的自組（zǔ）織生（shēng）產。這就要求首先實現生產數據的透（tòu）明（míng）化管理，各個製造環節產（chǎn）生的數據能夠被實時監測和分（fèn）析，從而做出智能決策（cè）；其次要求（qiú）生產線具有高度的柔性，能夠進行模（mó）塊（kuài）化的組合，以滿足（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）提供友好的人機交互、語言識別（bié）、數（shù）據分析等智能功（gōng）能，並且生產過程（chéng）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（zì）己被製造的細（xì）節以及將被如何使用。

數（shù）字化（huà）、網絡化、智能（néng）化是保障智能製造實現“兩提、三降”經濟目標的（de）手段。數字化以保（bǎo）產品從設計到製造的一致（zhì）性，並且在製樣前（qián）對產品的結構、功能、性能乃至生產工藝都進行（háng）仿真（zhēn）驗證，節約開發（fā）成本和縮短開發周期。網絡化通過信息橫縱（zòng）向集成實現研究、設計、生產和銷售各種資源的動態配置以及產品全程跟蹤檢測，實現個性化定製與柔性生（shēng）產同時提高了產品質量。智能化將人工智能（néng）融入設計、感知、決（jué）策、執行、服務等產品全生命周期，提高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）要任務是信息的處理與優化，工廠/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（shù）據采集與交互（hù），工業雲（yún）、工業大數據都將（jiāng）成為無源之水。智能工廠/數字化車間（jiān）中的生產管理係（xì）統（IT係（xì）統）和智能裝備（bèi）（自動化係統）互聯互通（tōng）形成了企業的綜合網絡。按（àn）照所執行功能不（bú）同，企業綜合網絡劃分為（wéi）不（bú）同的層（céng）次，自下而上包括現場層、控製層、執行（háng）層和計劃層。圖2給出了符合該（gāi）層次模型的一個智能工廠/數字化車間互聯網絡的典（diǎn）型結構。隨著技術的發展，該（gāi）結構呈現扁平化發展趨勢，以適應協（xié）同智能（néng）製造需（xū）求。

  圖2：智能工廠/數字化車間典（diǎn）型網絡結構（gòu）

智能工廠/數字化車（chē）間互聯網絡各層次定義的功能以（yǐ）及（jí）各種係（xì）統、設備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（dìng）單，建立基本生產計劃（如原料使用、交（jiāo）貨、運輸），確定庫存等級，以保原（yuán）料及時到達正確的（de）生產（chǎn）地點，以（yǐ）及遠程運維管理等。企業（yè）資源規劃（ERP）、客戶關係管理（CRM）、供應鏈關係管理（lǐ）（SCM）等管理（lǐ）軟（ruǎn）件在該層運行。

2）執行層：實現麵向工廠/車間的生產管理，如維護記錄、詳細排產、可靠性保障等。製（zhì）造執行係統（MES）在該層運行。

3）監控層：實現麵向生產製造過程的（de）監視和（hé）控製（zhì）。按照不同功能，該層次可進（jìn）一步細分為：

監視層：包括可（kě）視化的數據采集與監控（SCADA）係統、HMI（人（rén）機接口）、實時數據庫服務器等，這（zhè）些係統統（tǒng）稱為（wéi）監視係統（tǒng）；

控製層：包括各種可編程的控製設備，如PLC、DCS、工業計算（suàn）機（IPC）、其他專用控製（zhì）器等，這些設備統稱為控製設備；

4）現場層：實現（xiàn）麵（miàn）向生產製造過程的傳感和執行，包括各種（zhǒng）傳感器、變送器、執行（háng）器（qì）、RTU（遠程（chéng）終端設（shè）備）、條碼、射頻識別，以及數控機床、工業機器人、AGV（自動引導（dǎo）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（hù）聯互通本質上就是實現信息/數據的傳輸與使用，具體包（bāo）含以下含義：物理上分布於不同層次（cì）、不同類型的係統和設備（bèi）通過網絡連接在一起（qǐ），並且信息/數據（jù）在不同層次、不同設備間的傳輸（shū）；設（shè）備和係統能夠一致地解析所傳輸信息/數據的數據類（lèi）型甚至了解（jiě）其含義。前者即指網絡化（huà），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（軟（ruǎn）件或可讀文（wén）件）來表達設備的具體特征（參數或屬性），這一般由設（shè）備製造商提（tí）供。如此，當生產管理係統（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（chū）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（yào）求各層次（cì）網（wǎng）絡（luò）集成和互操（cāo）作打破原有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統不再（zài）是“信息孤島”，數據/信息（xī）交換（huàn）要求（qiú）從底層現場層向上貫穿至執行層甚至計劃層網絡（luò），使得工廠/車間能夠實時監視現（xiàn）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（diào）整生產調度與資源配置（zhì）。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（de）端到端數據流如圖3所示。

  圖（tú）3：智能製造（zào）端到端數據流

具體包括：

1）現場設備與控製設備之間（jiān）的數據流包括：交換輸入、輸出數據，如控（kòng）製設（shè）備向（xiàng）現場設備傳送的設定值（輸出數據），以及（jí）現場設備向（xiàng）控製設備傳送的測量值（zhí）（輸入數（shù）據）；控（kòng）製設備讀寫訪問現（xiàn）場（chǎng）設備的（de）參數；現場設備向控製設備發送診斷信息和報警信息；

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

3）現（xiàn）場設備與MES/ERP係統之間的數據流（liú）包（bāo）括：現場設備向MES/ERP發送（sòng）與（yǔ）生產運行（háng）相關的數據，如質量數（shù）據、庫存數據、設備狀態等（děng）；MES/ERP向現場設備發送作業（yè）指令、參數配置等；

4）控製設（shè）備與監視設備之間的數據（jù）流包括：監視（shì）設備向控製設備采集可視化所需要的數據；監視設備向控製（zhì）設備（bèi）發送控製（zhì）和（hé）操作指令、參數設（shè）置等信息（xī）；控製設備向監視（shì）設備發送（sòng）診斷（duàn）信息和報警信息；

5）控製設備與MES/ERP之間的數據流包括：MES/ERP將（jiāng）作業指令（lìng）、參數配置、處方數據等發送給控製設備；控製設備向MES/ERP發送與生產運行相關的數據，如質量數據、庫存數據、設（shè）備狀態等；控製設備向MES/ERP發（fā）送診斷信（xìn）息和（hé）報（bào）警（jǐng）信息；

 6）監（jiān）視設備（bèi）與MES/ERP之間的數據流包括：MES/ERP將作業指令、參數配置、處（chù）方數據等發送給監視設備；監視設（shè）備向（xiàng）MES/ERP發送與生產運行（háng）相關的數據，如質量數據、庫存數據、設備狀態等（děng）；監（jiān）視設備向MES/ERP發送診斷信息和報警（jǐng）信（xìn）息。

6、我國（guó）製造業現狀和首要任務

我國製造業現狀是“2.0補課，3.0普及，4.0示範”，其（qí）中（zhōng）工業2.0、3.0、4.0對應（yīng）的含義如下：

1）2.0實現“電氣化與自動化”生產：使用繼電器、電氣自（zì）動化來（lái）控製（zhì）機械製造裝（zhuāng）備，但各生（shēng）產環節和製造裝備都是“信息孤（gū）島”，生（shēng）產管理係統與自動化係統信息不貫通，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（diàn）子與信息技術，使得製造過程（chéng）的自動（dòng）化控製程度大（dà）幅度提高。使用網絡化的基於PC、PLC或單片機的（de）生產製造裝備，製造裝備具有智能（néng）功能（如（rú）標識與維護、診斷與報警等），采用ERP和（hé）MES係統進行（háng）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（chéng）；

3）4.0實現“智能化”生產：利用信息通信技（jì）術將工廠中的所有信息基礎設施（包括（kuò）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（chǎn）品數字仿真設計及快速實體化“虛擬”實現，借助生產管理軟件實現產品全生命周期（qī）和全製（zhì）造流程數字化管（guǎn）理（lǐ），利用互聯網、雲計算、大數據實現實現價值（zhí）鏈企業協同（tóng）生產、產（chǎn）品（pǐn）遠程維護智（zhì）能服務（wù）等，形（xíng）成高度靈活、大規模個性化的產品與服務新生產模式。

我國（guó）實現（xiàn）智能製造（zào）須2.0、3.0、4.0並行發展，既要在改造傳（chuán）統製造方麵“補課（kè）”，又要（yào）在綠色製（zhì）造、智能（néng）升級方麵“加（jiā）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（zhì）能（néng）化的升級改造，以及生產製造工藝數字化和生產過程信息化（huà）的升級改造。對於裝備供應商和係統集成商，應加（jiā）快實現安全可控的智能裝備與工業軟件的開發和應（yīng）用，以及提供智能製造頂層設計與全（quán）係統集（jí）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、綠色、安全發展為突破口，以“兩提升、三降低”為目標，本著長遠規劃、逐（zhú）步實施、突破原則，對整個製造業進行逐步升級改造。