1、智能制造概念
“智能制造”可以從制造和智能兩方面進(jìn)行解讀。首先，制造是指對(duì)原材料進(jìn)行加工或再加工，以及對(duì)零部件進(jìn)行裝配的過程。通常，按照生產(chǎn)方式的連續(xù)性不同，制造分為流程制造與離散制造（也有離散和流程混合的生產(chǎn)方式）。根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T4754-2002，我國(guó)制造業(yè)包括31個(gè)行業(yè)，又進(jìn)一步劃分約175個(gè)中類、530個(gè)小類，涉及了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的方方面面。
?
智能是由“智慧”和“能力”兩個(gè)詞語構(gòu)成。從感覺到記憶到思維這一過程，稱為“智慧”，智慧的結(jié)果產(chǎn)生了行為和語言，將行為和語言的表達(dá)過程稱為“能力”，兩者合稱為“智能”。因此，將感覺、記憶、回憶、思維、語言、行為的整個(gè)過程稱為智能過程，它是智慧和能力的表現(xiàn)。
?
目前，國(guó)際和國(guó)內(nèi)尚且沒有關(guān)于智能制造的準(zhǔn)確定義，但工信部組織專家給出了一個(gè)比較全面的描述性定義：智能制造是基于新一代信息技術(shù)，貫穿設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動(dòng)各個(gè)環(huán)節(jié)，具有信息深度自感知、智慧優(yōu)化自決策、精準(zhǔn)控制自執(zhí)行等功能的先進(jìn)制造過程、系統(tǒng)與模式的總稱。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，可有效縮短產(chǎn)品研制周期、降低運(yùn)營(yíng)成本、提高生產(chǎn)效率、提升產(chǎn)品質(zhì)量、降低資源能源消耗。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。
?
然而，由于我國(guó)技術(shù)基礎(chǔ)薄弱發(fā)展不平衡，企業(yè)在智能制造實(shí)施和升級(jí)改造過程中往往茫然不知從何做起。因此，以下將根據(jù)智能制造的描述性定義，提出關(guān)于智能工廠、制造環(huán)節(jié)及裝備智能化、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通、端到端數(shù)據(jù)流等四個(gè)方面的初步認(rèn)識(shí)，以期說明智能制造的主要內(nèi)容。
?
2、什么是智能工廠
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、工藝流程及資金流程的協(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。
?
?一方面，“工欲善其事，必先利其器”，實(shí)現(xiàn)智能制造的利器就是數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的工具軟件和制造裝備，包括以下類型：
? 計(jì)算機(jī)輔助工具，如CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）、CAE（計(jì)算機(jī)輔助工程）、CAPP（計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)）、CAM（計(jì)算機(jī)輔助制造）、CAT（計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試，如ICT信息測(cè)試、FCT功能測(cè)試）等；
? 計(jì)算機(jī)仿真工具，如物流仿真、工程物理仿真（包括結(jié)構(gòu)分析、聲學(xué)分析、流體分析、熱力學(xué)分析、運(yùn)動(dòng)分析、復(fù)合材料分析等多物理場(chǎng)仿真）、工藝仿真等；
? 工廠/車間業(yè)務(wù)與生產(chǎn)管理系統(tǒng)，如ERP（企業(yè)資源計(jì)劃）、MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）、PLM（產(chǎn)品全生命周期管理）/PDM（產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）等；
? 智能裝備，如高檔數(shù)控機(jī)床與機(jī)器人、增材制造裝備（3D打印機(jī)）、智能爐窯、反應(yīng)釜及其他智能化裝備、智能傳感與控制裝備、智能檢測(cè)與裝配裝備、智能物流與倉(cāng)儲(chǔ)裝備等；
? 新一代信息技術(shù)，如物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等。
另一方面，智能制造是一個(gè)覆蓋更寬泛領(lǐng)域和技術(shù)的“超級(jí)”系統(tǒng)工程，在生產(chǎn)過程中以產(chǎn)品全生命周期管理為主線，還伴隨著供應(yīng)鏈、訂單、資產(chǎn)等全生命周期管理，如圖1所示。
??
圖1：智能制造生命周期管理
在智能工廠中，借助于各種生產(chǎn)管理工具/軟件/系統(tǒng)和智能設(shè)備，打通企業(yè)從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)到銷售、維護(hù)的各個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品仿真設(shè)計(jì)、生產(chǎn)自動(dòng)排程、信息上傳下達(dá)、生產(chǎn)過程監(jiān)控、質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)、物料自動(dòng)配送等智能化生產(chǎn)。下面介紹了幾個(gè)智能工廠中的典型“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(guó)或全世界進(jìn)行代工，使制造過程性價(jià)比更優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)協(xié)同制造。
?
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)商信息即時(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)存成本更低甚至為零。
?
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)量問題。此外，產(chǎn)品具有標(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、不良處理過程等。
?
場(chǎng)景4：能效優(yōu)化。采集關(guān)鍵制造裝備、生產(chǎn)過程、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)過程的能效提高。
因此，智能工廠的建立可大幅改善勞動(dòng)條件，減少生產(chǎn)線人工干預(yù)，提高生產(chǎn)過程可控性，重要的是借助于信息化技術(shù)打通企業(yè)的各個(gè)流程，實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)到銷售各個(gè)環(huán)節(jié)的互聯(lián)互通，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)資源的整合優(yōu)化和提高，從而進(jìn)一步提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。
?
3、如何實(shí)現(xiàn)制造環(huán)節(jié)智能化
互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及使得企業(yè)與個(gè)體客戶間的即時(shí)交流成為現(xiàn)實(shí)，促使制造業(yè)實(shí)現(xiàn)從需求端到研發(fā)端、服務(wù)端的拉動(dòng)式生產(chǎn)，以及從“生產(chǎn)型”向“服務(wù)型”模式轉(zhuǎn)變。因此，企業(yè)領(lǐng)先于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手完成數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化與智能化的轉(zhuǎn)型升級(jí)，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模定制化生產(chǎn)來滿足個(gè)性化需求并提供智能服務(wù)，方能在瞬息萬變的市場(chǎng)上立于不敗之地。
?
看得見的是個(gè)性化定制和智能服務(wù)，看不見的是生產(chǎn)制造各環(huán)節(jié)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化與智能化。實(shí)現(xiàn)智能制造，網(wǎng)絡(luò)化是基礎(chǔ)，數(shù)字化是工具，智能化則是目標(biāo)。
?
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)管理軟件、智能裝備連接起來，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備之間、設(shè)備與人之間的信息互通和良好交互。將生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的智能裝備連接起來的網(wǎng)絡(luò)被稱為工業(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-Link IE、Ethernet/IP、EtherCAT、POWERLINK、EPA等）、工業(yè)無線網(wǎng)（如WIA-PA、WIA-FA、WirelessHART、ISA 100.11a等），對(duì)于控制要求不高的應(yīng)用還可使用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)（如2G、3G、4G以及未來5G網(wǎng)絡(luò)）。車間/工廠的生產(chǎn)管理系統(tǒng)則可以直接使用以太網(wǎng)連接。對(duì)于智能制造，往往還要求工廠網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)連接，通過大數(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)。為了防止竊密，在工廠網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)連接中要設(shè)防火墻，特別防止木馬、病毒攻擊企業(yè)網(wǎng)絡(luò)，注意網(wǎng)絡(luò)信息安全與功能安全。
?
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