The Concept& Core Factors of Smart Manufacturing智能制造概念及其核心要素

1.   什么是智能制造 要理解智能制造，首先理解什么智能，“智能”和“智慧”不同，从感觉到记忆再到思维这一过程，称为“智慧”，智慧的结果产生了行为和语言，将行为和语言的表达过程称为“能力“，两者合称”智能“，将感觉、去记、回忆、思维、语言、行为的整个过程称为智能过程，它是智力和能力的表现。 再者，要理解什么制造，制造是指对原材料进行加工或者再加工，以及对零部件进行装配的过程。 在《智能制造发展规划（2016-2020年）》，对智能制造给予了描述性定义：基于新一代信息技术，贯穿设计、生产、管理、服务等制造活动各个环节，具有自感知、自学习、自优化、自决策、自执行等功能的新型生产方式，能够有效缩短产品研发周期、提高生产效率和产品品质、降低成本和资源能源消耗，并促进基于互联网的众创、众包、众筹等新业态、新模式的孕育发展。 智能制造以智能工厂为载体，以关键制造环节智能化为核心，以端到端数据流为基础、以网络互联为支撑等特征。

2.   什么是智能工厂 智能工厂是实现智能制造的载体。在智能工厂中通过生产管理系统、计算机辅助工具和智能装备的集成与互操作来实现智能化、网络化分布管理，进而实现企业业务流程与工艺流程的协同，以及生产资源（材料、能源等）在企业内部及企业之间动态配置。打通企业从设计、生产到销售、维护的各个环节，实现产品仿真设计、生产自动排产、信息互通、生产过程监控、质量在线监测、物流自动配送等智能化生产。 实现智能制造的利器主要是数字化、网络化的工具软件和制造装备，主要包括： 1） 计算机辅助工具：CAD，CAE,CAPP, CAM等 2） 计算机仿真工具：物流仿真、布局仿真、工程物理仿真（包括结构、声学、运动、材料等分析）、工艺仿真等； 3） 工厂/车间业务与生产管理系统：ERP， MES， PLM/PDM等 4） 智能装备：CNC与机器人、增材制造（3D打印等）、智能传感与控制装备、智能检测与装配装备、智能物流与仓储装备等 下图是BALLUFF开发的用于模具检测的螺栓式传感器 5） 新一代信息技术：物联网、云计算、大数据等； 当然如果我们从产品、订单、供应链、资产等全生命周期管理来看，智能制造又会上升到新的高度。（见下图） 现列举智能工厂中“智能“的几个场景。 场景1：设计/制造一体化（也称虚实双胞胎系统，数字双胞胎系统） 首先，产品开发是基于MBD（模型定义设计）技术实现，用一个集成的三维实体模型完整地表达产品的设计信息和制造信息（产品结构、三维尺寸、BOM等），所有的生产过程包括产品设计、工艺设计、工装设计、产品制造、检验检测等都基于该模型实现，来打破设计与制造之间的隔热墙。（见下图） 场景2：基于订单的供应链及库存管理 用户订单驱动企业要生产的产品种类SKU，数量等，比如使用ERP物料模块，进行原材料库存管理，包括原材料及其供应商信息、交货时间、当前库存等，并和MES库存管理模块互通，MES对在制品，损耗数量等及时告知ERP，并重新补货，在确保交货时间的同时使库存成本最低或为0. 场景3: 质量控制 车间内使用的传感器、设备和仪器等能够自动在线采集质量控制所需的关键数据；生产管理系统基于实时采集的数据，提供质量判断等在线质量监测和预警，通过大数据分析，及时预警并发现质量问题。此外，产品具有唯一标识（二维码、RFID等），通过各种形式追溯产品质量所涉及的数据，如用料批次、供应商、作业人员、作业地点、加工工艺、加工设备信息、作业时间、质量检测等过程。 场景4：能效管理 采集关键装备、生产过程、能源供给等环节的和能效相关数据，使用MES的能源管理模块，或者EMS（能源管理系统），对能效相关数据进行管理和分析，及时发现波动和异常，并动态优化。

 3.   如何实现制造的智能化 互联网技术使得企业和用户的即时交流成为现实，促使制造业实现需求端到研发生产端的拉动式生产，并从“生产型“到”服务型“转型。 实现智能制造，网络化是基础，数字化是工具，智能化是目标。 网络化是指使用相同或者不同的网络，将工厂/车间中的各种计算机系统、智能装备、操作人员、物流、半成品、成品等连接起来，以实现设备与设备、设备与人、设备、与物流、物流与人等之间的信息互通。 生产现场的智能装备通过工业控制网络连接，工业控制网络包括现场总线（如PROFIBUS、CC-LINK、Modbus等 ），工业以太网（如PROFINET、CC-LINK IE、Ethernet/IP、EtherCAT、POWERLINK、EPA等），工业无线网（如WIA-PA,WIA-FA,WirelessHART，ISA100、11a等）网络技术。 射频识别（RFID）结合二维码技术等可实现产品在整个制造过程中的自动识别和跟踪。 车间/工厂的生产管理系统直接使用以太网连接。 此外，工厂网络还要求与互联网连接，通过大数据应用和工业云服务实现价值链企业协同制造、产品远程诊断和维保等智能服务。 数字化是指借助于各种计算机工具，一方面在虚拟环境中对产品物理特征、生产工业甚至工厂布局进行辅助设计和仿真验证，例如：使用CAD进行产品二维、三维设计，使用CAE进行性能与安全可靠性分析与验证，使用CAPP通过数值计算、逻辑判断和推理等功能来制定和仿真零部件加工或装配工艺过程；使用CAM进行生产设备管理控制和操作过程等。 另一方面：对生产过程进行数字化管理，如：使用CDD（通用数据字典）建立产品全生命周期数据集成和共享平台，使用PDM管理产品相关信息（包括零件、结构、配置、文档、CAD文件等），使用PLM进行产品全生命周期管理（产品全生命周期的信息创建、管理、分发和应用的一系列应用解决方案）。 智能化：当前阶段是个性化定制，多品种小批量生产（理想状态批量为1）。 通过智能化的生产管理系统与智能装备，实现产品全生命周期的智能管理，生产是自感知、实时分析、自主决策、自我配置、精准执行的。 这就要求 1. 生产数据的透明化管理，各个制造环节产生的数据能够被实施的监测和分析，并做出智能决策； 2. 生产线的高度柔性，并具备模块化组合，以满足不同产品的生产需求； 3. 产品本身也是智能的，能提供友好的人机交互、 语言识别、数据分析等智能功能，并且在生产过程中每个产品和零部件是可识别、可跟踪的、甚至产品了解自己被制造的细节及将来的被使用状态。 总之，数字化确保产品从设计到制造的一致性，并且在样品前对产品的结构、功能、性能乃至生产工艺都进行仿真验证，节约开发成本和周期。网络化通过信息横纵向集成实现研究、设计、生产和销售等各种资源的动态配置及产品全流程的跟踪监测，在实现个性化和柔性生产的同时提高产品质量；智能化将人工智能融入设计、感知、决策、执行、服务等产品全生命周期，提高生产效率和产品竞争力。

4.   如何实现网络互联互通 智能制造的首要任务是信息的处理和优化，工厂/车间内各种网络的互联互通是前提，没有互联互通和数据采集，交互，工业云、工业大数据都成为无水之源。 智能工厂/车间中的生产管理系统和智能装备互联互通形成了企业的综合网络。 下图给出了智能工厂或者数字化车间的典型网络结构 1） 现场层：实现面向生产制造过程的传感和执行，包括各种传感器、变频器、执行器、RTU（远程终端设备）、条码、RFID及机床、装备、工业机器人、AGV、智能仓储设备等。这些设备统称为现场设备； 2） 基本控制层：包括各种可编程的控制设备，如PLC,DCS,IPC、其他专用控制器等，这些设备统称为控制设备； 3） 监视控制层，实现生产过程的监视和控制。包括可视化的数据采集与监控（SCADA）系统，HMI，实时数据库服务器等 4） 执行层：实现工厂/车间的生产管理，如维护记录、详细排产、可靠性保障等，MES在该层 5） 计划层：实现企业的经营管理，如订单接收，建立基本生产计划（原材料使用、交货、运输等），确定库存等级，保证原材料及时到达正确的生产地点，以及远程运维管理等,ERP，CRM，SCM在软件在此层。

 5.   什么是端到端数据流 智能制造要求各层级的网络集成和互操，打破了原有业务流程和生产过程相脱节的局面，使得分布在各生产制造环节的系统不再是“信息孤岛”，数据/信息交换要求从底层现场层向上贯穿执行层，甚至计划层网络，使得工厂/车间能够实时监控现场的生产状态与设备信息等，并根据获得的信息来优化和调整生产调度与资源配置。 端到端流程如下： 具体包括： 1） 现场设备与控制设备的数据流：交换输入输出数据，控制设备输出数据到现场设备，现场设备输入数据到控制设备，控制设备读写与访问现场设备的参数，现场设备向控制设备发送诊断信息和报警信息； 2） 现场设备与监控设备之间的数据流：监视设备采集现场设备的输入数据，现实设备读写与访问现场设备的参数，现场设备向监视设备发送诊断信息和报警信息； 3） 现场设备与MES/ERP数据流：现场设备向MES/ERP发送与生产相关的数据，如质量数据、库存数据、设备状态等，MES/ERP向现场设备发送作业指令、参数配置等； 4） 控制设备与监控设备之间的数据流：同3 5） 控制设备与MES/ERP的数据流：同3 6） 监视设备与MES/ERP之间的数据流：同3 总之，智能制造不是目的，而是手段，在用户订单驱动下，有效的缩短产品研发周期，降低成本，提高生产效率，提升产品品质