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，制造是指對原材料進(jìn)行加工或再加工，以及對零部件進(jìn)行裝配的過(guò)程。通常，按照生產(chǎn)方式的連續性不同，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）。根據我國現行標準GB/T4754-2002，我國制造業(yè)包括31個(gè)行業(yè)，又進(jìn)一步劃分約175個(gè)中類(lèi)、530個(gè)小類(lèi)，涉及了國民經(jīng)濟的方方面面。
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智能是由“智慧”和“能力”兩個(gè)詞語(yǔ)構成。從感覺(jué)到記憶到思維這一過(guò)程，稱(chēng)為“智慧”，智慧的結果產(chǎn)生了行為和語(yǔ)言，將行為和語(yǔ)言的表達過(guò)程稱(chēng)為“能力”，兩者合稱(chēng)為“智能”。因此，將感覺(jué)、記憶、回憶、思維、語(yǔ)言、行為的整個(gè)過(guò)程稱(chēng)為智能過(guò)程，它是智慧和能力的表現。
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目前，國際和國內尚且沒(méi)有關(guān)于智能制造的準確定義，但工信部組織專(zhuān)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)，貫穿設計、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動(dòng)各個(gè)環(huán)節，具有信息深度自感知、智慧優(yōu)化自決策、精準控制自執行等功能的先進(jìn)制造過(guò)程、系統與模式的總稱(chēng)。具有以智能工廠(chǎng)為載體，以關(guān)鍵制造環(huán)節智能化為核心，以端到端數據流為基礎、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)濟目標，體現了智能制造對于我國工業(yè)轉型升級和國民經(jīng)濟持續發(fā)展的重要作用。
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然而，由于我國技術(shù)基礎薄弱發(fā)展不平衡，企業(yè)在智能制造實(shí)施和升級改造過(guò)程中往往茫然不知從何做起。因此，以下將根據智能制造的描述性定義，提出關(guān)于智能工廠(chǎng)、制造環(huán)節及裝備智能化、網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)互通、端到端數據流等四個(gè)方面的初步認識，以期說(shuō)明智能制造的主要內容。
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2、什么是智能工廠(chǎng)
智能工廠(chǎng)是實(shí)現智能制造的載體。在智能工廠(chǎng)中通過(guò)生產(chǎn)管理系統、計算機輔助工具和智能裝備的集成與互操作來(lái)實(shí)現智能化、網(wǎng)絡(luò )化分布式管理，進(jìn)而實(shí)現企業(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)內部及企業(yè)之間的動(dòng)態(tài)配置。
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?一方面，“工欲善其事，必先利其器”，實(shí)現智能制造的利器就是數字化、網(wǎng)絡(luò )化的工具軟件和制造裝備，包括以下類(lèi)型：
? 計算機輔助工具，如CAD（計算機輔助設計）、CAE（計算機輔助工程）、CAPP（計算機輔助工藝設計）、CAM（計算機輔助制造）、CAT（計算機輔助測試，如ICT信息測試、FCT功能測試）等；
? 計算機仿真工具，如物流仿真、工程物理仿真（包括結構分析、聲學(xué)分析、流體分析、熱力學(xué)分析、運動(dòng)分析、復合材料分析等多物理場(chǎng)仿真）、工藝仿真等；
? 工廠(chǎng)/車(chē)間業(yè)務(wù)與生產(chǎn)管理系統，如ERP（企業(yè)資源計劃）、MES（制造執行系統）、PLM（產(chǎn)品全生命周期管理）/PDM（產(chǎn)品數據管理）等；
? 智能裝備，如高檔數控機床與機器人、增材制造裝備（3D打印機）、智能爐窯、反應釜及其他智能化裝備、智能傳感與控制裝備、智能檢測與裝配裝備、智能物流與倉儲裝備等；
? 新一代信息技術(shù)，如物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數據等。
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”系統工程，在生產(chǎn)過(guò)程中以產(chǎn)品全生命周期管理為主線(xiàn)，還伴隨著(zhù)供應鏈、訂單、資產(chǎn)等全生命周期管理，如圖1所示。
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圖1：智能制造生命周期管理
在智能工廠(chǎng)中，借助于各種生產(chǎn)管理工具/軟件/系統和智能設備，打通企業(yè)從設計、生產(chǎn)到銷(xiāo)售、維護的各個(gè)環(huán)節，實(shí)現產(chǎn)品仿真設計、生產(chǎn)自動(dòng)排程、信息上傳下達、生產(chǎn)過(guò)程監控、質(zhì)量在線(xiàn)監測、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(chǎng)中的典型“智能”生產(chǎn)場(chǎng)景。
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場(chǎng)景1：設計/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)體模型完整地表達產(chǎn)品的設計信息和制造信息（產(chǎn)品結構、三維尺寸、BOM等），所有的生產(chǎn)過(guò)程包括產(chǎn)品設計、工藝設計、工裝設計、產(chǎn)品制造、檢驗檢測等都基于該模型實(shí)現，這打破了設計與制造之間的壁壘，有效解決了產(chǎn)品設計與制造一致性問(wèn)題。制造過(guò)程某些環(huán)節，甚至全部環(huán)節都可以在全國或全世界進(jìn)行代工，使制造過(guò)程性?xún)r(jià)比更優(yōu)化，實(shí)現協(xié)同制造。
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場(chǎng)景2：供應鏈及庫存管理。企業(yè)要生產(chǎn)的產(chǎn)品種類(lèi)、數量等信息通過(guò)訂單確認，這使得生產(chǎn)變得精確。例如：使用ERP或WMS（倉庫管理系統）進(jìn)行原材料庫存管理，包括各種原材料及供應商信息。當客戶(hù)訂單下達時(shí)，ERP自動(dòng)計算所需的原材料，并且根據供應商信息即時(shí)計算原材料的采購時(shí)間，確保在滿(mǎn)足交貨時(shí)間的同時(shí)使得庫存成本更低甚至為零。
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場(chǎng)景3：質(zhì)量控制。車(chē)間內使用的傳感器、設備和儀器能夠自動(dòng)在線(xiàn)采集質(zhì)量控制所需的關(guān)鍵數據；生產(chǎn)管理系統基于實(shí)時(shí)采集的數據，提供質(zhì)量判異和過(guò)程判穩等在線(xiàn)質(zhì)量監測和預警方法，及時(shí)有效發(fā)現產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題。此外，產(chǎn)品具有標識（條形碼、二維碼、電子標簽），可以以文字、圖片和視頻等方式追溯產(chǎn)品質(zhì)量所涉及的數據，如用料批次、供應商、作業(yè)人員、作業(yè)地點(diǎn)、加工工藝、加工設備信息、作業(yè)時(shí)間、質(zhì)量檢測及判定、不良處理過(guò)程等。
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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)節的能效相關(guān)數據，使用MES系統或EMS（能源管理系統）系統對能效相關(guān)數據進(jìn)行管理和分析，及時(shí)發(fā)現能效的波動(dòng)和異常，在保證正常生產(chǎn)的前提下，相應地對生產(chǎn)過(guò)程、設備、能源供給及人員等進(jìn)行調整，實(shí)現生產(chǎn)過(guò)程的能效提高。
因此，智能工廠(chǎng)的建立可大幅改善勞動(dòng)條件，減少生產(chǎn)線(xiàn)人工干預，提高生產(chǎn)過(guò)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)現從設計、生產(chǎn)到銷(xiāo)售各個(gè)環(huán)節的互聯(lián)互通，并在此基礎上實(shí)現資源的整合優(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。
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3、如何實(shí)現制造環(huán)節智能化
互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及使得企業(yè)與個(gè)體客戶(hù)間的即時(shí)交流成為現實(shí)，促使制造業(yè)實(shí)現從需求端到研發(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”模式轉變。因此，企業(yè)領(lǐng)先于競爭對手完成數字化、網(wǎng)絡(luò )化與智能化的轉型升級，實(shí)現大規模定制化生產(chǎn)來(lái)滿(mǎn)足個(gè)性化需求并提供智能服務(wù)，方能在瞬息萬(wàn)變的市場(chǎng)上立于不敗之地。
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看得見(jiàn)的是個(gè)性化定制和智能服務(wù)，看不見(jiàn)的是生產(chǎn)制造各環(huán)節的數字化、網(wǎng)絡(luò )化與智能化。實(shí)現智能制造，網(wǎng)絡(luò )化是基礎，數字化是工具，智能化則是目標。
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網(wǎng)絡(luò )化是指使用相同或不同的網(wǎng)絡(luò )將工廠(chǎng)/車(chē)間中的各種計算機管理軟件、智能裝備連接起來(lái)，以實(shí)現設備與設備之間、設備與人之間的信息互通和良好交互。將生產(chǎn)現場(chǎng)的智能裝備連接起來(lái)的網(wǎng)絡(luò )被稱(chēng)為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )，包括現場(chǎng)總線(xiàn)（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(wú)線(xiàn)網(wǎng)（如WIA-PA、WIA-FA、WirelessHART、ISA 100.11a等），對于控制要求不高的應用還可使用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )（如2G、3G、4G以及未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò )）。車(chē)間/工廠(chǎng)的生產(chǎn)管理系統則可以直接使用以太網(wǎng)連接。對于智能制造，往往還要求工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )與互聯(lián)網(wǎng)連接，通過(guò)大數據應用和工業(yè)云服務(wù)實(shí)現價(jià)值鏈企業(yè)協(xié)同制造、產(chǎn)品遠程診斷和維護等智能服務(wù)。為了防止竊密，在工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )與互聯(lián)網(wǎng)連接中要設防火墻，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。
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數字化是指借助于各種計算機工具，一方面在虛擬環(huán)境中對產(chǎn)品物體特征、生產(chǎn)工藝甚至工廠(chǎng)布局進(jìn)行輔助設計和仿真驗證，例如使用CAD（計算機輔助設計）進(jìn)行