當前，智能制造成為業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)。2015年，工信部批準了46個(gè)智能制造試點(diǎn)示范項目和94個(gè)智能制造專(zhuān)項，發(fā)布了國家智能制造標準體系建設指南(2015版)，很多企業(yè)躍躍欲試，希望通過(guò)推進(jìn)智能制造實(shí)現“少人化”，降低成本，靈活應對市場(chǎng)變化，更好地滿(mǎn)足客戶(hù)需求。
那么，智能制造究竟是什么?包含哪些范疇?目前業(yè)界還沒(méi)有達成共識，不同背景的專(zhuān)家給出的解釋往往大相徑庭，很多概念滿(mǎn)天飛，容易讓制造企業(yè)無(wú)所適從。因此，我想站在制造企業(yè)的角度，來(lái)系統地分析一下這個(gè)問(wèn)題，希望能夠起到正本清源的作用�？梢钥隙ǖ氖�，智能制造的“制造”二字，是廣義的，指的是“manufacturing”，不僅僅是指生產(chǎn)(Production)。
與智能制造相關(guān)的概念很多
列舉如下：數字化制造(Digital Manufacturing)：這是一種軟件技術(shù)，指的是通過(guò)仿真軟件對產(chǎn)品的加工與裝備過(guò)程，以及車(chē)間的設備布局、物流、人機工程等進(jìn)行仿真，目前主要的軟件包括西門(mén)子的Tecnomatix和達索系統的Delmia。在CIMdata對PLM的定義中，DM屬于其中一個(gè)領(lǐng)域。
數字化工廠(chǎng)(Digital Factory)：數字化工廠(chǎng)指的是從產(chǎn)品研發(fā)、工藝、制造、質(zhì)量和內部物流等與產(chǎn)品制造價(jià)值鏈相關(guān)的各個(gè)環(huán)節都基于數字化軟件和自動(dòng)化系統進(jìn)行支撐，能夠實(shí)現實(shí)時(shí)的數據采集和分析。這個(gè)概念西門(mén)子采用較多，西門(mén)子有一個(gè)數字化工廠(chǎng)集團，專(zhuān)門(mén)提供相關(guān)的產(chǎn)品和解決方案。西門(mén)子成都電子工廠(chǎng)也被稱(chēng)為數字化工廠(chǎng)，該工廠(chǎng)已經(jīng)廣泛應用了RFID、機器視覺(jué)，實(shí)現了工控產(chǎn)品的混流生產(chǎn)。數字化工廠(chǎng)一個(gè)重要的標志，是需要MES(制造執行系統)軟件、WMS(倉儲管理系統)軟件的支撐。
智能工廠(chǎng)(Smart Factory):智能工廠(chǎng)目前沒(méi)有統一一致的定義。按照業(yè)務(wù)流程專(zhuān)家Scheer教授的觀(guān)點(diǎn)，工業(yè)4.0的最底層叫做Real time smart factory。我認為，智能工廠(chǎng)相對于數字化工廠(chǎng)而言，主要強調生產(chǎn)數據、計量數據、質(zhì)量數據的采集的自動(dòng)化，不需要人工錄入信息，能夠實(shí)現對采集數據的實(shí)時(shí)分析，實(shí)現PDCA循環(huán)。SAP有一個(gè)MII系統(制造集成與智能)，可以實(shí)現對工廠(chǎng)數據的多維度分析。
業(yè)務(wù)流程管理專(zhuān)家Scheer教授對智能工廠(chǎng)的解讀
關(guān)于智能制造，我認為其內涵是實(shí)現整個(gè)制造業(yè)價(jià)值鏈的智能化和創(chuàng )新，是信息化與工業(yè)化深度融合的進(jìn)一步提升。智能制造融合了信息技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和人工智能技術(shù)。智能制造包括開(kāi)發(fā)智能產(chǎn)品;應用智能裝備;自底向上建立智能產(chǎn)線(xiàn)，構建智能車(chē)間，打造智能工廠(chǎng);踐行智能研發(fā);形成智能物流和供應鏈體系;開(kāi)展智能管理;推進(jìn)智能服務(wù);最終實(shí)現智能決策。目前智能制造的“智能”還處于Smart的層次，智能制造系統具有數據采集、數據處理、數據分析的能力，能夠準確執行指令，能夠實(shí)現閉環(huán)反饋;而智能制造的趨勢是真正實(shí)現“Intelligent”，智能制造系統能夠實(shí)現自主學(xué)習、自主決策，不斷優(yōu)化。
智能制造的金字塔
在智能制造的金字塔中，智能產(chǎn)品與智能服務(wù)可以幫助企業(yè)帶來(lái)商業(yè)模式的創(chuàng )新;智能裝備、智能產(chǎn)線(xiàn)、智能車(chē)間到智能工廠(chǎng)，可以幫助企業(yè)實(shí)現生產(chǎn)模式的創(chuàng )新;智能研發(fā)、智能管理、智能物流與供應鏈則可以幫助企業(yè)實(shí)現運營(yíng)模式的創(chuàng )新;而智能決策則可以幫助企業(yè)實(shí)現科學(xué)決策。智能制造的十項技術(shù)之間是息息相關(guān)的，制造企業(yè)應當漸進(jìn)式、理性地推進(jìn)這十項智能技術(shù)的應用。以下對這些技術(shù)一一進(jìn)行解讀。
1.智能產(chǎn)品(Smart Product)
智能產(chǎn)品通常包括機械、電氣和嵌入式軟件，具有記憶、感知、計算和傳輸功能。典型的智能產(chǎn)品包括智能手機、智能可穿戴設備、無(wú)人機、智能汽車(chē)、智能家電、智能售貨機等，包括很多智能硬件產(chǎn)品。智能裝備也是一種智能產(chǎn)品。企業(yè)應該思考如何在產(chǎn)品上加入智能化的單元，提升產(chǎn)品的附加值。比如在工程機械上添加傳感器，可以對產(chǎn)品進(jìn)行定位和關(guān)鍵零部件的狀態(tài)監測，為實(shí)現智能服務(wù)打下基礎。
2.智能服務(wù)(Smart Service)
基于傳感器和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)，可以感知產(chǎn)品的狀態(tài)，從而進(jìn)行預防性維修維護，及時(shí)幫助客戶(hù)更換備品備件，甚至可以通過(guò)了解產(chǎn)品運行的狀態(tài)，幫助客戶(hù)帶來(lái)商業(yè)機會(huì )。還可以采集產(chǎn)品運營(yíng)的大數據，輔助企業(yè)進(jìn)行市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)的決策。此外，企業(yè)通過(guò)開(kāi)發(fā)面向客戶(hù)服務(wù)的APP，也是一種智能服務(wù)的手段，可以針對企業(yè)購買(mǎi)的產(chǎn)品提供有針對性的服務(wù)，從而鎖定用戶(hù)，開(kāi)展服務(wù)營(yíng)銷(xiāo)。全球PLM領(lǐng)導廠(chǎng)商之一，美國PTC公司斥巨資進(jìn)軍物聯(lián)網(wǎng)和服務(wù)生命周期管理領(lǐng)域，成為智能服務(wù)領(lǐng)域的領(lǐng)軍企業(yè)之一。而智能服務(wù)最著(zhù)名的案例，莫過(guò)于美國GE公司將賣(mài)發(fā)動(dòng)機轉為賣(mài)飛行小時(shí)的服務(wù)。
3.智能裝備(Smart Equipment)
制造裝備經(jīng)歷了機械裝備到數控裝備，目前正在逐步發(fā)展為智能裝備。智能裝備具有檢測功能，可以實(shí)現在機檢測，從而補償加工誤差，提高加工精度，還可以對熱變形進(jìn)行補償。以往一些精密裝備對環(huán)境的要求很高，現在由于有了閉環(huán)的檢測與補償，可以降低對環(huán)境的要求。智能裝備一個(gè)最基本的要求，就是要提供開(kāi)放的數據接口，能夠支持設備聯(lián)網(wǎng)，國外叫做M2M(機器與機器互聯(lián))。三維打印機本質(zhì)上是一種數控裝備，還不是智能裝備。
日本MAZAK的智能機床配備了針對加工熱變位、切削震動(dòng)、機床干涉、主軸監測、維護保養、工作臺動(dòng)態(tài)平衡性及語(yǔ)音導航等智能化功能，可以自行監控機床運轉狀態(tài)，并進(jìn)行自主反饋，從而大幅度提高機床運行效率及安全性。典型的智能制造裝備還融合了自動(dòng)化上下料的裝備，一些裝備制造企業(yè)還提供專(zhuān)用的CAM軟件，例如HOMAG(豪邁)集團的木工加工中心。DMG MORI(德瑪吉森精機)推出最新的復合加工中心LaserTec65已經(jīng)融合了增材制造和切削加工(減材制造)，可以通過(guò)激光堆焊的增材制造工藝快速制造毛。
Trumpf(通快集團)的激光切割加工中心可以實(shí)現三維切割，多臺激光加工中心可以共享激光源。這些都屬于智能裝備。對于工業(yè)機器人，如果是單純按照固定指令執行噴涂、搬運、焊接等工藝的機器人，還不能稱(chēng)為智能裝備。但是如果具有了機器視覺(jué)，能夠準確識別工件，或者自主進(jìn)行裝配，自動(dòng)避讓工人等功能，甚至可以實(shí)現人機協(xié)作，就屬于智能裝備。例如，ABB推出的雙臂機器人YUMI，就是智能型工業(yè)機器人的典范。隨著(zhù)復合材料的廣泛應用，復合材料加工與裝備的智能裝備將具有廣闊的市場(chǎng)需求。
華中科技大學(xué)李德群院士在成形模擬的基礎上將工藝參數自動(dòng)設置、自適應注射等智能技術(shù)應用到注射機上，提出了在線(xiàn)反演的注射速度平滑優(yōu)化、工藝曲線(xiàn)的二級閉環(huán)控制等方法，成功開(kāi)發(fā)出智能型注射機。其智能型注射機能耗低于我國及歐洲最高能耗標準，響應時(shí)間、位置精度等關(guān)鍵指標均達到國際先進(jìn)水平，顯著(zhù)提高了注塑產(chǎn)品的重復精度、良品比例和生產(chǎn)自動(dòng)化程度。李德群院士介紹，這種智能注射機內置了人工智能算法，具備機器學(xué)習能力，通過(guò)三次試驗就可以準確找到最合適的注射參數，確保產(chǎn)品質(zhì)量。這種設備已經(jīng)不僅是Smart，而且具有了Intelligence。
4.智能產(chǎn)線(xiàn)(Smart Production line)
很多行業(yè)的企業(yè)高度依賴(lài)自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)，比如鋼鐵、化工、制藥、食品飲料、煙草、芯片制造、電子組裝、汽車(chē)整車(chē)和零部件制造等，實(shí)現自動(dòng)化的加工、裝配和檢測，一些機械標準件生產(chǎn)也應用了自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)，比如軸承。但是，裝備制造企業(yè)目前還是以離散制造為主。很多企業(yè)的技術(shù)改造重點(diǎn)，就是建立自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)、裝配線(xiàn)和檢測線(xiàn)。美國波音公司的飛機總裝廠(chǎng)已建立了U型的脈動(dòng)式總裝線(xiàn)。自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)可以分為剛性自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)和柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)，柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)一般建立了緩沖。為了提高生產(chǎn)效率，工業(yè)機器人、吊掛系統在自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)上應用越來(lái)越廣泛。
目前，很多汽車(chē)整車(chē)廠(chǎng)已實(shí)現了混流生產(chǎn)，在一條裝配線(xiàn)上可以同時(shí)裝配多種車(chē)型。食品飲料行業(yè)的自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)可以根據工藝配方調整DCS或PLC系統來(lái)改變工藝路線(xiàn)，從而生產(chǎn)多種產(chǎn)品。汽車(chē)行業(yè)正在推行安燈系統，實(shí)現生產(chǎn)線(xiàn)的故障報警。汽車(chē)行業(yè)的總裝線(xiàn)往往由多條組裝線(xiàn)匯聚而成，比如車(chē)身、底盤(pán)的總裝線(xiàn)匯集到一起，裝配成最終的產(chǎn)品。在裝配過(guò)程中，通過(guò)準時(shí)按序送貨(Just In Sequence)的方式實(shí)現混流生產(chǎn)。目前，汽車(chē)、家電、軌道交通等行業(yè)的企業(yè)對生產(chǎn)和裝配線(xiàn)進(jìn)行自動(dòng)化、智能化改造需求十分旺盛，很多企業(yè)在逐漸將關(guān)鍵工位和高污染工位改造為用機器人進(jìn)行加工、裝配或上下料。
目前，智能產(chǎn)線(xiàn)在我國制造企業(yè)的應用還處于起步階段，但必然是發(fā)展的方向。智能產(chǎn)線(xiàn)的特點(diǎn)是：在生產(chǎn)和裝配的過(guò)程中，能夠通過(guò)傳感器或RFID自動(dòng)進(jìn)行數據采集，并通過(guò)電子看板顯示實(shí)時(shí)的生產(chǎn)狀態(tài);能夠通過(guò)機器視覺(jué)和多種傳感器進(jìn)行質(zhì)量檢測，自動(dòng)剔除不合格品，并對采集的質(zhì)量數據進(jìn)行SPC分析，找出質(zhì)量問(wèn)題的成因;能夠支持多種相似產(chǎn)品的混線(xiàn)生產(chǎn)和裝配，靈活調整工藝，適應小批量、多品種的生產(chǎn)模式;具有柔性，如果生產(chǎn)線(xiàn)上有設備出現故障，能夠調整到其他設備生產(chǎn);針對人工操作的工位，能夠給予智能的提示。實(shí)際上，我認為西門(mén)子成都電子工廠(chǎng)的總裝線(xiàn)已經(jīng)達到了智能產(chǎn)線(xiàn)的水平。
西門(mén)子成都電子工廠(chǎng)的智能總裝線(xiàn)
5.智能車(chē)間(Smart workshop)
一個(gè)車(chē)間通常有多條生產(chǎn)線(xiàn)，這些生產(chǎn)線(xiàn)要么生產(chǎn)相似零件或產(chǎn)品，要么有上下游的裝配關(guān)系。要實(shí)現車(chē)間的智能化，需要對生產(chǎn)狀況、設備狀態(tài)、能源消耗、生產(chǎn)質(zhì)量、物料消耗等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和分析，進(jìn)行高效排產(chǎn)和合理排班。因此，無(wú)論什么制造行業(yè)，制造執行系統(MES)成為企業(yè)的必然選擇。
對于藥品、食品等行業(yè)，國家有強制性的追溯要求，需要通過(guò)GMP等行業(yè)認證，因此推進(jìn)MES更加緊迫。前文提到的數字化制造(DM)技術(shù)也是智能車(chē)間的支撐工具，可以幫助企業(yè)在建設新廠(chǎng)房時(shí)，根據設計的產(chǎn)能科學(xué)進(jìn)行設備布局，提升物流效率，提高工人工作的舒適程度。
MES是一個(gè)車(chē)間級的綜合管理系統，可以幫助企業(yè)顯著(zhù)提升設備利用率，提高產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現生產(chǎn)過(guò)程可追溯和上料防錯，提高生產(chǎn)效率。需要強調指出的是，純離散制造企業(yè)也可以應用MES系統，但是，MES系統的應用與企業(yè)的生產(chǎn)模式息息相關(guān)。如果純離散的制造企業(yè)實(shí)施了MES之后，又改造為自動(dòng)化或智能產(chǎn)線(xiàn)，那么MES系統可能會(huì )推到重來(lái)。因此，企業(yè)進(jìn)行MES應用需要慎之又慎。智能車(chē)間必須建立有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)的工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )，能夠實(shí)現生產(chǎn)指令的自動(dòng)下達和設備與產(chǎn)線(xiàn)信息的自動(dòng)采集。對于機械制造企業(yè)，可以通過(guò)DNC技術(shù)實(shí)現設備狀態(tài)信息和加工代碼的上傳下達，目前已有成熟的產(chǎn)品，例如蘭光創(chuàng )新、蓋勒普和英迪致遠等。另外，實(shí)現車(chē)間的無(wú)紙化，也是智能車(chē)間的重要標志，企業(yè)可以應用三維輕量化技術(shù)，將設計和工藝文檔傳遞到工位。上海明匠智能公司以及北京天拓四方公司均開(kāi)發(fā)了智能網(wǎng)關(guān)，可以將基于不同廠(chǎng)商通訊協(xié)議的生產(chǎn)現場(chǎng)數據轉為OPC標準，解決了車(chē)間信息通訊的難題。元工國際聯(lián)合亞控、航星、中科川思特和研華，推出了設備聯(lián)網(wǎng)解決方案，一個(gè)平臺可以聯(lián)網(wǎng)PLC、CNC、機器人、儀表/傳感器和工控/IT系統，統一組態(tài)監控和三維實(shí)況，并實(shí)現模擬生產(chǎn)。
有一項新興技術(shù)可以將MES系統采集到的數據在虛擬的三維車(chē)間模型中實(shí)時(shí)地展現出來(lái)，不僅提供車(chē)間的VR(虛擬現實(shí))環(huán)境，而且還可以顯示設備的實(shí)際狀態(tài)，實(shí)現虛實(shí)融合。西門(mén)子和PTC將這項技術(shù)作為Digital Twin的一個(gè)典型應用。德國PSI、武漢創(chuàng )景也擁有這類(lèi)產(chǎn)品。此外，智能車(chē)間還有一個(gè)典型應用，就是視頻監控系統不僅記錄視頻，還可以對車(chē)間的環(huán)境，人員行為進(jìn)行監控、識別與報警。例如，有工人沒(méi)有帶安全帽，進(jìn)入了不允許進(jìn)入的區域，或者倒地，都可以自動(dòng)報警。這方面，三星已經(jīng)有了成功實(shí)踐。此外，智能車(chē)間應當在溫度、濕度、潔凈度的控制和工業(yè)安全(包括工業(yè)自動(dòng)化系統的安全、生產(chǎn)環(huán)境的安全和人員安全)等方面達到智能化水平。
6.智能工廠(chǎng)(Smart Factory)
一個(gè)工廠(chǎng)通常由多個(gè)車(chē)間組成，大型企業(yè)有多個(gè)工廠(chǎng)。前文已經(jīng)提到了智能工廠(chǎng)與數字化工廠(chǎng)的區別，一個(gè)普遍的共識是，僅僅有自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)和一大堆機器人，并不是智能工廠(chǎng)。作為智能工廠(chǎng)，不僅生產(chǎn)過(guò)程應實(shí)現自動(dòng)化、透明化、可視化、精益化，同時(shí)，產(chǎn)品檢測、質(zhì)量檢驗和分析、生產(chǎn)物流也應當與生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現閉環(huán)集成。一個(gè)工廠(chǎng)的多個(gè)車(chē)間之間要實(shí)現信息共享、準時(shí)配送、協(xié)同作業(yè)。一些離散制造企業(yè)也建立了類(lèi)似流程制造企業(yè)那樣的生產(chǎn)指揮中心，對整個(gè)工廠(chǎng)進(jìn)行指揮和調度，及時(shí)發(fā)現和解決突發(fā)問(wèn)題，這也是智能工廠(chǎng)的重要標志。智能工廠(chǎng)必須依賴(lài)無(wú)縫集成的信息系統支撐，主要包括PLM、ERP、CRM、SCM和MES五大核心系統。大型企業(yè)的智能工廠(chǎng)需要應用ERP系統制定多個(gè)車(chē)間的生產(chǎn)計劃(Production planning)，并由MES系統根據各個(gè)車(chē)間的生產(chǎn)計劃進(jìn)行詳細排產(chǎn)(production scheduling)，MES排產(chǎn)的粒度是天、小時(shí)，甚至分鐘。MES是一個(gè)企業(yè)級的實(shí)時(shí)信息系統，MES的選型絕不允許各個(gè)車(chē)間或分廠(chǎng)各自為政。
三星開(kāi)展了移動(dòng)工廠(chǎng)(Mobile plant)的實(shí)踐，工人可以通過(guò)智能手機查詢(xún)工單，可以開(kāi)視頻會(huì )議，維修人員碰到疑難問(wèn)題，可以通過(guò)手機視頻尋求專(zhuān)家解答，還給智能手機配備了RFID和條碼掃描的接口，這也是一個(gè)智能工廠(chǎng)的創(chuàng )新實(shí)踐。還有一些企業(yè)實(shí)現了刀具管理的智能化，通過(guò)在刀柄上植入RFID芯片，對刀具的全生命周期進(jìn)行管理，從而提高刀具的使用壽命。智能工廠(chǎng)還應當重視利用智能的檢測儀器，檢測結果直接進(jìn)入信息系統，無(wú)需人工干預。而展望未來(lái)，AR(Augmented Reality，增強現實(shí))技術(shù)也將在智能工廠(chǎng)大顯身手。工人帶上AR眼鏡，就可以“看到”需要操作的工作位置，例如，需要擰緊螺栓的地方，擰緊力矩OK，也會(huì )有相應提示，從而提高作業(yè)人員的工作效率。
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