智能制造的内涵及其系统架构探究 (2)

一、智能制造的内涵

(一)概念关于智能制造的研究大致经历了三个阶段:起始于20世纪80年代人工智能在制造领域中的应用,智能制造概念正式提出,发展于20世纪90年代智能制造技术、智能制造系统的提出 , 成熟于21世纪以来新一代信息技术条件下的“智能制造(Smart Manufacturing)”。

世纪80年代:概念的提出。1998年,美国赖特(Paul Kenneth Wright )、伯恩(David Alan Bourne)正式出版了智能制造研究领域的首本专著《制造智能》(Smart Manufacturing),就智能制造的内涵与前景进行了系统描述,将智能制造定义为“通过集成知识工程、制造软件系统、机器人视觉与机器人控制来对制造技工们的技能与专家知识进行建模,以使智能机器能够在没有人工干预的情况下进行小批量生产”。在此基础上,英国技术大学Williams教授对上述定义作了更为广泛的补充,认为“集成范围还应包括贯穿制造组织内部的智能决策支持系统”。麦格劳 - 希尔科技词典将智能制造界定为,采用自适应环境与工艺要求的生产技术,最大限度的减少监督与操作,制造物品的活动。

——20世纪90年代:概念的发展。20世纪90年代,在智能制造概念提出不久后,智能制造的研究获得欧、美、日等工业化发达国家的普遍重视,围绕智能制造技术(IMT)与智能制造系统(IMS)开展国际合作研究。1991年,日、美、欧共同发起实施的“智能制造国际合作研究计划”中提出:“智能制造系统就是一种在整个制造过程中贯穿智能活动,并将这种智能活动与智能机器有机融合,将整个制造过程从订货、产品设计、生产到市场销售等各个环节以柔性方式集成起来的能发挥最大生产力的先进生产系统”。

——21世纪以来:概念的深化。21世纪以来,随着物联网、大数据、云计算等新一代信息技术的快速发展及应用,智能制造被赋予了新的内涵,即新一代信息技术条件下的智能制造(Smart Manufacturing)。2010年9月,美国在华盛顿举办的“21世纪智能制造的研讨会”指出,智能制造就是对先进智能系统的强

化应用,使得新产品的迅速制造,产品需求的动态响应以及对工业生产与供应链网络的实时优化成为可能。德国正式推出工业4、0战略,虽没明确提出智能制造概念,但包含了智能制造的内涵,即将企业的机器、存储系统与生产设施融入到虚拟网络—实体物理系统(CPS)。在制造系统中,这些虚拟网络—实体物理系统包括智能机器、存储系统与生产设施,能够相互独立地自动交换信息、触发动作与控制。

综上所述,智能制造就是将物联网、大数据、云计算等新一代信息技术与先进自动化技术、传感技术、控制技术、数字制造技术结合,实现工厂与企业内部、企业之间与产品全生命周期的实时管理与优化的新型制造系统。

(二)特征

智能制造的特征在于实时感知、优化决策、动态执行等三个方面:一就是数据的实时感知。智能制造需要大量的数据支持,通过利用高效、标准的方法实

时进行信息采集、自动识别,并将信息传输到分析决策系统;二就是优化决策。通过面向产品全生命周期的海量异构信息的挖掘提炼、计算分析、推理预测,形成优化制造过程的决策指令。

三就是动态执行。根据决策指令,通过执行系统控制制造过程的状态,实现稳定、安全的运行与动态调整。

(三)构成

1、智能产品(装备)

智能产品就是发展智能制造的基础与前提,由物理部件、智能部件与联接部件构成。智能部件由传感器、微处理器、数据存储装置、控制装置与软件以及内置操作与用户界面等构成;联接部件由接口、有线或无线联接协议等构成;物理部件由机械与电子零件构成。智能部件能加强物理部件的功能与价值,而联接部件进一步强化智能部件的功能与价值,使信息可以在产品、运行系统、制造商与用户之间联通,并让部分价值与功能脱离物理产品本身存在。

智能产品具有监测、控制、优化与自主等四个方面的功能。监测就是指通过传感器与外部数据源,智能产品能对产品的状态、运行与外部环境进行全面监测;在数据的帮助下,一旦环境与运行状态发生变化,产品就会向用户或相关方发出警告。控制就是指可以通过产品内置或产品云中的命令与算法进行远程控制。算法可以让产品对条件与环境的特定变化做出反应;优化就是指对实时数据或历史记录进行分析,植入算法,从而大幅提高产品的产出比、利用率与生产效率;自主就是指将检测,控制与优化功能融合到一起,产品就能实现前所未有的自动化程度。

2、智能生产智能生产就是指以智能制造系统为核心,以智能工厂为载体,通过在工厂与企业内部、企业之间以及产品全生命周期形成以数据互联互通为特征的制造网络,实现生产过程的实时管理与优化。智能生产涵盖产品、工艺设计、工厂规划的数字设计与仿真,底层智能装备、制造单元、自动化生产线,制造执行系统,物流自动化与管理等企业管理系统等。

3、智能服务通过采集设备运行数据,并上传至企业数据中心(企业云),系统软件对设备实时在线监测、控制,并经过数据分析提早进行设备维护。例如维斯塔斯通过在风机的机舱、轮毂、叶片、塔筒及地面控制箱内,安装传感器、存储器、处理器以及SCADA系统,实现对风机运行的实时监控。还通过在风力发电涡轮中内置微型控制器,可以在每一次旋转中控制扇叶的角度,从而最大限度捕捉风能,还可以控制每一台涡轮,在能效最大化的同时,减少对邻近涡轮的影响。维斯塔斯通过对实时数据进行处理预测风机部件可能产生的故障,以减少可能的风机不稳定现象,并使用不同的工具优化这些数据,达到风机性能的最优化。

(四)作用发展智能制造的核心就是提高企业生产效率,拓展企业价值增值空间,主要表现在以下几个方面:一就是缩短产品的研制周期。通过智能制造,产品

从研发到上市、从下订单到配送时间可以得以缩短。通过远程监控与预测性维护为机器与工厂减少高昂的停机时间,生产中断时间也得以不断减少。

二就是提高生产的灵活性。通过采用数字化、互联与虚拟工艺规划,智能制造开启了大规模批量定制生产乃至个性化小批量生产的大门。

三就是创造新价值。通过发展智能制造,企业将实现从传统的“以产品为中心”向“以集成服务为中心”转变,将重心放在解决方案与系统层面上,利用服务在整个产品生命周期中实现新价值。

二、国外智能制造系统架构自美国20世纪80年代提出智能制造的概念后,一直受到众多国家的重视与关注,纷纷将智能制造列为国家级计划并着力发展。目前,在全球范围内具有广泛影响的就是德国“工业4、0”战略与美国工业互联网战略。

(一)德国

2013年4月,德国在汉诺威工业博览会上正式推出了“工业4、0”战略,其核心就是通过信息物理系统(CPS)实现人、设备与产品的实时连通、相互识别与有效交流,构建一个高度灵活的个性化与数字化的智能制造模式。在这种模式下,生产由集中向分散转变,规模效应不再就是工业生产的关键因素;产品由趋同向个性的转变,未来产品都将完全按照个人意愿进行生产,极端情况下将成为自动化、个性化的单件制造;用户由部分参与向全程参与转变,用户不仅出现在生产流程的两端,而且广泛、实时参与生产与价值创造的全过程。

德国工业4、0战略提出了三个方面的特征:一就是价值网络的横向集成,即通过应用CPS,加强企业之间在研究、开发与应用的协同推进,以及在可持续发展、商业保密、标准化、员工培训等方面的合作;二就是全价值链的纵向集成,即在企业内部通过采用CPS,实现从产品设计、研发、计划、工艺到生产、服务的全价值链的数字化;三就是端对端系统工程,即在工厂生产层面,通过应用CPS,根据个性化需求定制特殊的IT结构模块,确保传感器、控制器采集的数据与ERP 管理系统进行有机集成,打造智能工厂。

2013年12月,德国电气电子与信息技术协会发表了《德国“工业4、0”标准化路线图》,其目标就是制定出一套单一的共同标准,形成一个标准化的、具有开放性特点的标准参考体系,最终达到通过价值网络实现不同公司间的网络连接与集成。德国“工业4、0”提出的标准参考体系就是一个通用模型,适用于所有合作伙伴公司的产品与服务,提供了“工业4、0”相关的技术系统的构建、开发、集成与运行的框架,意图就是将不同业务模型的企业采用的不同作业方法统一为共同的作业方法。

(二)美国

1、工业互联网