速威智能帶您走進“智能制造”

1 概念

智能制造源于人工智能的研究。一般認(rèn)為智能是知識和智力的總和,前者是智能的基礎(chǔ),后者是指獲取和運用知識求解的能力。智能制造應(yīng)當(dāng)包含智能制造技術(shù)和智能制造系統(tǒng),智能制造系統(tǒng)不僅能夠在實踐中不斷地充實知識庫,具有自學(xué)習(xí)功能,還有搜集與理解環(huán)境信息和自身的信息,并進行分析判斷和規(guī)劃自身行為的能力。

目前,國際和國內(nèi)都尚且沒有關(guān)于智能制造的準(zhǔn)確定義,但剛剛發(fā)布的《智能制造發(fā)展規(guī)劃(2016-2020年)》給出了一個比較全面的描述性定義:智能制造是基于新一代信息通信技術(shù)與先進制造技術(shù)深度融合,貫穿于設(shè)計、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動的各個環(huán)節(jié),具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)等功能的新型生產(chǎn)方式。推動智能制造,能夠有效縮短產(chǎn)品研制周期、提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量、降低運營成本和資源能源消耗,并促進基于互聯(lián)網(wǎng)的眾創(chuàng)、眾包、眾籌等新業(yè)態(tài)、新模式的孕育發(fā)展。智能制造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,這實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(biāo),體現(xiàn)了智能制造對于我國工業(yè)轉(zhuǎn)型升級和國民經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的重要作用。

2 智能工廠

智能工廠是實現(xiàn)智能制造的載體。在智能工廠中通過生產(chǎn)管理系統(tǒng)、計算機輔助工具和智能裝備的集成與互操作來實現(xiàn)智能化、網(wǎng)絡(luò)化分布式管理,進而實現(xiàn)企業(yè)業(yè)務(wù)流程與工藝流程的協(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)之間的動態(tài)配置。

智能工廠包括以下方面:

1)計算機輔助工具;

2)計算機仿真工具;

3)工廠/車間業(yè)務(wù)與生產(chǎn)管理系統(tǒng);

4)智能裝備;

5)新一代信息技術(shù)。

如圖1所示。

圖1:智能制造生命周期管理

下面介紹了幾個智能工廠中的“智能”生產(chǎn)場景。

場景1:設(shè)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)實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā),用一個集成的三維實體模型完整地表達(dá)產(chǎn)品的設(shè)計信息和制造信息(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、工藝設(shè)計、工裝設(shè)計、產(chǎn)品制造、檢驗檢測等都基于該模型實現(xiàn),這打破了設(shè)計與制造之間的壁壘,有效解決了產(chǎn)品設(shè)計與制造一致性問題。

場景2:供應(yīng)鏈及庫存管理。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(倉庫管理系統(tǒng))進行原材料庫存管理,包括各種原材料及供應(yīng)商信息。當(dāng)客戶訂單下達(dá)時,ERP自動計算所需的原材料,并且根據(jù)供應(yīng)商信息及時計算原材料的采購時間,確保在滿足交貨時間的同時使得庫存成本最低甚至為零。

場景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)基于實時采集的數(shù)據(jù),提供質(zhì)量判異和過程判穩(wěn)等在線質(zhì)量監(jiān)測和預(yù)警方法,及時有效發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量問題。此外,產(chǎn)品具有唯一標(biāo)識(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、加工工藝、加工設(shè)備信息、作業(yè)時間、質(zhì)量檢測及判定、不良處理過程等。

場景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)對能效相關(guān)數(shù)據(jù)進行管理和分析,及時發(fā)現(xiàn)能效的波動和異常,在保證正常生產(chǎn)的前提下,相應(yīng)地對生產(chǎn)過程、設(shè)備、能源供給及人員等進行調(diào)整,實現(xiàn)生產(chǎn)過程的能效提高。

3 制造環(huán)節(jié)智能化

網(wǎng)絡(luò)化是指使用相同或不同的網(wǎng)絡(luò)將工廠/車間中的各種計算機系統(tǒng)、智能裝備,甚至操作人員、物料、半成品和成品等連接起來,以實現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備與人、物料與設(shè)備之間的信息互通和良好交互。生產(chǎn)現(xiàn)場的智能裝備通過工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)連接,工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)包括現(xiàn)場總線(如PROFIBUS、CC-Link、Modbus等)、工業(yè)以太網(wǎng)(如PROFINET、CC-LinkIE、Ethernet/IP、EtherCAT、POWERLINK、EPA等)、工業(yè)無線網(wǎng)(如WIA-PA、WIA-FA、WirelessHART、ISA100.11a等)等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。射頻識別(RFID)技術(shù)在智能工廠中也扮演重要角色,可實現(xiàn)產(chǎn)品在整個制造過程中的自動識別與跟蹤管理。車間/工廠的生產(chǎn)管理系統(tǒng)則直接使用以太網(wǎng)連接。此外,工廠網(wǎng)絡(luò)還要求與互聯(lián)網(wǎng)連接,通過大數(shù)據(jù)應(yīng)用和工業(yè)云服務(wù)實現(xiàn)價值鏈企業(yè)協(xié)同制造、產(chǎn)品遠(yuǎn)程診斷和維護等智能服務(wù)。

數(shù)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)工藝甚至工廠布局進行輔助設(shè)計和仿真驗證,例如:使用CAD(計算機輔助設(shè)計)進行產(chǎn)品二維、三維設(shè)計并生成數(shù)控程序G代碼,使用CAE(計算機輔助工程)對工程和產(chǎn)品進行性能與安全可靠性分析與驗證,使用CAPP(計算機輔助工藝設(shè)計)通過數(shù)值計算、邏輯判斷和推理等功能來制定和仿真零部件機械加工工藝過程,使用CAM(計算機輔助制造)進行生產(chǎn)設(shè)備管理控制和操作過程等;另一方面,對生產(chǎn)過程進行數(shù)字化管理,例如:使用CDD(通用數(shù)據(jù)字典)建立產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)集成和共享平臺,使用PDM管理產(chǎn)品相關(guān)信息(包括零件、結(jié)構(gòu)、配置、文檔、CAD文件等),使用PLM進行產(chǎn)品全生命周期管理(產(chǎn)品全生命周期的信息創(chuàng)建、管理、分發(fā)和應(yīng)用的一系列應(yīng)用解決方案)等。

智能化可分為兩個階段,當(dāng)前階段是面向定制化設(shè)計,支持多品種小批量生產(chǎn)模式,通過使用智能化的生產(chǎn)管理系統(tǒng)與智能裝備,實現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期的智能管理,未來愿景則是實現(xiàn)狀態(tài)自感知、實時分析、自主決策、自我配置、精準(zhǔn)執(zhí)行的自組織生產(chǎn)。這就要求首先實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的透明化管理,各個制造環(huán)節(jié)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)能夠被實時監(jiān)測和分析,從而做出智能決策;其次要求生產(chǎn)線具有高度的柔性,能夠進行模塊化的組合,以滿足生產(chǎn)不同產(chǎn)品的需求。此外,還應(yīng)提升產(chǎn)品本身的智能化,如提供友好的人機交互、語言識別、數(shù)據(jù)分析等智能功能,并且生產(chǎn)過程中的每個產(chǎn)品和零部件是可標(biāo)識、可跟蹤的,甚至產(chǎn)品了解自己被制造的細(xì)節(jié)以及將被如何使用。

數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化是保證智能制造實現(xiàn)“兩提升、三降低”經(jīng)濟目標(biāo)的有效手段。數(shù)字化確保產(chǎn)品從設(shè)計到制造的一致性,并且在制樣前對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、功能、性能乃至生產(chǎn)工藝都進行仿真驗證,極大地節(jié)約開發(fā)成本和縮短開發(fā)周期。網(wǎng)絡(luò)化通過信息橫縱向集成實現(xiàn)研究、設(shè)計、生產(chǎn)和銷售各種資源的動態(tài)配置以及產(chǎn)品全程跟蹤檢測,實現(xiàn)個性化定制與柔性生產(chǎn)同時提高了產(chǎn)品質(zhì)量。智能化將人工智能融入設(shè)計、感知、決策、執(zhí)行、服務(wù)等產(chǎn)品全生命周期,提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品核心競爭力。

4 網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通

智能制造的首要任務(wù)是信息的處理與優(yōu)化,工廠/車間內(nèi)各種網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通則是基礎(chǔ)與前提。沒有互聯(lián)互通和數(shù)據(jù)采集與交互,工業(yè)云、工業(yè)大數(shù)據(jù)都將成為無源之水。智能工廠/數(shù)字化車間中的生產(chǎn)管理系統(tǒng)(IT系統(tǒng))和智能裝備(自動化系統(tǒng))互聯(lián)互通形成了企業(yè)的綜合網(wǎng)絡(luò)。按照所執(zhí)行功能不同,企業(yè)綜合網(wǎng)絡(luò)劃分為不同的層次,自下而上包括現(xiàn)場層、控制層、執(zhí)行層和計劃層。圖2給出了符合該層次模型的一個智能工廠/數(shù)字化車間互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的典型結(jié)構(gòu)。隨著技術(shù)的發(fā)展,該結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)扁平化發(fā)展趨勢,以適應(yīng)協(xié)同高效的智能制造需求。

圖2:智能工廠/數(shù)字化車間典型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

智能工廠/數(shù)字化車間互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)各層次定義的功能以及各種系統(tǒng)、設(shè)備在不同層次上的分配如下。

1)計劃層:實現(xiàn)面向企業(yè)的經(jīng)營管理,如接收訂單,建立基本生產(chǎn)計劃(如原料使用、交貨、運輸),確定庫存等級,保證原料及時到達(dá)正確的生產(chǎn)地點,以及遠(yuǎn)程運維管理等。企業(yè)資源規(guī)劃(ERP)、客戶關(guān)系管理(CRM)、供應(yīng)鏈關(guān)系管理(SCM)等管理軟件在該層運行。

2)執(zhí)行層:實現(xiàn)面向工廠/車間的生產(chǎn)管理,如維護記錄、詳細(xì)排產(chǎn)、可靠性保障等。制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)在該層運行。

3)監(jiān)控層:實現(xiàn)面向生產(chǎn)制造過程的監(jiān)視和控制。按照不同功能,該層次可進一步細(xì)分為:

監(jiān)視層:包括可視化的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控(SCADA)系統(tǒng)、HMI(人機接口)、實時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等,這些系統(tǒng)統(tǒng)稱為監(jiān)視系統(tǒng);

控制層:包括各種可編程的控制設(shè)備,如PLC、DCS、工業(yè)計算機(IPC)、其他專用控制器等,這些設(shè)備統(tǒng)稱為控制設(shè)備;

4)現(xiàn)場層:實現(xiàn)面向生產(chǎn)制造過程的傳感和執(zhí)行,包括各種傳感器、變送器、執(zhí)行器、RTU(遠(yuǎn)程終端設(shè)備)、條碼、射頻識別,以及數(shù)控機床、工業(yè)機器人、AGV(自動引導(dǎo)車)、智能倉儲等制造裝備,這些設(shè)備統(tǒng)稱為現(xiàn)場設(shè)備。

工廠/車間的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通本質(zhì)上就是實現(xiàn)信息/數(shù)據(jù)的傳輸與使用,具體包含以下含義:物理上分布于不同層次、不同類型的系統(tǒng)和設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)連接在一起,并且信息/數(shù)據(jù)在不同層次、不同設(shè)備間的傳輸;設(shè)備和系統(tǒng)能夠一致地解析所傳輸信息/數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類型甚至了解其含義。前者即指網(wǎng)絡(luò)化,后者需首先定義統(tǒng)一的設(shè)備行規(guī)或設(shè)備信息模型,并通過計算機可識別的方法(軟件或可讀文件)來表達(dá)設(shè)備的具體特征(參數(shù)或?qū)傩裕@一般由設(shè)備制造商提供。如此,當(dāng)生產(chǎn)管理系統(tǒng)(如ERP、MES、PDM)或監(jiān)控系統(tǒng)(如SCADA)接收到現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)后,就可解析出數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類型及其代表的含義。

5 端到端數(shù)據(jù)流

智能制造要求各層次網(wǎng)絡(luò)集成和互操作打破原有的業(yè)務(wù)流程與過程控制流程相脫節(jié)的局面,使得分布于各生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的系統(tǒng)不再是“信息孤島”,數(shù)據(jù)/信息交換要求從底層現(xiàn)場層向上貫穿至執(zhí)行層甚至計劃層網(wǎng)絡(luò),使得工廠/車間能夠?qū)崟r監(jiān)視現(xiàn)場的生產(chǎn)狀況與設(shè)備信息,并根據(jù)獲取的信息來優(yōu)化和調(diào)整生產(chǎn)調(diào)度與資源配置。按照圖2的智能工廠/數(shù)字化車間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),工廠/車間中可能的端到端數(shù)據(jù)流如圖3所示。

圖3:智能制造端到端數(shù)據(jù)流

具體包括:

1)現(xiàn)場設(shè)備與控制設(shè)備之間的數(shù)據(jù)流包括:交換輸入、輸出數(shù)據(jù),如控制設(shè)備向現(xiàn)場設(shè)備傳送的設(shè)定值(輸出數(shù)據(jù)),以及現(xiàn)場設(shè)備向控制設(shè)備傳送的測量值(輸入數(shù)據(jù));控制設(shè)備讀寫訪問現(xiàn)場設(shè)備的參數(shù);現(xiàn)場設(shè)備向控制設(shè)備發(fā)送診斷信息和報警信息;

2)現(xiàn)場設(shè)備與監(jiān)視設(shè)備之間的數(shù)據(jù)流包括:監(jiān)視設(shè)備采集現(xiàn)場設(shè)備的輸入數(shù)據(jù);監(jiān)視設(shè)備讀寫訪問現(xiàn)場設(shè)備的參數(shù);現(xiàn)場設(shè)備向監(jiān)視設(shè)備發(fā)送診斷信息和報警信息;

3)現(xiàn)場設(shè)備與MES/ERP系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)流包括:現(xiàn)場設(shè)備向MES/ERP發(fā)送與生產(chǎn)運行相關(guān)的數(shù)據(jù),如質(zhì)量數(shù)據(jù)、庫存數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)等;MES/ERP向現(xiàn)場設(shè)備發(fā)送作業(yè)指令、參數(shù)配置等;

4)控制設(shè)備與監(jiān)視設(shè)備之間的數(shù)據(jù)流包括:監(jiān)視設(shè)備向控制設(shè)備采集可視化所需要的數(shù)據(jù);監(jiān)視設(shè)備向控制設(shè)備發(fā)送控制和操作指令、參數(shù)設(shè)置等信息;控制設(shè)備向監(jiān)視設(shè)備發(fā)送診斷信息和報警信息;

5)控制設(shè)備與MES/ERP之間的數(shù)據(jù)流包括:MES/ERP將作業(yè)指令、參數(shù)配置、處方數(shù)據(jù)等發(fā)送給控制設(shè)備;控制設(shè)備向MES/ERP發(fā)送與生產(chǎn)運行相關(guān)的數(shù)據(jù),如質(zhì)量數(shù)據(jù)、庫存數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)等;控制設(shè)備向MES/ERP發(fā)送診斷信息和報警信息;

6)監(jiān)視設(shè)備與MES/ERP之間的數(shù)據(jù)流包括:MES/ERP將作業(yè)指令、參數(shù)配置、處方數(shù)據(jù)等發(fā)送給監(jiān)視設(shè)備;監(jiān)視設(shè)備向MES/ERP發(fā)送與生產(chǎn)運行相關(guān)的數(shù)據(jù),如質(zhì)量數(shù)據(jù)、庫存數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)等;監(jiān)視設(shè)備向MES/ERP發(fā)送診斷信息和報警信息。


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