智能制造融合了大數(shù)據(jù)分析、機(jī)器人技術(shù)措嵌、虛擬仿真骏令、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)安全厉亏、增材制造等核心技術(shù)董习。本文力圖提煉出一條智能制造的通用實(shí)施路徑，從產(chǎn)品全生命周期的角度出發(fā)爱只，整個(gè)智能制造的實(shí)施路徑分為產(chǎn)品設(shè)計(jì)皿淋、數(shù)字化工廠(chǎng)規(guī)劃、生產(chǎn)工程恬试、生產(chǎn)執(zhí)行和增值服務(wù)5大環(huán)節(jié)窝趣。

實(shí)施路徑的五步法

自從德國(guó)工業(yè)4.0和中國(guó)制造2025的概念被提出后，圍繞著制造業(yè)的升級(jí)和改造牧稳，各種實(shí)踐也層出不窮掸昨。如何通過(guò)信息物理系統(tǒng)（CPS）形成一個(gè)智能網(wǎng)絡(luò)，使得機(jī)器巍慧、工作部件绿壮、系統(tǒng)以及人類(lèi)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)持續(xù)地保持?jǐn)?shù)字信息的交流；如何構(gòu)建一條數(shù)字化生產(chǎn)線(xiàn)并园、一個(gè)數(shù)字化車(chē)間湃纸、一座數(shù)字化工廠(chǎng)；如何在數(shù)字化工廠(chǎng)運(yùn)行過(guò)程中樊颁，采集數(shù)據(jù)犀掸、對(duì)海量的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分類(lèi)澳银、提取棒冠、分析和優(yōu)化，為決策者作出決策提供有力的數(shù)據(jù)支持慨即。

智能制造融合了大數(shù)據(jù)分析型肥、機(jī)器人技術(shù)泛鸟、虛擬仿真、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)踊东、網(wǎng)絡(luò)安全北滥、增材制造等核心技術(shù)。本文力圖提煉出一條智能制造的通用實(shí)施路徑闸翅，從產(chǎn)品全生命周期的角度出發(fā)再芋，整個(gè)智能制造的實(shí)施路徑分為產(chǎn)品設(shè)計(jì)、數(shù)字化工廠(chǎng)規(guī)劃坚冀、生產(chǎn)工程济赎、生產(chǎn)執(zhí)行和增值服務(wù)5大環(huán)節(jié)。

第一步 —— 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

智能制造在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的重要作用之一是重新定義了產(chǎn)品模型和數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)记某，使智能化產(chǎn)品設(shè)計(jì)在價(jià)值鏈上的不同部門(mén)不同用戶(hù)之間能夠進(jìn)行完整司训、精確、及時(shí)的數(shù)據(jù)交換辙纬，通過(guò)一致性的產(chǎn)品模型，數(shù)據(jù)集成和提取更加安全叭喜，舉例說(shuō)明：A工程師使用Siemens的NX PLM軟件贺拣、B工程師使用達(dá)索的Catia、C工程師使用Autodesk的Inventor矗赔， 各自相互很難呼喚使用贤丐。但隨著ISO 10303的誕生，使得A坦浦、B辙求、C三個(gè)工程師之間都能看懂相互之間的設(shè)計(jì)。值得一提的是怔赤，ISO 10303-242的基于模型的3D系統(tǒng)工程非常有價(jià)值弟诲，該標(biāo)準(zhǔn)廣泛應(yīng)用于航空航天，汽車(chē)等廣泛行業(yè)中的制造商和其供應(yīng)商分较。該標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容包括產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理PDM徘伯，設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，關(guān)聯(lián)定義南垦，2D制圖就考，3D產(chǎn)品和制造信息等。參考國(guó)際通用的產(chǎn)品設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)跛鸵，能提高智能化產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中數(shù)據(jù)交換和使用的效率贯卦，形成一致性的產(chǎn)品模型，保障信息與數(shù)據(jù)的安全性焙贷。

第二步——數(shù)字化工廠(chǎng)規(guī)劃

當(dāng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的雛形完成之后撵割，智能制造要考慮的下一個(gè)步驟便是數(shù)字化工廠(chǎng)規(guī)劃贿堰。所謂的數(shù)字化工廠(chǎng)規(guī)劃就是生產(chǎn)者考慮如何搭建一個(gè)數(shù)字化工廠(chǎng)來(lái)生產(chǎn)第一階段所定義的產(chǎn)品。參考國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC62832睁枕，可以按部就班地搭建數(shù)字化工廠(chǎng)官边。IEC 62832 標(biāo)準(zhǔn)中描述的生產(chǎn)系統(tǒng)生命周期中，數(shù)字化工廠(chǎng)的數(shù)據(jù)被不同的活動(dòng)增加外遇、刪除注簿、更新，所以建立數(shù)字化工廠(chǎng)的第一個(gè)步驟就是要將工廠(chǎng)中所用到的每一個(gè)設(shè)備的屬性根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)屬性庫(kù)進(jìn)行數(shù)字化跳仿；第二步要建立各個(gè)設(shè)備間的關(guān)聯(lián)關(guān)系诡渴，關(guān)聯(lián)關(guān)系分為組成關(guān)系和功能關(guān)系。

例如PLC由支架菲语、I/O模塊妄辩、CPU等組成；伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)匹配時(shí)山上，要檢查額定電流和電壓伟蕾，伺服驅(qū)動(dòng)器的額定電流要大于等于伺服電機(jī)的額定電流，伺服驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓要和伺服電機(jī)的額定電壓一致才可以畦肉，這是功能關(guān)系配昼。第三步將設(shè)備的地理位置信息添加到數(shù)字工廠(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)，明確IP級(jí)別和是否為爆炸保護(hù)區(qū)礁姿；最后一步建立產(chǎn)品全生命周期中工具與數(shù)據(jù)庫(kù)之間的信息交換如癌，如下圖所示，數(shù)字化工廠(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息將在產(chǎn)品全生命周期中被各種工具所使用和交換菱区。

（1）靜態(tài)生產(chǎn)線(xiàn) ——> 動(dòng)態(tài)生產(chǎn)線(xiàn)顿墨；

（2）MES功能局限 ——> MOM涵蓋價(jià)值鏈全流程；

（3）員工工種單一 ——> 更好的人機(jī)協(xié)作绎瓣；

（4）無(wú)法滿(mǎn)足個(gè)性化定制要求 ——> 滿(mǎn)足定制化需求 稼孤。

當(dāng)數(shù)字化工廠(chǎng)的規(guī)劃完成之后，智能制造將進(jìn)入下一個(gè)實(shí)質(zhì)性的階段：生產(chǎn)工程堵忌。生產(chǎn)過(guò)程利用自動(dòng)化系統(tǒng)和工程定義控制架構(gòu)乘颖、信息從下至上的傳遞方式，機(jī)器與機(jī)器眷篇，機(jī)器與上位機(jī)之間的通信方式萎河，是將數(shù)字化工廠(chǎng)從規(guī)劃到落地的一個(gè)關(guān)鍵階段。傳統(tǒng)的工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)與IT技術(shù)的融合形成了目前較為通用的5層企業(yè)垂直架構(gòu)蕉饼。在5層架構(gòu)中：數(shù)據(jù)的請(qǐng)求或是事件驅(qū)動(dòng)虐杯、或是循環(huán)發(fā)送，這都是響應(yīng)上一級(jí)設(shè)備或軟件系統(tǒng)的請(qǐng)求昧港，下一級(jí)則總是充當(dāng)服務(wù)者或響應(yīng)者擎椰。譬如HMI可向PLC請(qǐng)求發(fā)送其狀態(tài)支子，或者向PLC下達(dá)一個(gè)新的生產(chǎn)配方。完成的過(guò)程是將傳感器的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式达舒，然后由PLC賦以時(shí)間戳值朋，再把信息傳送至MES IT層，以進(jìn)一步提供相關(guān)服務(wù)巩搏。

隨著智能制造和大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)昨登，新的以信息物理融合系統(tǒng)（CPS）為基準(zhǔn)的自動(dòng)化架構(gòu)已逐顯雛形。在新型架構(gòu)中贯底，多層級(jí)的嚴(yán)格分隔和信息流的自上而下的方法將會(huì)軟化和混合丰辣。在一個(gè)智能的網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)設(shè)備或者每個(gè)服務(wù)都能自動(dòng)的啟動(dòng)與其它服務(wù)的通信挽后。各種服務(wù)（例如生產(chǎn)調(diào)度）自動(dòng)訂閱所需的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)滥港，傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)OPC-UA等安全可靠的通信協(xié)議直接發(fā)送到云中。這一新型自動(dòng)化架構(gòu)帶來(lái)的重大改變是：除了對(duì)時(shí)間有嚴(yán)酷要求的實(shí)時(shí)控制和對(duì)安全有嚴(yán)酷要求的功能安全仍然保留在工廠(chǎng)層以外镇盛，所有的制造功能都將按產(chǎn)品换蛔、生產(chǎn)制造和經(jīng)營(yíng)管理這三個(gè)維度虛擬化，構(gòu)成全鏈接和全集成的智能制造生態(tài)系統(tǒng)卜锡。

第四步——生產(chǎn)執(zhí)行

當(dāng)數(shù)字化工廠(chǎng)落地之后孽强，智能化生產(chǎn)將有條不紊地生產(chǎn)第一階段設(shè)計(jì)的產(chǎn)品。數(shù)字化工廠(chǎng)的落地并不意味著智能制造的結(jié)束翩腹，而是意味著智能制造從規(guī)劃到落地述加，進(jìn)入到信息收集誓豺、處理刷裂、分析、決策的新階段吏恃，我們稱(chēng)其為生產(chǎn)執(zhí)行階段米萝。在信息化等級(jí)較高的企業(yè)或工廠(chǎng)中，往往制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）得到廣泛的應(yīng)用代虾，企業(yè)利用MES系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)訂單管理进肯、通過(guò)生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集和分析進(jìn)行質(zhì)量管理、設(shè)備管理棉磨、生產(chǎn)追溯與物料管理江掩，并最終生成生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)分析及報(bào)表管理。然而隨著企業(yè)制造的復(fù)雜化程度提升乘瓤，從傳統(tǒng)的單一的品種大批量到現(xiàn)在的多品種小批量环形，以及生命周期變得越來(lái)越短，設(shè)計(jì)變得越來(lái)越復(fù)雜衙傀，于是就催生了更多的功能的軟件的需求抬吟，此時(shí)MES已經(jīng)不能滿(mǎn)足客戶(hù)的多種需求萨咕。

在智能制造的技術(shù)支撐下，MES系統(tǒng)慢慢向制造運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)（Manufacturing Operation Management火本，簡(jiǎn)稱(chēng)MOM)過(guò)渡危队。MOM不僅包括MES，也包括EAM企業(yè)資產(chǎn)管理钙畔，LEAN精益茫陆，QMS質(zhì)量管理系統(tǒng)，APS高級(jí)排產(chǎn)系統(tǒng)闲招，EH&S環(huán)境衛(wèi)生與安全等精幌，是一個(gè)集成的軟件平臺(tái)，向上連接PLM軟件蒿疲， 向下連接工控及自動(dòng)化系統(tǒng)犯暮，起到了鏈接PLM與自動(dòng)化的橋梁作用。此外棉玻，MES是車(chē)間級(jí)的或者是工廠(chǎng)級(jí)的泣储，服務(wù)于企業(yè)管理的一個(gè)“孤島”， MOM是延伸到上下游產(chǎn)業(yè)鏈坝亿，聯(lián)用戶(hù)屋廓、聯(lián)外部資源商的集成的制造運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)，是企業(yè)間的連接灰囤。

第五步——增值服務(wù)

當(dāng)數(shù)字化工廠(chǎng)中的各條智能流水線(xiàn)已經(jīng)可以正常運(yùn)行属诀，我們是否可以高枕無(wú)憂(yōu)地宣告智能制造的工作結(jié)束了呢？答案當(dāng)然是否定的锐拟，數(shù)字化工廠(chǎng)中的每一臺(tái)設(shè)備都有著一定的生命周期秉扑，一旦某個(gè)核心設(shè)備出現(xiàn)故障，將面臨著停線(xiàn)停產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)调限，智能制造的另一大作用體現(xiàn)在其最后一個(gè)路徑也是智能制造的最高境界：增值服務(wù)舟陆。增值服務(wù)利用大數(shù)據(jù)和云計(jì)算技術(shù)提供基于數(shù)據(jù)的增值服務(wù)，例如預(yù)防性維護(hù)耻矮。工業(yè)環(huán)境中廣泛會(huì)用到工業(yè)機(jī)器人秦躯，工業(yè)機(jī)器人的常見(jiàn)故障有：伺服焊槍斷裂、電纜斷裂裆装、接線(xiàn)松動(dòng)踱承、減速機(jī)故障等。為了避免這些故障發(fā)生哨免，提前監(jiān)控與預(yù)判茎活， 可添加智能傳感器對(duì)振動(dòng)，電流等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控。將監(jiān)測(cè)的機(jī)器人設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集妙色，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)通信等技術(shù)將數(shù)據(jù)收集保存在IOT網(wǎng)關(guān)桅滋，然后上傳到云端，通過(guò)大數(shù)據(jù)服務(wù)器和大數(shù)據(jù)分析軟件身辨，對(duì)監(jiān)控機(jī)器人的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)推妈，如有超過(guò)設(shè)定警戒值或閾值的異常現(xiàn)象滩扩，可通過(guò)郵件显哨、短信和可視化界面的形式告知，從而大大降低維修資源和停機(jī)時(shí)間槽顶，提高設(shè)備OEE篙绎。

消除孤島

隨著產(chǎn)品設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、數(shù)字化工廠(chǎng)建設(shè)的步驟規(guī)范和設(shè)備/數(shù)據(jù)庫(kù)的全面關(guān)聯(lián)昭淋、新型自動(dòng)化架構(gòu)對(duì)于工廠(chǎng)各個(gè)層級(jí)的全面打通亿隔、MES向運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)的全面升級(jí)以及數(shù)字化技術(shù)對(duì)于新型增值服務(wù)的助推，以往制造業(yè)相對(duì)孤立的各個(gè)環(huán)節(jié)被連接起來(lái)墓枝，信息“孤島”被消除乃蔬。理解環(huán)環(huán)相扣的智能制造實(shí)施路徑和5大階段，將更好地滿(mǎn)足企業(yè)定制化生產(chǎn)的需求和提高運(yùn)營(yíng)效率容且，明確各個(gè)部門(mén)的主要職責(zé)和跨部門(mén)間的合作刁夺，為廣大企業(yè)提升智能制造的核心競(jìng)爭(zhēng)力提供了一條具體的實(shí)施路徑。

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