论智能制造的发展与智能工厂的实践黎东

论智能制造的发展与智能工厂的实践黎东

黎东

乐凯胶片股份有限公司河北062552

摘要：目前中国的经济发展已进入一种新常态，中国制造业存在大而不强、多元层次化混合等长期积累的问题，并且传统的重工业由于其高能耗、高污染等特点已经逐渐失去了发展潜力。中国未来制造业的出路必然是以智能制造为核心的新一代生产制造模式，只要抓住当前世界智能制造发展的浪潮，就能成功跃进世界制造强国第一梯队。作为流程工业的智能制造，智能工厂的建设已经成为流程工业企业的热点之一。

关键词：智能制造；智能工厂；综述

引言

随着科学技术的发展，智能制造已成为当今制造业的主题。2013年，德国“工业4．0”在汉诺威工业博览会上正式推出后，就在全球范围内引发了新一轮的工业转型竞赛。德国“工业4．0”战略计划是以智能制造为主导的第四次工业革命。其涉及两大主题：一是智能工厂，重点研究智能化生产系统及过程，以及网络化分布式生产设施的实现；二是智能生产，主要涉及整个企业的生产物流管理、人机互动以及增材制造在工业生产过程中的应用等。

1智能制造概念的产生与发展

20世纪90年代，由于产品全球化市场竞争加剧和信息技术革命的推动，围绕提高制造业水平的新概念和新技术不断涌现，在此背景下，将新兴的人工智能技术应用于制造领域使“智能制造”的概念孕育而生，并促进了智能制造技术和智能制造系统的研究。美国普渡大学智能制造工程研究中心（IMSERC）最早正式提出“智能制造”，实施开发了诸多机械制造领域制造智能化单元系统，并研究将各智能单元系统集成，开发分布式智能制造系统。同时期，欧共体跨国研究计划ESPRIT（欧洲信息技术研究发展战略计划）和EUREKA（欧洲高技术发展计划）大力支持智能制造基础问题的研究。日本也积极涉足智能制造领域，在1990年出台“智能制造系统IMS”十年国际合作研究计划，邀请众多国家，如美国、欧共体成员国、加拿大、澳大利亚等参加，并投入大量经费对100个相关项目实施前期科研支持。行业专家吴澄院士认为，当时日本倡导的智能制造系统国际合作计划并没有很成功，主要是由于当时信息技术和人工智能技术和产业化尚处于初级阶段，不足以支持制造系统的需要。

近年来，信息技术和人工智能技术取得了巨大的进步，2018年初我国政府发布《新一代人工智能发展规划》，提出基于新一代智能技术发展我国智能制造，引导新一代信息技术、人工智能技术不断应用于制造领域。“十三五”期间我国实施智能制造示范工程，工信部专家对智能制造给出定义为“智能制造是基于新一代信息技术与先进制造技术的深度融合，贯穿设计、生产、管理、服务等制造活动各个环节，具有信息深度自感知、智慧优化自决策、精准控制自执行等功能的先进制造过程、系统与模式的总称”，认为智能制造应“具有以智能工厂为载体，以关键制造环节智能化为核心，以端到端的数据流为基础，以网络互连为支撑等特征”。推进制造业智能转型升级，可有效缩短新产品研制周期，提高生产效率，提高产品质量，降低资源能源消耗。

2智能制造的应用

虽然世界各国对智能制造的认识与研究还处于起步阶段，但智能制造在某些领域已经得到了初步的应用。德国在提出“工业4.0”后开展了很多相关技术的研发工作，并取得了一定的成效。其中为了更好地诠释智能工厂这个概念，张曙教授以德国的液体产品生产为例，建立一个智能工厂示范项目进行了说明。这个智能工厂的生产主要包括液体制备和液体灌装两个部分，不同的液体产品由不同组分混合配制而成，灌装后需要用不同颜色的瓶盖和标签表明是谁的订货、发送到哪里，这一过程应该由智能系统自动完成。而完成这一目标就要靠智能工厂中无处不在的泛维通信系统，使各个工位的机器之间相互连接，构成智能协同。目前我国也有一些企业使用了“亚智能制造”技术，例如：宁夏小巨人机床公司，将从产品设计到制造过程、从订单到客户管理的数据全面集成在一起，除此之外它还设立了一个智能生产中心，这个智能生产中心统一协调调度生产排产系统与加工设备的控制系统、现场终端和刀具室，保证生产过程的协调运行。

3智能工厂发展趋势

一方面，从全球来看，工业控制系统领域的巨头都纷纷以工业互联和智能为核心的产业协同模式，搭建企业信息全集成的工业大数据平台，进一步提升工业信息化水平。从工业互联网平台的竞争格局可知，未来智能工厂发展的新浪潮是趋向平台化、系统化的大工程。另一方面，智能工厂建设主要依托于软硬件产品及系统。工业软件的集成与发展作为其核心，必将成为重点，尤其是与硬件层关系密切的软件部分，如制造执行系统、企业资源计划、PLM等。此外，通用性强的硬件也将朝着模块化、标准化方向发展。未来的智能工厂是更加自动化、信息化、智能化、平台化的，将借助物联网技术，实现人、设备与产品的实时联通、精准识别、有效交互与智能控制，帮助企业实现安全、绿色、高效、节能的生产愿景，全面提升企业竞争力。

4智能工厂总体技术框架

智能制造是“中国制造2025”中明确提出实施的五项重大工程之一，而智能工厂是实现智能制造的重要基础，基于智能工厂可以实现高度智能化、自动化、柔性化和定制化的生产，从而可快速响应市场的需求，实现高度定制化的集约化生产。智能工厂总体框架包括三大层级的软硬件技术，企业层为上层管理层，主要包括产品全生命周期管理（PLM）和企业资源计划（ERP）两部分，其核心是基于产品全生命周期管理系统，并通过与ERP系统进行集成，构建了完整的研发、制造、管理一体化系统，可完成产品设计开发、制造及运营的统一管控。PLM可被看作是企业以产品为中心建立的各种资源信息中枢，可将企业人力资源、商业模式、产品资源信息都整合起来，支持协同制造、管理和产品信息发布等，可促进产品和生产过程的创新。车间生产为中间执行层，包括计划排产、生产执行、物料管理、质量控制、资源管理、现场管理等模块。其核心是基于制造执行系统（MES）实施生产过程管理控制，主要确保生产计划在制造职能部门的执行，统一分发制造计划，并对生产现场信息进行统一协调管理。MES通过底层工业网络通信获取现场设备工作状态、实物生产记录等信息的反馈，操作人员和管理人员可跟踪所有制造资源（人、设备、物料、客户需求等）的当前状态，有效进行生产执行层面的管控。具体实现包括高级计划与排程系统（APS）、大屏显示监控终端（PCT）、设备集成控制（RPC）等部分。生产资源为现场设备层，包括生产线、工业机器人、数控加工中心等，其核心是基于全集成自动化（TIA）理念构建的自动化系统，普遍采用工业现场总线技术，实现现场各类智能设备信号的互联互通，并通过工控机、可编程控制器（PLC）及工控软件进行生产现场智能设备的协调控制，以及人机协同作业，实现更具灵活性的自动化生产制造过程。

结语

从技术角度看，产品生产制造设备和方式已经历了机械化、电气化、数字化等三代制造技术的发展过程。随着物联网、人工智能、机器人等新技术不断发展应用，未来数字化制造将向网络化、智能化方向发展。随着各行业智能制造项目的实施，将不断推动智能制造相关新技术应用，相应的在技术教育领域也将促进智能制造各类专业人才培养的升级。

参考文献：

［1］雷源忠.21世纪的制造技术———智能制造系统［J］.中国机械工程，1992，35（2）：5.

［2］孟俊焕，孙汝军，姚俊红，等.智能制造系统的现状与展望［J］.机械工程与自动化，2005（4）：114-116.