論智能制造的發(fā)展與智能工廠的實(shí)踐

王俊文

[摘? ? 要]我國(guó)近年來(lái)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，我國(guó)為實(shí)現(xiàn)從制造大國(guó)到制造強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變，需要制造業(yè)不斷進(jìn)步和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的發(fā)展，并且必須要對(duì)智能技術(shù)在制造業(yè)的應(yīng)用中進(jìn)行實(shí)踐。文章對(duì)智能制造的內(nèi)涵進(jìn)行論證，闡述我國(guó)智能制造的發(fā)展和規(guī)劃，從技術(shù)方面對(duì)智能制造工廠的框架進(jìn)行分析，并對(duì)智能制造的實(shí)際情況進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

[關(guān)鍵詞]智能制造;發(fā)展;智能工廠;實(shí)踐

[中圖分類號(hào)]F424;F49 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）09–00–02

[Abstract]With the rapid economic development of our country in recent years， the manufacturing industry has realized the transformation from a large manufacturing country to a strong manufacturing country. Continuous progress and sustainable development are needed， and the application of smart technology in manufacturing must be practiced. Demonstrate the connotation of smart manufacturing， elaborate the development and planning of smart manufacturing in my country， analyze the framework of smart manufacturing factories from the technical aspect， and give a detailed introduction to the actual situation of smart manufacturing.

[Keywords]smart manufacturing; development; smart factory; practice

1 智能制造概念的產(chǎn)生和發(fā)展

（1）在20世紀(jì)90年代，信息化技術(shù)已得到了快速的發(fā)展，中國(guó)制造的產(chǎn)品銷往世界各地，圍繞高效制造的新概念和新的技術(shù)不斷的出現(xiàn)。以這樣的時(shí)代為背景，新型的人工智能技術(shù)得到了孕育，并通過(guò)一系列的技術(shù)手段和措施實(shí)現(xiàn)了智能技術(shù)的不斷向前發(fā)展。研發(fā)出了制造領(lǐng)域的智能單元和系統(tǒng)，并將其結(jié)合成了智能的單元系統(tǒng)的集成，智能制造系統(tǒng)就被廣泛地使用到制造產(chǎn)業(yè)當(dāng)中。

（2）也就在這個(gè)時(shí)期，歐盟集體進(jìn)行了EUREKA的跨國(guó)研究計(jì)劃，并對(duì)智能制造在基礎(chǔ)問(wèn)題方面進(jìn)行了大力的研究支持。作為科技強(qiáng)國(guó)的日本也在此時(shí)進(jìn)入了智能制造行業(yè)領(lǐng)域，并在1990年推出了名為“智能制造系統(tǒng)IMS”的國(guó)際合作的研究計(jì)劃，邀請(qǐng)了很多的國(guó)際同行參加，并投入了大量的經(jīng)費(fèi)來(lái)進(jìn)行100個(gè)與此相關(guān)的項(xiàng)目的前期研究。有行業(yè)專業(yè)認(rèn)為當(dāng)時(shí)日本倡導(dǎo)的合作計(jì)劃實(shí)施并沒(méi)有成功，處在智能技術(shù)和制造產(chǎn)業(yè)的初級(jí)階段，無(wú)法對(duì)制造系統(tǒng)的需求進(jìn)行有效的滿足。

（3）最近幾年，信息技術(shù)對(duì)人工智能提供了很大的幫助，因此人工智能在我國(guó)取得了飛躍發(fā)展。2018年，我國(guó)政府開啟了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，對(duì)新一代的智能技術(shù)提出了發(fā)展的新要求，人工智能技術(shù)和新一代的信息技術(shù)廣泛應(yīng)用到制造企業(yè)中?！笆濉睍r(shí)期，我國(guó)實(shí)行了智能制造工程的展示，工信部專家在此時(shí)對(duì)智能制造做出了新的定義，把智能制造定義為“智能制造是基于新一代信息技術(shù)與先進(jìn)制造業(yè)的深度融合，貫穿設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)、具有信息深度自感知、智慧優(yōu)化自決策、競(jìng)爭(zhēng)控制自執(zhí)行等功能的先進(jìn)制造過(guò)程、系統(tǒng)與模式的總稱”。權(quán)威認(rèn)為智能制造是以工廠為載體，以關(guān)鍵的制造智能的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行端到端的智能生產(chǎn)活動(dòng)。

2 當(dāng)前主要工業(yè)國(guó)家智能制造相關(guān)發(fā)展規(guī)劃

（1）工業(yè)領(lǐng)域中廣泛地應(yīng)用了物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)機(jī)器、人工智能等一些新技術(shù)。先進(jìn)制造業(yè)是全球工業(yè)大國(guó)爭(zhēng)搶的重要領(lǐng)域。為了搶占先機(jī)，我國(guó)在2015年進(jìn)行了“中國(guó)制造2025”的發(fā)布，對(duì)制造業(yè)強(qiáng)國(guó)的舉措進(jìn)行了大力的實(shí)施。與此同時(shí)，全世界的制造業(yè)大國(guó)也相應(yīng)地出臺(tái)了與制造相關(guān)的戰(zhàn)略規(guī)劃，比如德國(guó)的工業(yè)4.0計(jì)劃、日本的智能5.0計(jì)劃、韓國(guó)制造的創(chuàng)新3.0戰(zhàn)略等。

（2）新一代的信息技術(shù)和制造業(yè)的深度結(jié)合已經(jīng)在“中國(guó)制造2025”中明確提出，這是智能制造的前進(jìn)方向。同時(shí)還對(duì)十年的制造業(yè)強(qiáng)國(guó)方案設(shè)計(jì)了行動(dòng)綱領(lǐng)，其中指出智能制造是需要重點(diǎn)實(shí)施的工程，緊緊圍繞智能制造的行動(dòng)綱領(lǐng)進(jìn)行了展開工作，國(guó)家工信部與財(cái)政部聯(lián)合制定了智能制造的計(jì)劃書，大力推進(jìn)智能制造的示范工程，發(fā)布智能制造工程在實(shí)施過(guò)程中的行動(dòng)指南，對(duì)工程的主要內(nèi)容指明了方向，并同時(shí)引導(dǎo)對(duì)智能制造的有關(guān)核心技術(shù)進(jìn)行了研發(fā)，并利用智能示范工程進(jìn)行了實(shí)踐。

（3）2008年出現(xiàn)了世界性的金融危機(jī)，對(duì)先進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展被美國(guó)推上了國(guó)家戰(zhàn)略的高度，進(jìn)行了伙伴計(jì)劃的實(shí)施。通用電氣提出了“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”概念，這是互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)革命進(jìn)行高度融合的變革。它將實(shí)體的制造業(yè)與虛擬的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了有效的連接，對(duì)其有效信息進(jìn)行了交換，對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了科技的創(chuàng)新。這樣的創(chuàng)新創(chuàng)造出了很多的創(chuàng)業(yè)機(jī)會(huì)，對(duì)美國(guó)的先進(jìn)制造業(yè)的持續(xù)提升起到了一定的保障，在新一輪科技革命中占據(jù)了主導(dǎo)地位。

（4）對(duì)于2013年德國(guó)提出的工業(yè)4.0戰(zhàn)略來(lái)說(shuō)，其主要內(nèi)容分為三部分：

①實(shí)現(xiàn)智能工廠，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)化設(shè)施，對(duì)智能化的生產(chǎn)流程和智能設(shè)備進(jìn)行重點(diǎn)的研究;

②實(shí)現(xiàn)“智能生產(chǎn)”，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)可視化和透明化，主要在智能化的生產(chǎn)過(guò)程、人機(jī)協(xié)調(diào)性和各種軟件的應(yīng)用方面進(jìn)行了重點(diǎn)的研究。

③實(shí)現(xiàn)“智能物流”，主要內(nèi)容是整合網(wǎng)絡(luò)資源和物流資源，對(duì)互聯(lián)網(wǎng)、物流網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)等一些有用的資源進(jìn)行了有效的整合，來(lái)進(jìn)行物流效率的有效提高。德國(guó)提出的工業(yè)4.0技術(shù)特別注重智能化技術(shù)和中小型制造企業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)的應(yīng)用及創(chuàng)新。倡導(dǎo)GPS（“信息物流系統(tǒng)”）融入云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)，創(chuàng)造自動(dòng)操作的智能生產(chǎn)系統(tǒng)，以這樣的工業(yè)技術(shù)革新來(lái)確保德國(guó)在世界工業(yè)領(lǐng)先地位的持續(xù)。

（5）2015年日本發(fā)布的“機(jī)器人新戰(zhàn)略”，主要提出三大戰(zhàn)略方面目標(biāo)：

①生產(chǎn)、學(xué)術(shù)、官方進(jìn)行三方合作，創(chuàng)建世界機(jī)器人的創(chuàng)新基地，采用廠商和用戶的對(duì)接機(jī)會(huì)激發(fā)創(chuàng)新，對(duì)下一代的智能人才進(jìn)行重點(diǎn)培養(yǎng)，緊接著進(jìn)行下一代的新技術(shù)研發(fā)。

②建設(shè)世界第一的機(jī)器人應(yīng)用國(guó)家，主要在服務(wù)業(yè)、制造業(yè)、農(nóng)業(yè)和公共的基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)等方面推行機(jī)器人技術(shù)，不斷采用機(jī)器人的新技術(shù)進(jìn)行環(huán)境方面的改善。

③邁向領(lǐng)先于世界的機(jī)器人時(shí)代，制定機(jī)器人在大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代下機(jī)器人數(shù)據(jù)采集、自律性和物聯(lián)網(wǎng)方面制定國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。在第二年又接著發(fā)布了科技的基本振興計(jì)劃，提出了智能社會(huì)5.0的概念。

（6）在韓國(guó)，2014年發(fā)布了“制造業(yè)創(chuàng)新3.0戰(zhàn)略”，并提出到2020年要進(jìn)行1萬(wàn)家智能工廠的打造，設(shè)立了咨詢服務(wù)、教育服務(wù)和支持注冊(cè)資金等方式來(lái)配合智能工廠的創(chuàng)建。借用信息科技領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，來(lái)對(duì)智能制造進(jìn)行信息技術(shù)和制造業(yè)的高度融合，以此來(lái)進(jìn)行制造業(yè)的在智能程度的提升，來(lái)推進(jìn)制造業(yè)的整體水平及能力。

3 智能工廠的總體技術(shù)架構(gòu)

（1）“中國(guó)制造2025”明確地提出了智能制造的實(shí)施策略，智能制造技術(shù)是其中五項(xiàng)重大工程中的一個(gè)，智能制造要借助智能工廠為實(shí)施基礎(chǔ)，快速地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、柔性化、高度智能化和個(gè)性定制化的專業(yè)生產(chǎn)技術(shù)，設(shè)置科學(xué)的制造生產(chǎn)流程，進(jìn)行實(shí)際的生產(chǎn)操作，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)對(duì)市場(chǎng)需求的快速響應(yīng)，滿足市場(chǎng)需求的個(gè)性化和定制化生產(chǎn)。

（2）生產(chǎn)車間是生產(chǎn)中的中間執(zhí)行層，主要負(fù)責(zé)生產(chǎn)計(jì)劃的安排、生產(chǎn)中的執(zhí)行、物料的管理、資源的管理和現(xiàn)場(chǎng)的管理的模式。以制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）為基礎(chǔ)來(lái)實(shí)施生產(chǎn)過(guò)程的管控。為了保證制造的智能部門順利地完成生產(chǎn)計(jì)劃，統(tǒng)一進(jìn)行制造計(jì)劃的分發(fā)和實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的信息資源進(jìn)行一致的協(xié)調(diào)和管理。MES可以在底層工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)之上對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的工作狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)獲取，生產(chǎn)實(shí)物和相關(guān)的生產(chǎn)記錄信息進(jìn)行及時(shí)的反饋，可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)管理中的管理人員和操作人員進(jìn)行跟蹤當(dāng)前的制作資源狀態(tài)進(jìn)行調(diào)控，完成生產(chǎn)在執(zhí)行過(guò)程中的有效管控。主要運(yùn)用的是高級(jí)計(jì)劃與排成系統(tǒng)（APS）、顯示終端的大屏幕（PCT）和設(shè)備的集成控制系統(tǒng)（RPC）等。

（3）生產(chǎn)資源屬于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層的內(nèi)容，它包含的內(nèi)容是：工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控加工中心和加工生產(chǎn)等一些生產(chǎn)必需的設(shè)備，建立在全集成自動(dòng)化理念（TLA）基礎(chǔ)之上的自動(dòng)化是其生產(chǎn)的核心，廣泛地采用總線技術(shù)來(lái)控制現(xiàn)場(chǎng)管理，同時(shí)實(shí)現(xiàn)各種智能信息進(jìn)行及時(shí)交換，并利用編程控制器（PLC）和工業(yè)的控制軟件對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程中的智能設(shè)備完成其協(xié)調(diào)控制工作，同時(shí)還需要操作人員和機(jī)械共同協(xié)同作業(yè)，自動(dòng)化的靈活性和穩(wěn)定性就在自動(dòng)化的生產(chǎn)過(guò)程中展現(xiàn)出來(lái)了。

（4）例如，武漢華中數(shù)控公司就研發(fā)了自主的數(shù)控平臺(tái)，公司聯(lián)合了華中科技大學(xué)的國(guó)家研究中心對(duì)制造設(shè)備的數(shù)字化進(jìn)行了合作研究，自主創(chuàng)建了智能工廠并申請(qǐng)了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。其智能工廠的技術(shù)框架分為主要的四層架構(gòu)，包括智能的決策層、智能的執(zhí)行層（MES）、智能的傳感層和智能的設(shè)備層，經(jīng)過(guò)工廠大數(shù)據(jù)的中心平臺(tái)進(jìn)行集成的分析操作。如圖1所示，CAPP作為輔助工業(yè)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)，主要對(duì)其輔助工藝進(jìn)行設(shè)計(jì);RFID是無(wú)線射頻，對(duì)其電子標(biāo)簽進(jìn)行有效的識(shí)別;CNC是數(shù)控機(jī)床系統(tǒng);AGV是自動(dòng)導(dǎo)航車，負(fù)責(zé)其導(dǎo)航系統(tǒng);RGV是軌道導(dǎo)航車系統(tǒng)。

4 國(guó)產(chǎn)智能制造工廠實(shí)踐與應(yīng)用

（1）以制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略為導(dǎo)向，廣東勁勝集團(tuán)和華中數(shù)控進(jìn)行聯(lián)合，進(jìn)行了我國(guó)首批智能制造的試點(diǎn)項(xiàng)目的實(shí)踐工作，是一種對(duì)移動(dòng)終端的金屬加工進(jìn)行智能制造的新模式。這個(gè)項(xiàng)目主要對(duì)手機(jī)、平板（PAD）等數(shù)字終端所采用的金屬零件進(jìn)行加工制造，已經(jīng)完成項(xiàng)目實(shí)施和驗(yàn)收通過(guò)，是我國(guó)首個(gè)國(guó)產(chǎn)化的智能示范型工廠，它是離散型的智能制造的教科書產(chǎn)業(yè)，可以為后續(xù)的一些企業(yè)提供參考。

（2）廣東勁勝集團(tuán)的智能工廠規(guī)劃方案對(duì)我國(guó)的國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床、國(guó)產(chǎn)工業(yè)軟件和國(guó)產(chǎn)機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行了有效的工廠實(shí)踐，創(chuàng)建了一個(gè)我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的集成系統(tǒng)。這個(gè)智能工廠規(guī)劃了十條專業(yè)的智能生產(chǎn)線，并對(duì)智能生產(chǎn)線進(jìn)行了高效的配置。主要包括：180臺(tái)可高效運(yùn)行的數(shù)控中心，來(lái)進(jìn)行手機(jī)的金屬?gòu)?fù)雜零件加工;72臺(tái)華速機(jī)器人來(lái)進(jìn)行數(shù)控機(jī)床的配套，進(jìn)行物料的自動(dòng)上下流水線操作;15臺(tái)導(dǎo)航小車來(lái)進(jìn)行物料的運(yùn)輸。這些設(shè)備系統(tǒng)的集成構(gòu)建，采用云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)控平臺(tái)的大數(shù)據(jù)集成進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。MES軟件對(duì)制造的執(zhí)行完成了管控的工作，同時(shí)為PLM軟件提供進(jìn)行連接的交互接口。這樣，產(chǎn)品的研發(fā)和制造的效率得到了很大的提高。

5 結(jié)束語(yǔ)

站在技術(shù)的角度，制造業(yè)已經(jīng)成為未來(lái)數(shù)字化發(fā)展的重要行業(yè)，實(shí)現(xiàn)了新一代的信息技術(shù)和制造業(yè)的高度結(jié)合。綠色環(huán)保的概念是中國(guó)制造的前進(jìn)方向。國(guó)家的大力度舉措和技術(shù)的發(fā)展必將促進(jìn)智能制造和相關(guān)人才的發(fā)展。

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