淺析智能制造的構(gòu)成與應用

韓茂忠

（太原市高級技工學校，山西太原 030021）

0 引言

智能制造（Intelligent Manufacturing，IM）是一種由智能機器和人類專家共同組成的，在制造過程中能進行智能活動，諸如分析、推理、判斷、構(gòu)思和決策等。通過人與智能機器的合作共事，去擴大、延伸和部分地取代人類專家在制造過程中的腦力勞動、體力勞動。它將制造自動化的概念更新，擴展到柔性化、智能化和高度集成化。在生產(chǎn)企業(yè)中，智能制造主要由智能化生產(chǎn)線和智能系統(tǒng)兩部分構(gòu)成：前者主要由智能物流系統(tǒng)、柔性加工單元、智能化裝配單元、立體倉庫、智能檢測單元、智能工具管理系統(tǒng)等組成，如果者則包括MES（Manufacturing Execution System，制造執(zhí)行系統(tǒng)）和QMS（Quality Management System，質(zhì)量管理體系），MES 系統(tǒng)具備APS（Advanced Planning System，高級計劃系統(tǒng)）排程、制造執(zhí)行管理、設備管理等功能，而QMS 系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)反饋等功能。

1 智能制造發(fā)展的背景和現(xiàn)狀

1.1 智能制造的發(fā)展背景

智能制造雖然是近幾年來提出的新型概念，但是實際其發(fā)展根源可以追溯到20 世紀50 年代。傳統(tǒng)制造業(yè)在20 世紀50年代末實現(xiàn)了全新技術(shù)改革與生產(chǎn)創(chuàng)新，徹底脫離了之前依靠人工加工的生產(chǎn)運營模式，而是利用自動化設備，如機床和車床，在車間進行加工生產(chǎn)，有效提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了人力與物力資源。這種模式一直維持到20 世紀60 年代左右，人類們發(fā)明了數(shù)控機床（車床），這一發(fā)明全面實現(xiàn)了工業(yè)自動化加工運營，可以稱之為工業(yè)自動化時代的里程碑，這一技術(shù)也被命名為直接數(shù)字控制技術(shù)（Direct Numerrical Control，DNC）技術(shù)。但是此技術(shù)仍然需要工作人員更換機床中的零件與刀具，還不能稱之為完全自動化生產(chǎn)。在此之后，設計師與工程師逐步設計并改造裝置系統(tǒng)，逐步實現(xiàn)了無人化的加工模式，同時在這個時期柔性制造技術(shù)（Flexible Manufacturing System，F(xiàn)MS）浮出水面，各個企業(yè)加工生產(chǎn)中設置了越來越多的加工中心。這一改變解放了大量的人力資源，擺脫了人們的雙手加工模式，其中以美國、德國以及日本等工業(yè)性強國為代表開始逐步普及這一技術(shù)。

20 世紀80 年代，計算機技術(shù)逐漸開始應用于各行各業(yè)，工程師也在不斷研究如何利用計算機實現(xiàn)更高效的自動化生產(chǎn)。在此過程中，計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）和計算機輔助工藝規(guī)劃（Computer Aided Process Planning，CAPP）和計算機輔助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）等開始應用于工廠生產(chǎn)中，計算機技術(shù)進一步提高了工業(yè)設計以及工業(yè)生產(chǎn)的效率，基于這一技術(shù)，工業(yè)生產(chǎn)的管理與維護經(jīng)營工作也得到了進一步發(fā)展，誕生了計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）。從21 世紀初開始，全球逐步走向經(jīng)濟一體化的時代，人工勞動力成本也逐步提高，各國在制造行業(yè)展開了越發(fā)競爭的激烈，這一句是對制造系統(tǒng)提出了更高的挑戰(zhàn)和要求，制造系統(tǒng)需要應對各種復雜的生產(chǎn)環(huán)境，提高自身調(diào)節(jié)能力來應對未知因素，同樣是美國和德國等國家第一次提出了知條件，德國、美國等國家率先提出了智能制造技術(shù)（IMT）和智能制造系統(tǒng)（IMS），這些技術(shù)提高了生產(chǎn)制造的智能化水平。從此之后，計算機、互聯(lián)網(wǎng)以及人工智能開始逐步浮現(xiàn)并得到了深入發(fā)展，一直到現(xiàn)在形成我們所擁有的智能制造系統(tǒng)。

1.2 智能制造的發(fā)展現(xiàn)狀

智能制造發(fā)展較早源于國外，以美國、日本和西歐國家為代表形成了三大智能制造發(fā)展中心，萊特和伯恩在1988 年編著了《智能制造》，向人們闡述了未來智能制造可能的發(fā)展方向和具體實現(xiàn)措施，是智能制造史上的發(fā)展先河。日本于1990 年開始實施“智能制造系統(tǒng)”戰(zhàn)略，邀請精通智能生產(chǎn)技術(shù)的工作人員參與設計與研發(fā)，以人工智能和機器視覺技術(shù)的加入創(chuàng)造了首家智能工廠。21 世紀后，德國寶馬和奔馳等汽車行業(yè)展開智能制造并推向世界各地。我國智能制造相較于其他國家發(fā)展較為緩慢，首先于南京航空航天大學、西安交通大學、華中理工大學和清華大學于1994 年開始研究智能制造，隨后國家也出臺一系列政策大力支持并推行科技研制與創(chuàng)新，不斷發(fā)展智能制造產(chǎn)業(yè)，成為我國實現(xiàn)現(xiàn)代化國家建設的重要戰(zhàn)略目標。

2 智能化生產(chǎn)線的構(gòu)成

2.1 智能物流系統(tǒng)

智能物流系統(tǒng)主要基于信息化技術(shù)和智能交通系統(tǒng)，將物流服務與電子商務相結(jié)合，從而進一步達成實時信息物流狀態(tài)，再進行統(tǒng)一處理與分析，利用物流系統(tǒng)中每一個環(huán)節(jié)的信息為客戶和服務商提供更加詳細的咨詢服務。首先，智慧物流系統(tǒng)需要建立更加科學和完善的數(shù)據(jù)庫，方便今后實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，為未來智慧物流發(fā)展奠定基礎，實際為針對每一個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)采集工作，需要建模進行分析。其次，優(yōu)化業(yè)務流程是智慧物流系統(tǒng)的重要工作之一，而且很多企業(yè)的傳統(tǒng)物流傳遞時間較長，各部門協(xié)調(diào)性較差，不利于智慧物流的發(fā)展，智慧物流需要更加科學的指導方案，需要從客戶的角度出發(fā)創(chuàng)新業(yè)務流程，并始終堅守資源節(jié)約的原則，具體可以從組織建設、觀念再造、自動化辦公和智能監(jiān)測等多方面進行優(yōu)化。最后是智慧物流信息采集跟蹤系統(tǒng)。跟蹤系統(tǒng)作為支撐物流行業(yè)發(fā)展的主要技術(shù)，目前已經(jīng)實現(xiàn)構(gòu)建RFID 射頻識別系統(tǒng)和Savant（傳感器數(shù)據(jù)處理中心）系統(tǒng)，它掃描每一個電子編碼標簽時，該物品的所有數(shù)據(jù)信息將傳遞到整個系統(tǒng)，提供更加全面和及時的物流服務。

2.2 智能檢測和監(jiān)控系統(tǒng)

智能檢測和監(jiān)控系統(tǒng)主要利用數(shù)字圖像處理技術(shù)和數(shù)字識別模式以及計算機視覺技術(shù)優(yōu)化監(jiān)控與檢測系統(tǒng)。這些技術(shù)可以增加監(jiān)控系統(tǒng)中的智能分析模塊，利用計算機的信息處理技術(shù)排除并過濾掉無用的干擾信息或畫面，自動識別到有用的數(shù)據(jù)信息，并對所有信息中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行分析提取，有效辨別并指認事故的發(fā)生現(xiàn)場，并識別和判斷監(jiān)控畫面中的一場現(xiàn)象，對其進行判斷和分析，找到最佳的方式來觸發(fā)警報。同時，這一監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)全天候和全自動的實時工作狀態(tài)。

2.3 智能倉庫管理系統(tǒng)

智能倉庫管理系統(tǒng)同樣是智能制造的重要生產(chǎn)線之一，其主要利用RFID 技術(shù)，直接對倉庫儲存物品的數(shù)據(jù)讀取方式，在數(shù)據(jù)讀取的過程中，不需要光源也可以透過外包裝，并且有效延長了識別距離同時提高了識別速度，當電子編碼標簽進入磁場后，掃描儀能夠快速及時并批量的掃描標簽，同時RFID 可以穿透木材，塑料的非透明和非金屬材質(zhì)。其次，RFID 的數(shù)據(jù)容量可以達到MegaBytes，現(xiàn)在仍然在呈現(xiàn)逐步增長的趨勢，而且該技術(shù)可以以長壽命廣泛的應用于各種工作環(huán)境其采用封閉包裝的形式延長了壽命也可以應用于高污染環(huán)境和高放射性環(huán)境中，提高了電子掃描的安全性。因為RFID 標簽能夠嵌入到不同種類和不同形狀以及不同材質(zhì)的產(chǎn)品上，這樣每一個產(chǎn)品都能夠得到電子密碼的保護，在后期不容易被篡改和偽造。最后，該技術(shù)能夠做到動態(tài)實時通信，RFID 標簽可以以每秒50～100 次的頻率與終端進行通信，只要將電子標簽放入掃描儀的有效識別范圍內(nèi)，便可以快速讀取到信息并進行實時動態(tài)跟蹤監(jiān)測。

3 智能系統(tǒng)的構(gòu)成

3.1 MES 系統(tǒng)

MES 系統(tǒng)能夠優(yōu)化執(zhí)行管理和設備管理，目前我國通過學習國外的優(yōu)秀經(jīng)驗和技術(shù)研發(fā)，實現(xiàn)了對智能制造管理的創(chuàng)新與改革?？梢詫⑵渚唧w分為大日程、生產(chǎn)車間和生產(chǎn)執(zhí)行三大環(huán)節(jié)：在大日程生產(chǎn)環(huán)節(jié)需要相關(guān)技術(shù)人員負責進行粗產(chǎn)能評估，利用系統(tǒng)中的輔助功能計算各個生產(chǎn)節(jié)點的時間，同時在客戶端中可以一鍵編排日程訂單，計算訂單產(chǎn)出時間并反饋給MES系統(tǒng)，最終形成評估數(shù)據(jù)，此后工作人員也可以利用訂單產(chǎn)出時間擬推出每個工作節(jié)點的時間；對于車間生產(chǎn)系統(tǒng)，工作人員需要維持智能生產(chǎn)制造的生產(chǎn)線計劃和周期管理，工作人員能夠在MES 終端機中查詢到生產(chǎn)任務信息、技術(shù)數(shù)據(jù)信息以及工作匯報等，這一系列內(nèi)容都可以在PC（計算機）端追蹤。值得一提的是，查詢信息的內(nèi)容會因為管理權(quán)限的不同而發(fā)生改變，在此系統(tǒng)中，可以直觀地觀察到每一個制造產(chǎn)品的生產(chǎn)信息，詳細到合同號、品種以及產(chǎn)量和產(chǎn)值等，甚至可以查詢到制造技術(shù)資料以及物料采購環(huán)節(jié)、制造生產(chǎn)過程中的工作時間，可以對工作計劃和實際完成量進行區(qū)分。MES 系統(tǒng)的APS 排程、制造執(zhí)行管理以及設備管理技術(shù)實現(xiàn)了公司一體化生產(chǎn)、銷售、物流以及業(yè)務協(xié)同發(fā)展，極大地提高了生產(chǎn)工作效率，也推進了智能制造的進步。

3.2 QMS 系統(tǒng)

QMS 系統(tǒng)主要具備數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)反饋的功能，QMS 系統(tǒng)可以借助企業(yè)總部PDM（Product Data Management，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）平臺，利用人們的穿鞋服務功能獲取到總部相關(guān)的數(shù)據(jù)模型和物料信息，這樣也可以進一步與CAD、CAPP 和PDM 技術(shù)實現(xiàn)結(jié)合應用，促進智能制造系統(tǒng)的全面化和綜合性信息技術(shù)應用。該系統(tǒng)能夠利用相關(guān)信息技術(shù)獲取到制造工程的工藝路線、庫存信息、成本投入以及物料需求等重要信息，同時可以與MES 系統(tǒng)聯(lián)合實現(xiàn)信息傳遞，對生產(chǎn)工作進行計劃與安排。QMS 系統(tǒng)不僅利用總部平臺提高了企業(yè)內(nèi)部數(shù)據(jù)研發(fā)力量，也連通了生產(chǎn)技術(shù)和管理業(yè)務的協(xié)調(diào)配合，構(gòu)建了一條生產(chǎn)車間與執(zhí)行管理的綠色數(shù)字化通道。通過主數(shù)據(jù)系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)信息支持，能夠利用大數(shù)據(jù)算法模型對現(xiàn)有的質(zhì)量分析和業(yè)務工作提供幫助，進一步形成質(zhì)量大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，緊接著便可以進一步實現(xiàn)生產(chǎn)者制造過程中產(chǎn)品設計問題、產(chǎn)品質(zhì)量問題的預測和措施解決。同時，該系統(tǒng)可以分析計算質(zhì)量管理指標，固化大數(shù)據(jù)服務技術(shù)。工作人員能夠在解決質(zhì)量問題時獲得更加明確的調(diào)式指示，也能得到一定的數(shù)據(jù)支撐，從而進一步提高產(chǎn)品合格率，提高工作效率和制造生產(chǎn)質(zhì)量。數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析結(jié)果可以逐步累積為數(shù)據(jù)庫，而數(shù)據(jù)庫又能進一步積累和優(yōu)化數(shù)據(jù)信息，為今后工作人員和設計師的質(zhì)量處理工作與業(yè)務發(fā)展技術(shù)提供可靠支撐。

4 智能制造實際應用案例

4.1 智能制造在工業(yè)中的應用

智能制造在工業(yè)中的應用主要體現(xiàn)構(gòu)建智慧數(shù)字工廠，目前很多工廠存在生產(chǎn)車間負荷不均勻、生產(chǎn)工序不平衡的現(xiàn)象，需要頻繁的調(diào)動生產(chǎn)計劃，增加了業(yè)務難度，為此，工廠提出優(yōu)化并精化生產(chǎn)線的策略，推行基于智能制造管理模式的虛擬仿真平臺，在這一平臺中可以實現(xiàn)虛擬生產(chǎn)仿真技術(shù)和虛擬生產(chǎn)監(jiān)控技術(shù)。其中虛擬生產(chǎn)仿真技術(shù)對企業(yè)生產(chǎn)車間實現(xiàn)完全數(shù)字化復制，利用CAPP、MES 等輔助系統(tǒng)實現(xiàn)在虛擬環(huán)境中的仿真預測分析，提前發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)計劃和物流管理中的存在的瓶頸問題或是生產(chǎn)不順的現(xiàn)象，方便進行對下一步生產(chǎn)計劃和物流方案進行優(yōu)化調(diào)整，為管理者提供更加可靠的決策。對于虛擬監(jiān)控技術(shù)主要利用設備檢測系統(tǒng)、ERP（Enterprise Resources Planning，企業(yè)資源計劃）系統(tǒng)、MES 系統(tǒng)等相結(jié)合，通過Web 工具檢測生產(chǎn)設備狀態(tài)、生產(chǎn)車間過程以及物流狀態(tài)，實現(xiàn)實時三維化實時動態(tài)監(jiān)測，不斷提高車間生產(chǎn)效率，提升工作管理水平。

4.2 智能制造在汽車行業(yè)中的應用

目前智能制造在汽車行業(yè)得到了廣泛應用，以德國為典型范例的汽車制造工業(yè)利用大數(shù)據(jù)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、云計算技術(shù)來實現(xiàn)汽車制造的全面智能化。智能數(shù)字化時代為汽車制造行業(yè)帶來了智能供應鏈的實現(xiàn)目標，智能供應鏈包括智能設備、大數(shù)據(jù)技術(shù)、數(shù)字化等多個環(huán)節(jié)以實現(xiàn)互聯(lián)互通，互聯(lián)互通模式可以利用GPS 定位系統(tǒng)將人、機、物實現(xiàn)連接，再通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)利用傳感器、二維碼、無線局域網(wǎng)和RFID 采集有效信息，最終的人機交互狀態(tài)可以通過PLC 連接本地遠程服務器，數(shù)據(jù)讀寫工作可以在本地服務器和云服務器實現(xiàn)，利用ERP、SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制）系統(tǒng)等多個平臺維持信息的正常交流。此外，智能制造能夠推進汽車裝備生產(chǎn)的發(fā)展。汽車裝備和零件是汽車制造不可缺少的重要組成部分，尤其是我國近年來汽車需求增長比率高達14.47%，這一現(xiàn)狀帶動了汽車工業(yè)的發(fā)展，對汽車裝備制造也提出了新要求。汽車裝備智能制造可以分為沖壓、焊裝、涂裝、總裝四大步驟，巨大的市場需求要求汽車裝備制造不斷趨于成熟，實現(xiàn)智能化生產(chǎn)和設計，提供種類齊全、技能先進的智能生產(chǎn)設備。同時，智能制造能夠提高整體行業(yè)利潤水平，提高汽車行業(yè)的產(chǎn)業(yè)競爭力，拉動整體社會經(jīng)濟發(fā)展與進步。

5 結(jié)束語

近年來，互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)得到了飛躍發(fā)展和快速進步，傳統(tǒng)制造已經(jīng)不能滿足新時代對企業(yè)生產(chǎn)的高要求，智能制造必定將取代傳統(tǒng)工藝。智能制造的信息化和大數(shù)據(jù)化，為生產(chǎn)與管理以及數(shù)據(jù)分析帶來了便利，如何能實現(xiàn)更加高效的數(shù)據(jù)處理，將是未來相關(guān)企業(yè)在市場競爭體系中取得優(yōu)勝的關(guān)鍵。但與此同時，因為我國各行各業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)和基本要求有所區(qū)別，而智能制造的理論技術(shù)也尚未成熟，未來應當基于這一發(fā)展形勢不斷更新技術(shù)水平，促進產(chǎn)業(yè)改革發(fā)展，推進智能制造的全面進步與創(chuàng)新。