智能制造开展方向

智能制造的金字塔 在智能制造的金字塔中，智能产品与智能效劳可以协助企业带来商业形式的创新；智能装备、智能产线、智能车间到智能工厂，可以协助企业实现消费形式的创新；智能研发、智能管理、智能物流与供给链则可以协助企业实现运营形式的创新；而智能决策则可以协助企业实现科学决策。智能制造的十项技术之间是息息相关的，制造企业应当渐进式、理性地推进这十项智能技术的应用。以下对这些技术逐个停止解读。 1、智能产品（Smart Product） 智能产品通常包括机械、电气和嵌入式软件，具有记忆、感知、计算和传输功能。典型的智能产品包括智能手机、智能可穿戴设备、无人机、智能汽车、智能家电、智能售货机等，包括很多智能硬件产品。智能装备也是一种智能产品。企业应该考虑如何在产品上参与智能化的单元，提升产品的附加值。比如在工程机械上添加传感器，可以对产品停止定位和关键零部件的状态监测，为实现智能效劳打下根底。 智能汽车 2、智能效劳（Smart Service） 基于传感器和物联网（IoT），可以感知产品的状态，从而停止预防性维修维护，及时协助客户更换备品备件，甚至可以通过理解产品运行的状态，协助客户带来商业时机。还可以采集产品运营的大数据，辅助企业停止市场营销的决策。此外，企业通过开发面向客户效劳的APP，也是一种智能效劳的手腕，可以针对企业购置的产品提供有针对性的效劳，从而锁定用户，开展效劳营销。全球PLM指导厂商之一，美国PTC公司斥巨资进军物联网和效劳生命周期管理领域，成为智能效劳领域的领军企业之一。而智能效劳最著名的案例，莫过于美国GE公司将卖发动机转为卖飞行小时的效劳。 物联网驱动智能效劳的案例 3、智能装备（Smart Equipment） 制造装备经历了机械装备到数控装备，目前正在逐步开展为智能装备。智能装备具有检测功能，可以实如今机检测，从而补偿加工误差，进步加工精度，还可以对热变形停止补偿。以往一些精细装备对环境的要求很高，如今由于有了闭环的检测与补偿，可以降低对环境的要求。智能装备一个最根本的要求，就是要提供开放的数据接口，可以支持设备联网，国外叫做M2M（机器与机器互联）。三维打印机实质上是一种数控装备，还不是智能装备。 日本MAZAK的智能机床装备了针对加工热变位、切削震动、机床干预、主轴监测、维护颐养、工作台动态平衡性及语音导航等智能化功能，可以自行监控机床运转状态，并停止自主反响，从而大幅度进步机床运行效率及安全性。典型的智能制造装备还交融了自动化上下料的装备，一些装备制造企业还提供专用的CAM软件，例如HOMAG(豪迈)集团的木工加工中心。DMG MORI（德玛吉森精机）推出最新的复合加工中心LaserTec65已经交融了增材制造和切削加工（减材制造），可以通过激光堆焊的增材制造工艺快速制造毛坯。Trumpf(通快集团)的激光切割加工中心可以实现三维切割，多台激光加工中心可以共享激光源。这些都属于智能装备。对于工业机器人，假设是单纯依照固定指令执行喷涂、搬运、焊接等工艺的机器人，还不能称为智能装备。但是假设具有了机器视觉，可以准确识别工件，或者自主停止装配，自动避让工人等功能，甚至可以实现人机协作，就属于智能装备。例如，ABB推出的双臂机器人YUMI，就是智能型工业机器人的典范。随着复合资料的广泛应用，复合资料加工与装备的智能装备将具有广阔的市场需求。 华中科技大学李德群院士在成形模仿的根底上将工艺参数自动设置、自适应注射等智能技术应用到注射机上，提出了在线反演的注射速度平滑优化、工艺曲线的二级闭环控制等方法，胜利开发出智能型注射机。其智能型注射机能耗低于我国及欧洲最高能耗规范，响应时间、位置精度等关键指标均到达国际先进水平，显著进步了注塑产品的反复精度、良品比例和消费自动化水平。李德群院士介绍，这种智能注射机内置了人工智能算法，具备机器学习才干，通过三次试验就可以准确找到最适宜的注射参数，确保产品质量。这种设备已经不只是Smart，而且具有了Intelligence。 DMG MORI的复合加工中心 ABB YUMI双臂智能机器人 4、智能产线 （Smart Production line） 很多行业的企业高度依赖自动化消费线，比如钢铁、化工、制药、食品饮料、烟草、芯片制造、电子组装、汽车整车和零部件制造等，实现自动化的加工、装配和检测，一些机械规范件消费也应用了自动化消费线，比如轴承。但是，装备制造企业目前还是以离散制造为主。很多企业的技术改造重点，就是建立自动化消费线、装配线和检测线。美国波音公司的飞机总装厂已建立了U型的脉动式总装线。自动化消费线可以分为刚性自动化消费线和柔性自动化消费线，柔性自动化消费线一般建立了缓冲。为了进步消费效率，工业机器人、吊挂系统在自动化消费线上应用越来越广泛。 目前，很多汽车整车厂已实现了混流消费，在一条装配线上可以同时装配多种车型。食品饮料行业的自动化消费线可以根据工艺配方调整DCS或PLC系统来改变工艺道路，从而消费多种产品。汽车行业正在推行安灯系统，实现消费线的故障报警。汽车行业的总装线往往由多条组装线会聚而成，比如车身、底盘的总装线聚集到一起，装配成最终的产品。在装配过程中，通过准时按序送货（Just In Sequence）的方式实现混流消费。目前，汽车、家电、轨道交通等行业的企业对消费和装配线停止自动化、智能化改造需求非常旺盛，很多企业在逐步将关键工位和高污染工位改造为用机器人停止加工、装配或上下料。 目前，智能产线在我国制造企业的应用还处于起步阶段，但必然是开展的方向。智能产线的特点是：在消费和装配的过程中，可以通过传感器或RFID自动停止数据采集，并通过电子看板显示实时的消费状态；可以通过机器视觉和多种传感器停止质量检测，自动剔除不合格品，并对采集的质量数据停止SPC分析，找出质量问题的成因；可以支持多品种似产品的混线消费和装配，灵敏调整工艺，适应小批量、多品种的消费形式；具有柔性，假设消费线上有设备呈现故障，可以调整到其他设备消费；针对人工操作的工位，可以给予智能的提示。实际上，我认为西门子成都电子工厂的总装线已经到达了智能产线的水平。 西门子成都电子工厂的智能总装线 5、智能车间（Smart workshop） 一个车间通常有多条消费线，这些消费线要么消费类似零件或产品，要么有上下游的装配关系。要实现车间的智能化，需要对消费情况、设备状态、能源消耗、消费质量、物料消耗等信息停止实时采集和分析，停止高效排产和合理排班。因而，无论什么制造行业，制造执行系统（MES）成为企业的必然选择。 目前，中国的MES市场非常热门，国际大牌的自动化厂商西门子、罗克韦尔、GE、施耐德电气有MES软件平台，管理软件巨头SAP、ORACLE、EPICOR提供MES软件，德国的MPDV、PSI，国内的浙大中控、和利时、易往、明基逐鹿、艾普工华、元工国际、兰光创新、广州速威等厂商也非常活泼。此外，先进消费排程（APS）系统也已经进入了制造企业选型的视野，开端了初步理论，实现基于实际产能约束的排产，主流厂商有日本的ASPROVA、德国的JobDISPO APS（兰光创新经销），国内的永凯、安达发、易普优等，元工国际也提供了APS处置方案。APS软件对设备产能、工时等根底数据的准确性要求非常高。 对于药品、食品等行业，国家有强迫性的追溯要求，需要通过GMP等行业认证，因而推进MES更加紧迫。前文提到的数字化制造（DM）技术也是智能车间的支撑工具，可以协助企业在建立新厂房时，根据设计的产能科学停止设备规划，提升物流效率，进步工人工作的温馨水平。 MES是一个车间级的综合管理系统，可以协助企业显著提升设备利用率，进步产品质量，实现消费过程可追溯和上料防错，进步消费效率。需要强调指出的是，纯离散制造企业也可以应用MES系统，但是，MES系统的应用与企业的消费形式息息相关。假设纯离散的制造企业施行了MES之后，又改造为自动化或智能产线，那么MES系统可能会推到重来。因而，企业停止MES应用需要慎之又慎。智能车间必需建立有线或无线的工厂网络，可以实现消费指令的自动下达和设备与产线信息的自动采集。对于机械制造企业，可以通过DNC技术实现设备状态信息和加工代码的上传下达，目前已有成熟的产品，例如兰光创新、盖勒普和英迪致远等。另外，实现车间的无纸化，也是智能车间的重要标志，企业可以应用三维轻量化技术，将设计和工艺文档传送到工位。上海明匠智能公司开发了一个智能网关，可以将基于不同厂商通讯协议的消费现场数据转为OPC规范，处置了车间信息通讯的难题。元工国际结合亚控、航星、中科川思特和研华，推出了设备联网处置方案，一个平台可以联网PLC、CNC、机器人、仪表/传感器和工控/IT系统，统一组态监控和三维实况，并实现模仿消费。 有一项新兴技术可以将MES系统采集到的数据在虚拟的三维车间模型中实时地展示出来，不只提供车间的VR（虚拟现实）环境，而且还可以显示设备的实际状态，实现虚实交融。西门子和PTC将这项技术作为Digital Twin的一个典型应用。德国PSI、武汉创景也拥有这类产品，天河软件协助海尔胶州工厂实现了相关应用。此外，智能车间还有一个典型应用，就是视频监控系统不只记录视频，还可以对车间的环境，人员行为停止监控、识别与报警。例如，有工人没有带安全帽，进入了不允许进入的区域，或者倒地，都可以自动报警。这方面，三星已经有了胜利理论。此外，智能车间应当在温度、湿度、干净度的控制和工业安全（包括工业自动化系统的安全、消费环境的安全和人员安全）等方面到达智能化水平。 海尔胶州工厂的虚实交融应用 三星的智能车间 6、智能工厂（Smart Factory） 一个工厂通常由多个车间组成，大型企业有多个工厂。前文已经提到了智能工厂与数字化工厂的区别，一个普遍的共识是，仅仅有自动化消费线和一大堆机器人，并不是智能工厂。作为智能工厂，不只消费过程应实现自动化、透明化、可视化、精益化，同时，产品检测、质量检验和分析、消费物流也应当与消费过程实现闭环集成。一个工厂的多个车间之间要实现信息共享、准时配送、协同作业。一些离散制造企业也建立了类似流程制造企业那样的消费指挥中心，对整个工厂停止指挥和调度，及时发现和处置突发问题，这也是智能工厂的重要标志。智能工厂必需依赖无缝集成的信息系统支撑，主要包括PLM、ERP、CRM、SCM和MES五大核心系统。大型企业的智能工厂需要应用ERP系统制定多个车间的消费方案（Production planning），并由MES系统根据各个车间的消费方案停止详细排产(production scheduling)，MES排产的粒度是天、小时，甚至分钟。MES是一个企业级的实时信息系统，MES的选型绝不允许各个车间或分厂各自为政。 三星开展了移开工厂（Mobile plant）的理论，工人可以通过智能手机查询工单，可以开视频会议，维修人员碰到疑难问题，可以通过手机视频寻求专家解答，还给智能手机装备了RFID和条码扫描的接口，这也是一个智能工厂的创新理论。还有一些企业实现了刀具管理的智能化，通过在刀柄上植入RFID芯片，对刀具的全生命周期停止管理，从而进步刀具的使用寿命。智能工厂还应当重视利用智能的检测仪器，检测结果直接进入信息系统，无需人工干预。而瞻望将来，AR（Augmented Reality，加强现实）技术也将在智能工厂大显身手。工人带上AR眼镜，就可以“看到”需要操作的工作位置，例如，需要拧紧螺栓的地方，拧紧力矩OK，也会有相应提示，从而进步作业人员的工作效率。 三星的移开工厂理论 最近，美国GE公司宣布将工业互联网平台Predix开放。我理解，Predix实际上就是智能工厂的一个集成化的开发平台，GE力图抢占“工业操作系 统”的阵地，成为智能工厂领域的“微软”。而思科公司提出万物互联（Internet of Everthing,IOE）理念、技术和处置方案，也可以支撑智能效劳和智能工厂。 GE公司提出的智慧工厂理念 7、智能研发（Smart R&D） 离散制造企业在产品研发方面，已经应用了CAD/CAM/CAE/CAPP/EDA等工具软件和PDM/PLM系统，但是e-works在为制造企业提供咨询效劳的过程中发现，很多企业应用这些软件的水平并不高。比如，很多企业还处于二维CAD和三维CAD软件混用的阶段，存档仍然是二维，没有实现全三维设计（MBD，基于模型的产品定义）；应用仿真技术仍然处于事后验证，没有实现仿真驱动设计；虽然应用了PDM系统，但还没有建立企业内部的通用件库，重用率不高；对工程/制造/效劳BOM的管理还不到位等等。企业要开发智能产品，需要机电软多学科的协同配合；要缩短产品研发周期，需要深化应用仿真技术，建立虚拟数字化样机，实现多学科仿真，通过仿真减少实物试验；需要贯彻规范化、系列化、模块化的思想，以支持大批量客户定制或产品个性化定制；需要将仿真技术与试验管理结合起来，以进步仿真结果的置信度。流程制造企业已开端应用PLM系统实现工艺管理和配方管理，LIMS（实验室信息管理系统）系统比较广泛。 目前，在产品研发方面，已经呈现了一些智能化的软件系统，成为智能研发的详细体现。例如Geometric的DFM PRO软件可以自动判断三维模型的工艺特征是否可制造、可装配、可拆卸；CAD Doctor软件可以自动分析三维模型中存在的问题；基于互联网与客户、供给商和合作伙伴协同设计，也是智能研发的创新形式；Altair的拓扑优化技术可以在满足产品功能的前提下，减轻构造的重量；系统仿真技术可以在概念设计阶段，分析与优化产品性能，这方面达索系统、西门子(LMS)已有成熟的技术，天喻软件也开发出系统仿真的平台，并在中国商飞得到应用；PLM向前延伸到需求管理，向后拓展到工艺管理，例如，西门子的Teamcenter Manufacturing系统将工艺构造化，可以更好地实现典型工艺的重用；开目软件推出的基于三维的装配CAPP、机加工CAPP，以及参数化CAPP也具有了一定智能，华天软件、湃睿软件也有类似产品；此外，索为高科和金航数码合作，开发了面向飞机机翼、起落架等大部件的快速设计系统，也是一种智能研发的软件，可以大大进步产品设计效率。 汽车整车企业和设计公司广泛应用Cave技术，利用虚拟现实技术辅助产品研发，也是一个智能研发技术。全球PLM指导厂商之一，达索系统公司提出了三维体验（3D Experience）的理念，在VR和AR方面提供理处置方案。仿真巨头ANSYS在多学科仿真技术方面已有很大突破，而仿真领域的先驱MSC.Software2014年发布了APEX，将CAD和CAE实现了交融，易学易用性得到极大提升。安世亚太最近提收工业再设计的理念，将仿真技术与精细制造严密结合，可以将以为需要多个零件分散制造交融为一个复杂零件，从而提升了零件的工艺性能，降低了零件的重量。 DFMPro软件停止可制造性分析 8、智能管理（Smart Management） 一谈到管理，大家都会想到ERP（企业资源方案）系统。记得在2003年，国内就曾经呈现过ERP过时的说法，事实上时至今日，ERP仍然是制造企业实现现代化管理的基石。以销定产是ERP最根本的思想，MRP（物料需求方案）是ERP的核心。制造企业核心的运营管理系统还包括人力资产管理系统（HCM）、客户关系管理系统（CRM）、企业资产管理系统（EAM）、能源管理系统（EMS）、供给商关系管理系统（SRM）、企业门户（EP）、业务流程管理系统（BPM）等，国内企业也把办公自动化（OA）作为一个核心信息系统。为了统一管理企业的核心主数据，近年来主数据管理（MDM）也在大型企业开端部署应用。实现智能管理和智能决策，最重要的条件是根底数据准确和主要信息系统无缝集成。 智能管理主要体如今与挪动应用、云计算和电子商务的结合。例如，挪动版的CRM系统可以自动根据位置效劳确定销售人员是否按方案访问了特定客户；许多消费品制造企业实现了全渠道营销，实现了多个网店系统与ERP系统的无缝集成，从而实现自动派单。此外，主流电梯制造企业纷纷研发了销售配置器软件系统，可以让销售人员根据客户的需求灵敏地停止产品配置，快速停止报价，美国主流管理软件Epicor也包含了配置器功能。戴尔公司是基于互联网实如今线选配的先驱，宝马汽车也提供了在线选配的功能，海尔也开端了这方面的理论。业务流程管理（BPM）软件可以实现对业务流程停止建模，实现业务流程的可视化、模仿与优化，这也是一个典型的智能管理应用。 到目前为止，SAAS（软件即效劳）形式的软件应用最胜利的领域是CRM，Salesforce无疑是指导者，国内的Xtools和八百客也开展得不错，而最近国内的纷享销客、销售易更是风生水起，拿到多轮投资。阿里叮叮、微信企业号等也迅速开展了很多用户。此外，人力资源领域也是社交网络和云形式的重要领域，继美国的Linkedin（领英）之后，我国的陌陌、拉勾网等社交平台也已开端提供人力资源招聘效劳，我国制造企业已经开端应用基于公有云的人力资源招聘、绩效和人才管理系统。例如广东生益科技就应用了SAP的Successfactors软件，完全基于公有云。 9、智能物流与供给链 （Smart logistics and SCM） 制造企业内部的采购、消费、销售流程都随同着物料的活动，因而，越来越多的制造企业在重视消费自动化的同时，也越来越重视物流自动化，自动化立体仓库、无人引导小车（AGV）、智能吊挂系统得到了广泛的应用；而在制造企业和物流企业的物流中心，智能分拣系统、堆垛机器人、自动辊道系统的应用日趋普及。WMS（Warehouse Management System，仓储管理系统）和TMS（Transport Management System，运输管理系统）也受到制造企业和物流企业的普遍关注。其中，TMS系统涉及到GPS定位和GIS的集成，可以实现供给商、客户和物流企业三方的信息共享。上海科箭2015年推出运输云效劳，迅速得到企业的接受。 实现智能物流与供给链的关键技术包括自动识别技术，例如RFID或条码、GIS/GPS定位、电子商务、EDI（电子数据交换），以及供给链协同方案与优化技术。其中，EDI技术是企业间信息集成（B2B Integration）的必备手腕，然而我国企业对EDI的重视水平非常不够。EDI技术最重要的价值，就是可以实现供给链上下游企业之间，通过信息系统之间的通讯，实现整个交易过程无需人工干预、而且不可抵赖。历经多年开展，主流的EDI技术已经是基于互联网来传输数据，而我国很大大型企业建立的供给商门户，实际上只是一种Web EDI，不可以与供给商的信息系统集成，供给商只能手工查询。德国Seeburger公司的B2B Integration平台支持各种EDI规范，为欧洲最大的第三方供给链平台SupplyOn提供了根底平台，2015年秋季e-works的第三届德国工业4.0考察团曾前往Seeburger公司总部考察。供给链协同方案与优化是智能供给链最核心的技术，可以实现供给链同步化，真正消除供给链的牛鞭效应，协助企业及时应对市场动摇。JDA公司是该领域的指导厂商，IBM也有优秀的处置方案。三星已实现了供给链同步化。 三星的供给链同步化 10、智能决策 （Smart Decision Making） 企业在运营过程中，产生了大量的数据。一方面是来自各个业务部门和业务系统产生的核心业务数据，比如与合同、回款、费用、库存、现金、产品、客户、投资、设备、产量、交货期等数据，这些数据一般是构造化的数据，可以停止多维度的分析和预测，这就是BI（Business Intelligence，业务智能）技术的范畴，也被称为管理驾驶舱或决策支持系统。同时，企业可以应用这些数据提炼出企业的KPI，并与预设的目的停止对比，同时，对KPI停止层层分解，来对干部和员工停止考核，这就是EPM（Enterprise Performance Management,企业绩效管理）的范畴。从技术角度来开，内存计算是BI的重要支撑。SAP HANA和QlikView软件在这方面已经先行一步。BI软件的另一个趋势是挪动BI，支持在智能手机和PAD上停止分析和应用，而要提升挪动BI的应用效果，基于云效劳无疑是殊途同归。 Power BI软件界面 而今，企业在运营当中，已经产生了诸多的大数据，包括消费现场采集的实时消费数据，设备运行的大数据，质量的大数据，产品运营的大数据，电子商务带来的营销大数据，来自社交网络的与公司有关的大数据等，这些大数据统称为工业大数据（Industrial Big Data），对这些工业大数据的分析，需要引入新的分析工具。因为大数据具有4V的特点，即体量大（Volume）、价值密度低（Value）、品种多(Variety)和速度快（Velocity）。目前，IBM、SAP、ORACLE、微软等国际大公司在大数据分析工具方面激战正酣，而IBM推出的认知计算（Cognitive Computing）代表了智能决策的前沿方向。 对于制造企业而言，要实现智能决策，首先必需将业务层的信息系统用好，实现信息集成，确保根底数据的准确，这样才干使信息系统产生的数据真实可信。在此根底上应用BI软件停止分析。近年来，BI也有一些新的开展，一个比较重要的创新是In context BI，意思是根据某个用户当前工作的场景，自动展示与当前业务相关的分析图表。而对于工业大数据，企业首先要采集这些大数据，才谈得上分析。据理解，长安汽车曾经做过一个有趣的分析，通过与阿里合作，根据其客户在淘宝的购置行为特点，来优化产品定位。三一重工则借助大数据和物联网技术,将工程机械通过机载控制器、传感器和无线通讯模块停止实时采集，通过对大数据停止多维度分析和预测，使“开掘机”指数成为我国经济运行的晴雨表。 三一重工的“开掘机”指数 一口气写了十项智能技术，不是想定义更多的名词，而是希望便于制造企业理解和应用智能制造技术，根据自身的产品特点和消费形式，制定智能制造应用的规划与蓝图。一个优秀的制造企业，并不需要成为“十项全能”的冠军，实际上只要其中某几个方面做得很出色，就将成为一个具有差别化竞争优势的企业。同时，任何技术都只是使能工具，企业最终要在市场上胜利，根本的原因在于可以发现和满足客户不时晋级的需求，可以找寻到一片属于自己的蓝海。 通过本文的分析，我相信读者已经意识到，智能制造技术的内涵非常深远，实际上，云计算、大数据分析、电子商务、挪动应用、物联网和企业社交网络、工业互联网（或产业互联网）等技术都属于智能制造的支撑技术或实现手腕，可以说智能制造自身已经蕴含了互联网+制造业。同时，推进智能制造应当符合绿色制造的理念，实现绿色设计、绿色工艺、绿色包装，减少三废排放，建立环保节能的绿色工厂和绿色园区。实现智能制造的核心仍然是数据和集成，根底数据要准确，信息系统之间，信息系统与自动化系统之间要实现深度集成。在智能制造的框架下，原有的制造业信息系统并没有过时，而是实现了升华。制造业信息化专家宁振波和赵敏教师提出了智能制造的二十字箴言：状态感知、实时分析、自主决策、精准执行、学习提升，提醒了智能制造技术的开展方向