【智能制造】离散型制造业如何实现智能制造

2017 年 10 月 16 日 产业智能官 智造百家

智能工厂：以数据为中心，自动化控制、生产调度优化、资源计划管理三位融合的智能制造过程控制管理。

在中国制造2025及工业4.0信息物理融合系统CPS的支持下，离散制造业需要实现生产设备网络化、生产数据可视化、生产文档无纸化、生产过程透明化、生产现场无人化等先进技术应用，做到纵向、横向和端到端的集成，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产，从而建立基于工业大数据和“互联网”的智能工厂。

一、生产设备网络化，实现车间“物联网”

工业物联网的提出给“中国制造2025”、工业4.0提供了一个新的突破口。物联网是指通过各种信息传感设备，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程等各种需要的信息，其目的是实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制。

传统的工业生产采用M2M(Machineto Machine)的通信模式，实现了设备与设备间的通信，而物联网通过Things to Things的通信方式实现人、设备和系统三者之间的智能化、交互式无缝连接。

在离散制造企业车间，将所有的设备及工位统一联网管理，使设备与设备之间、设备与计算机之间能够联网通讯，设备与工位人员紧密关联。

如：数控编程人员可以在自己的计算机上进行编程，将加工程序上传至DNC服务器，设备操作人员可以在生产现场通过设备控制器下载所需要的程序，待加工任务完成后，再通过DNC网络将数控程序回传至服务器中，由程序管理员或工艺人员进行比较或归档，整个生产过程实现网络化、追溯化管理。

二、生产数据可视化，利用大数据分析进行生产决策

目前，信息技术渗透到了某些先进离散制造企业产业链的各个环节，条形码、二维码、RFID、工业传感器、工业自动控制系统、工业物联网、MES、ERP、CAD/CAM/CAE/CAI等技术在离散制造企业中得到广泛应用。

尤其是互联网、移动互联网、物联网等新一代信息技术在工业领域的应用，离散制造企业也进入了互联网工业的新的发展阶段，所拥有的数据也日益丰富，随着柔性化智能生产的需求，对生产数据的实时性要求也更高。

在离散制造企业车间，每隔几秒就收集一次数据，利用这些数据可以实现很多形式的分析，包括设备开机率、主轴运转率、主轴负载率、运行率、故障率、生产率、设备综合利用率(OEE)、零部件合格率、质量百分比等。

在生产工艺改进方面，在生产过程中使用这些大数据，就能分析整个生产流程，了解每个环节是如何执行的。

一旦有某个流程偏离了标准工艺，就会产生一个报警信号，能更快速地发现错误或者瓶颈所在，也就能更容易解决问题。

利用大数据技术，还可以对产品的生产过程建立虚拟模型，仿真并优化生产流程，当所有流程和绩效数据都能在系统中重建时，这种透明度将有助于制造企业改进其生产流程。

再如，在能耗分析方面，在设备生产过程中利用传感器集中监控所有的生产流程，能够发现能耗的异常或峰值情形，由此便可在生产过程中优化能源的消耗，对所有流程进行分析将会大大降低能耗。

三、生产文档文纸化，实现高效、绿色制造

构建绿色制造体系，建设绿色工厂，实现生产洁净化、废物资源化、能源低碳化是中国制造2025实现“制造大国”走向“制造强国”的重要战略之一。

目前，在离散制造企业中产生繁多的纸质文件，如工艺过程卡片、零件蓝图、三维数模、刀具清单、质量文件、数控程序等等，这些纸质文件大多分散管理，不便于快速查找、集中共享和实时追踪，而且易产生大量的纸张浪费、易丢失等。

生产文档进行无纸化管理后，工作人员在生产现场即可快速查询、浏览、下载所需要的生产信息，生产过程中产生的资料能够即时进行归档保存，大幅降低基于纸质文档的人工传递及流转，从而杜绝了文件、数据丢失，进一步提高了生产准备效率和生产作业效率，实现绿色、无纸化生产。

四、生产过程透明化，智能工厂的“神经”系统

通过建设智能工厂，促进制造工艺的仿真优化、数字化控制、状态信息实时监测和自适应控制，进而实现整个过程的智能管控。

在机械、汽车、电子信息等离散制造行业，企业发展智能制造的核心目的是拓展产品价值空间，侧重从单台设备自动化和产品智能化入手，基于生产效率和产品效能的提升实现价值增长。

因此，其智能工厂建设模式为推进生产设备(生产线)智能化，通过引进各类符合生产所需的智能装备，建立基于制造执行系统MES的车间级智能生产单元，提高精准制造、敏捷制造、透明制造的能力。

MES在实现生产过程的自动化、智能化、数字化等方面发挥着巨大作用。首先，MES借助信息传递对从订单下达到产品完成的整个生产过程进行优化管理，减少企业内部无附加值活动，有效地指导工厂生产运作过程，提高企业及时交货能力。

其次，MES在企业和供应链间以双向交互的形式提供生产活动的基础信息，使计划、生产、资源三者密切配合，从而确保决策者和各级管理者可以在最短的时间内掌握生产现场的变化，做出准确的判断并制定快速的应对措施，保证生产计划得到合理而快速的修正、生产流程畅通、资源充分有效地得到利用，进而最大限度地发挥生产效率。

五、生产现场无人化，真正做到“无人”工厂

在离散制造企业生产现场，数控加工中心、智能机器人和三坐标测量仪及其他所有柔性化制造单元进行自动化排产调度，工件、物料、刀具进行自动化装卸调度，可以达到无人值守的全自动化生产模式(LightsOutMFG)。

在不间断单元自动化生产的情况下，管理生产任务优先和暂缓，远程查看管理单元内的生产状态情况，如果生产中遇到问题，一旦解决，立即恢复自动化生产，整个生产过程无需人工参与，真正实现“无人”智能生产。

实现智能制造的四大元素+五大集成解读

来源：智造百家

实现智能工厂，需要智能制造的四大元素（智能产品、人、物料、工厂）有效的组合，也需要把客户集成、智力集成、纵向集成、横向集成、价值链集成这五方面集成起来，通过这五大方面的集成，把制造的价值凝聚在一起，从而产生更大的价值。

一、客户集成

客户是智能制造的中心，是实现客户集成，是智能制造的起点，通过一定的智能技术把客户的需求有机集成起来，一定会使制造的价值倍增。

对于客户的集成有两种情形：

第一种情形是大量的差异化需求。虽然每个需求都不相同，但是需求总量很大。这就是范围经济，通过多样化创造价值；

第二种情形是个性化需求中的共性集中。这种情形是范围经济上的规模经济，价值更大。

在智能制造体系中，客户就是一个智能元素，他们拥有智能手机、平板电脑，通过移动网络可以实现有效的把客户集成到智能制造环境中来。

智能制造体系集成客户的过程应该是：通过O2O工具（比如地铁中的、商场中的以及随处可见的二维码）把客户吸引到相应的网站，下载APP，客户注册登陆APP后就进入了一个互动的社区。

在这个社区中，客户可以预定产品、提供建议、看到生产中的产品、变更需求、发布使用体验，或者与其他客户进行交流和分享感受。

客户可以邀请亲朋好友加入到这个社区，从而让客户的群体产生倍增。对于喜欢不同产品的客户还可以建立更加有针对性的细分社区空间，一边客户融入到产品创造过程中。这样一个过程就是对客户的集成，使零散的需求成为一个有机整体，驱动制造创新。

所以，客户应该是智能制造的开端。

二、智力集成

张瑞敏讲过：世界就是企业的研发部，世界也是企业的人力资源部。互联网、移动互联网的发展，使企业可以集成全世界的智力，形成企业的最强大脑。

可以集成全世界的大数据资源，分析研究各种趋势；可以集成全世界的最权威的专家，引领趋势；可以集成全世界最优秀的制作人员，精工细作。

三、纵向集成

在智能工厂内部，通过纵向集成，把传感器、各层次智能机器、工业机器人、智能车间与产品有机的整合在一起，同时确保这些信息能够传输到ERP系统中，对横向集成、以及端到端的价值链集成提供支持。

这种纵向集成构成了工厂内部的网络化制造体系，这个网络化制造体系有很多的模块组成，这些模块包括模型、数据、通信、算法等等所有必要的需求。在不同过的产品生产过程中，模块化的网络制造体系可以根据需要对模块的拓扑结构进行重组，从而可以很好地满足个性化产品生产的需求。

这个集成后的网络化制造体系可以看成是一个巨大的智能机器系统，模块可以看成他的程序单元，而改变拓扑结构的过程就是重新编程的过程，只不过这所有活动全部是自动完成的。根据不同产品发出的指令，网络化制造体系能够根据需要来组织完成生产。

纵向集成具有三种特点：

确保不同层次的设备和传感器的信号传输到MES、ERP层面，提供对横向集成以及端到端集成的数据支持；

为了满足智能制造的可变性，开发模块化和可重用性是很重要的；

对智能系统进行功能性描述。纵向系统其实也就是智能工厂系统。

按照国际模型，一个工厂的纵向系统由三层结构组成：过程控制系统（SFC）、生产执行系统（MES）、资源计划系统（ERP）。智能工厂就是这三层的上下贯通，每一层模块化，共同组成一个智能平台；同时，建构生产数据中心。

这样就可以实现智能产品核智能设备之间的数据流动，从而实现数据自动采集、数据自动传输、数据自动决策、自动操作运行、自主故障处理等等。

四、横向集成

横向集成是指将各种不同的制造阶段的智能系统集成在一起，既包括一个公司内部的材料、能源和信息的配置（如原材料、生产过程、产品外出物料、市场营销等等），也包括不同公司之间的价值网络的配置。

横向集成与纵向集成、价值链集成整合起来构成了智能制造网络。

横向集成通过互联网、物联网、云计算、大数据、移动通信等等全新技术手段，对分布式的智能生产资源进行高度的整合，从而构建起在网络基础上的智能工厂间的集成。

横向集成也是实现价值链集成的基础，没有横向集成，也就没有价值链集成。

五、价值链集成

一个产品的生产过程可能包括产品需求确定、产品设计、产品规划、产品工程、生产、销售服务等等多个价值链环节，每个环节可能有不同的企业完成。

所谓的价值链集成就是要把这种在一个企业之中或者多个企业之间的产品从需求分析开始直到销售服务全价值链集成起来，确保个性化的产品能够实现。

传统产品生产中，端到端的价值链集成一般通过SFC、MES、ERP等等系统的数据接口来实现。

价值链集成的意义在于，他可以确保即使是唯一生产的个性化产品，也能够在整个价值链上被准确的、高效的生产出来。同时，价值链集成把横向集成和纵向集成连接在一起，实现了端到端的价值最大化，从而最大化的满足了客户的需求。

可以讲，价值链集成是客户价值的实现途径，横向集成和纵向集成则是保障了这种价值的最大化实现。他们共同组成了智能制造体系。

通过这五大集成，把分布在各个环节上的智能元素联系起来，形成了能够创造价值的网络体系。这些价值网络通过节点和连接不断产生增值。

什么是真正的智能工厂？

来源：快易软件

随着物联网、大数据和移动应用等新一轮信息技术的发展，全球化工业革命开始提上日程，工业转型开始进入实质阶段。在中国，智能制造、中国制造2025等战略的相继出台，表明国家开始积极行动起来，把握新一轮工发展机遇实现工业化转型。智能工厂作为工业智能化发展的重要实践模式，已经引发行业的广泛关注。到底什么是智能工厂？智能工厂的核心架构是怎样的？能为企业的转型提供哪些支撑？这都是企业比较关心的话题。

自从工业4.0概念的诞生，以智能制造为主导的第四次工业革命正轰轰烈烈的到来，而智能工厂将是构成未来工业体系的一个关键所在。在智能工厂里，人、机器和资源如同在一个社交网络里自然地相互沟通协作，高效便捷的完成繁重的生产任务。

与流程工业智能工厂的高自动化水平相比，离散制造业首先在底层制造环节由于生产工艺的复杂性，对生产设备的智能化要求很高，投资很大。

因此，在“中国制造2025”及工业4.0信息物理融合系统CPS的支持下，离散制造业需要实现生产设备网络化、生产数据可视化、生产文档无纸化、生产过程透明化、生产现场无人化等先进技术应用，做到纵向、横向和端到端的集成，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产，从而建立基于工业大数据和“互联网”的智能工厂。

生产设备网络化，实现车间“物联网”

工业物联网的提出给“中国制造2025”、工业4.0提供了一个新的突破口。物联网是指通过各种信息传感设备，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程等各种需要的信息，其目的是实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制。传统的工业生产采用M2M(Machineto Machine)的通信模式，实现了设备与设备间的通信，而物联网通过Things to Things的通信方式实现人、设备和系统三者之间的智能化、交互式无缝连接。

在离散制造企业车间，数控车、铣、刨、磨、铸、锻、铆、焊、加工中心等是主要的生产资源。

在生产过程中，将所有的设备及工位统一联网管理，使设备与设备之间、设备与计算机之间能够联网通讯，设备与工位人员紧密关联。

生产数据可视化，利用大数据分析进行生产决策

“中国制造2025”提出以后，信息化与工业化快速融合，信息技术渗透到了离散制造企业产业链的各个环节，条形码、二维码、RFID、工业传感器、工业自动控制系统、工业物联网、ERP、CAD/CAM/CAE/CAI等技术在离散制造企业中得到广泛应用，尤其是互联网、移动互联网、物联网等新一代信息技术在工业领域的应用，离散制造企业也进入了互联网工业的新的发展阶段，所拥有的数据也日益丰富。离散制造企业生产线处于高速运转，由生产设备所产生、采集和处理的数据量远大于企业中计算机和人工产生的数据，对数据的实时性要求也更高。

在生产现场，每隔几秒就收集一次数据，利用这些数据可以实现很多形式的分析，包括设备开机率、主轴运转率、主轴负载率、运行率、故障率、生产率、设备综合利用率(OEE)、零部件合格率、质量百分比等。首先，在生产工艺改进方面，在生产过程中使用这些大数据，就能分析整个生产流程，了解每个环节是如何执行的。一旦有某个流程偏离了标准工艺，就会产生一个报警信号，能更快速地发现错误或者瓶颈所在，也就能更容易解决问题。

生产文档无纸化，实现高效、绿色制造

构建绿色制造体系，建设绿色工厂，实现生产洁净化、废物资源化、能源低碳化是中国制造2025实现“制造大国”走向“制造强国”的重要战略之一。目前，在离散制造企业中产生繁多的纸质文件，如工艺过程卡片、零件蓝图、三维数模、刀具清单、质量文件、数控程序等等，这些纸质文件大多分散管理，不便于快速查找、集中共享和实时追踪，而且易产生大量的纸张浪费、丢失等。

生产过程透明化，智能工厂的“神经”系统

“中国制造2025”明确提出推进制造过程智能化，通过建设智能工厂，促进制造工艺的仿真优化、数字化控制、状态信息实时监测和自适应控制，进而实现整个过程的智能管控。在机械、汽车、航空、船舶、轻工、家用电器和电子信息等离散制造行业，企业发展智能制造的核心目的是拓展产品价值空间，侧重从单台设备自动化和产品智能化入手，基于生产效率和产品效能的提升实现价值增长。因此其智能工厂建设模式为推进生产设备(生产线)智能化，通过引进各类符合生产所需的智能装备，建立基于制造执行系统MES的车间级智能生产单元，提高精准制造、敏捷制造、透明制造的能力。

离散制造企业生产现场，MES在实现生产过程的自动化、智能化、数字化等方面发挥着巨大作用。首先，MES借助信息传递对从订单下达到产品完成的整个生产过程进行优化管理，减少企业内部无附加值活动，有效地指导工厂生产运作过程，提高企业及时交货能力。其次，MES在企业和供应链间以双向交互的形式提供生产活动的基础信息，使计划、生产、资源三者密切配合，从而确保决策者和各级管理者可以在最短的时间内掌握生产现场的变化，做出准确的判断并制定快速的应对措施，保证生产计划得到合理而快速的修正、生产流程畅通、资源充分有效地得到利用，进而最大限度地发挥生产效率。

生产现场无人化，真正做到“无人”工厂

“中国制造2025”推动了工业机器人、机械手臂等智能设备的广泛应用，使工厂无人化制造成为可能。在离散制造企业生产现场，数控加工中心、智能机器人和三坐标测量仪及其他所有柔性化制造单元进行自动化排产调度，工件、物料、刀具进行自动化装卸调度，可以达到无人值守的全自动化生产模式(LightsOutMFG)。在不间断单元自动化生产的情况下，管理生产任务优先和暂缓，远程查看管理单元内的生产状态情况，如果生产中遇到问题，一旦解决，立即恢复自动化生产，整个生产过程无需人工参与，真正实现“无人”智能生产。

在美国，以智能制造、工业互联网为代表领导联盟的组织，也发起积极推进智能化制造业的未来。目标是促进智能化先进制造，带来制造业向美国回归。

而在中国，对于许多刚完成了自动化的制造业企业而言，智能制造似乎还只是一个遥远的愿景。但需要指出的是，已有部分自动化程度较高的工程以及标杆性企业崭露头角，这对于实现“中国制造2025”的目标来说，将是一个很好的开始。

工业4.0时代制造业新趋势：关键词是“智能”

来源：北方网

尽管在我们生活中，智能手机已经十分普及，智能家居迈开了脚步，网络社交、电子商务、互联网娱乐、在线教育已经渗透到生活的方方面面，但是在制造业领域，这一场虚拟与现实融合的工业革命似乎没有那么腥风血雨。

工业1.0是机械化生产的蒸汽时代，2.0是大批量生产的流水线模式和“电气时代”，工业3.0是高度自动化的电子信息技术时代，那么工业4.0就是建立在信息物理融合系统（CPS）之上、虚实融合的“网络化生产时代”。

无论是德国提出的工业4.0.还是美国提出的工业互联网，以及中国提出的《中国制造2025》，其关键词都是“智能”：智能化产品、智能化服务、智能化设备、智能化流程，其背后的原动力都是软件和互联网的发展，换言之，互联网、软件与工业的融合正在颠覆传统的工业世界。

在未来的智能工厂，工业4.0时代的基础—信息物理融合系统将把产品信息输入到产品零部件本身，它们会根据自身生产需求，直接与生产系统和设备沟通，发出下一道生产工序指令；智能设备之间也可以相互交换信息，并借助“大数据”提供的“经验”逐步发展出模仿、学习能力，进行自主生产，对生产中复杂的状况做出精准判断。这种自主生产模式能够满足每位用户的“定制需求”，从而实现大规模个性化定制。

通过云计算、自主控制和互联网，人、机器和信息互相连接，融为一体。现有的技术和创新将被全部整合到一个数字化企业平台中。生产还未开始，产品开发流程和生产流程中的所有环节都可以在虚拟世界通过软件被设计、仿真及优化，并可以进行模拟操作。

所有工厂将被连接在一起，生产价值链中的供应商获得并交换实时的生产信息，供应商所提供的全部零件都将在正确的时间以正确的顺序到达生产线，而这一切的起点只是个体消费者的一个需求。

由互联网引导的新工业革命即意味着巨大的机遇，也可能是关乎生死的严峻挑战。

人工智能赛博物理操作系统

AI-CPS OS

“人工智能赛博物理操作系统”（新一代技术+商业操作系统“AI-CPS OS”：云计算+大数据+物联网+区块链+人工智能）分支用来的今天，企业领导者必须了解如何将“技术”全面渗入整个公司、产品等“商业”场景中，利用AI-CPS OS形成数字化+智能化力量，实现行业的重新布局、企业的重新构建和自我的焕然新生。

AI-CPS OS的真正价值并不来自构成技术或功能，而是要以一种传递独特竞争优势的方式将自动化+信息化、智造+产品+服务和数据+分析一体化，这种整合方式能够释放新的业务和运营模式。如果不能实现跨功能的更大规模融合，没有颠覆现状的意愿，这些将不可能实现。

领导者无法依靠某种单一战略方法来应对多维度的数字化变革。面对新一代技术+商业操作系统AI-CPS OS颠覆性的数字化+智能化力量，领导者必须在行业、企业与个人这三个层面都保持领先地位：

重新行业布局：你的世界观要怎样改变才算足够？你必须对行业典范进行怎样的反思？
重新构建企业：你的企业需要做出什么样的变化？你准备如何重新定义你的公司？
重新打造自己：你需要成为怎样的人？要重塑自己并在数字化+智能化时代保有领先地位，你必须如何去做？

AI-CPS OS是数字化智能化创新平台，设计思路是将大数据、物联网、区块链和人工智能等无缝整合在云端，可以帮助企业将创新成果融入自身业务体系，实现各个前沿技术在云端的优势协同。AI-CPS OS形成的数字化+智能化力量与行业、企业及个人三个层面的交叉，形成了领导力模式，使数字化融入到领导者所在企业与领导方式的核心位置：

精细：这种力量能够使人在更加真实、细致的层面观察与感知现实世界和数字化世界正在发生的一切，进而理解和更加精细地进行产品个性化控制、微观业务场景事件和结果控制。
智能：模型随着时间（数据）的变化而变化，整个系统就具备了智能（自学习）的能力。
高效：企业需要建立实时或者准实时的数据采集传输、模型预测和响应决策能力，这样智能就从批量性、阶段性的行为变成一个可以实时触达的行为。
不确定性：数字化变更颠覆和改变了领导者曾经仰仗的思维方式、结构和实践经验，其结果就是形成了复合不确定性这种颠覆性力量。主要的不确定性蕴含于三个领域：技术、文化、制度。
边界模糊：数字世界与现实世界的不断融合成CPS不仅让人们所知行业的核心产品、经济学定理和可能性都产生了变化，还模糊了不同行业间的界限。这种效应正在向生态系统、企业、客户、产品快速蔓延。

AI-CPS OS形成的数字化+智能化力量通过三个方式激发经济增长：

创造虚拟劳动力，承担需要适应性和敏捷性的复杂任务，即“智能自动化”，以区别于传统的自动化解决方案；
对现有劳动力和实物资产进行有利的补充和提升，提高资本效率；
人工智能的普及，将推动多行业的相关创新，开辟崭新的经济增长空间。

给决策制定者和商业领袖的建议：

超越自动化，开启新创新模式：利用具有自主学习和自我控制能力的动态机器智能，为企业创造新商机；
迎接新一代信息技术，迎接人工智能：无缝整合人类智慧与机器智能，重新
评估未来的知识和技能类型；
制定道德规范：切实为人工智能生态系统制定道德准则，并在智能机器的开
发过程中确定更加明晰的标准和最佳实践；
重视再分配效应：对人工智能可能带来的冲击做好准备，制定战略帮助面临
较高失业风险的人群；
开发数字化+智能化企业所需新能力：员工团队需要积极掌握判断、沟通及想象力和创造力等人类所特有的重要能力。对于中国企业来说，创造兼具包容性和多样性的文化也非常重要。

子曰：“君子和而不同，小人同而不和。” 《论语·子路》云计算、大数据、物联网、区块链和人工智能，像君子一般融合，一起体现科技就是生产力。

如果说上一次哥伦布地理大发现，拓展的是人类的物理空间。那么这一次地理大发现，拓展的就是人们的数字空间。在数学空间，建立新的商业文明，从而发现新的创富模式，为人类社会带来新的财富空间。云计算，大数据、物联网和区块链，是进入这个数字空间的船，而人工智能就是那船上的帆，哥伦布之帆！

新一代技术+商业的人工智能赛博物理操作系统AI-CPS OS作为新一轮产业变革的核心驱动力，将进一步释放历次科技革命和产业变革积蓄的巨大能量，并创造新的强大引擎。重构生产、分配、交换、消费等经济活动各环节，形成从宏观到微观各领域的智能化新需求，催生新技术、新产品、新产业、新业态、新模式。引发经济结构重大变革，深刻改变人类生产生活方式和思维模式，实现社会生产力的整体跃升。