智能制造系統(tǒng)架構(gòu)_智能制造系統(tǒng)的特征_智能制造系統(tǒng)基礎(chǔ)要素

　　智能制造系統(tǒng)是一種由智能機(jī)器和人類專家共同組成的人機(jī)一體化智能系統(tǒng)，它在制造過程中能以一種高度柔性與集成不高的方式，借助計(jì)算機(jī)模擬人類專家的智能活動(dòng)進(jìn)行分析、推理、判斷、構(gòu)思和決策等，從而取代或者延伸制造環(huán)境中人的部分腦力勞動(dòng)。

　　同時(shí)，收集、存貯、完善、共享、集成和發(fā)展人類專家的智能。特征：自組織能力；自律能力；自學(xué)習(xí)和自維護(hù)能力；整個(gè)制造環(huán)境中智能繼承。

　　智能制造系統(tǒng)架構(gòu)

　　智能制造系統(tǒng)架構(gòu)通過生命周期、系統(tǒng)層級(jí)和智能功能三個(gè)維度構(gòu)建完成，主要解決智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)和框架的建模研究。如圖1所示。

　　圖 1 智能制造系統(tǒng)架構(gòu)

　　1、生命周期

　　生命周期是由設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、物流、銷售、服務(wù)等一系列相互聯(lián)系的價(jià)值創(chuàng)造活動(dòng)組成的鏈?zhǔn)郊?。生命周期中各?xiàng)活動(dòng)相互關(guān)聯(lián)、相互影響。不同行業(yè)的生命周期構(gòu)成不盡相同。

　　2、系統(tǒng)層級(jí)

　　系統(tǒng)層級(jí)自下而上共五層，分別為設(shè)備層、控制層、車間層、企業(yè)層和協(xié)同層。智能制造的系統(tǒng)層級(jí)體現(xiàn)了裝備的智能化和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）化，以及網(wǎng)絡(luò)的扁平化趨勢(shì)。具體包括：

　　（1） 設(shè)備層級(jí)包括傳感器、儀器儀表、條碼、射頻識(shí)別、機(jī)器、機(jī)械和裝置等，是企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)的物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)；

　?。?） 控制層級(jí)包括可編程邏輯控制器（PLC）、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA）、分布式控制系統(tǒng)（DCS）和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）等；

　　（3） 車間層級(jí)實(shí)現(xiàn)面向工廠/車間的生產(chǎn)管理，包括制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）等；

　?。?） 企業(yè)層級(jí)實(shí)現(xiàn)面向企業(yè)的經(jīng)營(yíng)管理，包括企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)（ERP）、產(chǎn)品生命周期管理（PLM）、供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)（SCM）和客戶關(guān)系管理系統(tǒng)（CRM）等；

　?。?） 協(xié)同層級(jí)由產(chǎn)業(yè)鏈上不同企業(yè)通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)共享信息實(shí)現(xiàn)協(xié)同研發(fā)、智能生產(chǎn)、精準(zhǔn)物流和智能服務(wù)等。

　　3、智能功能

　　智能功能包括資源要素、系統(tǒng)集成、互聯(lián)互通、信息融合和新興業(yè)態(tài)等五層。

　　（1） 資源要素包括設(shè)計(jì)施工圖紙、產(chǎn)品工藝文件、原材料、制造設(shè)備、生產(chǎn)車間和工廠等物理實(shí)體，也包括電力、燃?xì)獾饶茉?。此外，人員也可視為資源的一個(gè)組成部分。

　　（2） 系統(tǒng)集成是指通過二維碼、射頻識(shí)別、軟件等信息技術(shù)集成原材料、零部件、能源、設(shè)備等各種制造資源。由小到大實(shí)現(xiàn)從智能裝備到智能生產(chǎn)單元、智能生產(chǎn)線、數(shù)字化車間、智能工廠，乃至智能制造系統(tǒng)的集成。

　?。?） 互聯(lián)互通是指通過有線、無線等通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器之間、機(jī)器與控制系統(tǒng)之間、企業(yè)之間的互聯(lián)互通。

　?。?） 信息融合是指在系統(tǒng)集成和通信的基礎(chǔ)上，利用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)，在保障信息安全的前提下，實(shí)現(xiàn)信息協(xié)同共享。

　?。?） 新興業(yè)態(tài)包括個(gè)性化定制、遠(yuǎn)程運(yùn)維和工業(yè)云等服務(wù)型制造模式。

　　4、示例解析

　　智能制造系統(tǒng)架構(gòu)通過三個(gè)維度展示了智能制造的全貌。為更好的解讀和理解系統(tǒng)架構(gòu)，以可編程邏輯控制器（PLC）、工業(yè)機(jī)器人和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為例，分別從點(diǎn)、線、面三個(gè)方面詮釋智能制造重點(diǎn)領(lǐng)域在系統(tǒng)架構(gòu)中所處的位置及其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

　?。?）可編程邏輯控制器（PLC）

　　圖 2 PLC在智能制造系統(tǒng)架構(gòu)中的位置

　　PLC位于智能制造系統(tǒng)架構(gòu)生命周期的生產(chǎn)環(huán)節(jié)、系統(tǒng)層級(jí)的控制層級(jí)，以及智能功能的系統(tǒng)集成，如圖2所示。已發(fā)布的PLC標(biāo)準(zhǔn)主要包括：

　　GB/T 15969.1可編程序控制器 第1部分：通用信息應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)導(dǎo)則

　　IEC/TR 61131-9可編程序控制器 第9部分：小型傳感器和執(zhí)行器的單量數(shù)字通信接口（SDCI）

　　（2）工業(yè)機(jī)器人

　　圖 3 工業(yè)機(jī)器人在智能制造系統(tǒng)架構(gòu)中的位置

　　工業(yè)機(jī)器人位于智能制造系統(tǒng)架構(gòu)生命周期的生產(chǎn)環(huán)節(jié)、系統(tǒng)層級(jí)的設(shè)備層級(jí)和控制層級(jí)，以及智能功能的資源要素，如圖3所示。已發(fā)布的工業(yè)機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)主要包括：

　　GB/T 19399-2003 工業(yè)機(jī)器人 編程和操作圖形用戶接口

　　GB/Z 20869-2007 工業(yè)機(jī)器人 用于機(jī)器人的中間代碼正在制定的工業(yè)機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)主要包括：

　　20120878-T-604 機(jī)器人仿真開發(fā)環(huán)境接口

　　20112051-T-604 開放式機(jī)器人控制器通訊接口規(guī)范

　?。ǎ常┕I(yè)互聯(lián)網(wǎng)

　　圖 4 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在智能制造系統(tǒng)架構(gòu)中的位置

　　工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)位于智能制造系統(tǒng)架構(gòu)生命周期的所有環(huán)節(jié)、系統(tǒng)層級(jí)的設(shè)備、控制、工廠、企業(yè)和協(xié)同五個(gè)層級(jí)，以及智能功能的互聯(lián)互通。已發(fā)布的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)主要包括：

　　GB/T 20171-2006 用于工業(yè)測(cè)量與控制系統(tǒng)的EPA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與通信規(guī)范

　　GB/T 26790.1-2011 工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)WIA規(guī)范 第1部分：用于過程自動(dòng)化的WIA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與通信規(guī)范

　　GB/T 25105-2014 工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò) 現(xiàn)場(chǎng)總線規(guī)范 類型10:PROFINET IO規(guī)范

　　GB/T 19760-2008 CC-Link控制與通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)范

　　GB/T 31230-2014 工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線EtherCAT

　　GB/T 19582-2008 基于Modbus協(xié)議的工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)規(guī)范

　　GB/Z 26157-2010 測(cè)量和控制數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信 工業(yè)控制系統(tǒng)用現(xiàn)場(chǎng)總線 類型2：ControlNet和EtherNet/IP規(guī)范

　　GB/T 29910-2013 工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò) 現(xiàn)場(chǎng)總線規(guī)范 類型20：HART規(guī)范GB/T 27960-2011 以太網(wǎng)POWERLINK通信行規(guī)規(guī)范

　　智能制造系統(tǒng)的特征

　　一個(gè)智能制造系統(tǒng)具有什么樣的特征才稱得上智能制造？至少有五點(diǎn)：人機(jī)一體化，虛擬現(xiàn)實(shí)，具有自組織和超融性的能力，具有學(xué)習(xí)能力和自我維護(hù)能力，有自律的能力。下面我們來進(jìn)行解讀，什么叫自律能力？

　　一個(gè)機(jī)器，一個(gè)設(shè)備要能夠自律，首先它一定要能夠感知，感知和理解環(huán)境信息和自身信息，并進(jìn)行分析和判斷來規(guī)劃自身的行為和能力。具有自律能力的設(shè)備稱為智能機(jī)器，智能機(jī)器在一定程度上表現(xiàn)出獨(dú)立性、自主性、個(gè)性，甚至相互之間能夠協(xié)調(diào)、運(yùn)行、競(jìng)爭(zhēng)，要有自律的能力，能夠感知環(huán)境的變化，能夠跟隨環(huán)境的變化自己作出決策來調(diào)整行動(dòng)。要做到這一點(diǎn)，一定要有強(qiáng)有力的支持度和記憶支持的模型為基礎(chǔ)，它才可能具有自律能力。

　　智能制造系統(tǒng)不單純是一個(gè)人工智能系統(tǒng)，而是人機(jī)一體化的智能系統(tǒng)，它不僅有邏輯思維、形象思維，而且具有靈感。它能夠獨(dú)立地承擔(dān)起分析、判斷、決策的任務(wù)。人機(jī)一體化的智能系統(tǒng)，在智能機(jī)器的配合下能夠更好的發(fā)揮出人的潛力，使人機(jī)之間表現(xiàn)出一種平等共事、互相理解、互相協(xié)作的關(guān)系。因此，在智能制造系統(tǒng)當(dāng)中，高素質(zhì)、高智能的人將發(fā)揮更好的作用。機(jī)器智能和人的智能能真正的集成在一起，相互配合、相得益彰，永遠(yuǎn)是人機(jī)一體化的。

　　最近一段時(shí)間以來，我國(guó)浙江、江蘇、廣東都提出了機(jī)器換人，由于勞動(dòng)力緊張，招工困難，勞動(dòng)力成本上升，他們提出了機(jī)器換人。政府拿出大量資金來補(bǔ)貼企業(yè)，如果你實(shí)施機(jī)器換人，政府補(bǔ)貼30%。這樣做之后發(fā)現(xiàn)，引進(jìn)一些裝備機(jī)器人來之后會(huì)操作了，他要的人的素質(zhì)完全變了。原來是普通勞動(dòng)者，農(nóng)民工經(jīng)過訓(xùn)練就可以做了，機(jī)器人來之后，人反而不適應(yīng)了。具有編程的人要讓機(jī)器人為你服務(wù)，要維護(hù)機(jī)器人，人跟不上了。所以我們?cè)谘b備不斷改進(jìn)的同時(shí)，其實(shí)工作環(huán)境、工作條件對(duì)人的要求也都發(fā)生了變化。

　　虛擬現(xiàn)實(shí)，實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也是實(shí)現(xiàn)高水平的人機(jī)一體化的關(guān)鍵技術(shù)之一，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，融合信號(hào)處理、動(dòng)畫技術(shù)、智能推理、預(yù)測(cè)、反真多媒體技術(shù)為一體，借助多種音像和傳感器，虛擬展示現(xiàn)實(shí)生活當(dāng)中各種過程、部件，因而能夠模擬制造過程和未來的產(chǎn)品。從感官和視覺上給人獲得完全如真實(shí)的感受，它的特點(diǎn)是可以按照人的意志、意念來變化，這種人機(jī)結(jié)合的新一代的智能界面是智能制造的顯著特征。

　　我們搞自動(dòng)化工廠，物流自動(dòng)化也可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)，我給你設(shè)計(jì)一條生產(chǎn)線，這個(gè)生產(chǎn)線未來是什么樣的，機(jī)器是怎么樣的動(dòng)作？我可以通過我的設(shè)計(jì)，通過虛擬現(xiàn)實(shí)給你展示出來，機(jī)器還沒出來，但我可以給你提供未來整個(gè)生產(chǎn)線是什么樣的，機(jī)器裝備是怎么樣的動(dòng)作，物流是如何搬運(yùn)的活動(dòng)都可以讓你事先看到。我們面對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)來討論這個(gè)方案，你認(rèn)為哪個(gè)地方還不合適需要改進(jìn)？

　　自組織和超融性，在智能制造系統(tǒng)當(dāng)中，各組成單元能夠根據(jù)任務(wù)的需要自行的組成一種結(jié)構(gòu)，它的容性不僅表現(xiàn)在運(yùn)行方式，而且表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)形式上，所以稱這種融性叫超融性。就好像一群人類專家組成的群體，它具有一種生物的特征。根據(jù)環(huán)境的變化，它可以有自組織的能力。

　　學(xué)習(xí)能力和自我恢復(fù)能力。智能制造系統(tǒng)里能夠在實(shí)踐當(dāng)中不斷充實(shí)知識(shí)庫(kù)，具有自學(xué)習(xí)能力。在運(yùn)行當(dāng)中能進(jìn)行故障診斷，并對(duì)故障進(jìn)行排除，自行恢復(fù)能力。這種特征是 智能制造系統(tǒng) 能夠自我優(yōu)化，適應(yīng)各種復(fù)雜的環(huán)境。作為智能制造，應(yīng)具有這樣的特征。

　　智能制造系統(tǒng)基礎(chǔ)要素

　　智能制造系統(tǒng)架構(gòu)通過生命周期、系統(tǒng)層級(jí)和智能功能三個(gè)維度構(gòu)建完成，主要解決智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)和框架的建模研究。

　　生命周期是由設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、物流、銷售、服務(wù)等一系列相互聯(lián)系的價(jià)值創(chuàng)造活動(dòng)組成的鏈?zhǔn)郊稀?/p>

　　系統(tǒng)層級(jí)包括設(shè)備層、控制層、車間層、企業(yè)層和協(xié)同層，共五層。智能制造的系統(tǒng)層級(jí)體現(xiàn)了裝備的智能化和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）化，以及網(wǎng)絡(luò)的扁平化趨勢(shì)。

　　智能功能包括資源要素、系統(tǒng)集成、互聯(lián)互通、信息融合和新興業(yè)態(tài)五層。

　　（1）資源要素包括設(shè)計(jì)施工圖紙、產(chǎn)品工藝文件、原材料、制造設(shè)備、生產(chǎn)車間和工廠等物理實(shí)體，也包括電力、燃?xì)獾饶茉?。此外，人員也可視為資源的一個(gè)組成部分。

　?。?）系統(tǒng)集成是指通過二維碼、射頻識(shí)別、軟件等信息技術(shù)集成原材料、零部件、能源、設(shè)備等各種制造資源。由小到大實(shí)現(xiàn)從智能裝備到智能生產(chǎn)單元、智能生產(chǎn)線、數(shù)字化車間、智能工廠乃至智能制造系統(tǒng)的集成。

　　（3）互聯(lián)互通是指通過有線、無線等通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器之間、機(jī)器與控制系統(tǒng)之間、企業(yè)之間的互聯(lián)互通。

　?。?）信息融合是指在系統(tǒng)集成和通信的基礎(chǔ)上，利用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)，在保障信息安全的前提下，實(shí)現(xiàn)信息協(xié)同共享。

　?。?）新興業(yè)態(tài)包括個(gè)性化定制、遠(yuǎn)程運(yùn)維和工業(yè)云等服務(wù)型制造模式。