第一篇：智能制造現狀與前景

智能制造的發展與前景展望

(南京航空航天大學機電學院，南京市，210016)摘要:簡述了智能制造形成的原因及智能制造的概念；分析了智能制造國內外的發展現狀；指出了智能制造的發展趨勢及其面臨的問題。

關鍵詞：智能制造 人工智能 機械制造 工業4.0

The development and research of intelligent manufacturing

JiaYu Wang(College of Mechanical Engineering, Nanjing University of Aeronautics＆

Astronautics, Nanjing, 210016, China;)Abstract：This paper depicts the cause of formation and conception of IM.And presents status in the development on IM.Finally indication is given of the trend of development and question confronting IM.Key words:IM;AI;mechanical manufacture;Industrie 4.0

0 前言

智能制造裝備是先進制造技術、信息技術以及人工智能技術在制造裝備上的集成和深度融合，是實現高效、高品質、節能環保和安全可靠生產的下一代制造裝備。在綜述了智能制造裝備國內外發展現狀的基礎上，重點論述了目前智能制造存在的問題，并得出結論，認為德國的”工業4.0”和美國的工業互聯網裝備將是智能制造裝備未來的發展方向。

1研究背景

制造業是國民經濟的基礎工業部門，是決定國家發展水平的最基本因素之一。從機械制造業發展的歷程來看，經歷了由手工制作、泰勒化制造、高度自動化、柔性自動化和集成化制造、并行規劃設計制造等階段。就制造自動化而言，大體上每十年上一個臺階: 50-60年代是單機數控，70年代以后則是CNC機床及由它們組成的自動化島，80年代出現了世界性的柔性自動化熱潮。與此同時，出現了計算機集成制造，但與實用化相距甚遠。隨著計算機的問世與發展，機械制造大體沿兩條路線發展:一是傳統制造技術的發展，二是借助計算機和自動化科學的制造技術與系統的發展。80年代以來，傳統制造技術得到了不同程度的發展，但存在著很多問題。近來年，人們對制造過程的自動化程度賦予了極大的研究熱情，這是因為從1870年到1980年間，制造過程的效率提高了20倍，而生產管理效率只提高了1.8-2倍，產品設計的效率只提高了1.2倍，這表明體力勞動通過采用自動化技術得到了極大的解放，而腦力勞動的自動化程度（其實質是決策自動化程度）則很低，制造過程中人的因素尚未得到充分的認識，人尚未真正地從復雜的生產過程中解放出來，各種問題求解的最終決策在很大程度上仍依賴于人的智慧。因而，人類群體所面臨的眾多問題（包括社會問題、生理問題等）在制造過程中都有所反映。面對批量小、品種多、質量高、更新快的產品市場競爭要求以及各種社會因素的綜合影響，制造過程的自動化程度的提高面臨眾多問題，譬如:（1）專家人才的短缺和轉移致使一些專門技能不能及時或長久地得到提供；（2）現代制造過程中信息量大而繁雜，傳統的信息處理方式已不能滿足要求，大量的信息資源需要開發與共享；（3）制造環境柔性要求更大，決策過程更加復雜，決策時間要求更短；（4）制造過程的自動化程度受制于制造系統的自組織能力，即智能水平；（5）現代生產要求專家們在更大范圍內進行更及時的合作，小到一個企業內部的各個生產環節，大至一個國家甚至世界范圍內的工業界中的眾多企業之間。各種跡象表明，“我們正處在制造歷史上的一個危險時期”。幸運的是，計算機與計算機科學以及其它高技術的發展，通過集成制造技術、人工智能等而發展起來的一種新型制造工程—智能制造技術（intelligent manufacturing technology,IMT）與智能制造系統（intelligent manufacturing system,IMS）使我們有可能走出這個危機。這是因為，制造過程所面臨的眾多問題的核心是“制造智能”和制造技術的“智能化”。IMT是指在制造工業的各個環節以一種高度柔性與高度集成的方式，通過計算機模擬人類專家的智能活動，進行分析、判斷、推理、構思和決策，旨在取代或延伸制造環境中人的部分腦力勞動；并對人類專家的制造智能進行收集、存貯、完善、共享、繼承與發展。未來工業生產的基本特征應該是知識密集型，制造自動化的根本是決策自動化。

2發展現狀

2.1國外研究現狀：

目前，IMT&IMS的研究正迅速受到眾多國家的政府、工業界和科學家們的廣泛重視：

2.1.1美國

美國是國際智能制造思想的發源地之一，美國政府高度重視智能制造的發展，并且已經把它作為21世紀占領世界制造技術領先地位的基石。從上世紀90年代開始，美國國家科學基金（NSF）就著重資助有關智能制造的諸項研究，項目覆蓋了智能制造的絕大部分，包括制造過程中的智能決策、基于多施主（multi-agent）的智能協作求解、智能并行設計、物流［］傳輸的智能自動化等1。2005年，美國國家標準與技術研究所（NIST）提出了“聰明加工系統（smart machining system,SMS）”研究計劃。聰明加工系統的實質是智能化，該系統的主要目標和研究內容包括：（1）系統動態優化。即將相關工藝過程和設備知識加以集成后進行建模，進行系統的動態性能優化；（2）設備特征化。即開發特征化的測量方法、模型和標準，并在運行狀態下對機床性能進行測量和通信；（3）下一代數控系統。即與STEP-NC兼容的接口和數據格式，使基于模型的機器控制能夠無縫運行；（4）狀態監控和可靠性。即開發測量、傳感和分析方法；（5）在加工過程中直接測量刀具磨損和工件精度的方法。

2011年，美國總統奧巴馬宣布實施包括工業機器人在內的”Advanced Manufacturing Partnership Plan”（先進制造聯盟計劃），立即得到同日發布的“實現 21世紀智能制造”新報告的積極響應。在這份由美國智能制造領導聯盟（smart manufacturing leadership coalition,SMLC）公布的報告中，不但描繪了該領域未來的發展藍圖，而且確定了十大優先行動目標，意圖通過采用21世紀的數字信息技術和自動化技術，加快對20世紀的工廠進行

［］現代化改造過程，以改變以往的制造方式，借此獲得經濟、效率和競爭力方面的多重效益2。

2.1.2 日本

日本于1990年首先提出為期10年的智能制造系統（IMS）的國際合作計劃，并與美國、加拿大、澳大利亞、瑞士和歐洲自由貿易協定國在1991年開展了聯合研究，其目的是為了克服柔性制造系統（FMS）、計算機集成制造系統（CIMS）的局限性，把日本工廠和車間的專業技術與歐盟的精密工程技術、美國的系統技術充分地結合起來，開發出能使人和智能設備都不受生產操作和國界限制，且能彼此合作的高技術生產系統。2.1.3 歐盟

歐盟于2010年啟動了第七框架計劃（FP7）的制造云項目3，特別是制造業強國的德

［］國，繼實施智能工廠（Smart factory）之后4，又啟動了一個投入達2億歐元的工業4.0（Industry ［］4.0）項目5。德國政府2010年制定的《高技術戰略2020》計劃行動中，意圖以未來項目“工業4.0”奠定德國在關鍵工業技術上的國際領先地位，并在2013年4月舉行的漢諾威工業博覽會上正式將此計劃推出。“工業4.0”概念最初是在德國工程院、弗勞恩霍夫協會、西門子

［］公司等德國學術界和產業界的建議和推動下形成，目前其已上升為國家級戰略6。

［］2.2 國內研究現狀

國內在智能制造技術與系統方面的絕大多數研究工作，目前還處在探討人工智能在制造領域中應用的階段。幾年來，開發出了眾多類型、水平各異的面向制造過程中特定環節、特定間題的“智能化孤島”，諸如專家系統、基于知識的系統和智能輔助系統等，而對制造環境的全面“智能化”研究工作還處于剛剛起步階段。我國自 2009 年 5 月《裝備制造業調整和振興規劃》出臺以來，國家對智能制造裝備產業的政策支持力度不斷加大，2012年國家有關部委更集中出臺了一系列規劃和專項政策，使得我國智能制造裝備產業的發展輪廓得到進一步地明晰。工業與信息化部發布了《高端裝備制造業“十二五”發展規劃》，同時發布了《智能制造裝備產業“十二五”發展規劃》子規劃，明確提出到2020年將我國智能制造裝備產業培育成為具有國際競爭力的先導產業。科學技術部也發布了《智能制造科技發展”十二五”專項規劃》；國家發展改革委員會、財政部、工業與信息化部三部委組織實施了智能制造裝備發展專項；工業與信息化部制定和發布了《智能制造裝備產業“十二五”發展路線圖》，該路線圖明確把智能制造裝備作為高端裝備制造業的發展重點領域，以實現制造過程智能化為目標，以突破九大關鍵智能基礎共性技術為支撐，其思路是：以推進八項智能測控裝置與部件的研發和產業化為核心，以提升八類重大智能制造裝備集成創新能力為重點，促進在國民經濟六大重點領域的示范應用推廣。問題與展望

3.1 存在問題

總的說來，目前IMS的研究仍處在人工智能在制造領域中應用的階段，研究課題涉及到市場分析、產品設計、制造過程控制、材料處理、信息管理、設備維護等眾多方面，取得了豐碩的成果，開發了種類繁多的面向特定領域的專家系統、基于知識的系統和智能輔助系統，甚至智能加工工作站（IMW），形成了一系列”智能化孤島”（islands of intelligence）。這中間包括CIMS研究中所取得的有關進展。然而，隨著研究與應用工作的深入，人們逐漸地認識到自動化程度的進一步提高依賴制造系統的自組織能力，研究工作還面臨著一系列理論、技術和社會問題，、問題的核心是“智能化”。一般說來，現代工業生產作為一個有機的整體要受技術（包括生產系統）、人（包括間接影響生產過程的社會群體）和經濟（包括市場競爭和社會競爭）三方面因素的制約。從技術的角度來看，對于一個企業來說，市場預測、生產決策、產品設計、原料訂購與處理、制造加工、生產管理、原料產品的儲運、產品銷售、研究與發展等環節彼此相互影響，構成產品生產的全過程。該過程的自動化程度取決于各環節的集成自動化（integrated automation）水平，而生產系統的自組織能力取決于各環節的集成智能（integrated intelligence）水平。目前，尚缺乏這種“集成”制造智能的技術，這也是目前“并行工程”的研究重點。

3.2發展趨勢 當前，智能制造的發展趨勢以德國的”工業4.0”和美國的工業互聯網裝備最為清晰。

3.2.1 德國“工業4.0”

德國“工業 4.0”通過充分利用信息物理系統（CPS），實現由集中式控制向分散式增強型控制的基本模式轉變，目標是建立高度靈活的個性化和數字化的產品與服務的生產模式，推動現有制造業向智能化方向轉型。CPS是一個綜合計算、網絡和物理環境的多維復雜系統，通過3C（Computation、Communication、Control）技術的有機融合與深度協作，實現制造裝備系統的實時感知、動態控制和信息服務。CPS實現計算、通信與物理系統的一體化設計，可使系統更加可靠、高效、實時協同。德國電氣電子和信息技術協會于2013年發布了德國首個“工業4.0”標準化路線圖，以加強德國作為技術經濟強國的核心競爭力，確保德國制造［］的未來7-8。“工業4.0”項目主要分為兩大主題：（1）智能工廠。重點研究智能化生產系統及過。程，以及網絡化分布式生產設施的實現（工業4.0智能工廠如圖1所示）；

（2）智能生產。主要涉及整個企業的生產物流管理、人機互動以及3D技術在工業生產過程中的應用等。

圖1 工業4.0智能工廠

3.2.2 美國工業互聯網裝備

2013年，美國通用電氣公司（GE）發表了《工業互聯網-打破智慧與機器的邊界》報告［9］。該報告提出了工業互聯網（Industrial Internet）的概念。工業化創造了無數的機器、設施和系統網絡，而工業互聯網則是指讓這些機器和先進的傳感器、控制和軟件應用相連接，以提高制造業的生產效率、減少資源消耗。工業互聯網裝備將整合兩大革命性轉變的優勢：（1）工業革命。伴隨著工業革命，出現了無數臺機器、設備、機組和工作站；（2）強大的網絡革命；

（3）在網絡化的影響下，計算、信息與通訊系統應運而生并不斷發展。小結

智能制造裝備集制造、信息和人工智能技術于一身，是未來高端裝備制造業的重點發展方向。各國政府高度重視智能制造裝備的研發和應用，美、日、歐已有一系列的研究成果和部分產品面世，德國的“工業4.0”項目也積極地推動了制造業向智能化的轉型。我國政府也充分認識到智能制造裝備的重要戰略地位，已出臺政策推動智能制造裝備的產業化水平提升。可以預見，未來智能制造裝備在引領制造業低碳、節能、高效發展上的作用將進一步得到顯現；同時，行業也將在工業機器人、智能機床和基礎制造裝備、智能儀器儀表、三維打印裝備、新型傳感器、自動化成套生產線等重點領域形成快速發展與突破。參考文獻

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第二篇：智能制造技術

現代制造技術

1142813203 吳文樂

摘要：現代制造技術是在傳統制造技術的基礎上, 不斷吸收和發展機械、電子、能源、材料、信息及現代管理技術的成果, 將其綜合應用于產品設計、制造、檢驗、管理服務等產品生命周 期的全過程, 以實現優質、高效、低耗、靈活、清潔的生產技術模式,取得理想的技術經濟效果的制造技術的總稱傳統的自動化生產技術可以顯著提高生產效率，然而其局限性也顯而易見，即無法很好地適應中小批量生產的要求。隨著現代制造技術的發展，特別是自動控制技術、數控加工技術、工業機器人技術等的迅猛發展，柔性制造技術(FMI)應運而生。

關鍵詞：現代制造技術；自動控制技術；柔性制造技術

1.現代制造技術發展綜述

現代制造技術在系統論、方法論、信息論和協同 論等的基礎上形成制造系統工程學，是一種廣義制造的概念，亦稱之為“大制造”的概念，它體現了制造概念的擴展。廣義制造概念的形成過程主要有以下幾方面原因[1]。

1).制造設計一體化。體現制造和設計的密切結合，形成了設計制造一體化，設計不僅是指產品設計，而且包括工藝設計、生產調度設計、質量控制設計等。

2).材料成形機理的擴展。現在加工成形機理明確地將加工分為去除加工、結合加工和變形加工。

3).制造技術的綜合性。現代制造技術是一門以 機械為主體，交叉融合光、電、信息、材料等學科的綜合體，并與管理科學、社會科學、文化、藝術、人機工 程、生物工程和生命科學等相結合，拓展了新領域。現代制造技術應包括硬件和軟件兩大方面，硬／軟件工具、平臺和支撐環境有了很大的發展。

4).產品的全生命周期。制造的范疇從過去的設計、加工和裝配發展為產品的全生命周期，包括市場調研、設計、制造、銷售、維修和報廢處理等。

5).生產制造模式的發展。計算機集成制造技術 是制造技術與信息技術結合的產物，集成制造系統強 調信息集成，其后出現了柔性制造、敏捷制造、虛擬制 造、網絡制造、大規模定制、綠色制造、智能制造和協 同制造等多種制造模式，有效地提高了制造技術的水平，擴展了制造技術的領域[2]。

現代制造技術的發展主要沿著“廣義制造”或稱 “大制造”的方向發展，其具體的發展可以歸納為四個方面和多個大項目[3]，如圖1所示：

圖1：現代制造技術方向

針對現代制造技術，本文從柔性制造技術的角度對現代制造技術進行學習，對柔性制造在實際中的應用進行深入的研究；

2.柔性制造

2.1 柔性制造簡述

所謂“柔性”，是指制造系統(企業)對系統內部及外部環境的一種適應能力，也是指制造系統能夠適應產品變化的能力。柔性可分為瞬時、短期和長期柔性[4]。瞬時柔性是指設備出現故障后，自動排除故障或將零件轉移到另一臺設備上繼續進行加工的能力；短期柔性是指系統在短時期內，適應加工對象變化的能力，包括在任意時期混合進行加工2種以上零件的能力；長期柔性則是指系統在長期使用中，能夠加工各種不同零件的能力。迄今為止，柔性還只能定性地加以分析，尚無科學實用的量化指標。因此，凡具備上述3種柔性特征之一的、具有物料或信息流的自動化制造系統都可以稱為柔性制造系統。柔性制造技術是計算機技術在生產過程及其裝備上的應用，是將微電子技術、智能技術與傳統制造技術融合在一起，具有自動化、柔性化、高效率的特點，是目前自動化制造系統的基本單元技術[5]。

柔性制造技術是對各種不同形狀加工對象實現程序化柔性制造加工的各種技術的總和[6]。柔性制造技術是技術密集型的技術群，我們認為凡是側重于柔性，適應于多品種、中小批量(包括單件產品)的加工技術都屬于柔性制造技術。目前按規模大小劃分為[7]：

(1)柔性制造系統（FMS）：關于柔住制造系統的定義很多，權威性的定義有：美國國家標準局把FMS定義為：“由一個傳輸系統聯系起來的一些設備，傳輸裝置把工件放征其他聯結裝置上送到各加工設備，使工件加工準確、迅速和自動化。

(2)柔性制造單元（FMC）：M S是FMS向廉價化及小型化方向發展的一種產物，它是由l～2臺加工中心、工業機器人。數控機床及物料運送存貯設備構成，其特點是實現單機柔性化及自動化，具有適應加工多品種產品的靈活性。迄今已進入普及應用階段。

(3)柔性制造線（FML):它是處于單一或少品種人批量非柔性自動線與中小批量多品種FMS之間的生產線。其加工設備可以是通用的加工中心，CNC機床；亦可采用爭用機床或NC專用機床，對物料搬運系統柔性的要求低于FMS，但生產率更高。它是以離散型生產中的柔性制造系統和連續生過程中的分散型控制系統(D C S)為代表，其特點是實現生產線柔性化及自動化，其技術已日趨成熟，迄今已進入實用化階段。

(4)柔性制造工廠(FMF):FMF是將多條FMS連接起來，配以自動化屯體倉庫，用計算機系統進行聯系，采用從訂貨、設計、加工、裝配、檢驗、運送至發貨的完整F M S。它包括了CAD／CAM，并使計算機集成制造系統(CIMS)投入實際，實現生產系統 柔性化及自動化，進而實現全廠范圍的生產管理、產品加工及物料貯運進程的全盤化。FMF是自動化生產的最高水平，反映出世界上最先進的自動化應用技術。它是將制造、產品開發及經營管理的自動化連成一個整體，以信息流控制物質流的智能制造系統(IMS)為代表，其特點是實現工廠柔性化及自動化[8]。

2.2柔性制造所采用的關鍵技術

1.計算機輔助設計未來CAD技術發展將會引入專家系統，使之具有智能化，可處理各種復雜的問題。當前設計技術最新的一個突破是光敏立體成形技術，該項新技術是直接利用CAD數據，通過計算機控制的激光掃描系統，將二維數字模型分成若干層二維片狀圖形，并按二維片狀圖彤對池內的光敏樹脂液面進行光學掃描，被掃描到的液面則變成固化塑料，如此循環操作，逐層掃描成形，并自動地將分層成形的各斤狀固化塑料粘合在一起，僅需確定數據，數小時內便呵制出精確的原型。它有助于加快開發新產品和研制新結構的速度。

2.模糊控制技術模糊數學的實際應用是模糊控制器。最近開發出的高性能模糊摔制器具有自學習功能，可在控制過程中不斷獲取新的信息井自動地對控制量作調整，使系統性能大為改善，其中尤其以基于人工神經網絡的自學方法更引起人們極大的關注。

3.人工智能、專家系統及智能傳感器技術迄今，柔性制造技術中所采用的人工智能大多指基礎規則的專家系統。專家系統利用專家知識和推理規則進行推理，求解各類問題（如解釋、預測，診斷、查找故障、設汁、計劃、監視、修復、命 令及控制等）。由于專家系統能簡便地將各種事實及經驗證過的理論與通過經驗獲得的知識相結合，因而專家系統為柔性制造的諸方面工作增強綜合性。展望未來，以知識密集為特征，以知識處理為手段的人工智能（包括專家系統）技術必將在柔性制造(尤其智能型)中起著非常重要的關鍵性的作用。目前對未來智能化柔性制造技術具有重要意義的一個正在急速發展的領域是智能傳感器技術。該項技術是伴隨計算機應用技術和人工智能產生的，它使傳感器具有內在的“決策”功能。

4.人工神經網絡技術人工神經網絡(ANN)是模擬智能生物的神經網絡對信息進行并處理的一種方法。故人工神經網絡也就是一種人工智能工具。在自動控制領域，神經網絡不久將并列到專家系統和模糊控制系統，成為現代自動化系統中的一個組成部分[9]。

3.國內現代制造技術狀況

近年來，世界各國都投入了巨大的財力和物力，強化作為光機電一體化制造業基礎的先進制造業的技術和產業發展的戰略研究。美國、德 國、日 本 等 國 已 經 開 發 出 了 數 控（NC）、計算機數控（CNC）、直接數控（CAM）、計算機集成制造系統（CIMS）、制造資源規則（MRP）、柔性制造單元（TMC）、柔性制造系統（FMS）、機器人、計算機輔助設計／制造（CAD／CAM）、精益生產（LP）、智能制造系統（MS）、并行工程（CE）和敏捷制造（AM）等多項現代制造技術與制造模式。這些技術的推廣與應用，不僅使本國企業的國際競爭力得到鞏固，也使得世界先進制造業發展迅猛[10]。我國制造業市場的巨大潛力，為現代制造技術發展提供了廣闊的市場空間。但是，與制造業發達國家和地區相比，國內的現代制造技術的研發與市場拓展還不均衡。其中，國內機械基礎件制造行業中的數控化率極低，不足1.6%，先進加工工藝、技術和裝備的普及程度不足10 % ；CAD／CAM 系統應用的普及率在國內骨干企業僅有35%，產業規模較小。另外，在相關行業中如印刷業、電力行業和醫療器械行業等，技術裝備的低數控化率也遠不能滿足市場對中高檔先進產品的需求。縱觀國際制造業的競爭與發展，面對國際、國內兩個制造業市場的日漸融合，如何立足國內制造業的市場需求，整合分散的科研與企業資源，盡快形成自己在先進制造產業競爭中的技術優勢，已經是擺在我國制造業面前的迫在眉睫的課題了[11]。

總之，重視制造業和現代制造技術已成為全球化的大趨勢。現代制造技術不是一項具體技術，而是利用系統工程技術將各種相關技術集成的一個有機整體；現代制造技術是一種動態技術，而不是一成不變的，它需要不斷吸收各種高新技術成果，并將其滲透到產品的所有領域，結合成一個有機整體，實現優質、高效、低耗、清潔和靈活的生產[12]；現代制造技術的目的是提高制造業的綜合效益，其不摒棄傳統技術，而是有賴于不斷用科技新手段去研究它和傳承它，并應用科技新成果去改造它和充實它；現代制造技術在強調環境保護的同時，還強調各專業學科之間的相互滲透、融合和淡化，并消除其間的界限。我國先進制造技術的發展應結合自身的特點，形成特色，大力發展一些關鍵前沿技術，比如新一代材料成型技術、微米及納米技術、快速原型制造以及智能制造等[13]。在不久的將來，現代制造技術將得到更大的發展和壯大，發展和應用先進制造技術是每個國家為提高企業的國際競爭力和技術創新能力的必然選擇。

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第三篇：智能制造匯報

智能工廠——以三一重工18號工廠為例

摘要：在理論上解釋了智能工廠的概念，再以三一重工18號工廠作為研究對象，對其運作方式、運作特點進行了較為詳細地分析與討論，從而得出工廠的智能化基因。并且進一步得出了智能工廠的框架，為系統化建設智能工廠打下了基礎。關鍵詞：物聯網；智能制造；數字化工廠 中圖分類號：TH161

INTELLIGENT FACTORY A CASE OF SANY HEAVY INDUSTRY NO.18TH FACTORY

Abstract：This paper explains the concept of intelligent factory in theory, then takes 31 heavy industry No.18th Factory as the research object, analyzes and discusses its operation mode and operation characteristics in detail, thus obtains the intellectualized gene of the factory.And further draws the intelligent factory frame, lays the foundation for the systematized construction intelligent Factory.Key words：Networking of things;Intelligent manufacturing;Digital chemical plant 0 前言

隨著物聯網、大數據和移動應用等新一輪信息技術的發展，全球化工業革命開始提上日程，工業轉型開始進入實質階段。在中國，智能制造、中國制造2025等戰略的相繼出臺，表明國家開始積極行動起來，把握新一輪工發展機遇實現工業化轉型。智能工廠作為工業智能化發展的重要實踐模式，已經引發行業的廣泛關注。到底什么是智能工廠？智能工廠的核心架構是怎樣的？能為企業的轉型提供哪些支撐？這都是企業比較關心的話題。

本文以三一重工18號工廠為例,分析智能工廠的主要特點還有其智能化的框架。數字化工廠、智能工廠和智能制造

1.1 數字化工廠

對于數字化工廠，德國工程師協會的定義是：數字化工廠（DF）是由數字化模型、方法和工具構成的綜合網絡，包含仿真和3D/虛擬現實可視化，通過連續的沒有中斷的數據管理集成在一起。數字化工廠集成了產品、過程和工廠模型數據庫，通過先進的可視化、仿真和文檔管理，以提高產品的質量和生產過程所涉及的質量和動態性能：

圖1 在國內，對于數字化工廠接受度最高的定義是：數字化工廠是在計算機虛擬環境中，對整個生產過程進行仿真、評估和優化，并進一步擴展到整個產品生命周期的新型生產組織方式。是現代數字制造

技術與計算機仿真技術相結合的產物，主要作為溝通產品設計和產品制造之間的橋梁。從定義中可以得出一個結論，數字化工廠的本質是實現信息的集成。1.2

智能工廠

智能工廠是在數字化工廠的基礎上，利用物聯網技術和監控技術加強信息管理服務，提高生產過程可控性、減少生產線人工干預，以及合理計劃排程。同時，集初步智能手段和智能系統等新興技術于一體，構建高效、節能、綠色、環保、舒適的人性化工廠。

圖2

智能工廠已經具有了自主能力，可采集、分析、判斷、規劃；通過整體可視技術進行推理預測，利用仿真及多媒體技術，將實境擴增展示設計與制造過程。系統中各組成部分可自行組成最佳系統結構，具備協調、重組及擴充特性。已系統具備了自我學習、自行維護能力。因此，智能工廠實現了人與機器的相互協調合作，其本質是人機交互。1.3

智能制造

智能工廠是在數字化工廠基礎上的升級版，但是與智能制造還有很大差距。智能制造系統在制造過程中能進行智能活動，諸如分析、推理、判斷、構思和決策等。通過人與智能機器的合作，去擴大、延伸和部分地取代技術專家在制造過程中的腦力勞動。它把制造自動化擴展到柔性化、智能化和高度集成化。

智能制造系統不只是“人工智能系統，而是人機一體化智能系統，是混合智能。系統可獨立承擔分析、判斷、決策等任務，突出人在制造系統中的核心地位，同時在智能機器配合下，更好發揮人的潛能。機器智能和人的智能真正地集成在一起，互相配合，相得益彰。本質是人機一體化。

國內很多企業都在炒作智能制造，但是絕大多數企業還處在部分使用應用軟件的階段，少數企業也只是實現了信息集成，也就是可以達到數字化工廠的水平；極少數企業，能夠實現人機的有效交互，也就是達到智能工廠的水平[1]。

圖3 2 從大廠房到智能工廠

在全球科技革命的大背景下，工程機械行業作為多品種、中批量、按訂單生產的離散型技能密集型產業，要想向高端制造發展，必須依靠信息化建立先進的制造和管理系統[2]。

三一重工作為重工領域的標桿，其18號廠房成為應用基礎的示范。這間總面積約十萬平方米的車間，成為了行業內亞洲最大最先進的智能化制造車間。在這里，廠房更像是一個大型計算系統加上傳統的操作工具、大型生產設備的智慧體。2.1 18號廠房的“智慧”運轉

18號廠房是三一重工總裝車間，有混凝土機械、路面機械、港口機械等多條裝配線，是工程機械領域內頗負盛名的智能工廠。

在18號廠房，廠區旁邊有兩塊電視屏幕，它們是一線工人的“老師”——不熟悉裝配作業的工人，通過電子屏幕里的數字仿真和三維作業指導，可以學習和了解整個裝配工藝[3]。三一重工的三維作業現場指導模式，成為了著名3D技術開發公司達索的全球最佳案例。

廠房更像是一個大型計算系統加上傳統的操作工具、大型生產設備的智慧體，每一次生產過程、每一次質量檢測、每一個工人勞動量都記錄在案。裝配區、高精機加區、結構件區、立庫區等幾大主要功能區域都是智能化、數字化模式的產物[4]。

當有班組需要物料時，裝配線上的物料員就會報單給立體倉庫，配送系統會根據班組提供的信息，迅速找到放置該物料的容器，然后開啟堆高機，將容器自動輸送到立體庫出庫端液壓臺上。此時，AGV操作員發出取貨指令，AGV小車自動行駛至液壓臺取貨[5]。取完貨后，采用激光引導的AGV小車，將根據運行路徑沿途的墻壁或支柱上安裝的高反光性反射板的激光定位標志，計算出車輛當前的位置以及運動的方向，從而將物料運送至指定工位。像這樣的AGV小車，在三一重工18號廠房有15臺。

從大廠房到智能工廠，實施智慧化改造后，18號廠房在制品減少8%，物料齊套性提高14%，單臺套能耗平均降低8%，人均產值提高24%，現場質量信息匹配率100%，原材料庫存降低30%。2014年，18號廠房同比節約制造成本1億元，年增加產量超過2000臺以上，每年同比產值新增60億元以上。此外，高精加工區也是18號廠房的特色之一。整個機加區集智能化、柔性化、少人化于一體，可以滿足多品種、小批量生產要求。2.2

智能背后的生產模式進化

2013年8月，三一重工集團啟動新一輪制造變革。在大會上，三一重工董事長梁穩根這樣描繪三一重工制造體系的藍圖：“所有結構件和產品都在很精益的空間范圍內制造，車間內只有機器人和少量作業員工在忙碌，裝配線實現準時生產，物流成本大幅降低，制造現場基本沒有存貨。”

制造模式的生產方式分散且獨立，需要大量的人力物力予以配合，才能完成產品的生產制造，這使得生產效率低下的同時，生產成本還居高不下。因此三一重工開始借助信息化，在生產車間導入自動化制造模式。“部件工作中心島”就是這樣一個嘗試。

所謂“部件島”，即單元化生產，將每一類部件從生產到下線所有工藝集中在一個區域內，猶如在一個獨立的“島嶼”內完成全部生產，故稱為部件島，將裝配行業中“島”的概念引入到結構件生產中，這是三一重工重機制造人員的首創。三一重工:智能工廠實踐

三一重工18號廠房是亞洲最大的智能化制造車間，有混凝土機械、路面機械、港口機械等多條裝配線，是三一重工總裝車間。2008年開始籌建，2012年全面投產，總面積約十萬平方米。從2012年開始，以三一18號廠房為應用基礎，由三一重工、湖大海捷、華工制造、華中科大等單位聯合申報的“工程機械產品加工數字化車間系統的研制與應用示范項目”.經過3年精心建設，目前，三一已建成車間智能監控網絡和刀具管理系統、公共制造資源定位與物料跟蹤管理系統、計劃、物流、質量管控系統、生產控制中心（PCC）中央控制系統等智能系統，完成了國家批復的項目建設內容[6]。

圖4 同時，三一還與其他單位共同研發了智能上下料機械手、基于DNC系統的車間設備智能監控網絡、智能化立體倉庫與AGV運輸軟硬件系統、基于RFID設備及無線傳感網絡的物料和資源跟蹤定位系統、高級計劃排程系統（APS）、制造執行系統（MES）、物流執行系統（LES）、在線質量檢測系統（SPC）、生產控制中心管理決策系統等關鍵核心智能裝置，實現了對制造資源跟蹤、生產過程監控，計劃、物流、質量集成化管控下的均衡化混流生產，智能化功能和系統性能指標達到國家批復要求[7]。

3.1 智能加工中心與生產線

3.1.1 智能化加工設備

早在2007年，有“智能化機械手”之稱的焊接機器人現身三一挖機生產線，并在2008年后得到進一步推廣。2012年三一重工在上海臨港產業園建成全球最大最先進的挖掘機生產基地，焊接機器人大規模投入使用，大幅提升了產品的穩定性，使得三一挖掘機的使用壽命大約翻了兩番，售后問題下降了四分之三。由于規范了管理，又進一步提升了整個生產體系的效率。不但如此，機器人的使用減少了工人數量，管理模式的重心從原來的管人轉移

到了管理設備上，相對而言，管理設備要容易很多。3.1.2

智能刀具管理

在實際加工中，有多種因素會對加工刀具產生影響，首先是加工工件本身的因素，如加工工件材質、結構型式、工件剛度等對刀具使用效果影響較大。其次是加工工裝，定位基準、壓緊方式、結構型式以及工裝剛度等都會影響刀具使用效果。再次加工工藝方案，如加工順序、切削三要素（切深、進給、切削速度）對刀具使用效果影響更大。最后是加工機床，設備的切削功率、設備的剛度、設備的結構型式、切削冷卻介質對加工刀具發揮效率也有很大影響[8]。

三一在實踐中，要充分考慮刀具壽命和加工工件成本的關系，根據不同結構的工件選擇不同的刀具，包括刀具材料（分整體硬質合金、焊接硬質、高速鋼等）、刀具結構（分機夾刀片、焊接刀片和整體材料刀具）以及刀具裝夾方式（熱裝式、強力緊固式、側固式）等。有的刀具選擇涂層刀片來增加刀具的耐用度，延長刀具壽命。在高速加工時，對刀具動平衡也有要求，我們配備了刀具動平衡儀，并在加工成本允許的前提下選擇耐用度較高的刀具。3.1.3

DNC

DNC是計算機與具有數控裝置的機床群使用計算機網絡技術組成的分布在車間中的數控系統。該系統對用戶來說就像一個統一的整體，系統對多種通用的物理和邏輯資源整合，可以動態的分配數控加工任務給任一加工設備，是提高設備利用率，降低生產成本[9]。

圖5

目前，三一重工已經完成車間機加設備的研發采購與安裝調試，部分完成智能上料機械手、DNC實時監控裝置及刀具管理系統的購置和開發。3.2 智能化立體倉庫和物流運輸系統

3.2.1 智能化立體倉庫

立體倉庫后臺運作的自動化配送系統由華中科大與三一聯合研制，通過這套系統，三一打造了批量下架、波次分揀，單臺單工位配送模式，實現了從頂層計劃至底層配送執行的全業務貫通，大大提高了配送效率及準確率，準時配送率超95%。

三一智能化立體倉庫總投資6000多萬元, 分南北兩個庫，由地下自動輸送設備連成一個整體，總占地面積9000平方米，倉庫容量大概是16000個貨位。從南邊倉庫可以看到，這個庫區有幾千種物料，主要是泵車、拖泵、車載泵物料，能支持每月數千臺產品的生產量。

從大廠房到智能工廠，實施智能化改造后，18號廠房在制品減少8%，物料齊套性提高14%，單臺套能耗平均降低8%，人均產值提高24%，現場質量信息匹配率100%，原材料庫存降低30%，2014年18號廠房預計同比節約制造成本1億元，年增加產量超過2000臺以上，每年同比產值新增60億元以上。3.2.2 AGV智能小車

智能化立體倉庫的核心是AGV智能小車，當有班組需要物料時，裝配線上的物料員就會報單給立體倉庫，配送系統會根據班組提供的信息，迅速找到放置該物料的容器，然后開啟堆高機，將容器自動輸送到立體庫出庫端液壓臺上。此時，AGV操作員發出取貨指令，AGV小車自動行駛至液壓臺取貨。取完貨后，由于AGV小車采用激光引導，小車上安裝有可旋轉的激光掃描器，在運行路徑沿途的墻壁或支柱上安裝有高反光性反射板的激光定位標志，AGV依靠激光掃描器發射激光束，然后接受由四周定位標志反射回的激光束，車載計算機計算出車輛當前的位置以及運動的方向，通過和內置的數字地圖進行對比來校正方位，從而將物料運送至指定工位。像這樣的AGV小車，在三一18號廠房有15臺。在18號廠房南北智能化立體倉庫，不僅有這樣的AGV自動小車，其后臺配送也是自動化系統完成的。

圖6

3.2.3 公共資源定位系統

公共資源定位系統是三一重工智能工廠的一個重要支撐。公共資源定位系統能實現包括對設備定位和狀態檢測、人員定位以及故障實時處理與報警等功能。通過公共資源定位監控中心，三一重工的生產管理人員能及時的了解生產車間的人員位置、設備位置和狀態、加工生產情況，并及時的指導生產和進行故障處理等操作。3.3

智能化生產執行過程控制

3.3.1高級計劃排程

在考慮企業資源所提供的可行物料需求規劃與生產排程計劃，讓規劃者快速結合生產限制條件與相關信息(如訂單、途程、存貨、BOM與產能限制等)，以做出平衡企業利益與顧客權益的最佳規劃與決策，滿足顧客需求及面對競爭激烈的市場。強化了ERP系統中以傳統MRP規劃邏輯為主的生產規劃與排程的功能，APS 系統的同步規劃能力，不但使得規劃結果更具備合理性與可執行性，亦使企業能夠真正達到供需平衡的目的[10]。3.3.2

執行過程調度

三一車間內一排排的MES終端機，生產線上明亮的LED屏幕，整齊劃一的醒目安全燈是系統給我們帶來直觀的印象。SanyMES系統是指由三一集團IT總部自主研發的制造執行系統，它充分利用信息化技術，從生產計劃下達、物料配送、生產節拍、完工確認、標準作業指導、質量管理、關重件條碼采集等多個維度進行管控，并通過網絡實時將現場信息及時準確地傳達到生產管理者與決策者[11]。該

系統除了通過各種方式如短信、郵件向管理者傳遞生產信息外，其設置在生產現場的MES終端機，給一線工人生產制造帶來了極大的便利。

通過MES終端機，生產線工人不僅可以及時報完工、方便快捷地查詢物料設計圖紙和庫存情況，更重要的是SanyMES終端機可以正確地指導工人每個工位如何進行安裝、安裝時候需要哪些零部件，同時給予安全提示。有了MES系統后，再也不用去借圖紙，直接在MES終端就能查到最新的圖紙信息，3.3.數字化質量檢測

目前，三一在質檢信息化方面，通過GSP、MES、CSM及QIS的整合應用，實現涵蓋供應商送貨、零件制造、整機裝配、售后服務等全生命周期的質檢電子化，并實現了SPC分析、質量追溯等功能。

以前質檢，是采用紙質記錄本記錄檢驗結果和全觸摸屏操作，簡單方便，而且通過查看標準作業指導以規范工人的操作，避免了紙質作業指導書的損壞和更新不及時造成的附加作業，極大提高了工作效率和作業質量[12]。3.3.3 數字化物流管控

三一自動化立體倉儲配送系統實現了該公司泵車、拖泵、車載泵裝配線及部裝線所需物料的暫存、揀選、配盤功能，并與AGV配套實現工位物料自動配送至各個工位。

根據泵車、拖泵、車載泵裝配線及部裝線在車間的位置，北自所設計了兩個庫區，1#庫負責泵車物料的儲存、揀配功能，2#庫負責拖泵、車載泵物料的儲存、揀配功能，兩個庫區共用一個設置1#庫區的入庫組盤區域，2#庫入庫的物料在入庫組盤區完成組盤后通過地下輸送通道自動輸送進入2#庫庫區存儲。

倉儲模式采用自動化立體倉庫存儲（主要儲存中小件為主）+垂直升降庫存儲（主要儲存小件為主）+平面倉庫儲存（主要儲存大件等其他特殊物資）。自動化立體倉庫和垂直升降庫的數據采用一套軟件進行統一管理，集中配送。通過垂直升降庫的應用，解決了將近總量30%的物料種類的儲存和出入庫作業模式，很大程度地緩和了自動化立體倉庫的出入庫作業壓力，有效地提高了整個系統的作業能力。

揀配模式采用提4臺套提前一班（8小時）揀配模式，按照工位進行配送。在兩個庫區分別設置了兩層的配盤區域，根據裝配工位數量及各工位裝配物料情況，對配盤區域的揀配托盤位置進行分配，揀配過程中采用LED顯示屏+RF手持終端模式進行人工作業。北自所根據各工位裝配物料情況，配合用戶設計了多種不同的配送容器，采用多層存放，提高容器使用效率，減少線邊容器數量，最終提高了AGV系統的搬運效率。

質量問題，現在則是用生產管理系統（MES），每一個檢驗項目都標準化、電子化，以前在本子上的內容都作為數據錄入PDA和平板電腦等終端。一旦發現質量異常，系統就會第一時間自動啟動不合格處理流程，將情況發送給相關責任人。“在不合格品控制流程中的隔離、評審等6個環節，保證每道工序的每個產品在下一道工序前合格。”而數據的錄入則會為產品質量追溯提供可靠依據。三一的自制件可以具體查到是某臺產品零部件，制作時間、制作地點和工位、制作人、制作條件等信息，供應商提供的零部件則是可以查到批次和反饋。3.4

智能化生產控制中心

3.4.1中央控制室

1.生產計劃及執行情況、設備狀態、生產統

計圖；

2.智能計劃系統操作界面；

3.生產現場監控、看板展示及異常報警； 4.各區域監控信息；

5.設計部日常操作（支持10路信號同時切

入）；

6.各區域監控信息；

7.物流部日常操作（支持10路信號同時切

入）；

8.質量部日常操作（支持10路信號同時切

入）。3.4.2

現場監視裝置

全方位的工廠車間監控系統能實現對生產過

程的全面監控和記錄，保證生產現場的安全，以及現場事故的追溯和回放。3.4.3 現場Andon Andon系統能夠為操作員停止生產線提供一套新的、更加有效的途徑。在傳統的汽車生產線上，如果發生故障，整條生產線立即停止。采用了Andon系統之后，一旦發生問題，操作員可以在工作站拉一下繩索或者按一下按鈕，觸發相應的聲音和點亮相應的指示燈，提示監督人員立即找出發生故障的地方以及故障的原因。一般來說，不用停止整條生產線就可以解決問題，因而可以減少停工時間同時又提高了生產效率。

Andon系統的另一個主要部件是信息顯示屏。每個顯示面板都能夠提供關于單個生產線的信息，包括生產狀態、原料狀態、質量狀況以及設備狀況。顯示器同時還可以顯示實時數據，如目標輸出、實際輸出、停工時間以及生產效率。根據顯示器上提供的信息，操作員可以更加有效的開展工作。智能工廠理念

所謂“六維智能理論”，就是在設備聯網+遠程數據采集的基礎上，實現智能化的生產過程管理與控制，從6個方面打造適合中國國情的智能工廠。4.1 行業背景

“工業4.0”被認為是以智能制造為主導的第四次工業革命或是工業體系革命性的生產方法，而智能工廠將是構成未來工業體系的一個關鍵特征。在智能工廠里，人、機器和資源如同在一個社交網絡里自然地相互溝通協作，生產出來的智能產品能夠理解自己被制造的細節以及將如何使用，能夠回答“哪組參數被用來處理我”、“我應該被傳送到哪里”等問題。同時，智能輔助系統將從執行例行任務中解放出來，使他們能夠專注于創新、增值的活動；靈活的工作組織能夠幫助工人把生活和工作實現更好地結合，個體顧客的需求將得到滿足。德國工業4.0、美國GE工業互聯網均是“工業4.0”的典范，但中國有自己特殊的國情，中國制造企業打造智能工廠，不能完全照搬國外模式，而是既要緊跟國際先進理念，還要符合中國企業的實際情況[13]。

4.2

概念內涵

美國與德國的工業發展戰略核心均為CPS（Cyber-Physical System）系統，是典型的二元戰略。美國是C(Cyber，包括：數字、信息、網絡等虛擬世界)+P(Physical，包括機器、設備、設施等實體世界)，德國是P+C，兩國均是基于高素質勞動者、國家人力匱乏、企業高協同化、高法制化的基礎之上而提出的戰略；而中國裝備水平較美國和德國有一定差距，數據采集分析決策能力也有局限，但中國具有人力資源優勢，所以應該充分挖掘人的作用。因此，中國制造企業推進工業發展不能完全照搬發達國家的二元戰略，更宜采用CPPS（Cyber-Person-Physical System）人機網三元戰略，充分體現人的能動作用。

圖7

所謂“三元戰略”，包括勞動者及其技能、素養、精神、組織、管理等，CPPS戰略體現了以人為本，繼續發揮與挖掘了中國在人力資源方面的優勢，揚長補短，實現人與賽博、物理虛實兩世界的融合和迭代發展，構建以賽博智能為目的的人機網三元戰略方案更符合中國國情[14]。

所謂“六維智能理論”，就是在設備聯網+遠程數據采集的基礎上，實現智能化的生產過程管理與控制，從6個方面打造適合中國國情的智能工廠，這6個方面包括：

1.智能計劃排產，是從計劃源頭上集成ERP，進行APS高級排產。

2.智能生產協同，從生產準備過程上，實現

物料、刀具、工裝、工藝的并行協同準備。3.智能的設備互聯互通，是CPS信息物理系

統的典型體現，實現數字化生產設備的分布式網絡化通訊、程序集中管理、設備狀

態的實時監控等。4.智能資源管理，包括對物料、設備、刀具、量具、夾具等生產資源進行精益化管理、庫存智能預警等。

5.智能質量過程管控，是對影響產品質量的生產工藝參數進行實時采集、控制，確保產品質量。

6.智能決策支持，是基于大數據分析的決策支持，形成管理的閉環，以實現數字化、網絡化、智能化的高效生產模式。

總之，通過以上6個方面智能的打造，可極大提升企業的計劃科學化、生產過程協同化、生產設備與信息化的深度融合，并通過基于大數據分析的決策支持對企業進行透明化、量化的管理，可明顯提升企業的生產效率與產品質量，是一種很好的數字化、網絡化的智能生產模式。

圖8 4.3

應用前景

“六維智能”分別從計劃源頭、過程協同、設備底層、資源優化、質量控制、決策支持等6個方面著手實現智能工廠，這6個方面涵蓋了工業生產的6個重要環節，可實現全面的精細化、精準化、自動化、信息化智能化管理與控制，通過底層設備的互聯互通、基于大數據分析的決策支持、可視化展現等技術手段，實現生產準備過程中的透明化協同管理、數控設備智能化的互聯互通、智能化的生產資源管理、智能化的決策支持，從而全方位達到智能化的生產過程管理與控制[15]。

從“六維智能”解決方案在青島海爾模具有限公司的實際應用效果來看，較好地達到了智能化生產過程管理與控制的目的。該系統是專門為海爾模

具定制的，是海爾模具生態圈的主要組成部分，系統以生產設備為核心，從設備底層層面實現了機床、對刀儀等設備的互聯互通與大數據分析，從生產管理層面實現了協同準備并行作業，從展現層面實現了生產信息的可視化。實施本系統后，操作工的作業效率從原來1個人管理3臺設備提升到7～8臺設備，設備利用率提升25%以上，使生產管理更加透明、科學、高效，應用效果比較明顯，在海爾模具的數字化制造與管理中發揮了重要的作用。工業4.0落地戰略

“工業4.0”不同的人從不同維度來解讀，涉及到國家戰略、產業戰略、企業發展等不同的層面。就從企業的層面去研究，看看企業層面實現工業4.0該怎么做，怎么走，有沒有路線圖？

近期，隨著“工業4.0”的在網絡上越炒越熱，我國也推出了“中國制造2025”戰略，在國家戰略需求的驅動下，中國對于制造大國向制造強國的邁進之路也陡然提速，這將對中國制造轉型升級打通主動脈。就企業層面來說中國版工業4.0如何落地將成為重點，如何通過信息技術和制造技術的深度融合，打通一切、聯通一切是企業信息化建設的目標[16]。

工業4.0是什么？每個人站在不同的角度會有不同的理解，是互聯、集成(縱向、橫向、端到端)、數據、創新、服務、轉型或是CPS、是智能工廠、是智能制造亦或是國家戰略、企業目標。工業4.0核心內容就是建一個網絡、三項集成、大數據分析、八項計劃和研究兩個主題。

5.1

建一個網絡：信息物理網絡系統（CPS）

CPS是英文CyberPhysical System的縮寫，就是講物理設備連接到互聯網上，讓物理設備具有計算、通信、精確控制、遠程協調和自治等五大功能，從而實現虛擬網絡世界與現實物理世界的融合，將網絡空間的高級計算能力有效的運用于現實世界中，從而在生產制造過程中，與設計、開發、生產有關的所有數據將通過傳感器采集并進行分析，形成可自律操作的智能生產系統。

圖9 5.2

三個集成

工業4.0中的三項集成包括：橫向集成、縱向集成與端對端的集成。工業4.0將無處不在的傳感器、嵌入式終端系統、智能控制系統、通信設施通過CPS形成一個智能網絡，使人與人、人與機器、機器與機器以及服務與服務之間能夠互聯，從而實現橫向、縱向和端對端的高度集成，集成是實現工業4.0的重點也是難點。5.2.1 縱向集成

縱向集成主要解決企業內部的集成，即解決信息孤島的問題，解決信息網絡與物理設備之間的聯通問題。5.2.2 橫向集成

橫向集成主要實現企業與企業之間、企業與售出產品之間（如車聯網）的協同，將企業內部的業務信息向企業以外的供應商、經銷商、用戶進行延伸，實現人與人、人與系統、人與設備之間的集成，從而形成一個智能的虛擬企業網絡。制造業普遍存在的工程變更協同流程就是這樣一個典型的橫向集成應用場景。5.2.3 端到端的集成

端到端集成就是把所有該連接的端頭（點）都集成互聯起來，通過價值鏈上不同企業資源的整合，實現從產品設計、生產制造、物流配送、使用維護的產品全生命周期的管理和服務，它以產品價值鏈創造集成供應商（一級、二級、三級??）、制造商（研發、設計、加工、配送）、分銷商（一級、二級、三級??）以及客戶信息流、物流和資金流，在為客戶提供更有價值的產品和服務同時，重構產業鏈各環節的價值體系。

端到端的集成即可以是內部的縱向集成內容，也可以是外部的企業與企業之間的橫向集成內容，關注點在流程的整合上，比如提供用戶訂單的全程跟蹤協同流程，將用戶、企業、第三方物流、售后服務等產品全生命周期服務的端到端集成。

橫向、縱向、端到端三個集成的實現，不論技術層面還是業務層面在SOA信息集成都能找到相應的解決方案。5.3

大數據分析利用

“工業4.0”時代，制造企業的數據將會呈現爆炸式增長態勢。隨著信息物理系統（CPS）的推廣、智能裝備和終端的普及以及各種各樣傳感器的使用，將會帶來無所不在的感知和無所不在的連接，所有的生產裝備、感知設備、聯網終端，包括生產者本身都在源源不斷地產生數據，這些數據將會滲透到企業運營、價值鏈乃至產品的整個生命周期，是工業4.0和制造革命的基石。

總體來說，工業4.0關注的企業數據分為四類： 5.3.1

產品數據

包括設計、建模、工藝、加工、測試、維護、產品結構、零部件配置關系、變更記錄等數據。產品的各種數據被記錄、傳輸、處理和加工，使得產品全生命周期管理成為可能，也為滿足個性化的產品需求提供了條件。5.3.2

運營數據

運營包括組織結構、業務管理、生產設備、市

場營銷、質量控制、生產、采購、庫存、目標計劃、電子商務等數據。工業生產過程的無所不在的傳感、連接，帶來了無所不在的數據，這些數據會創新企業的研發、生產、運營、營銷和管理方式。5.3.3

價值鏈數據

包括客戶、供應商、合作伙伴等數據。企業在當前全球化的經濟環境中參與競爭，需要全面地了解技術開發、生產作業、采購銷售、服務、內外部后勤等環節的競爭力要素。大數據技術的發展和應用，使得價值鏈上各環節數據和信息能夠被深入分析和挖掘，為企業管理者和參與者提供看待價值鏈的全新視角，使得企業有機會把價值鏈上更多的環節轉化為企業的戰略優勢。例如，汽車公司大數據提前預測到哪些人會購買特定型號的汽車，從而實現目標客戶的響應率提高了15%至20%，客戶忠誠度提高7%。5.3.4 外部數據

包括經濟運行、行業、市場、競爭對手等數據。為了應對外部環境變化所帶來的風險，企業必須充分掌握外部環境的發展現狀以增強自身的應變能力。大數據分析技術在宏觀經濟分析、行業市場調研中得到了越來越廣泛的應用，已經成為企業提升管理決策和市場應變能力的重要手段。

工業4.0落地中國企業，工業大數據是一項重要抓手。利用工業大數據分析，可以找出隱性的問題并預測未知情況的發生，有助于及時地做好預防，避免故障和偏差。結論

以三一重工18號工廠作為研究對象.對其運作方式、運作特點進行了較為詳細地分析與討論，從而得出工廠的智能化基因。并且進一步得出了智能工廠的框架，為系統化建設智能工廠打下了基礎。主要的研究結論如下：

1.在理論上對數字化工廠、智能工廠和智能制造進行了分析指出，要又好又快地發展智能工廠就必須先建設好數字化工廠。

2.對比三一重工18號工廠實現智能化之后生產效率得到提升，直觀地反映了智能化對制造業帶來的好處。

3.通過對18號工廠的生產線、物流系統、執行系統、控制中心進行分析，找到了工廠可實現智能化的內在基因。也就是在設備聯網+遠程數據采集的基礎上，實現智能化的生產過程管理與控制，從6個方面打造適合中國國情的智能工廠(1)。

4.概括了智能工廠的框架，提出了運用大數據分析，做好CPS和三個集成是實現智能工廠的前提條件，而智能工廠的標志就是生產流程智能化，生產設備動態適應個性化的產品需求。

參考文獻

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第四篇：智能設備的發展現狀分析及前景展望

智能設備的發展現狀分析及前景展望

石延輝，李澍森，左文霞，馮字

(國網電力科學研究院，湖北武漢430074)

摘要：總結了在智能設備研制過程所涉及的各項關鍵技術的進展情況，然后通過梳理將現有智能設備劃分為開關、變電站自動化裝置和電力電子裝置三大類并分析了其發展現狀。最后指出在堅強智能電網成為我國電網發展趨勢的背景下，智能設備長期內將存在改進本體和增加附件兩種研制路線。

關鍵詞：堅強智能電網；智能設備；發展趨勢

中圖分類號：TM76 文獻標識碼：B引言

隨著建設堅強智能電網的開展，迫切需要研制智能設備，使現有電氣設備具有自我檢測、自我診斷和自我控制功能，以適應信息化、自動化、互動化的要求，從而使之成為智能電網的一個有機組成部分。眾所周之，所謂智能化就是指使對象具備準確的感知功能、正確的思維與判斷功能以及行之有效的執行功能而進行的工作。設備智能化是一種理念、一種方法、一個發展和進步的過程，其目的是使設備通過人工智能的部分或全部功能，尤其是應用現代計算機和網絡技術，使產品達到最佳工況。目前市場上充斥著各種所謂的智能設備，在智能電網框架下如何研制智能設備，其發展方向如何，本文通過介紹智能設備所涉及的關鍵技術，對現有智能設備進行了分類，并對智能設備的發展方向進行了瞻望。2 智能設備涉及的關鍵技術

智能設備主要包括兩方面的關鍵內容：自我檢測是智能設備的基礎；自我診斷是智能設備的核心。其所涉及到的關鍵技術主要有以下幾個方面。

2．1 檢測與傳感技術

智能電網首先必須具備靈敏準確的感知功能，這是實現智能化功能的前提。智能設備二次電路已全部有智能監控單元取代，所需功率比傳統設備大大降低，不再需要互感器輸出較高的功率。因此，在智能設備中電量測量越來越多的應用羅柯夫斯基(Rogowski)電流傳感器、霍爾電流／電壓傳感器、光學電流／電壓傳感器等新型電量傳感器，而近年來非電量傳感器在檢測溫度、油色譜、sF 氣體含量等參數上，尤其是在變壓器、電抗器的安全運行中發揮了越來越大的作用。光學電流互感器(Optical Current Transformer，OCT)和光學電壓互感器(Optical Potential Transformer，OPT)是近年發展比較快的一類新型電量傳感器，它也是目前電氣工程領域前沿研究課題之一。現在很多國家已研制出可用于測量高達500kV電壓的系列光學電壓互感器，但其穩定性和可靠性還存在相當大的問題。

因羅氏線圈本身和被測電流回路沒有電路的聯系，而是通過電磁場耦合，且鐵心沒有飽和問題，測量范圍寬，甚至可以測量含有大的直流分量的瞬態電流，因此羅氏線圈將在智能電網尤其是智能配電網領域發揮越來越大的作用。

近年來，國外一些公司也開發了將電流測量和電壓測量組合到一起的組合傳感器，其電流測量多是采用羅氏線圈，而電壓測量有的采用電阻分壓器，有的采用電容分壓器。

2．2 通訊技術

信息化與自動化的實現離不開網絡和通信技術的發展，網絡與通信技術是智能設備控制系統中不可缺少的內容。現有的變電站內通信一般是依靠現場總線完成的，它通過連接運行現場各設備，實現現場設備和上級變電站綜合自動化系統間信息傳輸。

現場總線是用于現場儀表與控制系統和控制室之間的一種全分散、全數字化、智能、雙向、互聯、多變量、多點、多站的通信網絡，具有開放性、互可操作性與互用性、現場設備的智能化與功能自治性、系統結構的高度分散性以及對現場環境的適應性等鮮明技術特點。它的結構特點打破了傳統一對一的設備連接，可直接在現場完成，實現分散控制。同時，為了實現現場設備的“即插即用”，IEC61850通過面向對象、面向應用開放的自我描述，對數據對象統一建模，使用分層的思路，采用與網絡獨立的抽象通信服務接口對電力系統的配置進行管理，加強了設備間的互動性。

總線技術及數字化通信網絡技術的應用，可以把現場輸、配電設備和用電設備通過智能設備連接成類似計算機通信網絡的系統，實現對設備運行、用電質量、供電質量及供電系統的智能化、自動化管理，滿足智能電網的需求。

2．3 自診斷技術

功能完備的智能設備必須具備靈敏準確的感知功能、正確的思維與判斷功能以及行之有效的執行功能。感知功能是傳感器的任務，思維和判斷則是控制器的功能，其主要技術就是自診斷技術。目前自診斷技術的研究主要集中在專家系統、模糊邏輯控制、人工神經網絡以及其它人工智能方法。

眾多自診斷技術其一致性在于模仿人在操作控制過程中的思維和邏輯推理，這也是設備實現智能化最為關鍵的步驟，直接決定了設備智能化程度的高低。目前，最具影響的就是專家系統，其在醫療方面已經取得了顯著的成果。

專家系統的主體是一個基于知識的計算機程序系統，其內部具有某個領域中大量專家水平的知識和經驗，能夠利用人類專家的知識和解決問題的方法來解決該領域的問題。其最具有吸引力、也是難度頗大的領域之一就是專家控制。專家控制可以看成是對一個“控制專家”在解決控制問題或進行控制操作時的思路、方法、經驗、策略的模擬。

2．4 電磁兼容技術

智能設備是傳統電氣設備與計算機技術、數據處理技術、控制理論、傳感器技術、網絡通信技術、電力電子技術等相結合的產物。因此，從本質上說是一種機電一體化設備，是一個“弱電”和“強電”相混合的系統，這也致使其電磁兼容性越來越成為系統設計、制造、調試中需要考慮的重要問題。

電力系統本身就是一個強大的電磁干擾源，在正常和異常狀態下都會產生多種形式的電磁干擾。例如開關操作、短路電流故障等產生的電磁暫態過程；供電網的電壓波動、電壓突降和中斷、電力系統諧波等。電磁干擾的抑制主要可采用抑制干擾源和切斷傳播途徑等方法。

2．5 可靠性技術

智能設備是一種高度自動化的機電一體化設備，由于其結構復雜，在系統中的作用十分重要，因此對智能設備的可靠性有很高的要求。元器件的可靠性、技術設計、工藝水平和技術管理等共同決定了電子產品的可靠性指標。提高產品的可靠性，必須掌握產品的失效規律，只有對產品的失效規律進行全面的了解，才能采取有效的措施來提高產品的可靠性。目前市場上的智能設備分類

國內的智能設備發展已有l0多年歷史，從開始時的引進、仿制、消化吸收、改進到現在的自主創新設計，已經取得了很多成果。目前，市場上所謂的智能電氣類設備主要可以分為以下幾類。

3．1 開關類

其中最具代表性的是DW45系列智能化萬能式斷路器。它是我國第三代萬能式斷路器。與第二代萬能式斷路器DW15系列相比體積與用銅量明顯減少，分斷能力與可靠性明顯提高。更主要的是，該產品脫扣器采用微處理器技術，使DW45系列斷路器帶有智能化功能。

同時，國產框架斷路器(簡稱ACB)中的控制器具有過載長延時，短路短延時、短路瞬時，接地故障等四段保護和中性極保護，負載監控保護、區域聯鎖選擇性保護、MCR保護、電機保護和自診斷、熱記憶、通信聯網功能，最近還將數字儀表和分析儀表的三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數、頻率、有功電能、無功電能、諧波分析，錄波、故障記錄、需量電流、需量功率等多種功能進入到控制器中，這些功能已超過國外同類產品。

3．2 變電站自動化類

我國變電站自動化系統從初始研發到超／特高壓變電站的普及應用總共花了七八年時間。變電站自動化系統與上一代常規二次設備相比明顯具有占地面積小、功能強、可靠性高等優點，2000年以后我國變電站自動化領域里的主要智能化電氣技術已經達到國際先進水平。究其原因，一是采用了國外最先進的器件，并在原理設計和邏輯功能的軟件設計上結合了我國電力系統運行的實際要求，因而比進口產品的性價比更高；二是西方發達國家的電力基本飽和，采用新技術、新裝備的興趣和空間有限，而我國是發展中國家，電網是發展中的電網，國內市場大，變電站自動化技術一經成熟后就在電網建設中及時推廣，并在大量應用中技術水平又不斷得到提高；三是我國有一大批從事電力系統二次設備研發的科研院所、高等學校以及十多家專業廠家，總體研究力量和生產能力超過目前世界上任何一個國家。

3．3 電力電子類

電力電子器件本身具有控制電能的能力而不必依賴其它開關技術，因此，電力電子技術可以完全更理想和更徹底的實現電氣智能化。柔性 交流輸電系統(FACTS)是大功率電力電子器件在高壓領域直接完成設備智能化的典范，其包括靜止無功補償器(SVC)、靜止同步補償器(STATCOM)、高級靜止無功發生器(ASVG)、故障電流限制器(FCL)、有源電力濾波器(APF)、統一電能質量調節器(UPQC)、磁閥式可控電抗器(MCR)等。

自2003年6月始，我國第一個TCSC工程(平果TCSC)在南方電網天廣線天生橋至平果段處平果側建成投運，可為“西電東送”增加約300MW 的輸電容量，同時，改善了系統的暫態穩定性水平及阻尼功率振蕩。成碧220kV可控串補國產化示范工程于2004年12月的成功投運，加強了隴南電網與主網的聯系，增強了豐水期送出碧口地區盈余電力的能力，有效解決了甘肅隴南電網存在的水電送出問題。這一系列電力電子類智能化設備在電網的應用揭開了智能設備的新篇章，為智能電網的建設將發揮巨大作用。智能設備的發展趨勢

早在30年前，人們就開始在配電系統實踐開關設備的智能化，其典型設備就是自動重合器與自動分段器。隨著計算機技術和數字信息處理技術的發展，使得智能化設備沿著兩條路線發展。

其一是以解決現有電器設備的危害為主，通過采用微機技術和DSP技術等，生產智能控制器，附加與現有設備上，例如準同期控制器、涌流抑制器、自動重合器和自動分段器等；

其二是以電力系統的需求為主，采用大功率電力電子技術等生產制造智能化本體電器設備解決電力系統安全、穩定等問題，例如SVC、APF和UPQC等。近來，建設智能電網的提出為智能設備的大力發展提供了前所未有的良好環境，在相當長的一段時間內仍將是兩條路線并行發展。我們應抓住機遇，無論采用哪種發展路線，都應注重在以下方面取得突破：

(1)在配電和低壓智能設備領域，應注重通訊功能和網絡化的實現，重視信息一體化采集和處理技術研究，這是智能配網的關鍵組成部分。

(2)在高壓和超高壓智能設備方面，應加快光纖數字電力互感器及相關測控、保護技術的研究，這是現代二次回路及自動化系統的發展趨勢，是未來變電站自動化領域的制高點；該技術的發展主要取決于電磁兼容、絕緣、耐環境條件及有關新材料等關鍵技術的解決。結語

我國目前智能設備的發展水平還是比較初級的。由于歷史原因，一次設備、二次設備研究及制造廠家相對分離，給智能設備一體化設計制造帶來很大的困難，造成了智能化產品性能及技術水平較低，難以滿足智能電網需求。實際上，國內外設備智能化的理論水平差距并不大，且隨著國網公司對下屬研究院專業整

合的深入開展及各個企業的積極參與，進一步加大了對一二次設備一體化優化設計研究力量的投入，相信我國在智能設備領域必將站在世界電網設備發展的前沿。

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作者簡介：石延輝(1981一)．男．河南郟縣人。工程師．研究方向為智能電網關鍵設備。電能質量治理及控制．分布式供電及微網技術。

李澍森(1954一)．男．湖北大冶人，教授級高工。研究方向為電能質量治理及控制，分布式供電及徽網技術，智能電網關鍵設備。

左文霞(1985一)．女．湖北仙桃人。工程師．研究方向為電能質量控制。分布式供電及微網技術。

馮宇(1978一)．男，內蒙古呼和浩特人。博士．研究方向為電能質量控制。電力電子技術。

第五篇：長沙計算機輔助設計與制造專業前景

長沙計算機輔助設計與制造專業前景

（湖南信息職業技術學院教務處，湖南 長沙410200）

一、專業設置

(一)、專業設置的社會背景、行業背景和依據

世界高科技競爭和突破正在創造著新的生產方式和經濟秩序，高新技術滲透到各種傳統行業，使傳統的工作方式發生了革命性的變化。特別是在機械設計和機械制造領域，計算機的應用得到了長足的發展。利用計算機以及相關軟件進行機械設計和機械制造已成為機械行業的發展方向。利用計算機以及相關軟件進行機械設計和機械制造可以大大提高設計效率和制造效率，可以大大提高設計水平和制造水平。現代機械行業急需大量既懂傳統機械知識又能熟練使用計算機進行輔助設計和輔助加工的一線專業技術人員。計算機輔助設計專業正是這場新技術革命中產生的新興領域。

(二)、專業的社會需求預測分析

我們正處于科學技術日新月異的時代，信息技術飛速發展，新技術、新工藝、新設備不斷產生。技術進步對社會職業的種類和職業活動的內容產生了極大的影響，也導致產業結構和職業結構的不斷更新、變化，新舊工種的更替周期加快，職業流動愈加頻繁。作為培養一線生產和管理崗位人才的職業技術學院，更應關注職業需求的變化趨勢。調研情況表明，傳統的機械工業已增加了新的內涵，產品的加工制造手段也逐漸被新技術所取代。通過調研我們發現目前機械行業最缺的人才:一是復合型管理人才，即既懂技術又懂管理，能按市場經濟規律組織產品生產，把握企業方向的高級人才;二是具有創新意識的高級技術人才;三是既懂技術又懂營銷，了解市場行情，又能提出改進意見的人才;四是智能型高級技工。通過分析，我們認為對于高等職業技術學院，我們的培養目標是使畢業生走人工作崗位后，經過鍛煉最終成為后兩種人才。調研情況還表明，傳統的機械行業中的某些傳統的工作方式正逐漸被新的工作方式所代替。自動化程度越來越高。現代化的機械行業對精通計算機輔助設計和計算機輔助制造的技術人才需求越來越大。近年來，不少的高等院校的高等職校同樣也開辦類似的計算機輔助設計專業，但專業方向有所不同，實際上完全相同的專業人數并不過剩。

(三)、專業現狀

1.我國急需計算機輔助設計技術人才 在我國的勞動力市場上，對機電專業人員的大量需求反映了這一趨勢。近幾年來，高等職業技術院校的機械方面的計算機輔助設計畢業生更是供不應求，就業前景一片光明。在未來的幾年甚至十幾年內，對計算機輔助設計畢業生的需求將會是有增無減。因此，我們要充分利用這一契機，發揮職業教育的優勢，加大計算機輔助設計專業教學改革的力度，迅速擴大在計算機輔助設計人才培養市場的份額。

2..新形勢的發展需求大量的專業人才 隨著畢業生就業制度改革的不斷深入，畢業生已面向人才市場，面向社會，打破地區、行業限制，自主擇業，雙向選擇，其中許多畢業生要到南方沿海地區條件好的機電企業謀職，這勢必也會加大人才的需求量。21世紀機電技術的新發展及隨著我省中部崛起戰略政策的實施，先進技術的利用規模將不斷擴大，迫切需要大量高素質的計算機輔助設計專業人才。我系計算機輔助設計已與奇瑞等多家企業簽訂了學生就業合同，每年將輸送多名的優秀畢業生。因此，計算機輔助設計專業高職人才具有長遠而廣闊的社會需求