智能制造系统架构_智能制造系统的特征_智能制造系统基础要素

　　智能制造系统是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化智能系统，它在制造过程中能以一种高度柔性与集成不高的方式，借助计算机模拟人类专家的智能活动进行分析、推理、判断、构思和决策等，从而取代或者延伸制造环境中人的部分脑力劳动。

　　同时，收集、存贮、完善、共享、集成和发展人类专家的智能。特征：自组织能力；自律能力；自学习和自维护能力；整个制造环境中智能继承。

　　智能制造系统架构通过生命周期、系统层级和智能功能三个维度构建完成，主要解决智能制造标准体系结构和框架的建模研究。如图1所示。

　　图 1 智能制造系统架构

　　1、生命周期

　　生命周期是由设计、生产、物流、销售、服务等一系列相互联系的价值创造活动组成的链式集合。生命周期中各项活动相互关联、相互影响。不同行业的生命周期构成不尽相同。

　　2、系统层级

　　系统层级自下而上共五层，分别为设备层、控制层、车间层、企业层和协同层。智能制造的系统层级体现了装备的智能化和互联网协议（IP）化，以及网络的扁平化趋势。具体包括：

　　（1） 设备层级包括传感器、仪器仪表、条码、射频识别、机器、机械和装置等，是企业进行生产活动的物质技术基础；

　　（2） 控制层级包括可编程逻辑控制器（PLC）、数据采集与监视控制系统（SCADA）、分布式控制系统（DCS）和现场总线控制系统（FCS）等；

　　（3） 车间层级实现面向工厂/车间的生产管理，包括制造执行系统（MES）等；

　　（4） 企业层级实现面向企业的经营管理，包括企业资源计划系统（ERP）、产品生命周期管理（PLM）、供应链管理系统（SCM）和客户关系管理系统（CRM）等；

　　（5） 协同层级由产业链上不同企业通过互联网络共享信息实现协同研发、智能生产、精准物流和智能服务等。

　　3、智能功能

　　智能功能包括资源要素、系统集成、互联互通、信息融合和新兴业态等五层。

　　（1） 资源要素包括设计施工图纸、产品工艺文件、原材料、制造设备、生产车间和工厂等物理实体，也包括电力、燃气等能源。此外，人员也可视为资源的一个组成部分。

　　（2） 系统集成是指通过二维码、射频识别、软件等信息技术集成原材料、零部件、能源、设备等各种制造资源。由小到大实现从智能装备到智能生产单元、智能生产线、数字化车间、智能工厂，乃至智能制造系统的集成。

　　（3） 互联互通是指通过有线、无线等通信技术，实现机器之间、机器与控制系统之间、企业之间的互联互通。

　　（4） 信息融合是指在系统集成和通信的基础上，利用云计算、大数据等新一代信息技术，在保障信息安全的前提下，实现信息协同共享。

　　（5） 新兴业态包括个性化定制、远程运维和工业云等服务型制造模式。

　　4、示例解析

　　智能制造系统架构通过三个维度展示了智能制造的全貌。为更好的解读和理解系统架构，以可编程逻辑控制器（PLC）、工业机器人和工业互联网为例，分别从点、线、面三个方面诠释智能制造重点领域在系统架构中所处的位置及其相关标准。

　　（1）可编程逻辑控制器（PLC）

　　图 2 PLC在智能制造系统架构中的位置

　　PLC位于智能制造系统架构生命周期的生产环节、系统层级的控制层级，以及智能功能的系统集成，如图2所示。已发布的PLC标准主要包括：

　　GB/T 15969.1可编程序控制器 第1部分：通用信息应用和实现导则

　　IEC/TR 61131-9可编程序控制器 第9部分：小型传感器和执行器的单量数字通信接口（SDCI）

　　（2）工业机器人

　　图 3 工业机器人在智能制造系统架构中的位置

　　工业机器人位于智能制造系统架构生命周期的生产环节、系统层级的设备层级和控制层级，以及智能功能的资源要素，如图3所示。已发布的工业机器人标准主要包括：

　　GB/T 19399-2003 工业机器人 编程和操作图形用户接口

　　GB/Z 20869-2007 工业机器人 用于机器人的中间代码正在制定的工业机器人标准主要包括：

　　20120878-T-604 机器人仿真开发环境接口

　　20112051-T-604 开放式机器人控制器通讯接口规范

　　（３）工业互联网

　　图 4 工业互联网在智能制造系统架构中的位置

　　工业互联网位于智能制造系统架构生命周期的所有环节、系统层级的设备、控制、工厂、企业和协同五个层级，以及智能功能的互联互通。已发布的工业互联网标准主要包括：

　　GB/T 20171-2006 用于工业测量与控制系统的EPA系统结构与通信规范

　　GB/T 26790.1-2011 工业无线网络WIA规范 第1部分：用于过程自动化的WIA系统结构与通信规范

　　GB/T 25105-2014 工业通信网络 现场总线规范 类型10:PROFINET IO规范

　　GB/T 19760-2008 CC-Link控制与通信网络规范

　　GB/T 31230-2014 工业以太网现场总线EtherCAT

　　GB/T 19582-2008 基于Modbus协议的工业自动化网络规范

　　GB/Z 26157-2010 测量和控制数字数据通信 工业控制系统用现场总线 类型2：ControlNet和EtherNet/IP规范

　　GB/T 29910-2013 工业通信网络 现场总线规范 类型20：HART规范GB/T 27960-2011 以太网POWERLINK通信行规规范

　　一个智能制造系统具有什么样的特征才称得上智能制造？至少有五点：人机一体化，虚拟现实，具有自组织和超融性的能力，具有学习能力和自我维护能力，有自律的能力。下面我们来进行解读，什么叫自律能力？

　　一个机器，一个设备要能够自律，首先它一定要能够感知，感知和理解环境信息和自身信息，并进行分析和判断来规划自身的行为和能力。具有自律能力的设备称为智能机器，智能机器在一定程度上表现出独立性、自主性、个性，甚至相互之间能够协调、运行、竞争，要有自律的能力，能够感知环境的变化，能够跟随环境的变化自己作出决策来调整行动。要做到这一点，一定要有强有力的支持度和记忆支持的模型为基础，它才可能具有自律能力。

　　智能制造系统不单纯是一个人工智能系统，而是人机一体化的智能系统，它不仅有逻辑思维、形象思维，而且具有灵感。它能够独立地承担起分析、判断、决策的任务。人机一体化的智能系统，在智能机器的配合下能够更好的发挥出人的潜力，使人机之间表现出一种平等共事、互相理解、互相协作的关系。因此，在智能制造系统当中，高素质、高智能的人将发挥更好的作用。机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，永远是人机一体化的。

　　最近一段时间以来，我国浙江、江苏、广东都提出了机器换人，由于劳动力紧张，招工困难，劳动力成本上升，他们提出了机器换人。政府拿出大量资金来补贴企业，如果你实施机器换人，政府补贴30%。这样做之后发现，引进一些装备机器人来之后会操作了，他要的人的素质完全变了。原来是普通劳动者，农民工经过训练就可以做了，机器人来之后，人反而不适应了。具有编程的人要让机器人为你服务，要维护机器人，人跟不上了。所以我们在装备不断改进的同时，其实工作环境、工作条件对人的要求也都发生了变化。

　　虚拟现实，实现虚拟现实技术也是实现高水平的人机一体化的关键技术之一，虚拟现实技术是以计算机为基础，融合信号处理、动画技术、智能推理、预测、反真多媒体技术为一体，借助多种音像和传感器，虚拟展示现实生活当中各种过程、部件，因而能够模拟制造过程和未来的产品。从感官和视觉上给人获得完全如真实的感受，它的特点是可以按照人的意志、意念来变化，这种人机结合的新一代的智能界面是智能制造的显著特征。

　　我们搞自动化工厂，物流自动化也可以利用虚拟现实的技术，我给你设计一条生产线，这个生产线未来是什么样的，机器是怎么样的动作？我可以通过我的设计，通过虚拟现实给你展示出来，机器还没出来，但我可以给你提供未来整个生产线是什么样的，机器装备是怎么样的动作，物流是如何搬运的活动都可以让你事先看到。我们面对虚拟现实来讨论这个方案，你认为哪个地方还不合适需要改进？

　　自组织和超融性，在智能制造系统当中，各组成单元能够根据任务的需要自行的组成一种结构，它的容性不仅表现在运行方式，而且表现在结构形式上，所以称这种融性叫超融性。就好像一群人类专家组成的群体，它具有一种生物的特征。根据环境的变化，它可以有自组织的能力。

　　学习能力和自我恢复能力。智能制造系统里能够在实践当中不断充实知识库，具有自学习能力。在运行当中能进行故障诊断，并对故障进行排除，自行恢复能力。这种特征是 智能制造系统 能够自我优化，适应各种复杂的环境。作为智能制造，应具有这样的特征。

　　智能制造系统架构通过生命周期、系统层级和智能功能三个维度构建完成，主要解决智能制造标准体系结构和框架的建模研究。

　　生命周期是由设计、生产、物流、销售、服务等一系列相互联系的价值创造活动组成的链式集合。

　　系统层级包括设备层、控制层、车间层、企业层和协同层，共五层。智能制造的系统层级体现了装备的智能化和互联网协议（IP）化，以及网络的扁平化趋势。

　　智能功能包括资源要素、系统集成、互联互通、信息融合和新兴业态五层。

　　（1）资源要素包括设计施工图纸、产品工艺文件、原材料、制造设备、生产车间和工厂等物理实体，也包括电力、燃气等能源。此外，人员也可视为资源的一个组成部分。

　　（2）系统集成是指通过二维码、射频识别、软件等信息技术集成原材料、零部件、能源、设备等各种制造资源。由小到大实现从智能装备到智能生产单元、智能生产线、数字化车间、智能工厂乃至智能制造系统的集成。

　　（3）互联互通是指通过有线、无线等通信技术，实现机器之间、机器与控制系统之间、企业之间的互联互通。

　　（4）信息融合是指在系统集成和通信的基础上，利用云计算、大数据等新一代信息技术，在保障信息安全的前提下，实现信息协同共享。

　　（5）新兴业态包括个性化定制、远程运维和工业云等服务型制造模式。