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智能制造的內涵

(一)概念關于智能制造的研究大致經歷了三個階段:起始于20世紀80年代人工智能在制造領域中的應用,智能制造概念正式提出,發展于20世紀90年代智能制造技術、智能制造系統的提出 , 成熟于21世紀以來新一代信息技術條件下的“智能制造(Smart Manufacturing)”。

世紀80年代:概念的提出。1998年,美國賴特(Paul Kenneth Wright )、伯恩(David Alan Bourne)正式出版了智能制造研究領域的首本專著《制造智能》(Smart Manufacturing),就智能制造的內涵與前景進行了系統描述,將智能制造定義為“通過集成知識工程、制造軟件系統、機器人視覺和機器人控制來對制造技工們的技能與專家知識進行建模,以使智能機器能夠在沒有人工干預的情況下進行小批量生產”。在此基礎上,英國技術大學Williams教授對上述定義作了更為廣泛的補充,認為“集成范圍還應包括貫穿制造組織內部的智能決策支持系統”。麥格勞 - 希爾科技詞典將智能制造界定為,采用自適應環境和工藝要求的生產技術,最大限度的減少監督和操作,制造物品的活動。

——20世紀90年代:概念的發展。20世紀90年代,在智能制造概念提出不久后,智能制造的研究獲得歐、美、日等工業化發達國家的普遍重視,圍繞智能制造技術(IMT)與智能制造系統(IMS)開展國際合作研究。1991年,日、美、歐共同發起實施的“智能制造國際合作研究計劃”中提出:“智能制造系統是一種在整個制造過程中貫穿智能活動,并將這種智能活動與智能機器有機融合,將整個制造過程從訂貨、產品設計、生產到市場銷售等各個環節以柔性方式集成起來的能發揮最大生產力的先進生產系統”。

——21世紀以來:概念的深化。21世紀以來,隨著物聯網、大數據、云計算等新一代信息技術的快速發展及應用,智能制造被賦予了新的內涵,即新一代信息技術條件下的智能制造(Smart Manufacturing)。2010年9月,美國在華盛頓舉辦的“21世紀智能制造的研討會”指出,智能制造是對先進智能系統的強化應用,使得新產品的迅速制造,產品需求的動態響應以及對工業生產和供應鏈網絡的實時優化成為可能。德國正式推出工業4.0戰略,雖沒明確提出智能制造概念,但包含了智能制造的內涵,即將企業的機器、存儲系統和生產設施融入到虛擬網絡—實體物理系統(CPS)。在制造系統中,這些虛擬網絡—實體物理系統包括智能機器、存儲系統和生產設施,能夠相互獨立地自動交換信息、觸發動作和控制。

綜上所述,智能制造是將物聯網、大數據、云計算等新一代信息技術與先進自動化技術、傳感技術、控制技術、數字制造技術結合,實現工廠和企業內部、企業之間和產品全生命周期的實時管理和優化的新型制造系統。


(二)特征

智能制造的特征在于實時感知、優化決策、動態執行等三個方面:一是數據的實時感知。智能制造需要大量的數據支持,通過利用高效、標準的方法實時進行信息采集、自動識別,并將信息傳輸到分析決策系統;二是優化決策。通過面向產品全生命周期的海量異構信息的挖掘提煉、計算分析、推理預測,形成優化制造過程的決策指令。三是動態執行。根據決策指令,通過執行系統控制制造過程的狀態,實現穩定、安全的運行和動態調整。


(三)構成

1、智能產品(裝備)

智能產品是發展智能制造的基礎與前提,由物理部件、智能部件和聯接部件構成。智能部件由傳感器、微處理器、數據存儲裝置、控制裝置和軟件以及內置操作和用戶界面等構成;聯接部件由接口、有線或無線聯接協議等構成;物理部件由機械和電子零件構成。智能部件能加強物理部件的功能和價值,而聯接部件進一步強化智能部件的功能和價值,使信息可以在產品、運行系統、制造商和用戶之間聯通,并讓部分價值和功能脫離物理產品本身存在。

智能產品具有監測、控制、優化和自主等四個方面的功能。監測是指通過傳感器和外部數據源,智能產品能對產品的狀態、運行和外部環境進行全面監測;在數據的幫助下,一旦環境和運行狀態發生變化,產品就會向用戶或相關方發出警告??刂剖侵缚梢酝ㄟ^產品內置或產品云中的命令和算法進行遠程控制。算法可以讓產品對條件和環境的特定變化做出反應;優化是指對實時數據或歷史記錄進行分析,植入算法,從而大幅提高產品的產出比、利用率和生產效率;自主是指將檢測,控制和優化功能融合到一起,產品就能實現前所未有的自動化程度。

2、智能生產智能生產是指以智能制造系統為核心,以智能工廠為載體,通過在工廠和企業內部、企業之間以及產品全生命周期形成以數據互聯互通為特征的制造網絡,實現生產過程的實時管理和優化。智能生產涵蓋產品、工藝設計、工廠規劃的數字設計與仿真,底層智能裝備、制造單元、自動化生產線,制造執行系統,物流自動化與管理等企業管理系統等。

3、智能服務通過采集設備運行數據,并上傳至企業數據中心(企業云),系統軟件對設備實時在線監測、控制,并經過數據分析提早進行設備維護。例如維斯塔斯通過在風機的機艙、輪轂、葉片、塔筒及地面控制箱內,安裝傳感器、存儲器、處理器以及SCADA系統,實現對風機運行的實時監控。還通過在風力發電渦輪中內置微型控制器,可以在每一次旋轉中控制扇葉的角度,從而最大限度捕捉風能,還可以控制每一臺渦輪,在能效最大化的同時,減少對鄰近渦輪的影響。維斯塔斯通過對實時數據進行處理預測風機部件可能產生的故障,以減少可能的風機不穩定現象,并使用不同的工具優化這些數據,達到風機性能的最優化。


(四)作用發展智能制造的核心是提高企業生產效率,拓展企業價值增值空間,主要表現在以下幾個方面:一是縮短產品的研制周期。通過智能制造,產品從研發到上市、從下訂單到配送時間可以得以縮短。通過遠程監控和預測性維護為機器和工廠減少高昂的停機時間,生產中斷時間也得以不斷減少。

2020.06.29
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