在實現智能制造過程中智能工廠的升級方向

作為智能制造核心的智能工廠，其基本設想是制造的整個生產價值鏈中所集成的生產設施能夠實現自組織，以及能夠根據當前的狀況靈活地決定生產過程。數字化車間的目標是建立一個高度靈活的個性化和數字化的產品與服務的生產模式。在這種模式中，傳統的行業界限將消失，并會產生各種新的活動領域和合作形式。

在智能制造中每個工廠企業都將建立“數字企業平臺”，通過開放接口將虛擬環境與基礎架構融為一體，從而構成信息物理融合系統(CPS)，生產自動化系統將升級為信息物理融合生產系統。智能制造將由集中式控制向分散式增強型控制基本模式轉變。在這種模式中，傳統的行業界限將消失，并會產生各種新的活動領域和合作形式。創造新價值的過程正在發生改變，產業鏈分工將被重組，將使人類從“自動化生產”進入“智能化生產、綠色生產、都市化生產”。

智能制造將成為智能的網絡世界的一部分。在一個智能的網絡世界，所有主要工業領域都將感受到它的存在。物聯網及其服務推動這些領域產生重大變革，從而產生了能源領域的智能電網，可持續的移動策略(智能汽車、智能倉儲) 以及健康領域的智能健康。在制造環境中，實現橫跨整個價值網絡的垂直網絡化、端到端工程和水平集成，價值網絡上的產品和系統日益智能化。

智能制造集中于創建智能產品、規范和方法。智能工廠制定智能制造的主要細節內容。智能工廠能夠管控各種復雜情況，很少發生停車，并能更有效地制造產品。在智能工廠中，人員、機器和資源相互之間進行通信，就像在社交網絡一樣。智能產品能夠知道它們被制造和打算被使用的詳細情況。它們主動支持制造過程，回答諸如“什么時候我被加工？”“處理產品的哪一個參數？”“產品被傳遞到何處？”等問題。智能產品與智能汽車、智能物流和智能電網相對接，將使得智能工廠成為將來智能基礎設施的主要部分。這將使常規價值鏈發生變革，并出現新的業務模式。

在實現智能制造過程中，目的是通過建立在勞動力技能、特長和知識專利基礎上的系統創新進程，通過影響現有技術和經濟潛能的手段，創建一個最佳的、全面的一攬子解決方案。智能制造將能夠為工程、規劃、制造、運行和物流整個過程，提供整套具有更強的靈活性、可靠性以及高質量的標準，從而能夠有效創建動態的、實時最佳的、自組織的價值鏈。該價值鏈可以按照諸如成本、可用性和資源消耗等各種準則實現最佳化。

智能制造在戰略層面能夠創建水平價值網絡，在業務流程層面(包括工程)提供跨越整個價值鏈的端到端集成，同時能夠實現垂直集成和網絡化制造系統，具體化為以下三方面特征。

(1) 水平集成：為了構建和成功地擴展兩個主導的市場，位于不同地方的業務部門構成閉合的全局網絡是十分必要的，同時不同的企業之間必須開展緊密合作，這就需要不同的價值創建階段和產品生命周期及其相應的制造系統的邏輯的、端到端的數字集成。在生產、自動化工程和工廠領域，水平集成是指用于制造和業務規劃流程不同階段的各種工廠系統的集成，其中包括在公司內部和幾個不同公司之間的集成。該集成的目標是提供端到端的解決方案。

(2) 端到端系統工程：跨越整個價值鏈的端到端系統工程包括產品設計和開發、生產規劃、生產工程、生產實施以及服務五個階段。五個階段的具體任務如下。

① 產品設計和開發：使用PLM 軟件虛擬開發、規劃和最佳化，用虛擬原型有效縮短開發時間，對原型進行虛擬分析。

② 生產規劃：工業軟件和自動化技術集成，用工業軟件仿真生產規劃并進行最佳化，縮短上市時間。

③ 生產工程：在獨立系統之間無縫通信，對所有的自動化任務進行統一的訪問，建立統一的信息平臺。

④ 生產實施：采用節能和節約資源的部件及其解決方案提高生產效率，通過MES 系統獲得最佳生產性能，采用自動化和驅動集成解決方案。

⑤ 服務：在垂直市場和生產過程知識專利基礎上，建立與產品、系統以及應用有關的全生命周期服務，遠程診斷與維護能源管理服務，自動化系統功能安全和信息安全評估與測試等。端到端系統工程需要采用跨越不同技術學科的性能整體性系統工程方法。

貫穿工程流程的端到端數字集成，橫跨不同的公司和整個產品價值鏈，同時考慮用戶需求，將數字世界和真實世界進行集成。端到端數字系統工程和由此產生的價值鏈最優化，將意味著用戶不再選擇由制造商指定的預先定義了性能范圍的產品，取而代之的是將單個功能和部件配合，以滿足指定的要求。

通過CPS 實現的基于模型的開發，允許采用一種端到端、模型化的數字方法，它包括從用戶需求到產品結構，直至最終產品生產。這就使得在一個端到端系統工程工具鏈中就能識別和描述所有的依賴關系?；谕荒Ｐ湍軌蚱叫械亻_發制造系統，這就意味著它與產品的開發始終保持并駕齊驅，其結果是使得制造單批量產品亦能獲利成為可能。

(3) 垂直集成和網絡制造系統：垂直集成是指為了能夠實現端到端的解決方案，在不同層級(例如執行器和傳感器、控制、生產、管理、制造和執行以及公司規劃級)的各種工廠系統的集成。垂直集成的基礎架構就在一個具體的工廠內。在將來的智能工廠中，制造流程的結構將不再是固定的和預先定義的。取而代之，將定義一套IT 配置規則。該規則依據模型、數據、通信和算法，能夠依據各種情況，針對每個處境構建一個特定的結構(拓撲)，從而實現制造系統的自組織和重新配置性。

為了實現垂直集成，需要確保執行器和傳感器信號能夠跨越不同層級，一直傳送到ERP 級。由于CPS 信息物理融合系統進入制造和物流的技術集成，以及在工業流程中使用物聯網及其服務，從而產生了創新的工廠系統———智能工廠。

完全不同于傳統的工廠自動化系統，智能工廠采用面向服務的體系架構，對應于傳統自動化系統的現場級，使用物聯網技術；對應于控制級，采用CPPS 信息物理融合生產系統；對應的監控管理級連接到安全可靠和可信的云網絡主干網，采用服務互聯網提供的服務。

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