智能制造系统与标准化发展分析

2023-03-21单芳

科学与信息化 2023年3期

关键词：智能化工业智能

单芳

山东商智伙伴数字科技有限公司山东济南 250000

引言

世界工业技术体系、发展模式、竞争模式发生了巨大的变化。智能制造是一个涉及众多学科的新领域，也是一个十分复杂的系统工程。对智能制造的内涵和组成成分进行科学的理解，进而建立起一套科学的标准体系，是促进智能制造发展的关键。

1 智能制造系统的基本概念

智能制造的研究可以从二十世纪七八十年代开始，到1989年， Kusiak首先提出了“智能制造系统”。“通过知识工程、制造软件系统、机器人视觉和机器人的控制技术，让智能机器能够独立完成小型生产。”从那时起，“智能制造”的概念就逐渐被人们所关注和讨论，但是到目前为止，还没有一个统一的观点[1]。①日、美、欧于1991年联合发起的“智能制造国际合作研究”，将“智能制造系统”界定为将智慧活动贯穿于生产全流程，并将其与智能机械相结合，使其从订货、设计、生产、市场营销等各环节，以灵活的方式整合为一套最具生产力的生产体系。②美国智能制造领军企业联合会（SMLC）于2011年6月发表了《实施21世纪智能制造》的报告。它的定义是：强化应用于先进的智能系统，快速制造新产品，动态反应产品需求，并实现制造与供应链的实时优化。③中国《2015年智能制造试点示范专项行动实施方案》以智能工厂为载体，实现关键制造环节的智能化，基于终端到终端的数据流，通过网络连接，极大地缩短了产品的研发周期、降低了运行费用、提高了生产效率、提高了产品的质量和节约了资源。④IEC是世界电气与电气行业的标准化组织，对智能制造标准的确立给予了高度的关注。2017年，在 IEC/TC65/AHG3 （Imart Manufacturing）下，组建“智能制造”项目组，将“智能制造”这一术语进行了梳理，并提出了“智能制造”的基本概念，其中包括先进设计、制造能力、数字化技术、物联网等基本特性，并与其他企业的合作伙伴一起实现价值增值，实现人员、嵌入、自动化和复杂系统的高效协同。就像英文术语中有“Smart Manufacturing”和“Intelligent Manufacturing”这两个不同的名称一样，通过调查发现，两者在“智能”这一突出的含义上存在着差异，在“smart”的定义中，“灵敏、机灵”的含义更加突出，在自动化的基础上实现了机器的智能；在“intelligent”的定义中，“智能”则更加突出了“智能”的意义。尽管“工业4.0”、“工业互联网”、“工业互联网”以及“智能制造”等概念都没有明确界定，但是“工业4.0”强调的是智能生产和智能工厂，而“工业互联网”则着重于智能装置、智能系统以及智能决策三大要素的集成。通过分析比较以上的定义，提出了基于新一代的信息技术，基于新一代的信息技术，以生产系统为载体，能够根据生产环境的变化，实现特定的优化目的。

2 智能制造系统的核心内容

2.1 智能产品

智能产品是一种具有自感知、自诊断、自适应、自决策等智能特性的产品，它在生产、物流、使用、服务等方面具有一定的智能特性。与普通的非智能产品相比，智能产品通常具有如下特点[2]：能够对自己的状况、所处的环境进行自我感知，并能够进行故障诊断；具有标准的开放式数据接口，具有网络通信的能力；产品的智能化，使得制造业从“被生产”向“主动”的“协作制造”转化。智能产品是一种具有自我感知、适应环境、自主决策和自主决策能力的智能产品。与市面上的普通产品相比，它可以自动调整环境，也可以自动调整产品的运行状态，在使用的时候，它还能自动感应到自己的状态。同时，它还可以与现代物联网和因特网进行通讯，为用户提供网络数据接口，从而实现对多种应用的主动合作。

2.2 智能生产

智能生产是智能生产的关键，它包括设计、工艺和生产过程的智能化。①智能化的开发。智能设计包括产品设计、工艺设计、生产线设计等，并在设计过程中运用智能化技术。利用智能数据分析技术，获得了设计要求，再利用智能创新的方法进行概念提取，对产品的功能和性能进行测试和优化，确保了最终的设计具有科学性和操作性。②智能化技术和设备。生产设备的智能化程度是反映生产技术水平的一个重要指标。智能生产设备能够“主动”地与生产过程相结合，从而达到设备、人员、过程的有效协作。智能制造通过对设备、加工状态、工件材料、环境等方面的信息进行自我分析，并根据产品的设计需求和实时的动态信息做出自我判断，并根据决策命令实现自我执行。③生产工艺的智能化。通过将智能化技术和管理方法应用到生产车间或车间中，实现了生产资源的优化配置，实时优化生产任务和物流调度，实现了生产过程的精细化、智能化决策。

2.3 智能制造模式

随着智能制造技术的不断发展，各种新型的生产模式应运而生。尤其是工业互联网和工业云平台等技术的广泛运用，使得各生产、研发、制造、物流、售后服务等各领域的公司可以进行有效的交流，从而拓展生产的地域和价值[3]。例如家电行业、汽车行业个性化定制模式、电力行业协同开发模式、航空装备行业协同开发模式、云制造模式、远程运维模式等。基于“泛在感知”和“工业大数据”等信息技术，智能制造是基于生产服务的，通过提升企业的运营效率，提高企业的能效，扩大企业的价值链，创造新的价值。另外，智能化生产模式的核心是建立一个一体化的整体解决方案。

3 智能制造系统的国内外标准化进展

3.1 国外智能制造标准化发展现状

目前，世界各国标准化组织都在积极地调整其组织结构、研究内容，以适应目前的发展趋势。与智能制造有关的国际标准主要有：自动化技术，IEC/TC65和ISO/TC184标准覆盖了所有的核心技术，包括生产控制、生产控制、生产执行以及企业的资源管理。在资讯科技领域，国际标准化组织、IEC及其联合技术委员会，都是持续推动资讯科技的通用标准和规范。例如，技术装置的设备安全，装置之间的通信（ISO/IEC8802系列），物联网等，都将与 IE等密切相关，并在全球范围内开展大量的项目合作。

3.2 我国智能制造系统标准化架构

将其核心元素与智能制造标准体系相结合，得到了该标准体系的体系结构。《国家智能制造标准体系建设指南》于2015年末正式颁布，并在此基础上提出了基于智能制造的体系结构。从生命周期、系统层级、智能功能3个方面对智能制造进行了详细的描述。基本通用规格（A）由5个主要部分组成：基础、安全、管理、检测和评价、可靠性；主要技术标准主要有以下5个方面：智能设备、智能工厂、智能服务、工业软件及大数据、工业互联网；工业应用服务（C）涵盖了10个主要的智能制造领域。所设计的智能制造系统的各要素与国内的智能制造标准体系的主体结构基本相符，例如：“智能制造”中包含了“智能服务”和“智能制造”两大类。然而，根据对智能制造的参考模型、智能制造标准体系的分析，目前智能制造标准还有待进一步完善和提高，这主要表现在以下2个方面：①缺乏对“智能产品”的理解。在实现智能制造的同时，也要不断提高智能终端的智能化程度，它直接影响着人们的社会、经济、生活的方方面面。智能化生产系统包括生产设备智能化、智能化、工艺智能化、模式智能化、智能化生产终端智能化等。目前国内的智能制造系统仅包括了智能化设备的标准化，对其标准化要求却忽视了。②随着智能制造技术的快速发展，随着智能化生产技术与手段的不断更新，智能制造的要素构成也随之发生了变化。现有的智能设计、工艺、装备、智能制造工艺已无法完全覆盖“智能生产”的新技术和方法，人工智能、边缘计算、大数据分析等技术已经从传统的制造过程中逐渐转变为智能制造的一种重要的工具和表现。因此，今后的智能制造系统和标准体系必须不断地充实和扩展这些要素的内涵。

4 智能制造系统的关键技术分析

4.1 智能制造技术体系

4.1.1 智能制造基础技术。一般认为，智能化生产的基本技术有：①智能化设备。为解决了智能化制造中设备与设备、装备与智能化产品、软件、物流、检测等方面的信息交换和互联。包含了CNC、传感器、工业机器人、材料加工等设备的通讯、接口、整合、连接等。②先进制造工艺技术。使生产工艺更具弹性，效率更高。例如，采用增材技术，通过对零件的三维数据进行直接加工。人们可以更灵活地进行产品的设计，更注重产品的使用效果，而不是实施。③数字建模与仿真术。在产品设计、工程分析、工艺设计、制造、质量、服务等各个环节中，运用数码技术对产品进行数字化的模拟，从而达到对产品设计、工程分析、工艺设计、制造、质量、服务等方面的全面数值模拟。随着计算机技术的不断进步，数字和实体模型也会逐渐走向融合，例如西门子公司所提倡的Digital Basic Twin技术。运用现代工程技术。通过对人、物、设备、能源、信息等组成的综合生产系统进行设计、改进、实施、确认、预测和评价，并对其进行评价。

4.2 大数据分析技术

数据挖掘、知识发现、决策支持等技术已经广泛地运用于生产实践。近年来，随着大数据的发展，这一领域的研究和应用得到了极大的扩展。制造业中的大数据来自于设备实时监测、 RFID数据采集、在线产品质量检测、远程维护。比如，利用大量的数据，可以在很短的时间内，就能发现产品的不正常的发展趋势，从而对产品的品质产生原因进行分析，从而为产品的预测维护、个性化定制以及产品的优化设计提供技术支撑。

技术和信息技术的作用域分为两个方面：产业控制与生产经营。工业控制包括 DCS，PLC，FCS，SCADA等工业控制系统，在工业通信协议、设备行业规范、行业规范等基础上，实现了设备与系统的兼容与整合。企业的生产运营管理以 MES和ERP为核心，把各类信息、资源整合到整个生命周期中，达到节约能源、优化工艺的目的。第三个层次是服务平台。工业以太网、无线网、物联网、新一代网络等已经在工业云、电子商务、工业大数据等领域得到了应用。为智能服务提供支撑。第四个层面是制造新的制造方式，通过云计算、大数据、电子商务等技术手段，实现智能制造、流程智能制造、个性化定制、网络化协同制造、远程运维服务等新的制造方式。第五层是在典型的离散制造和过程产业中，以上级别的技术内容的实施和应用。并提出了支撑智能制造各层面发展的技术与标准。信息安全和功能安全，智能管理和运维系统。

4.3 工业软件

从财政税收、人才培养、知识产权保护、产业服务体系和软件贸易等几个角度出发，提出了促进工业软件产业发展的对策。通过联盟、论坛等形式，支持企业与生产企业进行技术交流和需求对接，并进行产业软件的研发，以提高企业的定制和二次开发能力。大力发展新的产业软件，促进5G技术的发展和应用，促进5G技术的发展和应用。当前我国许多工业企业在制定智能制造标准时，忽视了其对社会的要求。除了这些，还有很多先进的研究技术，随着智能制造技术的发展，智能制造的流程也在发生着变化，传统的智能设计和工艺已经不能满足智能制造的要求，所以大数据挖掘技术和人工智能技术已经成为智能制造应用的重要辅助手段。