2.2 智能工廠及智能機器

2.2.1 智能工廠及其三個維度

第四次工業(yè)革命將要來臨，只有對工業(yè)4.0與工業(yè)互聯(lián)網進行深入分析，掌握以德國美國為代表的發(fā)達國家在本輪產業(yè)變革中的施政路徑、方向和重點，才能進一步完善我國兩化融合戰(zhàn)略，真正做到知己知彼，才能不斷縮小我國與發(fā)達國家間的差距，甚至在某些領域進一步趕超。未來的趨勢是互聯(lián)網與制造業(yè)緊密聯(lián)合，21世紀無處不在的互聯(lián)網平臺與其他先進計算機科技都將推動制造業(yè)的發(fā)展，工業(yè)4.0的重點是創(chuàng)造智能產品、程序和過程。工業(yè)4.0的一個關鍵特征是智能工廠，如圖2-3所示。

智能工廠是在制造過程中能以一種高度柔性與集成度高的方式，借助計算機模擬人類專家的智能活動進行分析、推理、判斷、構思和決策等，從而取代或者延伸制造環(huán)境中人的部分腦力勞動。同時，收集、存貯、完善、共享、集成和發(fā)展人類專家的智能。智能工廠支持產品全生命周期的3個重要架構領域，包括產品和系統(tǒng)架構（研發(fā)與制造）、增值和企業(yè)架構（全生命周期）、數(shù)據和信息等組成的IT架構（網絡平臺）。

在智能工廠中，數(shù)字世界與物理世界無縫融合，工廠中的產品包含有全部必需的生產信息、產品的識別、產品定位、生產工藝方案、實際運行狀況、達到目標狀態(tài)的可選路徑等，智能工廠也是實現(xiàn)去中心化的重要一步，實體的物理數(shù)據將通過傳感器的方式獲得。聯(lián)網將通過數(shù)字化通信技術實現(xiàn)，而實體世界中的運營將由人類或者機器人來實現(xiàn)。智能工廠的目標是根據終端客戶，以特定方式來提供定制化服務。只有通過階層性較弱的網絡來互相配合，才能讓這種服務在經濟上取得成功。

在未來智能工廠中的核心系統(tǒng)就是網絡-物理生產系統(tǒng)（Cyber-Physical Production Systems，CPPS）。它包括3個層面：在應用層面，信息從生產控制和運營中獲取；在平臺層面，負責各種IT服務的整合；在元器件層面，提供了傳感器、促動器、機器、訂單、員工和產品。將所有層面集成在一起，就有了數(shù)字化制造。在智能工廠里，人、機器和資源如同在一個社交網絡里一般自然地相互溝通協(xié)作。智能機器是具有感知、分析、推理、決策和控制功能的裝備的統(tǒng)稱。

智能產品通過獨特的形式加以識別，可以在任何時候被定位，并能知道它們自己的歷史、當前狀態(tài)和為了實現(xiàn)其目標狀態(tài)的替代路線。

生產現(xiàn)場集中控制管理系統(tǒng)（Shop Floor Control，SFC）、制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）和制造資源計劃管理系統(tǒng)（Enterprise Resource Planning，ERP），分別處于工廠生產底層（控制層）、制造過程（執(zhí)行層）和制造資源（計劃層）。通過采用這三套系統(tǒng)，企業(yè)能夠充分利用信息技術、物聯(lián)網技術和設備監(jiān)控技術，加強生產信息管理和服務，清楚掌握產銷流程、提高生產過程的可控性、減少生產線上人工的干預，同時，還能及時正確地采集生產線數(shù)據，合理編排生產計劃與生產進度，打造三維智能工廠。

三維智能工廠是集綠色、智能等新興技術于一體，構建一個高效節(jié)能、綠色環(huán)保、環(huán)境舒適的生產制造管理控制系統(tǒng)，其核心是將生產系統(tǒng)及過程用網絡化分布式生產設施來實現(xiàn)。同時，企業(yè)管理包括生產物流管理、人機互動管理，以及信息技術在產品生產過程中的應用，形成新產品研發(fā)生產制造管理一體化。

結合中國工業(yè)現(xiàn)狀，未來5年，中國很多制造型企業(yè)將搭建3層架構模式（SFC-MES-ERP）的智能工廠，從三個維度對企業(yè)資源計劃、制造過程執(zhí)行和生產底層進行嚴密監(jiān)控，實時跟蹤生產計劃、產品的狀態(tài)，可視化、透明化地展現(xiàn)生產現(xiàn)場狀況，推進企業(yè)改善生產流程、提高生產效率，實現(xiàn)智能化、網絡化、柔性化、精益化以及綠色生產。

2.2.2 智能機器的三個基本要素

機器由機械本體系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)兩大系統(tǒng)組成。機械本體系統(tǒng)由動力裝置、傳動部件和工作機構三大部分組成。常見的動力裝置包括電動機、內燃機等；傳動部件是機器的一個中間環(huán)節(jié)，它把原動機輸出的能量和運動經過轉換后提供給工作機構，以滿足其工作要求，主要有機械、電力、液壓、液力、氣壓等傳動方式；工作機構是執(zhí)行機器規(guī)定功能的裝置，如直線運動缸、擺動缸、旋轉輪、曲柄連桿滑塊機構等。電氣控制系統(tǒng)是依據對工作機構的動作要求，對機器的關鍵零部件進行檢測（傳感）、顯示、調節(jié)與控制的裝置，如開關、閥門、繼電器、計算機、按鈕等。

智能機器是全生命周期內機電軟一體化，智能機器的三個基本要素為：信息深度自感知（全面?zhèn)鞲校瑴蚀_感知企業(yè)、車間、系統(tǒng)、設備、產品的運行狀態(tài)；智慧優(yōu)化自決策（優(yōu)化決策），對實時運行狀態(tài)數(shù)據進行識別、分析、處理，自動做出判斷與選擇；精準控制自執(zhí)行（安全執(zhí)行），執(zhí)行決策，對設備狀態(tài)、車間和生產線的計劃做出調整。

裝備智能化包括產品信息化。產品信息化是指越來越多的制造信息被錄制、被物化在產品中；產品中的信息含量逐漸增高，一直到其在產品中占據主導地位。產品信息化是信息化的基礎，含兩層意思：一是產品所含各類信息比重日益增大、物質比重日益降低，產品日益由物質產品的特征向信息產品的特征邁進；二是越來越多的產品中嵌入了智能化元器件（交流伺服壓力機），使產品具有越來越強的信息處理功能。智能化裝備是具有感知、分析、推理、決策和控制功能的裝備的統(tǒng)稱，體現(xiàn)了制造業(yè)的智能化、數(shù)字化和網絡化的發(fā)展要求。

智能制造的特征包括智能工廠（載體）、關鍵環(huán)節(jié)智能化（核心）、端到端數(shù)據流（基礎）和網絡互連（支撐）。智能制造的核心信息設備主要包括4大部分：傳感器、自動控制系統(tǒng)、工業(yè)機器人、伺服和執(zhí)行部件等為代表的關鍵基礎零部件與元器件及通用部件。智能制造的任務之一就是在這些智能裝備上實現(xiàn)突破并達到國際先進水平，重大成套裝備及生產線系統(tǒng)集成水平大幅度提升。

傳感器：重點發(fā)展智能化壓力、溫度、轉矩、流量、物位、成分、材料、力學性能、位置、速度、加速度、流量的檢測。

自動控制系統(tǒng)：最有代表的就是國際上著名的西門子與發(fā)那科數(shù)控系統(tǒng)、國內的廣州數(shù)控與華中數(shù)控系統(tǒng)。

伺服和執(zhí)行部件：主要包括交直流伺服電動機、伺服電動缸、液壓與氣動比例及伺服閥、變頻器、伺服驅動器等。