2.2 智能工厂及智能机器

2.2.1 智能工厂及其三个维度

第四次工业革命将要来临，只有对工业4.0与工业互联网进行深入分析，掌握以德国美国为代表的发达国家在本轮产业变革中的施政路径、方向和重点，才能进一步完善我国两化融合战略，真正做到知己知彼，才能不断缩小我国与发达国家间的差距，甚至在某些领域进一步赶超。未来的趋势是互联网与制造业紧密联合，21世纪无处不在的互联网平台与其他先进计算机科技都将推动制造业的发展，工业4.0的重点是创造智能产品、程序和过程。工业4.0的一个关键特征是智能工厂，如图2-3所示。

图2-3 智能工厂

智能工厂是在制造过程中能以一种高度柔性与集成度高的方式，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。智能工厂支持产品全生命周期的3个重要架构领域，包括产品和系统架构（研发与制造）、增值和企业架构（全生命周期）、数据和信息等组成的IT架构（网络平台）。

在智能工厂中，数字世界与物理世界无缝融合，工厂中的产品包含有全部必需的生产信息、产品的识别、产品定位、生产工艺方案、实际运行状况、达到目标状态的可选路径等，智能工厂也是实现去中心化的重要一步，实体的物理数据将通过传感器的方式获得。联网将通过数字化通信技术实现，而实体世界中的运营将由人类或者机器人来实现。智能工厂的目标是根据终端客户，以特定方式来提供定制化服务。只有通过阶层性较弱的网络来互相配合，才能让这种服务在经济上取得成功。

在未来智能工厂中的核心系统就是网络-物理生产系统（Cyber-Physical Production Systems，CPPS）。它包括3个层面：在应用层面，信息从生产控制和运营中获取；在平台层面，负责各种IT服务的整合；在元器件层面，提供了传感器、促动器、机器、订单、员工和产品。将所有层面集成在一起，就有了数字化制造。在智能工厂里，人、机器和资源如同在一个社交网络里一般自然地相互沟通协作。智能机器是具有感知、分析、推理、决策和控制功能的装备的统称。

智能产品通过独特的形式加以识别，可以在任何时候被定位，并能知道它们自己的历史、当前状态和为了实现其目标状态的替代路线。

生产现场集中控制管理系统（Shop Floor Control，SFC）、制造执行系统（Manufacturing Execution System，MES）和制造资源计划管理系统（Enterprise Resource Planning，ERP），分别处于工厂生产底层（控制层）、制造过程（执行层）和制造资源（计划层）。通过采用这三套系统，企业能够充分利用信息技术、物联网技术和设备监控技术，加强生产信息管理和服务，清楚掌握产销流程、提高生产过程的可控性、减少生产线上人工的干预，同时，还能及时正确地采集生产线数据，合理编排生产计划与生产进度，打造三维智能工厂。

三维智能工厂是集绿色、智能等新兴技术于一体，构建一个高效节能、绿色环保、环境舒适的生产制造管理控制系统，其核心是将生产系统及过程用网络化分布式生产设施来实现。同时，企业管理包括生产物流管理、人机互动管理，以及信息技术在产品生产过程中的应用，形成新产品研发生产制造管理一体化。

结合中国工业现状，未来5年，中国很多制造型企业将搭建3层架构模式（SFC-MES-ERP）的智能工厂，从三个维度对企业资源计划、制造过程执行和生产底层进行严密监控，实时跟踪生产计划、产品的状态，可视化、透明化地展现生产现场状况，推进企业改善生产流程、提高生产效率，实现智能化、网络化、柔性化、精益化以及绿色生产。

2.2.2 智能机器的三个基本要素

机器由机械本体系统和电气控制系统两大系统组成。机械本体系统由动力装置、传动部件和工作机构三大部分组成。常见的动力装置包括电动机、内燃机等；传动部件是机器的一个中间环节，它把原动机输出的能量和运动经过转换后提供给工作机构，以满足其工作要求，主要有机械、电力、液压、液力、气压等传动方式；工作机构是执行机器规定功能的装置，如直线运动缸、摆动缸、旋转轮、曲柄连杆滑块机构等。电气控制系统是依据对工作机构的动作要求，对机器的关键零部件进行检测（传感）、显示、调节与控制的装置，如开关、阀门、继电器、计算机、按钮等。

智能机器是全生命周期内机电软一体化，智能机器的三个基本要素为：信息深度自感知（全面传感），准确感知企业、车间、系统、设备、产品的运行状态；智慧优化自决策（优化决策），对实时运行状态数据进行识别、分析、处理，自动做出判断与选择；精准控制自执行（安全执行），执行决策，对设备状态、车间和生产线的计划做出调整。

装备智能化包括产品信息化。产品信息化是指越来越多的制造信息被录制、被物化在产品中；产品中的信息含量逐渐增高，一直到其在产品中占据主导地位。产品信息化是信息化的基础，含两层意思：一是产品所含各类信息比重日益增大、物质比重日益降低，产品日益由物质产品的特征向信息产品的特征迈进；二是越来越多的产品中嵌入了智能化元器件（交流伺服压力机），使产品具有越来越强的信息处理功能。智能化装备是具有感知、分析、推理、决策和控制功能的装备的统称，体现了制造业的智能化、数字化和网络化的发展要求。

智能制造的特征包括智能工厂（载体）、关键环节智能化（核心）、端到端数据流（基础）和网络互连（支撑）。智能制造的核心信息设备主要包括4大部分：传感器、自动控制系统、工业机器人、伺服和执行部件等为代表的关键基础零部件与元器件及通用部件。智能制造的任务之一就是在这些智能装备上实现突破并达到国际先进水平，重大成套装备及生产线系统集成水平大幅度提升。

传感器：重点发展智能化压力、温度、转矩、流量、物位、成分、材料、力学性能、位置、速度、加速度、流量的检测。

自动控制系统：最有代表的就是国际上著名的西门子与发那科数控系统、国内的广州数控与华中数控系统。

伺服和执行部件：主要包括交直流伺服电动机、伺服电动缸、液压与气动比例及伺服阀、变频器、伺服驱动器等。