智能制造-從愿景到實作路徑

智能制造（smart manufacture）是當下最熱門的話題， 預示著智能制造將是成為工業的未來，

制造業如此之復雜，以至于給人一種瞎子摸象的感覺，互聯網公司更多地是從新的商業模式來理解智能制造，提出了從“生產到倉庫”的模式向“生產到訂單”的轉變，云平臺公司開發各種云服務，鼓勵“企業上云”，通信公司則大勢宣傳“以5G和物聯網技術為中心為智能制造賦能”，傳統自動控制集成商則從機器人，自動化生產線的角度來理解智能制造，AI專家則大談智能制造中的AI賦能，

閱讀國外的文章，西方企業從全球化帶來的壓力出發，討論如何通過智能制造實作從“大批量制造”向“大批量定制”轉型，提升發達國家的制造業競爭能力，通過智能制造實作制造業回流，術語，架構，平臺，標準種類繁多，使人眼花繚亂，

這一切都很正常，一個新技術的出現，一定是伴隨著各種新思想，新觀點的出現，人們都希望事情朝著對自己有利的方向轉變，有一點是明確的，智能制造不完全代表先進制造，制造業的產品設計，材料，加工工藝是“硬核技術”，智能制造無法提升硬核技術，

如果你是其中的一個利益相關者，不能人云亦云，盲目跟風，一定要清晰兩個主要的問題:

1. 推行智能制造要達到什么樣的目的？
2. 當下采取什么樣的道路實作目標？

愿景（vision）和路線圖（roadmap），才是諸多企業至關重要的兩個問題，不同地區，不同的企業之間，愿景和路線圖是不同的，

智能制造為什么？

智能制造要解決什么樣的問題，大致可以歸納如下：

長遠的目標

• 新制造模式和大批量定制（New production models and mass customization）

滿足客戶個性化需求，

• 產業回流（Production Reshoring）

讓產品制造業接近創新者，設計者，

• 接近原材料（Proximity Sourcing）

制造要接近原材料供應地，

• 以人為中心的制造業（Human-centred manufacturing）

從體力勞動轉變為智力勞動，關注勞動者的安全和幸福感，

短期內的利益

1. 自動化架構和配置中的靈活性（Flexibility in Automation Architectures and Configuration）
2. 轉向預測性維護（Shift towards Predictive Maintenance）
3. 質量管理和零缺陷制造（Quality Management Excellence and Zero Defect Manufacturing(ZDM)）
4. 數字化仿真和數字化孿生（Digital Simulations and Digital Twins）
5. 供應鏈之間無縫和準確的資訊流（Seamless and accurate information flows across the supply chain）
6. 工人培訓，安全和健康平安（Worker Training, Safety andWell Being）

智能制造背后的技術

智能制造的技術手段是利用IT 領域的最新技術，實作制造業中各種資產的數字化，網路化，提升它們的智能化能力，它們包括智能產品，智能制造設備，智能生產線和智能車間，智能工廠，

1. 資訊物理系統和工業物聯網（CPS and Industrial Internet of Things）
2. 5G 通信（5G Communications）
3. 低功耗廣域網（Low Power Wide Area Networks）
4. 云計算（Cloud Computing）
5. 邊緣計算（Edge Computing）
6. 大資料（Big Data）
7. 人工智能（Artificial Intelligence）
8. 增強現實（Augmented Reality）
9. 區塊鏈（Blockchain Technologies）
10. 資訊安全（Cyber Security）
11. 3D列印和增材制造（3D Printing and Additive Manufacturing）

智能制造的技術的特征

1. 整體性，集成和端對端（Holistic, Integrated and End-to-End）

整體數字化，而不是目前的部分數字化

1. 預測性Predictive and Anticipatory
2. 快速和實時性Fast and Real-Time
3. 靈活適配Flexible and Adaptive
4. 基于標準（Standards-Based）
5. 開放性（Open）
6. 成本-效率（Cost-Effective）
7. 以人為本Human-Centric (Human-in-the-Loop)
8. 持續改善（Continuous Improvement）

數字化車間的支柱

1. 數字增強制造設備（Digitally enhanced manufacturing equipment）
2. 數字組件和技術的互操作（Interoperable digital components and technologies）
3. 實驗設施，包括示范線和測驗床（Experimentation facilities including pilot lines and testbeds）
4. 開放性創新程序（Open Innovation Processes）

實作路徑

智能制造的最終目標是構建制造業資產數字化，實作智能化，這一切從哪里起步？實作愿景的路線圖是怎樣的？

實作智能化制造是一個逐步演進的程序，將會采取敏捷方式逐步迭代，每個里程碑都需要有利益驅動，讓早期參與者獲得商業利益，要不然就失去推動智能制造的驅動力，實作智能制造的每一個參與者都需要有一個清晰的路線圖，兼顧短期和遠期利益，

RAMI 4.0 參考架構模型

制造系統是一個及其復雜的，涉及諸多領域，幾乎沒有任何一個企業能夠覆寫全面的領域，只有選擇自身熟悉的領域和技術專長，聚焦專業的領域，從“工業4.0 ”的RAMI 4.0 參考架構模型(Reference Architecture Model Industry 4.0)可以看出，將工業分成了一個3D 立體模型，具有三個維度：

Y 軸：系統層級（Hierarchical Levels）

在這個維度，將工業分成了產品，現場設備，控制設備，站，工廠，企業和連接的世界，

X 軸：生命周期價值流（Cycle & Value Stream）

產品開發-> 開發，使用和維護，生產->使用和維護，

Z 軸：功能層（layer）

從功能的角度分為資產，集成，通信，資訊，功能，商業，

三個維度將3D RAMI4.0 模型切割成為魔方般的小立方體，每個立方體都是進入智能制造的切入點，

1. 從商業層切入研究智能制造的商業模式，
2. 從通信層面研究工業互聯網
3. 從功能的層面研究各種設備的數字化模型，匯入各項IT新技術，
4. 從現場設備維度研究生產線的流程再造和工業優化，模塊化制造和自動控制技術，
5. 從產品的維度去研究產品生命周期管理，

資訊物理系統（CPS）

工業4.0 中提出了一個重要的概念是 所謂的資訊物理系統（CPS Cyber-Physical Systems ），它的基本概念是將制造業的物理資產和資訊（計算和網路）融合，CPS成為制造業的基本模塊，它們同通過網路相互連接，

在CPS 的理念下，未來的生產車間將是有許多的CPS 聯網構成，而CPS 也成為模塊化制造單元，CPS 能夠相互通信，交換資訊， 小至傳感·器，執行部件和大量的機械機構，大至機床，機械臂，傳送帶加上CPS 軟體和網路介面之后，就將成為CPS系統，

與此同時，傳統的生產方式也可能發生改變，例如，在傳統機械加工廠，CNC車間是清一色的CNC機床，加工完成之后，送到測量室（有時稱為質檢室）測量，然后再回傳CNC車間，零部件加工之后再送到去毛刺的機臺，統一的去毛刺，這種生產線適合大批量加工，對于小批量，個性化定制制造可能就不合理，我們需要重構制造車間的格局，智能制造車間中，可以將若干臺CNC 設備，幾何測量設備，去毛刺機，以及傳送帶，機械臂構成一個生產單元，由車間的MES給生產單元下達加工任務和零部件技術檔案，由這個生產單元獨立完成加工任務，

傳統的車間自動化系統的分層架構也發生改變,從原來的分層架構，轉變成為分布式CPS 系統

實作智能制造也具有三個維度

1. 制造企業
2. 制造設備，軟體，集成商
3. 行業協會，標準化組織

制造企業

對制造企業而言，逐步地實作生產線模塊化，構建更為靈活的生產線，使用更多數字化的智能CPS 系統并且使用各種網路技術將設備聯網，是生產要素互聯互通，并且引入各種智能軟體系統（比如數字仿真，數字孿生）是他們走向智能制造的路線圖，獲得的利益將是提高制造整體的效率，加快訂單遞交時間，快速回應客戶需求，降低制造成本，提升產品質量，實作零缺陷，降低人力，能耗成本，實作預測性設備維護，減少設備宕機等等，

車間數字化的方案是由企業的產品特點和加工方式決定的，將物理設備轉化為CPS 節點后，建立和改變生產模式將會更加快速和靈活，

目前加工企業普遍存在的問題是：中小型機械加工企業是按大批量制造部署的，小批量生產價格貴，交貨期長，而且普遍不賺錢，一方面是客戶交流，產品制造工藝，準備作業準備周期長，這主要是由于產品生命周期管理軟體的預設，，沒有采納標準的設計檔案和格式，比如客戶CAD設計圖紙和工廠的格式，版本不一致，通常需要進行轉換，另一方面是車間材料流轉，人員溝通資訊不暢通，生產線的資訊化水平低，造成大量有用的資料沒有被采集，存盤，分析和反饋，

企業目前普遍是重物理設備，輕軟體和網路，大多數企業幾乎是“裸機采購”，除了基本的控制軟體，編程和下載工具之外，很少購買網路介面卡，上層管理介面軟體，造成了上層軟體（比如MES），無法與之對接，MES只是停留在生產資訊管理，看板系統的水平，進一步地實施資料分析，仿真和數字孿生，AI無法實施，事后購買，供應商的配件昂貴，是企業望而卻步，

設備，軟體，系統集成商

幫助制造業建立智能制造的愿景是設備，工業軟體，系統集成商的責任和機會，要為制造業提供完整的智能制造系統是非常復雜和漫長的，設備，工業軟體，系統集成商要兼顧當下和未來的目標，既要在智能制造的早期階段讓制造業創造價值，又要不偏離智能制造系統不偏離總體架構，實作軟體的重用性， 保持系統的可持續性，

為了實作這一目標，設備，工業軟體，系統集成商一開始就需要設立一個合適的框架和技術標準，在大的系統架構之下，解決制造業當下的技術痛點，從區域做起，目前的的狀況是：

資訊技術領域的公司從自身技術背景和利益出發，建立各種平臺和架構，急于向制造業推銷并不成熟的技術，產品和服務，沒有對制造業進行深入的研究和融合，比如目前比較熱鬧的“企業上云”，工業物聯網平臺，搬運機械臂，AGV 小車等專案，只是將IT領域的云平臺，運維技術移植到制造業，通過modbus 網關將制造業中的PLC 控制器連接到云端，沒有解決制造業的痛點，離智能制造相差甚遠，制造企業的接受度不高，

資訊技術企業針對特定的領域和企業開發專有的工業軟體和應用系統，缺乏大的技術架構指引，造成的結果是系統缺乏靈活性和可擴展性，軟體的可重用性，擴展性和互聯互通性不高，在低水平層面重復徘徊，無法與國外先進的控制系統的大廠的技術和產品兼容，久而久之其產品和服務無法與國際大廠匹敵，

比較合適的方式是，建立，或者遵循一個大的智能制造的技術架構，在這個架構之下，采取"自底向上"的發展策略，從底層小設備，專有設備入手，實作與大系統互聯互通，相互兼容，然后向高層發展，這樣能夠在系統發展的早期就為制造業創造價值，

在應用領域，重點要解決制造業降低成本，提高質量的“硬核”需求，讓制造業獲得智能制造帶來的價值，

歐洲“地平線2020”計劃資助的專案-DAEDALUS

目前，智能制造架構處于發展的階段，人們提出了CPS的各種技術架構，其中一個比較重要的架構是歐洲地平線2020計劃資助的工業自動化專案-DAEDALUS，它是基于IEC61499 分布式工業控制系統的國際標準，IEC61499 的最大特點是基于事件功能塊，所謂功能塊本質上是將工業控制軟體組件化，并且封裝在功能塊中，使用圖形化方式可以撰寫基于功能塊網路的應用程式，61499 的另一個特點是一個功能塊應用程式可以部署到多個設設備上運行,而不是像PLC 那樣撰寫程式僅限于在一個PLC上運行，

一個CPS 的架構大致包括

1. 內部控制程式，
2. 與其它CPS 的互動協議，
3. 引數描述（資產的數字化描述）
4. 管理介面

IEC61499 標準幾乎包含了所有的部分，基于IEC61499 的CPS 架構是一個輕量級的CPS，更復雜一點，可能要加入automaticML 和OPC UA 等元素，這也是功能塊能夠實作的，

IEC 61499 的功能塊不僅限于是底層控制，也可以延申到EPR，SCADA,MES高層軟體，甚至有數字化仿真，大資料，AI等應用，而工業控制系統也從傳統的分層架構轉變成為基于CPS網路的去中心分布式系統架構，EPR，SCADA,MES高層軟體組件也可以封裝成為IEC61499 的功能塊，也可以通過service interface 功能塊訪問這些軟體組件，

我們知道，傳統的自動控制系統是分層架構

DAEDALUS使用IEC61499 建立CPS ，智能制造系統由多個CPS通過網路構成，傳統架構的的不同功能可以在同時在CPS中運行，這是一種去中心化，分布式架構，

傳統分層架構中的功能都將轉變成為IEC61499 的功能塊和功能塊應用，分布式地部署到不同的CPS 中運行，一個小型的CPS也許就運行一個傳感器服務功能塊，而一個大的CPS 可能運行一個實時控制的應用，同時運行EPR，MES 的功能塊網路的一部分，智能制造體系中的所有軟體就是在這些大大小小的CPS 上運行和協同操作的，

小型CPS 可能采用ARM 單片機就能夠實作，而大型的CPS 采用X86或者多核Arm 實作，

應用市場

DAEDALUS還提出了類似手機App 的概念，形成一個數字化空間，將各種功能塊化的App 存盤在App 市場中，由系統集成商或者企業用戶呼叫，

在CPS 中運行的功能塊應用程式將分成為兩類，一類是實時（REAL TIME）控制應用，另一類是物聯網(ANY TIME)應用，CPS 可以通過現場總線和已有的控制設備互聯，

CPS 是一個Linux OS 的設備，運行IEC61499 運行時（RUN TIME），它的內部架構如下

在作業系統之上，具有一個IEC61499 運行時-也就是運行功能塊應用的虛擬機環境，按照IEC61499 的說法，一個運行時上可以有多個資源，每個資源之上都能夠運行功能塊網路，你可以將資源理解為可以運行應用的虛擬機，更加CPS 對算力的需求，選擇單片機，多核Arm ，或者X86 處理器，

由此可見，DAEDALUS專案給我們一個實作CPS 清晰的脈絡和路線圖，實作智能制造可以從IEC61499 出發，

對于傳統設備，傳感器，測量儀器制造商， 可以將你的設備中添加嵌入式軟體，將設備轉變成為CPS 系統，對于專業設備率先實作CPS化，比如注塑機，包裝設備，立體倉庫，構建智能制造的一個小環境，并且融入國際大廠的開放性控制系統，系統集成商可以將傳統設備轉換為CPS，構建模塊化制造單元，

在智能制造的發展程序中，必須兼顧已有的控制設備，比如PLC為基礎的控制系統和設備，在DAEDALUS的概念中可以開發一種小尺寸，低成本的所謂CPS-izer 連接傳統控制系統到IEC61499 兼容的cps網路中，這樣的設備在基于CPS智能制造系統的早期發展階段是必需的，

對于大資料，物聯網等新型智能設備開發，可以直接融入CPS功能，原地踏步永遠達不到彼岸，只有勇敢地跨出第一步就能尋找到適合的道路，