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混淆是非看美国智能制造系统(典藏版)

公布工夫:2018-03-07

制造范式解读

界限正在合拢,美国给出了通向新一代制造体系的尺度系统,其整体体系的剖析架构值得我们存眷和考量。本文给出了智能制造和其他种种制造的范式解读,并给出了智能制造体系的框架图。

 

1 美国尺度院最新公布

2016年2月份,美国国家标准取手艺研究院NIST工程实验室系统集成部门,宣布了一篇名为《智能制造体系现行尺度系统》的讲演。那份讲演总结了将来美国智能制造体系将依靠的尺度系统。这些集成的尺度高出产物、消费体系和贸易(业务)这三项重要制造生命周期维度。

 

2 制造生命周期的三个维度

本文对该讲演停止编译和简朴解读,意在让中国制造业更好天相识美国智能制造体系的构成部门,相识涉及到的尺度系统,从而有助于深切相识智能制造手艺的集成。
       智能制造是面向下一代的制造

NIST开宗明义天表达了制造业商现今的忧?,他们不能不面对着林林总总络续增进的需求:差异性更大的定制化效劳、更小的消费批量、弗成预知的供给链调换和中止。唯一的挑选,就是整合种种手艺气力。

胜利的制造商不能不顺应快速转变,同时经由过程优化能源和资本的运用,提拔产品质量。

听上去何等质朴的话语,产品质量仍旧是最根基的诉求。

所有的手艺构成一个全新的中心,就是“以信息为中央”的智能制造体系,可以或许做到企业数据的最大活动,和越发主要的是,数据正在齐企业的重复使用。

但是,怎样让差别的同构体系可以或许互相通讯、相互理解,只能依托尺度。
       
本文恰是为了探究产物、消费和业务数据那三个制造业生命周期维度,所需求的信息尺度。

早在2014年,美国 PCAST总统科技照料委员会公布了一份讲演,肯定三个优先思索的厘革制造手艺。

 

3 三个优先手艺

前两项手艺进步了制造商凭据信息快速高效天做出回响反映的才能。只要尺度系统能够供应这类依赖于有用的信息流和快速体系相应才能。该委员会正在作出讲演以后,借意犹未尽天指出,尺度系统能够刺激新技术、新产品和新的制造要领的的接纳。只要如许,总统科技照料委员会断言,才气知足差异性消费的能够。 
       智能制造的范式解读

为了更好天明白智能制造,本文给出种种制造范式Paradigm的对照。

 

4 九种制造范式
1 差别制造范式的界说

 

那么什么是,智能制造体系 Smart Manufacturing System?

智能制造区分于其他基于手艺的制造范式,界说了一个有着加强才能,从而面向下一代制造的目的愿景。

其中心特性包孕:

互操作性和加强生产力的周全数字化制造企业;经由过程装备互联和分布式智能去实现及时掌握和小批量柔性消费;

快速相应市场转变和供给链平衡的协同供给链管理;

集成和优化的决议计划支持用来提拔能源和资本运用效力;

经由过程产物齐生命周期的初级传感器和数据剖析手艺去到达高速的立异轮回。

 

5 智能制造体系的要害才能模子

解读智能制造的生态系统 
        智能制造生态系统,包罗了异常辽阔的制造业内容,局限很广,包孕消费、管理、设想和工程。智能制造生态系统图,展现了全部制造体系的三维空间。

值得注重的是,那三个维度皆取制造业金字塔(Manufacturing Pyramid)亲切相连。

我们研讨以为,这里里潜伏包罗了一种异常传统的头脑,那就是产物的代价,是正在一个尺度工场模子下得以实现,并最先延展。

产物维度是用绿色标识,产物生命周期触及信息流和掌握,从产品设计的晚期阶段最先,一直到产物的退市。

消费维度是用蓝色标识,消费体系生命周期存眷全部消费设备及其体系的设想、布置、运转和退役。

贸易维度用橙色标识。贸易体系存眷供应商和客户的交互功用。

个中每个维度皆为制造业金字塔从机械到工场,从工场到企业的垂直整合发挥作用。

沿着每个维度,制造业应用软件的集成皆有助于正在车间层面提拔掌握才能,而且优化工场和企业决议计划。这些维度和支撑维度的软件体系终究组成了制造业软件体系的生态系统。

 

6 SMS体系的三大维度

制造金字塔和尺度立体盒

择要

美国人给出了智能制造的三个维度,并同时给出了所有的尺度。这个维度取产业4.0的考量角度其实不雷同。但是需求我们用充足的伶俐和细致的耐烦,去辨认个中所要强调的要点。一孔之见的照搬,其实不能处理中国制造的题目

智能制造系统为什么是多维的?

从历史上看,产物、消费体系和贸易这些维度曾经被归入思索领域。仅仅针对某一个维度的集成都是异常了不得的,实际上许多人皆正在单个范畴开展工作很长时间。

但是我们曾经观察到,正在这个智能制造生态系统中,某个单一维度集成的构造正在扩大,从而集成局限一定涉及到更多维度。

种种制造范式,包孕连续的历程革新(CPI)、柔性制造(FMS)和面背制造和组装的设想(DFMA),只能依赖于差别维度之间停止信息交流。

那就是将来智能制造一定显现出来的姿势,也就是庞大体系,一定是多维度互相联系关系而构成。

正在那三个维度之间停止更严密的集成,将致使更快的产物立异周期,更高效的供给链,并正在消费体系更大的灵活性。正在这里,我们花点耐烦,一点一点天看,智能制造体系的构成要素和所对应的才能目标。 

2 集成手艺和要害才能映射

正在这里,编者注意到纵然正在美国面向将来的智能制造系统中,重要的要害才能仍旧集中正在质量、敏捷性、生产率和可持续发展。

 

7 要害才能泛起次数及占比

正在面向将来的智能制造系统中,敏捷性占比伟大,固然是意料之中,那是知足个性化定制的一个主要基石。但是,质量仍旧是旗敌相当的身分。这一点,关于急于追逐工四晋级的中国制造业,启示意义伟大。因为中国制造的整体质量还没有过关,因而关于中国智能制造,比重应当要大很多。

尺度的维度

尺度是根蒂根基的和有价值的东西,能够使企业主可以或许更好的吸取和接纳新技术和立异。因而,尺度能够提拔一个或多个SMS的要害才能。比方,正在产物维度上,PLM尺度有助于迅速(经由过程简化流程)和质量(经由过程启用差别的运动的集成产物和消费体系生命周期);正在消费体系发域中,一连调试(CCX)尺度能够进步机械机能和体系可靠性提高生产率、质量和可持续性(经由过程进步能源机能);而电子商务尺度,则能够经由过程开放应用程序组集成范例(OAGIS)去简化供给链合作伙伴之间的业务流程。

第一维度:产物的尺度集

产物的尺度集,也就是产物开辟生命周期尺度族。

 

8 产物维度的尺度集

智能制造生态系统SMS下的产物生命周期管理包孕6个阶段,分别是设想、工艺设想、消费工程、制造、运用和效劳、烧毁和收受接管。

 

9 SMS产物维度的六阶段

盘绕那六个产物生命周期阶段,美国尺度院给出了越发仔细的尺度分类,从五个角度动身,分别是建模理论、产物模子和数据交流、制造模子数据、产品目录数据和产物生命周期数据管理。以建模理论为例,它界说了数字化的产物界说,既有2D图纸的数据,也有3D模子的数据。从这个角度来看,固然高举智能制造的大旗,美国尺度院并没有完整抛却二维图纸。那也是过渡期的让步吧。

美国尺度院同时以为,现有的尺度,尤其是正在CAD、CAM和CAx方面大大的进步了工程效力。

另外,这些尺度进步了建模精度,削减产物立异周期,从而间接进步制造体系的敏捷性和产品质量。正在这个范畴的前进曾经厘革了新产品的开辟形式,那被称为基于模子的企业MBE(Model-Based Enterprise)。

现在正在美国,MBE观点曾经不得人心,并且竖立了成熟度分级模子。而正在中国只要航空制造业做了一些异常有意义的理论,其他范畴好像希望其实不深。

第二维度:消费体系生命周期尺度

“消费体系”正在这里指的是从种种集合的机械、装备和辅佐体系构造和资本建立商品和效劳。固然大部分产物模子开辟和建模要领的尺度,一样适用于消费体系。然则作为一个最庞大的消费体系,仍旧具有很多奇特的尺度,那是实现SMS的基本。比拟于它们所消费的商品,消费体系一般有一个更长的生命周期。另外,它们需求常常从新设置,从而对设想有奇特的需求。这里,我们专注于支撑庞大体系建模、自动化工程、操纵和保护(运营管理)的尺度。

 

10 产物维度的生命周期尺度

典范的消费体系生命周期阶段,分为五个方面,如上图所示,包孕设想、建筑、调试、运营和保护、退役和收受接管。 

 

11 SMS消费维度的五阶段

支撑消费生命周期运动范畴的尺度,包孕消费体系模子数据和理论、消费系统工程、消费系统维护和生命周期数据管理。

第三维度:供给链管理的贸易周期

电子商务正在今天至关重要,使任何范例的业务或贸易生意业务,都邑涉及到好处相干者之间的信息交流。下图显现了Plan-Source-Make-Deliver-Return周期的制造业供给链管理。

正在制造商、供应商、客户、合作伙伴,以至是竞争对手之间的交互尺度,包孕通用业务建模尺度,制造特定的建模尺度和响应的新闻和谈,这些尺度是进步供给链效力和制造敏捷性的要害。

正在这里,我们重点夸大三套专门面向制造集成尺度: APICS供给链运营参考、开放应用程序组集成范例(OAGIS)和制造企业解决方案协会的B2MML。 

 

12 产物维度的贸易周期

SCOR(APICS的一部分)是一个管理工具逾越全部供给链,从供应商的供应商到客户的客户,模子形貌了相干所有阶段的业务运动以知足客户需求。

OAGIS包孕一套工程和业务范例称为业务工具文档(bod),它界说常见的内容模子和信息业务应用程序之间的通讯。

B2MML 很好的吸取实现了ISA 95数据模型。它增进ERP和供给链管理体系,和取制造体系的集成,如控制系统和MES。

制造金字塔制造

金字塔是智能制造生态系统的中心,产物生命周期、消费周期和贸易周期皆正在这里聚集和交互。正在智能自立操纵和智能机械的行动内里,自我认识、推理和计划、自我纠错是要害。但是美国尺度院念夸大的是,这些行动带来的信息必需可以或许正在金字塔内部高低活动。要念实现这类从机械到工场,再从工场到企业体系之间的集成,尺度明显是至关重要的。

基于尺度之上的智能制造体系,便能够实现工场数据快速决议计划,优化产量和质量;正确的评价能源和质料的运用,同时能够改进车间平安和增强制造业可持续发展。

正在图13的制造业金字塔中,美国尺度院推荐了一种常用的参考模子(ISA-95),用于开辟自动化企业和控制系统之间的接口。它为信息交流供应了尺度,削减了 MES- ERP 集成的用度,取产物的生命周期管理协同事情。因为能够供应生产能力和状况,进步了消费制造的灵活性,供应了一套信息集成的架构和尺度模子。如许界说了 ERP 和 MES 的界线和信息流。

有关一个软件体系的相同是很难的,由于不同人正在道统一词的时刻每每正在脑壳里的翻译却不一样。那就是参考系统架构的重要性,由于所有的术语放到了模子里,并且清楚天论述了术语之间的干系。

以建筑业做对照,因为建筑业的蓝图里运用通用的窗、门、墙、地板的标记去形貌屋子,以是只管屋子千奇百样,但我们仍然能够没有歧义天形貌所需求的门窗。一样的手艺也应用到了制造金字塔系统中。只管没有两个一样的工场,管理人员仍然能够用雷同的模子和术语去相同工场的业务、运动、义务、信息流等等内容。更进一步的是,这类模子借范例了信息交流,为ERP和MES之间供应了一个尺度数据交流接口。 

 

13 制造金字塔的模子系统

正在这里,我们再一次看到基于模子的系统,关于智能制造的重要性。它去除了歧义,确保所有的数字化工场,不管接纳何种装备,皆能够自在天停止数据交流。那恰是当下中国制造2025最缺的骨架系统。
 
       去中央化的应战

择要

正在已往的30年里,大多数制造业的国际标准曾经高度成熟。但是,智能制造体系像少身材的孩子一样顶风而起,使得原有一部分标准像是显得过小的衣服,必需加以订正。全新智能制造生态系统的多少范畴,一经辨认和形貌,那么新的尺度和办法,皆酿成了一种不容守候的呼唤。

正在如许一个当口,我们起首需求辨认的是,背后是什么正在发作根本性的转变?

传统的自动化层级被推翻的

最有目共睹的是,传统自动化掌握层级的转变。要念完好实现智能制造体系功用,必需替换传统制造体系体系结构中,那种基于金字塔分层模子的掌握范式。CPS赛博物理体系,给出了一个基于分布式的新制造效劳范式,那也称为赛博物理消费体系 (CPPS)。

因为种种智能装备的引入,装备能够互相衔接从而构成一个网络服务。每个层面,皆具有更多的嵌入式智能和相应式掌握的展望剖析;每个层面,皆能够运用假造化掌握和工程功用的云盘算手艺。

有了这些才能,运用新的要领去掌握跨层级的更普遍的自动化操纵便变成了能够。

 

14 分布式效劳使得自动化层级被剖析

新的面向效劳范式最终将智能制造体系转换成一个完整衔接和集成的体系,如图15所示。除正在车间级别上对时序和平安要求异常严厉的一些制造功用中,所有正在那三个维度和制造金字塔内部的制造功用皆能够被假造化和被托管成效劳。

 

15 基于效劳的智能制造体系

这个全新制造式的改动,需求我们突破多年来构成的掌握分层的头脑形式,而背齐衔接、分布式的智能制造体系去靠拢。

智能制造的尺度取生态系统映射剖析

现有的制造业尺度远远不克不及知足面向效劳的智能制造生态系统。作为嗷嗷待哺的尺度,包孕:系统参考架构、网络安全、工场联网、供给链集成,和数据从工场车间到企业级的无缝传输。

具体地说,正在这些范畴新的或革新的尺度,仍旧是对准智能制造的四大目的,进步敏捷性(A)、质量(Q)、生产率(P)和可持续性(S)。

借着美国国家标准院的这个提法,我们正在此也需求郑重天提示读者,新一代产业晋级明显是多目标的。有些以为产业4.0的目的就是大规模个性化定制消费,是过于公允的。正在很多设备制造业范畴,定制消费并不是第一选项。

 

16 智能制造的四大目的

那么,到底需求何种手艺,去支撑何种功用?下表给出了智能制造系统的映射表。

第一列示意新标准的时机范畴。第二列显现出新尺度怎样影响智能制造生态系统包孕产物生命周期、消费体系生命周期、贸易周期和智能制造金字塔(SPP)。第三列显现了新标准对智能制造的才能支持。

这个表其实不是完好的,而只是作为探究和议论智能制造尺度出发点的根蒂根基要素。 

3 智能制造系统的映射表

PLM/MES集成为例,产物生命周期数据若是能联合制造工艺数据,便能够对历程自己做一个更好的剖析,正在生产率、可持续性和质量方面增进历程革新。比方,剖析产物机能偶然能够展现正在消费中的质量问题。那是对CPS最为完善的论述。

智能制造体系SMS的愿景之一就是,产物成为真正的生命体,自己能够包罗汗青。每个产物皆有一个不间断的自传,怎样、什么时候、何地被制造出来的。

MTConnect研究所曾经最先研讨那一类尺度运动,完美产物的可追溯性

而大数据和云制造手艺,则供应更多范例的先辈剖析和效劳,从而使它们更轻易被制造商接见。

那张图表最引人注意的中央就是,美国尺度院异常一定天夸大,智能制造体系所有环节中,皆触及到了产业参考系统(reference architecture),包孕功用模子和系统架构的界说——那也是笔者一向正在号令的一个关键环节。只要有了下质量的产业参考系统,企业内部、内部包孕供给链和用户,才气真正将种种功用集成在一起。

毫无疑问,“中国制造2025参考系统”是不能不看、不克不及不听、不能不说的的拦路石。任何对参考系统的省略取无视,都邑让我们正在此次产业晋级的肇端元年(无妨界说正在2015年),正在起跑线上留下了致命的伏笔。

产业晋级的环球版本

写到这里,美国尺度院NIST不无自满天宣称,形貌到的大多数尺度范畴曾经被扩展到智能制造体系功用。固然,NIST也注重到了环球范围内也泛起了很多其他的计谋偏向,但也只是略带涣散天宣称,“这些的手艺厘革趋向,对上述尺度和时机也有各自的孝敬。”

每一个机构都是只以为本身的孩子最时兴吧。NIST心猿意马天形貌了其余产业方向和相干尺度的生长。

4.0?

是的,产业4.0工作组发起以标准化和开放尺度做为参考架构是实现产业4.0的主要义务。

物联网?

正在物联网IoT范畴,欧盟(EU)建立了多个项目开辟物联网参考模子和参考架构。IoT@Work是欧盟别的一个项目,由西门子公司主导,致力于应用物联网手艺正在产业和自动化情况的运用。而正在美国建立了产业互联网同盟IIC。产业互联网衔接所有可连的装备,经由过程大数据剖析去提高效率。

赛博物理体系CPS?
        物联网存眷唯一的、可辨认的、可联网的物理工具,而赛博物理体系更加存眷信息取物理素质的联合和软件控制系统“体系的体系”特性。美国尺度院指导的公然工作小组正在为CPS的术语和参考体系结构事情。

智能制造体系的结语

为了实现智能制造的愿景,基于分层掌握模子典范的制造体系体系结构范式必需要被交换。一种基于分布式制造效劳生长的新范式已然正在退化和演化。那一演化带来的智能装备作为一个能够获得的网络服务,各个级别的嵌入式智能,展望剖析和云盘算手艺。

而所有这些手艺皆将依赖于尺度。

本份讲演供应了一个对智能制造的磨练尺度。包孕用于集成和逾越三个制造生命周期维度——产物生命周期、消费体系生命周期和贸易(企业)生命周期。

为了研讨现有尺度和他们怎样能够应用于智能制造,美国尺度院界说了智能制造生态系统对剖析现有尺度和竖立将来的智能制造尺度需求的同等的上下文剖析情况。正在这个讲演中,智能制造生态系统作为根蒂根基停止分类和评价现有的尺度,并辨认出可以或许增进智能制造体系实现的新标准运动范畴。现有的制造业尺度不足以完整启用智能制造,特别是正在网络安全范畴、基于云制造效劳,供给链集成和数据剖析范畴。

美国尺度院肯定了以下范畴作为重点需求生长的范畴,那是尺度的全新郁勃之天,包孕智能制造体系参考模子和参考系统架构、制造业物联网(IOT)参考系统架构、制造效劳形式、M2M机械通信、PLM/ERP/MES/SCM/CRM集成、云制造、可持续性制造、制造网络安全等。

尾注

值得注重的是,美国NIST旗帜鲜明天给出了差别的制造范式,但实际上,那中央互相交织是许多。

最值得注重是,是这三种制造形式的辨别:Smart Manufacturing、Intelligent Manufacturing和Digital Manufacturing。

我们正在对此文章停止处置惩罚的时刻,也破耗周折。Smart Manufacturing好像也能够翻译成伶俐制造,但觉得现在这类提法其实不是许多;而本文中的Intelligent Manufacturing,更多正在夸大AI人工智能。因而全盘照样将Smart Manufacturing翻译成“智能制造”了。

那是我们对美国尺度院关于智能制造的悉数讲演和解读。它有一套完好的智能制造体系的思绪,而且松盯着尺度,仔细踏实。NIST以为,尺度是智能制造生长的一个根基组成部分。有了尺度,才会有体系的、可反复和高效的消费体系;从大型跨国公司到小型制造商,才气以网状的体式格局普遍到场,而不必思索其大小和所在地点。

但是读者生怕很易设想,美国国家标准院不单单对产业4.0几存疏忽之心,连产业互联网也不无卤莽天被塞进了物联网的大篮子里。NIST以至把GE指导的产业互联网比方成德国产业4.0的表亲。固然中国制造2025,更不在其说起之列,想来NIST不晓得怎样解读这个系统和构成要素。

这个时候,我们才气想起来一件事,产业互联网不是国度计谋。根正苗红的国家标准研究院NIST,才是真正代表美国国度计谋企图。纵然云云,我们也不能不为NIST的狂妄而心死惊讶。但是,最基础的究竟是,每一个国度的产业晋级,皆要拿出系统、拿出尺度、拿出生态模子,那是所有政府机构需求面临的实际。

柏隽:西门子研究院,初级照料;

       林雪萍:机械工程学会常识中央, 北京联讯动力征询公司研究员。

(文章来源于常识自动化,版权属于原作者,如有侵权,请取我们联络,我们将实时处置惩罚。)

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