《智能制造系统架构映射及示例解析》
智能制造体系架构、参考模型与标准化框架研究
收 稿 日期 ：２０１６—１１—１４；修 订 日期 ：２０１７～０５—０２。Ｒｅｃｅｉｖｅｄ １４ Ｎｏｖ．２０１６；ａｃｃｅｐｔｅｄ ０２ Ｍａｙ ２０１７． 基金项 目：国家 ８６３计 划资助项 目（２００１ＡＡ４１５３４０，２００７ＡＡ０４ＺＩＡ６）；国家 自然科 学基金 资助项 目（６１１７４１６８，６１７７１２８１）；中国航 空科学基 金
智能制造系统的架构与实现技术研究
智能制造系统的架构与实现技术研究智能制造系统是一种利用智能化技术、先进的制造工艺、高度集成的信息技术和先进的自动化设备等多种手段来实现对制造过程的全面控制和优化的综合性制造系统。
在当前制造业快速发展的背景下，智能制造系统已经成为制造业向智能化制造方向转型的趋势之一。
那么，智能制造系统的架构和实现技术是什么呢？下面就让我们来一一探究。
一、智能制造系统架构的基本框架智能制造系统架构可以分为三个层次：感知层、控制层和应用层。
感知层：感知层是智能制造系统中最基础的层次。
它主要采用传感器等手段收集制造过程中的各种数据，如温度、压力、振动等，通过物联网等技术将数据传输到控制层，为后续的制造过程提供数据支持。
控制层：控制层是智能制造系统中较为重要的层次。
它接收感知层传来的数据，并进行分析和处理，形成一套稳定的控制策略，指导设备的自动化运行，确保制造过程的安全、高效和稳定。
应用层：应用层是智能制造系统中最高层次的层次。
它为制造过程提供上层应用支持，如ERP、MES等应用系统，以实现集成化的生产管理，从而提高制造过程的效率、质量和可靠性。
二、智能制造系统的实现技术智能制造系统的实现技术包括传感技术、智能控制技术、云计算和大数据技术、人工智能等多种手段的综合应用。
传感技术：传感技术是智能制造系统中最基础也是最重要的技术之一。
通过各种传感器，可以检测制造过程中各种数据，为后续控制和应用提供大量的有用信息。
智能控制技术：智能控制技术在智能制造系统中发挥着至关重要的作用。
通过对传感技术采集到的数据进行分析和处理，制定出一套智能化的控制策略，指导自动化设备的运行，从而为制造过程提供更高效、更稳定的支持。
云计算和大数据技术：云计算和大数据技术是现代智能制造系统不可或缺的技术手段。
这两种技术可以帮助制造企业更好地管理和分析制造过程中产生的海量数据，大幅度提高制造过程的效率和质量。
人工智能：人工智能技术是智能制造系统中的一项新兴技术，它采用机器学习、自然语言处理等技术手段，模拟人类的智能思考方式，从而在智能制造系统中实现更高水平的自主决策和运行。
《智能制造导论》第二章智能制造系统
用。
02
技术标准与互操作性
智能制造系统的不同设备和系统之间需要实现互操作性和标准化，以确
保信息流通和协同工作。解决方案包括制定统一的技术标准和接口规范，
促进不同厂商之间的合作和交流。
03
人力资源与培训
智能制造系统的应用需要具备相关技能和知识的人力资源支持。解决方
案包括加强人才培养、培训和引进高素质人才，以满足智能制造系统发
详细描述
工业自动化技术利用传感器、控制器 、执行器等技术，实现生产过程的自 动化控制和监测，提高生产效率和产 品质量，降低能耗和减少人力成本。
05
智能制造系统的实施与案例分析
智能制造系统的实施步骤
需求分析
明确企业需求，包括生产流程、产品特性 、市场定位等，为智能制造系统提供定制 化解决方案。
测试与优化
工业人工智能技术是智能制造系统的未来发展方向，它通过 模拟人类智能，实现生产过程的自动化和智能化。
详细描述
工业人工智能技术利用机器学习、深度学习等技术，使机器 具备自主学习和决策的能力，实现自动化生产线、智能机器 人等应用，提高生产效率和产品质量。
工业自动化技术
总结词
工业自动化技术是智能制造系统的基 础，它通过自动化设备和系统，实现 生产过程的自动化和高效化。
工业大数据技术
总结词
工业大数据技术是智能制造系统的重要支撑，它通过对海量数据的挖掘和分析， 为生产决策提供科学依据。
详细描述
工业大数据技术利用数据挖掘、机器学习等技术，对生产过程中产生的海量数据 进行分析，发现数据背后的规律和趋势，为生产优化、质量控制、预测性维护等 提供支持。
工业人工智能技术
总结词
对智能制造系统进行全面测试，并根据测 试结果进行优化和改进，确保系统的性能 和稳定性达到最佳状态。
制造企业智能制造系统IT基础架构
制造企业智能制造系统三象限IT基础架构随着制造企业智能制造建设的不断深入，构成智能制造系统架构的信息化系统和自动化系统越来越多，各系统之间的数据交互越来越复杂，企业生产经营产生的业务数据、生产过程数据和设备运行数据快速增长，这给支撑这些系统运行和数据传输、存储的IT基础架构带来了严峻的挑战，本文提出了支撑制造企业智能制造系统运行的三象限IT基础架构，为制造企业智能制造系统建设提供了稳固、高效的IT基础架构解决方案。
国家智能制造标准体系建设指南中对智能制造系统架构从生命周期、系统层级和智能特征等三个维度所涉及的要素、装备、活动等内容进行描述，主要用于明确智能制造的标准化对象和范围。
智能制造系统架构如图1所示。
图1智能制造系统架构文件并未对如何搭建支撑智能制造系统架构运行的IT基础架构进行描述。
那么如何搭建支撑智能制造系统运行的IT基础架构来支撑智能制造系统运行就成为了我们必须自己摸索的问题。
1IT基础架构面临的问题为了承载各类信息化系统、自动化系统、智能分析系统等的稳定、安全、高效的运行，IT基础架构需要解决以下几个关键问题：1.1网络和数据安全的问题网络和数据安全问题是IT基础架构需要解决的首要问题。
随着工业互联的普及，制造企业的产线自动化系统与信息化系统，甚至互联网都有数据通讯的需要。
这给各个系统数据传递带来便利的同时，也将各种网络威胁延伸到了制造企业产线的自动化系统，IT基础架构在保障正常通讯的前提下必须保证各系统网络和数据的整体安全性，尤其要保证各产线自动化系统的安全性，避免直接影响生产的安全事故的发生。
1.2系统的性能问题IT基础架构必须支撑运行系统的高效运行。
尤其是与制造企业生产相关的系统运行效率，系统反应速度必须能够满足产线生产的需要，必须对根据生产结果给出及时的回馈。
然而随着信息化系统和自动化系统数量的激增，系统之间的接口数量也呈现几何数量的增加，系统之间的关系复杂化，相互影响增多。
智能制造的基本概念和架构
智能制造的基本概念和架构《智能制造的基本概念和架构》一、智能制造的基本概念智能制造是一种基于计算机和新兴技术的制造概念，旨在发展智能化的自动化设备，使制造过程更加高效、精准和灵活，提高产品质量，降低制造成本。
它的基本思想是将计算机系统的智能技术和新兴技术应用于制造中的自动化流程，以调节制造环境。
智能制造的实施不仅仅是实现全自动化、交互式生产，而且还包括实现整体控制、智能决策、信息收集、交互式管理、故障检测、工作流程模拟、生产车间布局、品质控制等技术。
二、智能制造的基本架构智能制造的基本架构是将计算机技术、工业自动化技术以及通信技术、模式识别技术、人工智能技术等技术相结合，形成一个完整的基本架构。
智能制造的基本架构包括：1、工厂信息化：工厂信息化是智能制造的基础，它借助信息与制造技术对工厂的管理和运行进行必要的整合，使其具有智能管理能力。
2、智能设备：智能设备是智能制造的关键技术，它由紧密耦合的自动化装置、传感器、控制装置等组成，能够实现自主控制、故障检测、交互式控制和信息交换等功能。
3、智能控制：智能控制是智能制造的关键技术，只有将智能控制与人工智能技术结合起来，才能实现复杂、灵活的制造过程。
4、数据库管理：数据库管理是智能制造的重要组成部分，可以实现有效的信息管理、数据统计和记录，以及智能分析和决策功能。
5、安全保障：安全保障是智能制造技术的重要组成部分，在实施智能制造时必须考虑安全问题，防止意外事故发生。
6、生产现场管理：生产现场管理是智能制造技术的重要组成部分，可以有效地实现生产现场的管理，提高生产效率。
三、总结智能制造是一种基于计算机和新兴技术的制造概念，其基础是将计算机系统的智能技术和新兴技术应用于制造中的自动化流程，从而实现高效、精准和灵活的制造过程，提高产品质量，降低制造成本。
智能制造的基本架构可以将计算机技术、工业自动化技术以及通信技术、模式识别技术、人工智能技术等技术相结合，形成一个完整的系统，从而实现控制、智能决策、信息收集、交互式管理、安全保障等功能。
智能制造中的人工智能总体架构与系统设计
智能制造中的人工智能总体架构与系统设计在智能制造领域，人工智能（Artificial Intelligence, AI）的应用正变得愈发重要。
人工智能的总体架构与系统设计是实现智能制造的核心要素之一。
本文将分析智能制造中的人工智能总体架构，并探讨相关的系统设计。
一、智能制造中的人工智能总体架构在智能制造中，人工智能总体架构是设计和部署智能制造系统的基础。
一种常见的人工智能总体架构是深度学习（Deep Learning）架构，该架构包括数据采集、数据存储、数据预处理、模型训练和模型推理等关键环节。
1. 数据采集：智能制造系统需要收集各种类型的数据，包括生产数据、传感器数据、设备状态数据等。
数据采集可以通过传感器网络、物联网技术等手段实现。
2. 数据存储：采集到的数据需要进行存储和管理，以便后续的数据处理和分析。
传统的数据库系统或分布式存储系统可以用来存储大规模的数据。
3. 数据预处理：采集到的原始数据通常需要进行预处理，包括数据清洗、数据过滤、数据转换等操作。
数据预处理的目标是提取有效的数据特征，减少噪声对模型训练的影响。
4. 模型训练：在智能制造系统中，模型训练是一个关键的环节。
通过使用机器学习和深度学习算法，可以利用大规模的数据进行模型的训练和优化。
模型训练可以使用分布式计算环境加速处理速度。
5. 模型推理：在训练好的模型上，可以进行模型的推理和预测。
模型推理可以帮助智能制造系统实现实时的生产优化、质量控制等功能。
二、智能制造系统设计智能制造系统的设计是实现智能制造的关键一环。
设计一个高效可靠的智能制造系统需要考虑以下几个方面：1. 系统架构：智能制造系统的架构应该能够适应多样化的生产场景和数据要求。
合理的架构设计可以提高系统的可扩展性和灵活性。
2. 数据集成与共享：在智能制造系统中，不同的数据源和数据格式需要进行集成和共享。
通过使用统一的数据标准和数据接口，可以实现数据的高效交换与共享。
3. 实时响应与决策：智能制造系统需要能够实时响应各种生产变化，并做出相应的决策。
300页PPT读懂智能制造导论全体系
•智能制造概述•数字化工厂建设•自动化生产线设计与优化•工业机器人应用与集成目录•物联网技术在智能制造中应用•大数据驱动的精益生产管理实践•总结与展望：未来智能制造发展趋势预测智能制造定义与发展历程定义发展历程智能制造核心技术与特点核心技术特点智能制造在工业生产中应用自动化生产线智能制造通过自动化生产线实现生产过程的自动化和智能化，提高生产效率和产品质量。
工业机器人工业机器人是智能制造的重要组成部分，它能够实现生产过程中的自动化和智能化操作，提高生产效率和产品质量。
数字化车间数字化车间是智能制造的典型应用之一，它通过数字化技术实现生产过程的可视化、可控制和可优化，提高生产效率和质量。
个性化定制智能制造能够实现个性化定制生产，满足消费者多样化、个性化的需求，提高产品的附加值和市场竞争力。
提升质量水平通过实时监控和数据分析，提高产品质量和一致性。
快速响应市场变化，实现个性化定制和多样化生产。
降低运营成本优化生产流程，减少浪费和不良品率，降低物料和人力成本。
数字化工厂定义利用先进制造技术、信息技术和智能技术，构建高度互联、智能化、柔性化的生产系统。
提高生产效率数字化工厂概念及优势需求分析架构设计技术选型实施方案数字化工厂规划与设计方法某汽车制造企业通过数字化工厂建设，实现了生产线的自动化和智能化，提高了生产效率和产品质量。
案例一案例二案例三案例四某家电企业通过数字化工厂改造，实现了个性化定制和柔性化生产，满足了市场多样化需求。
某机械制造企业利用数字化工厂技术，实现了远程监控和故障诊断，降低了运维成本和停机时间。
某食品企业通过数字化工厂建设，实现了生产过程的透明化和可追溯性，提高了食品安全水平。
数字化工厂实施案例分享01自动化生产线的定义02自动化生产线的基本组成03自动化生产线的工作原理自动化生产线基本概念及原理生产线布局规划与设备选型策略生产线布局规划原则01设备选型策略02生产线布局与设备选型的案例分析03生产线性能优化方法针对生产线存在的问题，提出相应的优化措施，如改进工艺流程、提高设备性能、加强质量管理等。
智能制造技术应用案例剖析
智能制造技术应用案例剖析随着信息时代的不断演变，智能制造技术正在重新定义制造业的未来。
从零件设计和生产到物流和客户服务，智能制造技术正在不断地实现自动化、智能化、数字化和绿色化的目标，为制造业带来了更高效、更安全、更优质的生产方式。
在本文中，我们将剖析几个智能制造技术的应用案例，以帮助读者深入了解这一领域的发展趋势和前沿技术。
案例一：3D打印技术在航空制造领域的应用航空制造是制造业中最为复杂和严谨的领域之一，使用3D打印技术可以大量减少生产时间和成本，并且还能够实现量身定制的需求。
美国波音公司就是一个成功的案例，他们利用3D打印技术生产了许多复杂的部件，例如涡轮叶片、结构支持、连接板和夹具等等。
3D打印技术的应用，缩短了生产周期，从而提高了生产效率和产品质量，同时还带来了更加精准的零件制造。
案例二：数据分析技术在制造业中的应用随着智能制造技术的推广，制造企业不仅可以大量收集生产数据，还能通过数据分析技术进行有效的分析和利用。
这样的应用不仅有助于企业更精准地掌握生产中的情况，还能够提高产品质量和降低生产成本。
例如一些电子制造企业，通过数据分析技术可以快速地找到产品问题、优化生产流程和提高能源利用效率。
案例三：机器人技术在汽车制造中的应用随着智能制造技术的不断进步，机器人技术在制造业中的应用也越来越广泛。
在汽车制造业中，机器人可以协助完成各种复杂的生产任务，从焊接、喷漆到车身组装，都能够大幅提升生产效率和产品质量。
这也是为什么许多汽车制造企业在生产流程中都使用了机器人技术的原因。
总结以上案例展示了智能制造技术在不同领域的应用，通过使用先进的技术使制造业实现自动化、智能化和高效化。
智能制造技术的应用也为制造业带来了更多可持续性、环境保护和社会利益。
预计未来智能制造技术将在更广泛的领域中得到应用，为制造业带来更多的变革和发展。
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国家智能制造系统架构映射及示例解析
图11 智能制造系统架构各维度与智能制造标准体系结构映射
图11通过具体的映射图展示了智能制造系统架构三个维度与智能制造标准体系的映射关系。
由于智能制造标准体系结构中A基础共性及C行业应用涉及到整个智能制造系统架构，映射图中对B关键技术进行了分别映射。
B关键技术中包括BA智能装备、BB智能工厂、BC智能服务、BD智能赋能技术、BE工业网络等五大类标准。
其中BA智能装备主要对应生命周期维度的设计、生产和物流，
系统层级维度的设备和单元，以及智能特征维度中的资源要素；BB智能工厂主要对应生命周期维度的设计、生产和物流，系统层级维度的车间和企业，以及智能特征维度的资源要素和系统集成；BC智能服务主要对应生命周期维度的销售和服务，系统层级维度的协同，以及智能特征维度的新兴业态；BD智能赋能技术主要对应生命周期维度的全过程，系统层级维度的企业和协同，以及智能特征维度的所有环节；BE工业网络主要对应生命周期维度的全过程，系统层级维度的设备、单元、车间和企业，以及智能特征维度的互联互通和系统集成。
智能制造系统架构通过三个维度展示了智能制造的全貌。
为更好的解读和理解系统架构，以计算机辅助设计（CAD）、工业机器人和工业网络为例，诠释智能制造重点领域在系统架构中所处的位置及其相关标准。
1.计算机辅助设计（CAD）
智能特征系统集成互联互通融合共享
图12a CAD 在智能制造系统架构中的位置
CAD 位于智能制造系统架构生命周期维度的设计环节、系统层级的企业层，以及智能特征维度的融合共享，如图12a 所示。
已发布的CAD 标准主要包括：
● GB/T 18784-2002 CAD/CAM 数据质量
● GB/T 18784.2-2005 CAD/CAM 数据质量保证方
法
● GB/T 24734-2009 技术产品文件 数字化产品定义
数据通则
智能特征
图12b CAD在智能制造系统架构中的位置变化目前，CAD正逐渐从传统的桌面软件向云服务平台过渡。
下一步，结合CAD的云端化、基于模型定义（MBD）以及基于模型生产（MBM）等技术发展趋势，将制定新的CAD标准。
CAD在智能制造系统架构中的位置相应会发生
变化，如图12b所示。
2. 工业机器人
智能特征系统集成互联互通新兴业态
图13 工业机器人在智能制造系统架构中的位置
工业机器人位于智能制造系统架构生命周期的生产和物流环节、系统层级的设备层级和单元层级，以及智能特征的资源要素，如图13所示。
已发布的工业机器人标准主要包括：
● GB 11291.1-2011 工业环境用机器人 安全要求 第1部分：机器人
● GB 11291.2-2013 机器人与机器人装备 工业机器人的安全要求 第2部分：机器人系统与集成
● GB/T 29825-2013机器人通信总线协议
●GB/T 32197-2015开放式机器人控制器通讯接口
规范
●GB/T 33267-2016机器人仿真开发环境接口
●GB/T 33266-2016模块化机器人高速通用通信总
线性能
正在制定的工业机器人标准主要包括：
●20170049-T-604工业机器人的通用驱动模块接口●20170052-T-604工业机器人生命周期风险评价方
法
●20170989-T-604工业机器人机器视觉集成技术条
件
3.工业网络
智能特征
图14 工业网络在智能制造系统架构中的位置工业网络主要对应生命周期维度的全过程，系统层级维度的设备、单元、车间和企业，以及智能特征维度的互联互通，如图14所示。
已发布的工业网络标准主要包括：
●GB/T 19582-2008 基于Modbus协议的工业自动
化网络规范
●GB/T 19760-2008 CC-Link控制与通信网络规范
●GB/T 20171-2006 用于工业测量与控制系统的
EPA系统结构与通信规范
●GB/T 25105-2014 工业通信网络现场总线规范
类型10:PROFINET IO规范
●GB/Z 26157-2010 测量和控制数字数据通信工业
控制系统用现场总线类型2：ControlNet和
EtherNet/IP规范
●GB/T 26790.1-2011 工业无线网络WIA规范第1
部分：用于过程自动化的WIA系统结构与通信规范
●GB/T 29910-2013 工业通信网络现场总线规范
类型20：HART规范
●GB/T 27960-2011 以太网POWERLINK通信行规
规范
●GB/T 31230-2014 工业以太网现场总线EtherCAT
正在制定的标准包括:
●20171088-T-469 信息技术系统间远程通信和信
息交换低功耗广域网媒体访问控制层和物理层规
范
20171074-T-469 信息技术系统间远程通信和信息交换高可靠低成本设备间媒体访问控制和物理层规范。