第3章 智能制造实践理论

3.1 智能制造实践基础

我国智能制造实际上也经历了近30年的历史，从20世纪90年代的CIMS（Computer Integrated Manufacturing System,计算机集成制造系统）工程开始，经历了“两甩”工程、“两化”融合、“两化”深度融合、数字化车间、智能制造试点示范项目等由浅入深的信息化之路。在此过程中，很多企业在实施中获得了大量经验，也引发了大量思考，同时政府相关部门、高等院校、研究院所等领导、专家撰写了很多关于智能制造的论文，百家争鸣，百花开放，极大地丰富了大家对智能制造相关理论、理念、观点的理解和认识。各种社会组织也以各种方式举办论坛，组织去德国、日本、美国等发达国家参观调研等活动，为智能制造的实施奠定了实践基础。

3.1.1 CIMS工程

CIM（Computer Integrated Manufacturing）的概念最早由美国约瑟夫·哈林博士在1973年提出，其基本出发点是：①企业的各种生产经营活动是不可分割的，要统一考虑；②整个生产制造过程实质上是信息的采集、传递和加工处理过程。因此，企业作为一个统一的整体，必须从全局的、系统的观点出发，在各个环节，如市场、经营、管理、接受订单、产品设计、仿真分析、工艺规划、加工制造、销售、售后服务进行整体规划，广泛采用新技术和新理念，加速信息流的采集、传递和加工处理过程，将企业生产中有关要素整合。CIMS的主要特征如下。

1.以信息集成为特征

CIMS概念最初于20世纪70年代提出，在80年代得以应用并迅速推广，这一时期的CIMS以信息集成为特征。信息集成使得生产要素之间不再“各自为政”，相互之间协调匹配，生产要素潜力得到更大的发挥，减少生产过程中各种资源的浪费，提高整体效益，以适应这一时期市场竞争的需要。

2.以过程集成为特征

20世纪90年代是信息时代，更是知识的时代，技术发展越来越快，如何在最短时间内开发出高质量及用户能接受的价格的产品成为企业在市场竞争中的焦点，并行工程（Concurrent Engineering,CE）应运而生。并行工程是对产品设计及其相关过程（包括制造过程和支持过程）进行并行、一体化设计的一种系统化的工作模式。这种方法要求产品开发人员在设计初始阶段就考虑产品整个生命周期中从概念形成到产品报废处理的所有要素，包括质量、成本、进度计划和用户要求。

3.以企业集成为特征

随着技术变革突飞猛进和生活水平提高，人们对新产品的渴求日益增强，市场对于企业的要求越发严格，产品数据采集、传递和加工处理过程，将企业生产过程中的相关要素进行整合，从产品研发、生产准备、生产制造、经营管理、质量管控等角度进行整体集成，从而提高企业的市场竞争力。

CIMS的一个重要特点是集成。集成是将原来独立运行的多个单元子系统通过某种方式集中在一起，产生联系，进而形成一个协同工作的、功能更强的新系统。集成不是简单的连接，而是经过统一规划设计，分析原单元系统的作用和相互关系并进行优化重组而实现的。与物流、信息流和工作流相对应，CIMS的集成可分成物流集成、信息集成和功能集成。它主要以企业内部集成为主，并考虑与外部环境的集成。

CIMS的集成重点在信息集成上，但系统集成的最终目的是实现企业的功能集成。要对系统运行过程进行综合分析，对系统进行重新设计，使工作流程简化完善、精美优化，使之协调运行。功能集成要借助各种现代的管理科学成果，并在信息集成的支持下才能实现。制造是利用各种资源（原料、设备、工具、资金、技术、信息、人力等），按照市场要求，将资源转化为人们能够利用的产品的过程。各类制造业都是物质生产的企业，都是统一的整体；各种制造过程中的物质采购、存储、加工处理、运输的过程，也都是信息收集、存储、加工传递的过程；各种制造企业无论其产品类型、生产方式等，都面临着激烈的市场竞争，都存在改善交货期、降低产品成本等问题。这些特点决定了CIMS是适用于各种制造企业的共同理念。

CIMS是一种观念，一种哲理，它是生产发展到一定阶段的产物。在信息时代，它是用信息集成方式来提高生产效益，使之符合不断变化的社会与市场需求。CIMS的概念和内容并不是一成不变的，它必须随着生产水平、生产方式的发展和人类社会的进步、信息技术的提高而不断发展。CIMS的研究必须不断更新，永远不会停止在一个水平上。CIMS是我国加工制造业前进中不可缺少的阶段，帮助企业提升加工制造产业的现代化水平，适应不断变化的市场需求，增大经济效益和社会效益，以满足不断提高的日新月异的人民生活需求。

3.1.2 “两甩”工程

“十一五”期间，制造业信息化的目标是推进“两甩”工程：以“甩图纸”为标志的设计制造一体化、无纸化和以“甩账表”为标志的企业数字化管理。

1.甩图纸

“甩图纸”是指组织企业建立数字化设计、制造集成平台或框架，开展以三维产品模型为核心的产品设计、分析仿真、工艺规划、数控加工集成技术与应用的示范，最终实现从产品设计到加工制造的全线无纸化。

“甩图纸”的第一层内涵，是甩掉纸介质，实现无纸化；甩掉图传递，实现电子化。甩掉图纸以后，采用数字化建模方式，可以构建产品的几何样机和性能样机。基于三维产品模型或数字样机可以直观地优化产品结构，采用CAE、虚拟仿真等技术手段，实现产品性能优化、分析和仿真。以产品数字模型为基础的产品仿真分析和多学科综合优化，促进产品创新。

“甩图纸”的第二层内涵，是甩掉图纸，构建产品数字样机，进行产品结构、功能、性能的优化分析与仿真，带来的是设计手段的深刻变革。甩掉图纸以后，产品全数字化模型需要采用PDM系统对产品模型及产品设计开发流程进行管理。数字化的产品模型在PDM系统的管理之下，便于设计、分析、制造、维护等产品全生命周期的各个环节的共享使用。

PDM系统不仅能够实现产品全生命周期的信息共享，更能实现设计、分析、制造、维护等环节的业务流程的协同和并行化工作。

“甩图纸”的第三层内涵，是甩掉图纸，采用PDM系统，带来的是产品数据管理、产品开发过程协同方式的深刻变革。甩掉图纸以后，将数字化产品模型、设计分析工具、设计开发流程、设计知识经验、标准规范等进行全面集成，构建设计能力平台，实现产品开发过程中信息的共享、功能的集成和业务流程的协同。

“甩图纸”工程是对工程图纸概念的革命。甩掉人们对工程图纸的传统认识和应用方法，甩掉以图纸为主要载体进行产品开发和信息传递的工作模式，利用先进设计方法和信息化等技术手段，变“纸上作业”为“无纸作业”，变“纸面传递”为“无纸传输”，实现从设计或制造意图的电子化表达，综合应用各种技术优化设计结果，再向产品开发各环节集成，提升各组织的协同效率，最终实现产品开发能力的提升。丰富产品的工程信息描述，建立完备的产品信息模型，促使设计经验、知识和方法的不断积累，强化产品创新能力。利用仿真分析、多学科综合优化等先进技术，增强产品设计手段，提高产品质量，降低产品成本；消除产品开发各环节的信息壁垒，甩掉对图纸的依赖，各环节协作互动，提高整体效率；采用数字化集成与协同工作模式，管好产品开发全过程的信息和流程，提升企业敏捷性与竞争力；促进企业之间联合参与全球竞争，实现优势互补、强强联合，利用产业链的优势，赢得市场。

2.甩账表

“甩账表”，即抛弃企业经营管理过程中以纸介质为主要载体进行业务管理和信息传递的作业方式。甩掉账表，人财物产供销单项业务管理手段电子化，成本、库存、销售等各种管理信息电子化。各种管理信息的电子化，可以动态生成各单项业务信息，便于统计图形与报表快速自动生成。

“甩账表”的第一层内涵：甩掉纸质账表，采用电子化信息处理方式，带来的是单项管理工具的变化，实现管理信息处理的自动化和便捷化；甩掉纸质账表，实现管理信息的精确、及时反馈，实时动态管理，便于控制措施快速跟进；甩掉纸质账表，管理信息更精确化与实时化，便于从粗放式管理走向精细化管理。

“甩账表”的第二层内涵：甩掉纸质账表，采用数字化管理，带来的是组织机构的扁平化和业务流程的优化；甩掉纸质账表，实现人财物产供销单项系统内部的信息功能集成和业务流程协同、人财物产供销业务系统之间的信息共享，以及跨系统的业务协同。

“甩账表”的第三层内涵：甩掉纸质账表，通过管理过程的精细化、业务流程的优化、组织机构的扁平化，最终带来的是管理模式的深刻变革。

甩掉以纸介质为主要载体的各种账本，甩掉通过纸介质进行的信息传递方式，甩掉各种统计报表由手工计算完成的作业方式，甩掉以各种经验方式进行计算和生成各种计划、指令的模式。实现业务基础管理的精细化和规范化，实现管理由静态到动态、由事后控制到事前计划的转变，有效地优化业务流程，实现管理模式的创新。

3.1.3 “两化”深度融合

党的十七大提出的“两化”融合和十八大提出的“两化”深度融合是工业化和信息化发展到一定阶段的必然产物，它将提升企业可持续竞争优势，是企业创新发展的关键所在。“两化”融合主要包括技术融合、产品融合、业务融合、产业衍生四个方面。概括来讲，“两化”融合是指将电子信息技术广泛应用到工业生产的各个环节，信息化成为企业经营管理的常规手段。信息化进程和工业化进程不再相互独立进行，不再是单方的带动和促进关系，而是两者在技术、产品、管理等各个层面相互交融，彼此不可分割，并催生了工业电子、工业软件、工业信息服务业等新产业。

1.“两化”融合促进工业企业的转型

现代工业制造企业在信息化的支撑下，将产品的研发和电子信息技术、制造技术以及企业管理技术等进行有效的结合，从而大大改变了企业在研发、制造、管理以及其他各个生产管理环节的工作方式，实现了信息化生产和研发，同时也加快了企业管理信息化的步伐，增强了企业在生产和管理方面的创新能力，在整体上提高了企业的竞争能力。对于我国经济来讲，生产制造行业非常重要，制造业信息化为我国步入新兴“工业4.0”道路提供了基础，促进了我国工业企业的华丽转型。

2.提升企业与市场的沟通能力

在信息技术的支撑下，现代制造企业在互联网方面的应用已经相对成熟，扩大了信息来源，朝着信息化方向发展。面对激烈的市场竞争，制造企业与市场和客户的沟通方面的能力有待提升。通过高效的沟通可以更加深入地挖掘客户需求，扩大市场范围。在工业转型和变革中，工业企业必须加强与外界企业的合作，通过协作和外包的方式来提高企业的竞争能力，以适应新经济时代的发展需求。

3.有效促进业务的有效融合

通过电子信息化和工业化的高度融合，有利于工业企业的经营管理中应用信息技术来对企业的新产品进行设计和研发，同时还可以将信息技术应用到产品的生产制造和市场营销等企业生产管理的环节中，从而有利于企业的发展和创新，做到业务的有效升级。例如，通过对计算机的普及应用，从根本上改变了传统的手工记账方式，从而大大提高了企业财务管理效率，也提高了财务数据的准确性；在信息化基础上，企业管理的智能化应用得到了有效提升，这样就加快了企业生产制造的效率，同时减少了对劳动力的需求，一方面降低了生产成本，提高了产品质量；另一方面也增强了生产制造过程中的安全性。通过对互联网的应用，加快了电子商务的发展，电子商务是一种新兴的销售方式，这样不仅可以降低销售过程中的各项成本，同时也缩短了销售中间环节的各种时间，从而提高了销售效率，有利于企业资金的高效周转。

4.促进企业可持续性发展

“两化”融合过程除了为企业带来了直接的便利和管理效益之外，也衍生出了很多新型产业和新兴行业，其中比较典型的就是工业软件、工业信息服务行业以及电子工业等。在电子工业中，汽车、航空、船舶的电子化以及机械的电子化尤为典型。在两者的深度融合下，可以对工业发展进行传承和延续，在两者融合的基础上可以不断加强创新实践，在技术领域内进行创新，促进企业的可持续性发展。

5.有助于提升企业竞争力

“两化”深度融合有助于企业降低边际成本，提高生产率，同时还有助于企业产品和服务的差异化。另外，在网络集约型经营模式下有助于企业降低沟通成本和经营风险，优化企业内部资源配置，提高企业能源利用率，实现集约式发展。在企业的生产管理、工艺创新、产品检测、市场营销以及环保节能等各个环节将信息化充分与工业化进行深度融合，有助于企业经营新模式的产生，增强企业经济效益，从而提升企业的竞争力。

信息化的出现和发展对工业化发展起到了很多好的带动作用，随着两者融合深度的不断加强，可以对工业生产管理各个流程带来极大的支持，同样工业化的大力发展也可以对信息化技术进行不断的升级，使两者相互作用、相互提升，从而提升企业可持续发展和竞争优势。

“两化”融合整体管理体系如图3-1所示。

3.1.4 数字化车间

“十二五”到“十三五”期间，国内大企业开始建设数字化车间。数字化车间必须有能力适应“多小型”生产组织方式，要在既有的柔性制造系统基础上，新增生产过程及设备的数据采集、质量动态监测与控制、柔性物流、自动化装配和生产过程仿真等，形成以先进制造技术为支撑的新型制造体系。进而，与企业级ERP生产计划、车间级调度作业体系相融合，将离散的多项目、多订单交付计划转化为连续的多品种、小批量零件生产计划，通过新建的数字化车间的各个系统，准时、并行地渗透到各个加工单元，将平行作业指令落实到垂直布局的生产线质量活动之中。

数字化车间由数字化设计、数字化制造、智能物流及数字化装配四大部分组成。其中，数字化设计依托企业已有的数字化设计平台，故数字化车间建设主体是数字化制造、智能物流和数字化装配三部分，以实现零件加工、物流管控、组装及检测全过程的自动化、数字化、网络化、智能化。数字化车间建设内容如图3-2所示。

3.1.5 IT基础设施

计算机网络被定义为“以能够共享资源（如硬件、软件和数据等）的方式连接起来，并且各自具备独立功能的计算机系统的集合”。这意味着网络不仅要实现通信媒体的连接，而且要实现各节点计算机独立的功能能够共享，能为网络上的所有用户提供各类资源，满足所有网络用户的请求。支撑数字化设计制造一体化的网络系统（车间局域网+工业互联网）如图3-3所示。其中，工业互联网可超越组织边界，能够为企业供应链和所有用户提供远程在线服务（如选型系统、供应链管理系统、远程监造系统等）。

基于工业云的生产过程信息化系统能够精简企业架构，实现数据的集中存储、集中备份及充分利用虚拟架构中虚拟机（VMware）的功能。云计算技术的高扩展性适应用户业务量增加，只需对物理服务器（刀片服务器，Blade Server）增加适当的内存或者直接加入一台物理的服务器即可，在增加物理硬件时业务也不会中断，因此特别适于负荷变化频繁的生产过程中的制造执行任务。此外，桌面虚拟化应用为用户访问生产过程信息提供了高效率和灵活性，为不同地点和使用不同设备的终端用户提供了具有临场感的用户体验。