信息技术（电子信息类）课件 智能制造

智能制造“新一代信息技术系列丛书信息技术（电子信息类）第八章01制造制造一、制造、制造技术及制造业制造原意指手工制作，即把原材料加工成适用的产品。制造技术指将原材料物化为人类所需产品的工程技术，即通过使原材料成为产品而使用的一系列技术的总称。制造业指对原材料(采掘业的产品和农产品)进行加工或再加工，以及对零部件进行装配的工业的总称制造的全生命周期制造业直接体现了一个国家的生产力水平，是区别发展中国家和发达国家的重要因素，制造业在国民经济中占有重要份额。制造业流程包括产品制造、设计、原料采购、设备组装、仓储运输、订单处理、批发经营、零售等。制造二、人类文明、工业革命与制造技术18世纪以来，工业发展经历了4次工业革命4次工业革命123第一次工业革命发生在18世纪至19世纪，以蒸汽机的使用为标志，实现生产过程机械化；第二次工业革命发生于19世纪后半期的电力应用；第三次工业革命发生于20世纪后半期，以“可编程逻辑控制器”为代表，实现生产工程的自动化。4第二次和第三次工业革命催生了现代制造业，现在正在发生第四次工业革命。02智能制造概述智能制造概述智能制造的提出源于人工智能在制造领域中的应用研究，新一代人工智能技术的出现推动着智能制造的发展。智能制造是基于新一代信息技术，贯穿设计、生产、管理、服务等制造活动各个环节，具有信息深度自感知、智慧优化自决策、精准控制自执行等功能的先进制造过程、系统与模式的总称；具有以智能工厂为载体、以关键制造环节智能化为核心、以端到端数据流为基础、以网络互联为支撑等特征，可有效缩短产品研制周期、降低运营成本、提高生产效率、提升产品质量、降低资源能源消耗。起始于20世纪80年代人工智能在制造领域中的应用，智能制造的概念被正式提出发展于20世纪90年代智能制造技术、智能制造系统的提出成熟于21世纪以来新一代信息技术条件下的“智能制造”一、智能制造的定义关于智能制造的研究大致经历了3个阶段智能制造概述二、智能制造的发展制造资源计划（MRPII）企业资源计划（ERP）产品数据管理（PDM）柔性制造系统（FMS）计算机集成制造系统（CIMS）精益生产（LP）智能制造系统的构成伴随着机械技术、电力技术和电子信息技术的几次革命性发展，制造业经历了机械化时代、电气化时代和自动化时代，目前正逐步与人—信息—物理系统（Human-Cyber-Physical，HCPS）融合，向工业化与信息化融合的新一代模式转型。虚拟制造系统（VMS）全能制造系统（HMS）敏捷制造系统（AMS）网络化制造（NM）智能制造系统（IMS）在制造模式转型的过渡期，已经涌现出了一批先进制造技术随着制造模式的不断推进，生产率大幅提高，成本显著下降。智能制造概述三、智能制造的特征智能制造的特征在于实时智能感知、智能优化决策、智能动态执行等3个方面：智能制造需要大量的数据支持，通过利用高效标准的方法实时进行信息采集、自动识别，并将信息传输到分析决策系统；一是数据的实时感知通过面向产品全生命周期的海量异构信息的挖掘提炼、计算分析、推理预测，形成优化制造过程的决策指令；二是优化决策根据决策指令，通过执行系统控制制造过程的状态，实现稳定、安全运行和动态调整。三是动态执行智能制造概述智能制造特征在制造全球化、产品个性化“互联网+制造”的大背景下，智能制造体现出以下几个系统特征。三、智能制造的特征大系统，全球分散化制造以信息为核心螺旋式上升的能力人与机器的融合即人机一体化虚拟与物理的融合真正的柔性化生产03智能制造系统智能制造系统一、智能制造系统概述数字化制造最本质的变化是在人和物理系统之间增加了一个信息系统，从原来的“人—物理”二元系统发展成为“人—信息—物理”三元系统(HPS进化成了HCPS)。智能制造发生的最本质的变化是在人与物理系统之间增加了信息系统（CyberSystem），信息系统与物理系统组成了信息—物理系统（Cyber-PhysicalSystem，CPS）。新一代智能制造本质上是“人工智能+互联网+数字化制造”。是为了实现特定的价值创造目标，由相关的人、信息系统及物理系统有机组成的综合智能系统。是指把机器智能融入包括人和资源形成的系统，使制造活动能动态地适应需求和制造环境的变化，从而满足系统的优化目标。智能制造系统智能制造系统二、智能制造的构成要素智能制造系统是智能制造技术的载体，主要功能系统包括智能设计、制造过程控制、智能服务、智能供应链等。智能制造系统功能示意智能制造技术在不同层次的制造系统中实现，构成不同层次的智能制造系统。智能制造系统的层次智能制造系统智能产品的功能智能产品的核心功能是能够自主感知、自主学习和自主决策。自主感知是指产品可以通过传感器、摄像头等感知设备获取周围环境的信息；自主学习是指产品可以通过大数据分析和机器学习等技术，不断优化自身的性能和功能；自主决策是指产品可以通过对数据的分析和处理，自主制定最优的解决方案和决策建议。智能产品的分类智能产品可以根据其应用领域和功能特点分为多种类型。根据应用领域，智能产品可分为智能家居、智能医疗、智慧交通、智慧工业等。根据功能特点，智能产品可分为智能硬件和智能软件两大类。三、智能产品智能产品，是指深度嵌入信息技术（高端芯片、新型传感器、智能控制系统、互联网接口等），通过融合人工智能、物联网、大数据等先进技术在其制造、物流、使用和服务过程中，能够体现出自感知、自诊断、自适应、自决策等智能特征的产品；能够提升用户体验、优化产品性能、提高生产效率的现代化产品。智能制造系统三、智能产品智能产品的出现和发展可以追溯到20世纪80年代，当时主要是一些简单、单一的智能产品，如智能手表、智能相机等。进入21世纪以来，随着物联网、云计算、大数据等技术的迅速发展，智能产品进入了快速发展阶段。随着计算机技术、网络技术和人工智能技术的不断发展，智能产品的应用领域越来越广泛，功能也越来越复杂。现在，我们已经可以见到各种类型的智能产品，如智能家居控制系统、智能汽车、智能医疗设备等。近年来智能汽车的快速发展远远超出了人们的预想。汽车正经历燃油汽车→电动汽车（数字化）→网联汽车（网络化）的发展历程，朝着无人驾驶汽车（智能化）的方向极速前进。智能制造系统四、智能设计智能设计通过智能数据分析手段获取设计需求，进而通过智能创成方法进行概念生成，通过智能仿真和优化策略实现产品的性能提升，辅之以智能并行协同策略来实现设计制造信息的有效反馈，从而大幅缩短产品研发周期，提高产品设计品质。以设计方法学为指导以人工智能技术为实现手段以计算机辅助设计为工具提供优化设计等的支持面向集成智能化提供强大的人机交互功能人机智能化设计系统是针对大规模、复杂产品设计的软件系统，它是面向集成的决策自动化，是高级的设计自动化。如何从设计需求转变为产品是设计智能的实际体现和具化过程，各种人工智能和系统工程方法的运用使这一阶段更具智能化和科学化。智能制造系统智能制造装备是具有感知、分析、推理、决策、控制等功能的装备，它能够自行感知、分析运行环境，自行规划、控制作业，自行诊断和修复故障，主动分析自身性能优劣，进行自我维护，并能够参与网络集成和网络协调。它是先进制造技术、信息技术和智能技术的集成和深度融合，帮助企业实现生产过程自动化、智能化、精密化、绿色化，带动工业整体技术水平的提升五、智能制造设备智能制造装备工况自检测工艺知识自学习制造过程自主决策装备自律执行智能制造装备关键技术包括:智能制造系统六、智能生产智能生产是指以智能制造系统为核心，以智能工厂为载体，通过在工厂和企业内部、企业之间及产品全生命周期形成以数据互联互通为特征的制造网络，实现生产过程的实时管理和优化。智能生产涵盖产品、工艺设计、工厂规划的数字设计与仿真，底层智能装备、制造单元、自动化生产线、制造执行系统、物流自动化与管理等企业管理系统等。智能生产指针对制造工厂或车间，引入智能技术与管理手段，实现生产资源最优化配置、生产任务和物流实时优化调度、生产过程精细化管理和智慧科学管理决策。在今后相当长的一段时期内，智能生产——企业生产能力的技术改造、智能升级是推进智能制造的主战场。智能制造系统六、智能生产制造工厂或制造车间的智能特征体现在3个方面：智能生产过程的主要智能手段及其价值回报010203制造车间具有自适应性，具有柔性、可重构能力和自组织能力，从而能够高效地支持多品种、多批量、混流生产；产品、设备、软件之间实现相互通信，具有基于实时反馈信息的智能动态调度能力；建立有预测制造机制，可实现对未来的设备状态、产品质量变化、生产系统性能等的预测，从而提前主动采取应对策略。智能制造系统七、智能服务智能服务是指面向产品的全生命周期，依托产品创造高附加值的服务。举例来说，智能物流、产品跟踪追溯、远程服务管理、预测性维护等都是智能服务的具体表现。智能服务结合信息技术，能够从根本上改变传统制造业产品研发、制造、运输、销售和售后服务等环节的运营模式。通过融合产品和服务，引导客户全程参与产品研发等方式，智能服务能够实现制造价值链的价值增值，并对分散的制造资源进行整合，从而提高企业的核心竞争力。互联网企业从消费互联网进入产业互联网，并实现人和设备、设备和设备、服务和服务、人和服务的广泛连接，将不断激发智能服务领域的技术创新、理念创新、业态创新和模式创新。智能服务实现的是一种按需和主动的智能，不仅要传递、反馈数据，更要系统地进行多维度、多层次的感知，以及主动、深入的辨识。以智能服务为核心的产业模式变革，是新一代智能制造系统的主题。04智能制造关键技术智能制造关键技术在智能制造发展过程中，主要有以下几种关键技术。12工业物联网工业物联网技术是智能制造一个重要的技术，它通过传感器、物联网等技术，实现生产线上各个环节的实时监测和数据传输，从而实现生产流程的控制和优化。工业大数据工业大数据贯穿设计、制造、维修等产品的全生命周期，包括数据的获取、集成和应用等。智能制造的大数据分析技术包括建模技术、优化技术和可视技术等。工业物联网智能制造关键技术在智能制造发展过程中，主要有以下几种关键技术。34云计算技术云计算技术是一种基于互联网的计算方式，即通过互联网把计算能力、储存资源和应用软件等服务转移到远程的数据中心，按需访问。它具有高效性、弹性、自动化和灵活性等特点，可以为用户提供资源共享和多种层次的服务。工业机器人工业机器人是机器人家族中的重要一员，也是目前在技术上发展最成熟、应用最多的一类机器人。现在工业机器人已发展成为一个庞大的家族，并与数控和PLC一起成为工业自动化的三大技术，应用于制造业的各个领域智能制造关键技术在智能制造发展过程中，主要有以下几种关键技术。56云计算技术工业网络安全是指保护工业控制系统（IndustrialControlSystem，ICS）和工业自动化系统（IndustrialAutomationSystem，IAS）等工业网络免遭未经授权的访问、破坏、干扰或滥用的安全状态和措施。知识自动化工业生产过程知识自动化系统是将人工智能技术、计算机技术、自动化系统技术融合来实现知识表示、获取、关联、处理和应用，应用于工业生产实体，实现工业环境下自动感知、处理、计算、决策的智能系统。它涉及智能控制、人工智能、机器学习、人机接口、基于大数据的智慧管理等技术。设备的安全控制的安全网络的安全数据的安全平台的安全标识解析的安全从广义的角度来看，整个工业互联网安全涉及六大安全问题：智能制造关键技术在智能制造发展过程中，主要有以下几种关键技术。78机器视觉机器视觉主要利用计算机来模拟人或再现与人类视觉有关的某些智能行为，从客观事物的图像中提取信息进行处理，并加以理解，最终用于实际检测和控制。机器视觉是一门涉及人工智能、神经生物学、心理物理学、计算机科学、图像处理、模式识别等诸多领域的交叉学科。人工智能技术人工智能技术是智能制造的核心技术之一，它通过机器学习、深度学习等技术，让机器具备了类似人类思维的能力，实现生产过程的自动化管理和优化。9虚拟现实技术虚拟制造技术（VirtualManufacturingTechnology，VMT）是以虚拟现实和仿真技术为基础，对产品的设计、生产过程统一建模，在计算机上实现产品从设计、加工和装配、检验、使用整个生命周期的模拟和仿真。05智能工厂智能工厂包含4个层级：智能工厂一、智能工厂概述智能工厂是智能生产的主要载体。广义而言，智能工厂包括了产品设计、产品生产、销售服务等各方面业务。智能工厂根据行业的不同，可分为离散型智能工厂和流程型智能工厂，追求的目标都是生产过程的优化，大幅度提升生产系统的性能、功能、质量和效益，重点发展方向都是智能生产线、智能车间、智能工厂。智能装备智能生产线智能车间智能工厂智能工厂二、典型智能工厂的构成制造业按其产品制造工艺过程特点，总体上可概括为流程型制造和离散型制造。流程型制造行业流程型制造行业，产品为非构造型，即通过化学分解、合成或生物发酵使物质改变成另外一种物质，如钢铁、有色冶金、化肥、石化、化工等。离散型制造离散、流程型混合行业离散型制造的产品往往由多个零件经过一系列并不连续的工序的加工最终装配而成。离散型制造行业，产品为构造型，生产过程只有形状的改变，没有质变，包括计算机、家电、汽车、航天和机械设备。离散、流程型混合行业，产品前半段为流程型，后半段为离散型；产品成本中的包装占较大比例，如制药、食品加工、酒、烟草等。智能工厂二、典型智能工厂的构成离散型制造的生产过程是将原材料加工成零件，经部件组装和总体组装成为成品，完全按照装配方式生产加工的过程。离散型制造产品是可数的、可拆分零部件的，零件、半成品和成品之间存在一定的定量关系。离散型制造离散型智能制造技术架构示意智能工厂二、典型智能工厂的构成流程型智能制造技术架构示意流程型制造，以资源和可回收资源为原材料，通过物理变化和化学反应的连续复杂生产，为制造业提供原材料和能源的基础行业；典型的流程工业包括石油、化工、造纸、水泥、制药等行业。智能工厂三、智能工厂建设架构一般来说，智能工厂架构分为以下5个层级。123基础设施层：包括工业生产的各类设