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文本内容:
智能制造系统架构
一、智能制造系统架构智能制造系统架构通过生命周期、系统层级和智能功能三个维度构建完成,主要解决智能制造标准体系结构和框架的建模研究
1、生命周期生命周期是由设计、生产、物流、销售、服务等一系列相互联系的价值创造活动组成的链式集合生命周期中各项活动相互关联、相互影响不同行业的生命周期构成不尽相同
2、系统层级系统层级自下而上共五层,分别为设备层、控制层、车间层、企业层和协同层智能制造的系统层级体现了装备的智能化和互联网协议IP化,以及网络的扁平化趋势1设备层级包括传感器、仪器仪表、条码、射频识别、机器、机械和装置等,是企业进行生产活动的物质技术基础;2控制层级包括可编程逻辑控制器PLC、数据采集与监视控制系统SCADA、分布式控制系统DCS和现场总线控制系统FCS等;3车间层级实现面向工厂/车间的生产管理,包括制造执行系统MES等;良好机遇,为发展智能制造提供了巨大空间因此,无论从国际大势看,还是从国内大局看,我国的制造业都到了发展智能制造的关键阶段,必须积极谋划、加快推进一是充分发挥现代信息技术的引领作用互联网、大数据、云计算、区块链、人工智能、5G等新一代信息技术,统领了世界各国制造业体系的技术升级,从根本上改变了传统制造业的生产方式与运营模式,极大提高了制造业的劳动生产率和经济效益,是推动制造业发生智能化变革的关键力量上世纪60年代以来,德国、日本和韩国抓住了信息化的机遇,实现了传统产业的改造升级和制造业的跨越发展;美国也是借助信息化战略的实施,实现了20世纪90年代的快速发展当前,我国在现代信息技术领域已经具备较好的基础,抓住新一轮信息化深入发展的重大机遇,不仅可以使我国传统产业的生产方式更加高效、产品更加智能,而且有利于在全球范围优化配置资源,培育规模庞大、生机无限的新产业集群,为制造业高质量发展注入新的动力和活力通过现代信息技术来引领智能制造发展,应坚持两手抓,一手抓传统产业改造升级,一手抓新兴产业的培育和发展我国制造业中传统产业占比超过80%改造提升传统产业具有巨大潜力和市场空间要积极推进工业互联网、5G技术、人工智能与制造业深度融合,广泛利用新技术对企业进行全方位、全链条改造,积极促进技术革新和设备更新,提高信息化和智能化应用的广度和深度,加快建设数字化车间、智能化工厂,加速传统产业脱胎换骨老树发新芽,推动我国制造业向智能、高端、绿色、服务方向转型升级,促进新旧动能接续转换同时,要聚焦产业智能化和智能产业化,持续实施增强制造业核心竞争力行动,积极拓展智能+制造的表现形式,大力发展新能源、新材料、智能制造、量子科技、5G商用、生物和海洋技术等战略新兴产业,培育一批智能制造解决方案供应商,打造一批世界级先进制造业集群,构筑我国产业体系新支柱,培育我国经济发展新动能二是充分发挥质量基础设施的支撑作用计量、标准、认证认可、检验检测,是国际公认的质量基础设施其中,计量是工业生产的眼睛和神经,没有精准计量就没有现代制造业;标准是企业设计和生产的根本遵循,决定着国际产业竞争的制高点和话语权,高质量必须高标准;认证认可和检验检测可统称为合格评定,是产品能否投放市场的必经程序,控制质量并传递信任质量基础设施各个要素密切联系、相互作用,既是提升产业能力的催化剂,又是淘汰落后产能的硬约束例如,浙江通过品字标认证,推动温州皮鞋、台州泵阀、湖州木地板等产业提升质量效益水平;河北通过制定钢铁有关标准,预计2016—2020年将倒逼2700多万吨产能退出市场;中国计量院为燕京啤酒集团开发的能源计量与管理信息系统,为企业实现节能减排提供了有效支撑,整个厂区综合能耗下降
19.8%生产率提升30虬要把质量基础设施纳入国家发展总体规划,建立若干国家级标准实验室,在抬升质量高线上有所突破,这为强化质量基础设施、支撑制造业高质量发展指明了方向要围绕提升产业竞争能力和产业链水平,加强质量基础设施能力建设,不断完善现代测量体系、先进标准体系、高质量认证检测服务体系围绕区域智能制造产业发展需求,配套建设国家质检中心、产业计量中心、标准创新中心等重大质量基础设施,为中小企业提供技术服务,增强我国制造业竞争力水平围绕供给侧结构性改革,强化环保、质量、安全等指标的硬约束,用好计量标准、认证检测、生产许可、能耗评价等手段,淘汰落后产能,消除僵尸企业,减少无效供给,促进制造业转型升级三是充分发挥创新型企业的示范作用企业是市场的主体,也是天然的创新主体,创新型企业是发展智能制造、推进制造业高质量发展的中坚力量2018年我国全社会研发经费支出
1.97万亿元,企业投入占比达
77.4%其中深圳市企业研发费用的投入占全市研发总投入的95%2018年深圳国际专利申请量达
1.8万件,连续15年全国第一,在华为、大疆、华大基因等一批创新型企业带领下,深圳连续多年成为福布斯发布的中国最具创新力城市但总的来看,我国制造业技术创新能力仍然不强,2017年规模以上制造业企业研发投入强度仅为
1.14%全球研发投入前50的企业中,我国仅有华为一家上榜,因此,依靠技术创新来提升制造业质量任重道远增强制造业技术创新能力,关键要强化企业创新主体地位,发挥创新型企业示范作用要健全以企业为主体的产学研一体化创新机制探索揭榜挂帅技术悬赏等新机制,鼓励技术创新能力强的企业牵头组建创新联合体,承担制造业特别是智能制造领域关键核心技术、前沿引领技术和颠覆性技术攻关任务,培育一批具有国际竞争力的创新型领军企业,带动一批专、精、特、新小巨人和单项冠军企业,形成大中小企业的创新协作群和完整产业链要创造有利于企业创新的制度环境,完善产业政策、投资政策、财税政策、金融服务政策,强化竞争政策的基础性地位,加强知识产权保护,建立包容审慎的监管制度营造公平开放透明的市场规则和法制化营商环境,着力激发企业创新活力四是充分发挥人力资源的保障作用机器替代人工是工业革命的一个显著特点,智能制造下可能出现一人操作多台设备甚至无人车间对于一般性操作工人的需求可能降低,但对于大数据分析、人工智能算法等高端人才需求则大幅增长智能制造是看待问题的一种方式和解决问题的一个方法,在很多方面并不能取代人的作用,人才仍是发展智能制造、推动制造业高质量发展的重要保障当前,我国制造业人才发展的总体水平不高,难以适应智能制造发展的要求从总量上看,新兴产业领域、跨学科前沿领域人才缺口较大从结构上看,创新型、高技能等高素质人才占比明显偏低,既懂制造技术又懂信息技术的跨界型、复合型人才更是紧缺特别是前些年受金融、房地产等行业挤出效应和虹吸效应影响,制造业领域高端人才流失严重,制造业相关专业不再是高考志愿填报的首选,制造业存在人才断档风险据统计,目前我国高技能人才占就业人员的比重只有6%左右,而发达国家普遍高于35%因此,加强制造业领域人才的教育和培养是当务之急,需要多管齐下要深化教育改革,在人才培养和学科建设中更加重视理工类学科推动人才需求缺口较大领域的新工科和新型交叉学科建设,加强智能制造领域学科体系和人才培养体系建设,培养一批能够突破智能制造关键技术的高层次领军人才要完善职业教育和培训体系,深化产教融合、校企合作,鼓励用工需求较大的龙头企业参与职业教育办学,按照企业需求定制培养人才,实现校门与厂门的精准对接,强化以实践为导向的应用型人才培养,大力培养门类齐全、精益求精的高技能人才要提高技能人才的社会地位和经济待遇,拓展技能人才职业发展通道,弘扬工匠精神,让高技能人才和大国工匠脱颖而出、大量涌现在全球制造业格局重塑的历史时期,未来企业的竞争力很大程度上取决于数字化的创新能力,能否实现制造业高质量发展,关键看能否抢抓智能制造发展的历史机遇要紧紧围绕智能制造的核心技术、顶尖人才、标准规则等强化部署,加快推进制造业高质量发展,力争在新一轮国际科技竞争和产业博弈中掌握主导权,为建设制造强国作出积极贡献
六、国家政策大力支持智能制造行业智能制造行业作为中国制造2025的重点发展行业,能有效提升制造行业的生产力水平,属于我国政策所大力倡导的行业,同时,在下游市场需求持续增长的背景下,未来存在着广阔的发展空间和发展机遇加快发展智能制造,是培育我国经济增长新动能的必由之路,是抢占未来经济和科技发展制高点的战略选择,对于推动我国制造业供给侧结构性改革,打造我国制造业竞争新优势,实现制造强国具有重要战略意义自2010年《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》中将高端装备制造产业定义为我国国民经济的支柱产业以来,其后陆续制定了《当前优先发展的高技术产业化重点领域指南》、《高端装备制造业十二五发展规划》、《智能制造装备产业十二五发展规划》等一系列指导文件,国家对于智能装备制造业尤其是高端智能装备制造业研发和生产的政策支持力度不断加大中国制造2025中提出到2020年,制造业重点领域智能化水平显著提升,试点示范项目运营成本降低30%产品生产周期缩短30%不良品率降低30%到2025年,制造业重点领域全面实现智能化,试点示范项目运营成本降低50%产品生产周期缩短50%不良品率降低50%o《智能制造发展规划(2016-2020年)》提出在2025年前,推进智能制造发展实施两步走战略第一步,到2020年,智能制造发展基础和支撑能力明显增强,传统制造业重点领域基本实现数字化制造,有条件、有基础的重点产业智能转型取得明显进展;第二步,到2025年,智能制造支撑体系基本建立,重点产业初步实现智能转型国家政策的支持为智能装备制造业的发展提供了稳定的发展环境推动了我国自动化设备产业的快速发展
七、我国制造业转型升级的推动经过改革开放30多年的快速发展,我国装备制造业取得了令人瞩目的成就,形成了门类齐全、具有相当规模和技术水平的产业体系但是与世界先进水平相比,我国高端装备制造业仍存在较大差距主要表现在创新能力较弱,核心技术和核心关键部件受制于人;基础配套能力发展滞后,装备主机面临空壳化;产品可靠性低,产业链高端缺位等《中国制造2025》中指出,我国制造业是支撑我国世界大国地位的重要基础,然而与世界先进水平相比,我国制造业仍然大而不强,在自主创新能力、资源利用效率、产业结构水平、信息化程度、质量效益等方面差距明显,转型升级和跨越发展的任务紧迫而艰巨纵观发达国家工业化进程,自动化设备作为提高生产效率的关键手段,其与工业制造技术相结合,在传统装备制造业生产方式的革命性变革进程中起到至关重要的作用当前,世界经济竞争格局正在发生深刻变革和调整加速培育和发展高端装备制造业,既是构建国际竞争新优势,掌握发展主动权的迫切需要,也是转变经济发展方式,推进产业结构升级的内在要求因此,大力推广自动化设备也将是我国制造业转型升级的必然途径,这一转型升级过程将为我国自动化设备生产行业提供良好的发展机会和广阔的市场空间
八、壮大产业体系新优势,推动智能制造产业高速发展面作为制造强国建设的主攻方向,智能制造发展水平关乎我国未来制造业的全球地位发展智能制造,对于加快发展现代产业体系,巩固壮大实体经济根基,构建新发展格局,建设数字中国具有重要意义随着全球自动化和人工智能等技术的发展,全球企业纷纷加大力度布局自动化和智能制造领域近年来,机器人流程自动化、智能流程自动化和人工智能业务操作这三个方面都保持了持续增长,其中机器人流程自动化增长的最快它的年均增速达到了30%以上,这代表了机器换人已成为工业生产的一大趋势现在全球的主要制造业发达国家,都在以工业
4.0为指导推动灯塔工厂和智能工厂的建设目前我国也在积极推进智能制造示范工厂及其优秀场景的建设,已发布的智能制造示范工厂名单中,包括110家的揭榜单位和241个的优秀场景从国内技术创新路径来看,我国智能制造装备发展起步比较晚,虽然说在产业体系上已经形成了一定的基础,但是在高端的设备产品还有一些核心技术和关键零部件上,与国外企业还存在比较大的差距从未来的发展趋势看,我国智能制造装备产业的技术创新,主要沿着重点行业、核心产品和关键技术等三个方面逐步展开
九、智能制造,从制造大国到制造强国我国十四五规划在2021年全面展开,未来五年将是打造数字经济新优势的重要阶段以智能制造为契机推动制造业高质量发展,既是中国数字经济与实体经济融合发展的主攻方向,也是实现双循环新发展格局的关键突破口《中国制造2025》从国家层面确定了中国建设制造强国的总体战略,明确提出要以加快新一代信息技术与制造业深度融合为主线,以推进智能制造为主攻方向,实现制造业由大变强的历史跨越在《中国制造2025》基础上,国家又相继推出关于工业互联网、工业机器人、等政策,智能制造成为十四五规划重点智能制造已经成为我国从制造大国向制造强国转型的巨大推动力,正带领中国产业迈向全球价值链中高端从我国推进智能制造以来,工业和信息化部智能制造专项中新模式应用项目超过400个,综合标准化试验验证项目有123个,智能制造试点示范企业超过300家企业智能制造部署从试水到逐步铺开,有关部门也陆续完成了4项智能制造国家标准的制定或修订工作,企业智能化标准更为规范报告显示,我国已初步建成208个数字化车间和智能工厂,覆盖10大领域和80个行业,初步建立起与国际同步的智能制造标准体系在全球的44个灯塔工厂中有12个工厂位于中国,并且其中有7个为端到端灯塔工厂到2021年,我国重点领域的4企业层级实现面向企业的经营管理,包括企业资源计划系统ERP、产品生命周期管理PLM、供应链管理系统SCM和客户关系管理系统CRM等;5协同层级由产业链上不同企业通过互联网络共享信息实现协同研发、智能生产、精准物流和智能服务等
3、智能功能智能功能包括资源要素、系统集成、互联互通、信息融合和新兴业态等五层1资源要素包括设计施工图纸、产品工艺文件、原材料、制造设备、生产车间和工厂等物理实体,也包括电力、燃气等能源此外人员也可视为资源的一个组成部分2系统集成是指通过二维码、射频识别、软件等信息技术集成原材料、零部件、能源、设备等各种制造资源由小到大实现从智能装备到智能生产单元、智能生产线、数字化车间、智能工厂,乃至智能制造系统的集成3互联互通是指通过有线、无线等通信技术,实现机器之间、机器与控制系统之间、企业之间的互联互通制造企业关键工序数控化率将超过50%数字化车间或智能工厂普及率超过20%在智能制造工程带动下,我国工业机器人、增材制造、工业传感器等新兴产业快速发展壮大,多种典型智能制造新模式推广应用,带动产业升级步伐明显加快缺乏顶层设计制造企业未从战略层面绘制智能制造发展蓝图,导致数字化转型缺乏思想领导和战略规划,缺乏总体业务价值目标规划和现状评估分析,难以将新技术与智能制造应用场景深度融合,只能根据生产实际需求进行系统局部建设或改造企业由此陷入了重硬件轻软件、重局部轻整体的误区,投资不小却见效甚微关注技术单点优化,轻视整体价值提升大部分企业将智能制造建设等同于技术和硬件投资,部署自动化生产线将独立的工序连接在一起,或者用自动化设备取代人工,表面看自动化水平提高了,却带来了更多问题还有企业一味追求系统功能大而全,企业的数字化系统跟自身的管理和业务流程不匹配,最终导致投资浪费与设备闲置具备集成能力解决方案供应商少工业制造覆盖的领域众多,系统架构十分复杂,不同企业所面临的研发、制造、流程管理需求都不尽相同,标准化的解决方案往往难以直接为生产企业所使用市场上大部分供应商专注于单一或者部分领域的解决方案,不具备一站式的集成解决方案能力,对于缺乏自身系统集成能力的制造企业来说,推进智能制造的障碍很高4信息融合是指在系统集成和通信的基础上,利用云计算、大数据等新一代信息技术,在保障信息安全的前提下,实现信息协同共享5新兴业态包括个性化定制、远程运维和工业云等服务型制造模式
4、示例解析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,以可编程逻辑控制器PLC、工业机器人和工业互联网为例,分别从点、线、面三个方面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可编程逻辑控制器PLCPLC位于智能制造系统架构生命周期的生产环节、系统层级的控制层级,以及智能功能的系统集成2工业机器人工业机器人位于智能制造系统架构生命周期的生产环节、系统层级的设备层级和控制层级,以及智能功能的资源要素3工业互联网工业互联网位于智能制造系统架构生命周期的所有环节、系统层级的设备、控制、工厂、企业和协同五个层级,以及智能功能的互联互通
二、聚焦创新全力推进智能制造向纵深发展十三五期间,我国制造业发展取得了长足进步,工业增加值由
23.5万亿元增加到
31.3万亿元,连续11年成为世界最大的制造业国家看到成绩的同时,更要清晰地看到我国制造业的差距,大而不强的问题尚未得到根本解决,关键装备、制造工艺、关键工业软件等方面还依赖于进口,产业基础仍然薄弱近期,工业和信息化部等八部门联合印发的《十四五智能制造发展规划》(以下简称《规划》),文件很重要,发布时间也很及时纵观规划全文,从总体上来看,规划整体站位高、内容全、措施实、亮点突出、针对性强,是我国加快制造业转型升级的一份纲领性、指导性文件,明确提出了未来五年我国深入推进智能制造目标、任务、行动、措施尤其在以下几个方面,更进一步强调了我国智能制造下一阶段发展的难点和重点一是聚焦智能制造的本质智能制造,智能是手段,制造是本质智能制造要面向制造过程《规划》在目标中特别明确提出要立足制造本质,要以工艺、装备为核心,以数据为基础,依托制造单元、车间、工厂、供应链等载体,充分表明了十四五智能制造发展重点聚焦于制造本身,其他技术都是手段,都要向制造本质服务二是突出工业软件和核心装备的自主可控智能制造的建设离不开工业软件和智能装备的支撑工业软件和核心装备的研发、攻关不是一家企业的事情,需要通过装备制造商、高校、科研院所、用户企业、解决方案供应商多方的聚力、联合攻关,突破问题,实现基础零部件、装置和工业软件的自主可控通过工业软件、制造装备与工艺过程的深度融合,推动石化工业转型升级,提升生产过程的数字化、网络化、智能化水平,带动工业软件和装备的更新迭代,形成双向正反馈三是明确智能制造行动路径智能制造建设按照一横、一纵进行两向发力,明确了清晰的路线图和行动方案横向围绕车间、工厂、供应链等,开展多场景、全链条、多层次应用智能化示范应用,培育推广智能制造新模式;纵向按照领域进行细分,细分为装备制造、电子信息、原材料、消费品等领域,直击行业的痛点和需求例如原材料领域智能制造建设重点是要满足安全生产、降耗减碳、提质降本等需求重点建设方向是要利用人工智能技术、机器人及专家经验等技术,实现工艺流程优化、工序动态协同、资源高效配置、无人作业、设备远程健康诊断、智慧决策支持等四是强化标准的引领作用标准是经济社会发展的基础,是一个国家核心竞争力水平的体现大力发展智能制造相关标准,对引领我国制造业高质量发展有非常重要的作用《规划》提出要统筹推进国家智能制造标准体系和行业应用标准体系建设,加快基础共性和关键技术标准制修订,现有标准的优化、协同、交流及贯标执行面向石化工业,智能制造任重道远石化工业是国民经济的重要基础产业和支柱产业,是制造业的重要组成部分,也是智能制造的主战场,从行业经济规模看是仅次于轻工、机械的第三大行业,在工业经济总量的占比一直高居12%左右为推动我国石化产业实现高质量发展,石化智能制造势在必行,而且应该先试先行一要开展分子工程在原材料物性表征和过程优化的应用,加快基于分子工程的工业软件的研发和推广应用,实现石油资源分子级的充分利用石油资源的绿色、高效及高值化利用需要从分子层次认识石油分子的组成及转化规律,构建分子层次的精细化过程模型,实现原料选择、工艺设计、过程优化、产品调合更加合理和科学,提升石化工业的整体优化水平,使每一个分子资源得到充分利用二要大力推进新一代传感装备的应用融合边缘计算、大数据、人工智能等,加快面向石化易燃易爆、有毒有害环境的装备研制和推广应用,加快生产制造全过程数字化改造,实现全要素全环节的动态泛在感知、互联互通、数据集成和智能管控;实现人、物、过程、设备、环境互联,达到全面感知、实时分析、科学决策和精准操作的目标三要强化数据要素的驱动作用加强全要素、全产业链数据的有效集成、汇聚、治理和应用,实现数据->信息->知识->资产的转变,激发数据要素的转型动力,通过数据在工艺改进、运行优化、质量管控、生产异常预警、生产指挥、安全环保和决策判断等方面的应用,实现高效运营管理,提升智能决策、精益制造和精准服务能力四要充实完善石化智能制造标准体系,全面打造和推广面向石化制造各环节的智能化场景和智能工厂示范围绕生产一体化优化、生产集成管控、资产全生命周期管理三条业务主线,形成生产管控、供应链管理、设备管理、能源管理、安全管理、环保管理六大业务域的智能化场景,夯实工业互联网平台等基础设施,实现产业链级、工厂级、装置级的智能制造水平的全面提升
三、发展创新驱动,加快推进智能制造创新中心建设在创新驱动发展方面,围绕工业机器人、新能源汽车等战略性领域发展需求,推进国家制造业创新中心建设;继续实施高档数控机床与基础制造装备等国家科技重大专项此外,将继续实施工业强基专项行动开展国家制造业创新中心建设根据战略性领域发展需求,整合产学研资源,研究建立国家级跨领域、跨地区的制造业创新中心,探索新机制、新模式,在有条件的地区和行业开展试点工作完善智能制造创新服务体系围绕智能工厂和智能制造模式在行业的推广应用,指导地方政府、行业协会、中介组织创新组织方式,建立网络化、专业化、社会化的智能制造创新服务组织,开展成果转化、人才培训、标准推广等服务组织实施企业信息技术服务业务剥离重组示范
四、我国劳动力成本持续的替代效应在目前我国劳动力成本持续上升的背景下,自动化设备能够提高产品质量、提升生产效率及节约劳动力成本的综合优势逐渐凸显随着我国自动化设备的技术水平和设备质量不断提升,在可预见的未来消费电子产品制造、汽车及其零部件制造、医疗器械制造、机械设备制造、仓储物流等领域以自动化设备投入取代劳动力投入的趋势将更加显著,自动化设备行业的发展前景日趋光明
五、加快发展智能制造着力推动制造业高质量发展要加快建设制造强国,加快发展先进制造业制造业是实体经济的基础制造业高质量发展是我国经济高质量发展的重中之重新中国成立70年来,制造业一直是推动我国工业化和现代化的主力军,过去四十多年我国经济取得的伟大成就,很大程度上得益于制造业的快速发展2018年,我国制造业增加值超过26万亿元,在国内生产总值中的比重接近30%是推动国民经济增长的主导力量经过多年发展,我国制造业建立了门类齐全、独立完整的产业体系,规模跃居世界第一应该说有没有的问题基本解决,但好不好的问题仍然存在,制造业大而不强、低端产品过剩、高端产品不足的矛盾比较突出,在技术创新能力、资源利用效率、质量效益水平等方面与世界发达国家还有不小差距随着我国进入工业化后期,巩固提升制造业在国民经济中的支柱地位,进一步增强我国产业的国际竞争力,迫切需要加快推动制造业高质量发展智能制造是新一代信息技术与制造业的深度融合,贯穿于制造业设计、生产、管理、服务等各个环节,是制造模式、生产组织方式和产业形态的深刻变革智能制造是推动制造业高质量发展的主攻方向是创造新动能、打造新优势,不断增强核心竞争力,促进产业迈向价值链中高端的关键举措从全球范围看,各发达国家纷纷把智能制造作为巩固制造业全球领先地位的战略选择,德国推出工业
4.0美国加快布局工业互联网,日本发布新机器人战略,意图继续掌握全球价值链中高端从我国实际看,智能制造起步较晚,还处于发展初期;而现代信息技术加快与实体经济深度融合,为制造业转型升级创造了。
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