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智能制造发展过程三个阶段及特征-深度解析

导读：本文首先总结工业生产对控制技术的要求及工业自动化系统的特点;然后根据智能制造系统在

工业生产过程中的地位和所发挥的作用，着重讨论智能制造系统相关技术在不同时期、不同领域的技

术特点和阶段，以生产系统的各个子系统间的数据流向为特征，区分智能制造发展过程的3个阶段;最

后以钢铁行业的案例来分析智能制造在生产中的地位，为企业实施智能制造提供参考。

为便于描述起见，本文将应用智能制造技术所实现的系统的集合称为智能制造系统，而传

统的工业生产控制系统(包括工业生产过程中的各级自动化和信息化系统的总和)称为工

业自动化系统。

1工业自动化系统的特点

经过多年发展，钢铁行业工业自动化系统的主体架构一般分为5层，如图1所示:检测及

执行设备级L0、基础自动化级L1、过程自动化级L2、制造执行系统L3和企业资源计

划L4，每层根据功能或控制范围又划分为多个系统。各层系统之间的数据通过接口协议

互相传递，业务应用互相关联。

随着计算机和控制器的能力越来越强大，过程自动化级的很多功能“下沉”至基础自动化级

来执行，融合形成“过程控制级”而;管理的扁平化需求，使得制造执行系统和企业资源计

划的分工界限变得不那么明显，融合形成“生产管理级”。但无论是5层结构，还是其他类

型的结构，总体上都是围绕企业的核心发展目标，实现各系统的功能定位和分工合作。

图1工业自动化系统的结构

通过总结工业生产对控制技术的要求，工业自动化系统一般需要具有以下特点。

(1)确定性。确定性是指工业自动化系统必须有确定的响应能力，主要包括:1)实时性。

工业自动化系统一般都是实时系统，很多情况下延迟对于生产过程信息传送来说是不可接

受的。2)可预测性。即在满足一定条件下，系统的输出是可预期的，差异在可控或可接

受的范围内。3)手动优先。在非正常的情况下，工业自动化系统的部分功能可以被操作人

员确定性的手动接管，使得整个系统可以在降低部分性能(包括便利性)的手动模式下继

续运行。

(2)可用性。可用性是指在外部资源得到一定程度的保证的前提下，工业自动化系统可执

行规定功能的能力。主要包括:1)可靠性。由于其控制对象的重要性，工业自动化系统一

般要求连续工作，不允许控制系统的突然中断和重新启动，这也就意味着在传统IT技术

中通过重启动来复位系统的意外故障，在工业自动化系统中几乎是不可接受的。因此，在

工业自动化系统中要通过尽量简洁、可控、必要的代码去实现所需的功能，在投入运行前

经过反复详细的测试，以确保尽量减少意外中断的可能。2)容错性。工业自动化系统在

设计和测试时就必须尽量多地考虑系统在各类输入条件下的响应，在部分输入信号出现异

常时，系统可以继续工作或自动进入安全状态，避免产生极端的错误输出，导致设备或产

品损害，甚至人身伤害。3)安全性。工业自动化系统一旦受到网络攻击所带来的后果比

IT领域要严重的多，会导致生产停机、设备损害或安全事故，因此必须结合应用场景，

合理部署安全解决方案，实现功能安全和信息安全的有机融合。

(3)经济性。经济性是指企业从一项投资活动中得到的经济回报。钢铁企业有深厚的行业

背景和鲜明的个性化特征，很多先进的技术难以在其他行业、不同生产线之间实现简单的

复制推广，IT领域的市场模式在工业领域并不一定适用。因此，技术的开发是否具备合

适的经济性需要综合考虑。

随着计算机技术的发展，工业自动化系统大量使用计算机、操作系统和各类网络协议，引

入越来越多的IT技术。一些技术在引入的过程中，针对工业生产的要求进行了改造、验

证和推广应用。智能制造系统中很多基础性技术如人工智能、工业大数据、工业互联网平

台等也来源于IT技术，在引入工业生产的过程中，也需要根据要求，综合考虑确定性、

可用性、经济性因素，进行必要的调整改造。

智能制造的发展总体上应该是一个循序渐进的过程，需要依据生产需求和相关技术在不同

发展阶段的特点，合理确定相关技术所能发挥的作用，以及其在整个生产体系的地位，最

终目标是实现各项技术与现有的工业自动化系统结合，形成有机的整体，有效地实现企业

的发展目标。

2智能制造系统发展过程的3个阶段

依据智能制造系统所要解决的问题和在整个生产体系中的地位，可以粗略地将智能制造的

发展过程分为3个阶段。

2．1第一阶段———智能制造初级阶段

在这个阶段，人工智能等先进技术不断向传统的工业自动化系统延伸，通过先进的手段，

显示生产过程中