智能制造（smart manufacture）是当下最热门的话题。 预示着智能制造将是成为工业的未来。
制造业如此之复杂，以至于给人一种瞎子摸象的感觉。互联网公司更多地是从新的商业模式来理解智能制造，提出了从“生产到仓库”的模式向“生产到订单”的转变，云平台公司开发各种云服务，鼓励“企业上云”。通信公司则大势宣传“以5G和物联网技术为中心为智能制造赋能”。传统自动控制集成商则从机器人，自动化生产线的角度来理解智能制造，AI专家则大谈智能制造中的AI赋能。
阅读国外的文章，西方企业从全球化带来的压力出发，讨论如何通过智能制造实现从“大批量制造”向“大批量定制”转型。提升发达国家的制造业竞争能力，通过智能制造实现制造业回流。术语，架构，平台，标准种类繁多。使人眼花缭乱。
这一切都很正常，一个新技术的出现，一定是伴随着各种新思想，新观点的出现。人们都希望事情朝着对自己有利的方向转变。有一点是明确的，智能制造不完全代表先进制造。制造业的产品设计，材料，加工工艺是“硬核技术”。智能制造无法提升硬核技术。
如果你是其中的一个利益相关者，不能人云亦云，盲目跟风。一定要清晰两个主要的问题:
- 推行智能制造要达到什么样的目的？
- 当下采取什么样的道路实现目标？
愿景（vision）和路线图（roadmap），才是诸多企业至关重要的两个问题。不同地区，不同的企业之间，愿景和路线图是不同的。
智能制造为什么？
智能制造要解决什么样的问题，大致可以归纳如下：
长远的目标
- 新制造模式和大批量定制（New production models and mass customization）
满足客户个性化需求。
- 产业回流（Production Reshoring）
让产品制造业接近创新者，设计者。
- 接近原材料（Proximity Sourcing）
制造要接近原材料供应地。
- 以人为中心的制造业（Human-centred manufacturing）
从体力劳动转变为智力劳动，关注劳动者的安全和幸福感。
短期内的利益
- 自动化架构和配置中的灵活性（Flexibility in Automation Architectures and Configuration）
- 转向预测性维护（Shift towards Predictive Maintenance）
- 质量管理和零缺陷制造（Quality Management Excellence and Zero Defect Manufacturing(ZDM)）
- 数字化仿真和数字化孪生（Digital Simulations and Digital Twins）
- 供应链之间无缝和准确的信息流（Seamless and accurate information flows across the supply chain）
- 工人培训，安全和健康平安（Worker Training, Safety andWell Being）
智能制造背后的技术
智能制造的技术手段是利用IT 领域的最新技术，实现制造业中各种资产的数字化，网络化。提升它们的智能化能力。它们包括智能产品，智能制造设备，智能生产线和智能车间，智能工厂。
- 信息物理系统和工业物联网（CPS and Industrial Internet of Things）
- 5G 通信（5G Communications）
- 低功耗广域网（Low Power Wide Area Networks）
- 云计算（Cloud Computing）
- 边缘计算（Edge Computing）
- 大数据（Big Data）
- 人工智能（Artificial Intelligence）
- 增强现实（Augmented Reality）
- 区块链（Blockchain Technologies）
- 信息安全（Cyber Security）
- 3D打印和增材制造（3D Printing and Additive Manufacturing）
智能制造的技术的特征
- 整体性，集成和端对端（Holistic, Integrated and End-to-End）
整体数字化，而不是目前的部分数字化
- 预测性Predictive and Anticipatory
- 快速和实时性Fast and Real-Time
- 灵活适配Flexible and Adaptive
- 基于标准（Standards-Based）
- 开放性（Open）
- 成本-效率（Cost-Effective）
- 以人为本Human-Centric (Human-in-the-Loop)
- 持续改善（Continuous Improvement）
数字化车间的支柱
- 数字增强制造设备（Digitally enhanced manufacturing equipment）
- 数字组件和技术的互操作（Interoperable digital components and technologies）
- 实验设施，包括示范线和测试床（Experimentation facilities including pilot lines and testbeds）
- 开放性创新过程（Open Innovation Processes）
实现路径
智能制造的最终目标是构建制造业资产数字化，实现智能化。这一切从哪里起步？实现愿景的路线图是怎样的？
实现智能化制造是一个逐步演进的过程，将会采取敏捷方式逐步迭代。每个里程碑都需要有利益驱动。让早期参与者获得商业利益。要不然就失去推动智能制造的驱动力。实现智能制造的每一个参与者都需要有一个清晰的路线图，兼顾短期和远期利益。
RAMI 4.0 参考架构模型
制造系统是一个及其复杂的，涉及诸多领域。几乎没有任何一个企业能够覆盖全面的领域，只有选择自身熟悉的领域和技术专长，聚焦专业的领域。从“工业4.0 ”的RAMI 4.0 参考架构模型(Reference Architecture Model Industry 4.0)可以看出，将工业分成了一个3D 立体模型，具有三个维度：
Y 轴：系统层级（Hierarchical Levels）
在这个维度，将工业分成了产品，现场设备，控制设备，站，工厂，企业和连接的世界。
X 轴：生命周期价值流（Cycle & Value Stream）
产品开发-> 开发，使用和维护，生产->使用和维护。
Z 轴：功能层（layer）
从功能的角度分为资产，集成，通信，信息，功能，商业。
三个维度将3D RAMI4.0 模型切割成为魔方般的小立方体。每个立方体都是进入智能制造的切入点。
- 从商业层切入研究智能制造的商业模式。
- 从通信层面研究工业互联网
- 从功能的层面研究各种设备的数字化模型。导入各项IT新技术。
- 从现场设备维度研究生产线的流程再造和工业优化，模块化制造和自动控制技术。
- 从产品的维度去研究产品生命周期管理。
信息物理系统（CPS）
工业4.0 中提出了一个重要的概念是 所谓的信息物理系统（CPS Cyber-Physical Systems ）。它的基本概念是将制造业的物理资产和信息（计算和网络）融合。CPS成为制造业的基本模块，它们同通过网络相互连接。
在CPS 的理念下，未来的生产车间将是有许多的CPS 联网构成。而CPS 也成为模块化制造单元。CPS 能够相互通信，交换信息。 小至传感·器，执行部件和大量的机械机构，大至机床，机械臂，传送带加上CPS 软件和网络接口之后，就将成为CPS系统。
与此同时，传统的生产方式也可能发生改变。例如，在传统机械加工厂，CNC车间是清一色的CNC机床，加工完成之后，送到测量室（有时称为质检室）测量，然后再返回CNC车间，零部件加工之后再送到去毛刺的机台，统一的去毛刺。这种生产线适合大批量加工。对于小批量，个性化定制制造可能就不合理。我们需要重构制造车间的格局。智能制造车间中，可以将若干台CNC 设备，几何测量设备，去毛刺机，以及传送带，机械臂构成一个生产单元。由车间的MES给生产单元下达加工任务和零部件技术文档。由这个生产单元独立完成加工任务。
传统的车间自动化系统的分层架构也发生改变,从原来的分层架构，转变成为分布式CPS 系统
实现智能制造也具有三个维度
- 制造企业
- 制造设备，软件，集成商
- 行业协会，标准化组织
制造企业
对制造企业而言，逐步地实现生产线模块化，构建更为灵活的生产线。使用更多数字化的智能CPS 系统并且使用各种网络技术将设备联网，是生产要素互联互通。并且引入各种智能软件系统（比如数字仿真，数字孪生）是他们走向智能制造的路线图。获得的利益将是提高制造整体的效率，加快订单递交时间，快速响应客户需求，降低制造成本，提升产品质量，实现零缺陷，降低人力，能耗成本，实现预测性设备维护，减少设备宕机等等。
车间数字化的方案是由企业的产品特点和加工方式决定的。将物理设备转化为CPS 节点后，建立和改变生产模式将会更加快速和灵活。
目前加工企业普遍存在的问题是：中小型机械加工企业是按大批量制造部署的，小批量生产价格贵，交货期长，而且普遍不赚钱。一方面是客户交流，产品制造工艺，准备工作准备周期长，这主要是由于产品生命周期管理软件的缺省。，没有采纳标准的设计文档和格式。比如客户CAD设计图纸和工厂的格式，版本不一致。通常需要进行转换，另一方面是车间材料流转，人员沟通信息不畅通。生产线的信息化水平低，造成大量有用的数据没有被采集，存储，分析和反馈。
企业目前普遍是重物理设备，轻软件和网络。大多数企业几乎是“裸机采购”，除了基本的控制软件，编程和下载工具之外，很少购买网络接口卡，上层管理接口软件。造成了上层软件（比如MES），无法与之对接。MES只是停留在生产信息管理，看板系统的水平。进一步地实施数据分析，仿真和数字孪生，AI无法实施。事后购买，供应商的配件昂贵，是企业望而却步。
设备，软件，系统集成商
帮助制造业建立智能制造的愿景是设备，工业软件，系统集成商的责任和机会。要为制造业提供完整的智能制造系统是非常复杂和漫长的。设备，工业软件，系统集成商要兼顾当下和未来的目标。既要在智能制造的早期阶段让制造业创造价值，又要不偏离智能制造系统不偏离总体架构。实现软件的重用性， 保持系统的可持续性。
为了实现这一目标，设备，工业软件，系统集成商一开始就需要设立一个合适的框架和技术标准，在大的系统架构之下，解决制造业当下的技术痛点。从局部做起。目前的的状况是：
信息技术领域的公司从自身技术背景和利益出发，建立各种平台和架构。急于向制造业推销并不成熟的技术，产品和服务。没有对制造业进行深入的研究和融合。比如目前比较热闹的“企业上云”，工业物联网平台，搬运机械臂，AGV 小车等项目。只是将IT领域的云平台，运维技术移植到制造业，通过modbus 网关将制造业中的PLC 控制器连接到云端。没有解决制造业的痛点，离智能制造相差甚远。制造企业的接受度不高。
信息技术企业针对特定的领域和企业开发专有的工业软件和应用系统。缺乏大的技术架构指引。造成的结果是系统缺乏灵活性和可扩展性，软件的可重用性，扩展性和互联互通性不高。在低水平层面重复徘徊。无法与国外先进的控制系统的大厂的技术和产品兼容。久而久之其产品和服务无法与国际大厂匹敌。
比较合适的方式是，建立，或者遵循一个大的智能制造的技术架构，在这个架构之下，采取"自底向上"的发展策略。从底层小设备，专有设备入手，实现与大系统互联互通，相互兼容。然后向高层发展。这样能够在系统发展的早期就为制造业创造价值。
在应用领域，重点要解决制造业降低成本，提高质量的“硬核”需求。让制造业获得智能制造带来的价值。
欧洲“地平线2020”计划资助的项目-DAEDALUS
目前，智能制造架构处于发展的阶段，人们提出了CPS的各种技术架构。其中一个比较重要的架构是欧洲地平线2020计划资助的工业自动化项目-DAEDALUS。它是基于IEC61499 分布式工业控制系统的国际标准。IEC61499 的最大特点是基于事件功能块。所谓功能块本质上是将工业控制软件组件化，并且封装在功能块中。使用图形化方式可以编写基于功能块网络的应用程序。61499 的另一个特点是一个功能块应用程序可以部署到多个设设备上运行,而不是像PLC 那样编写程序仅限于在一个PLC上运行。
一个CPS 的架构大致包括
- 内部控制程序，
- 与其它CPS 的交互协议，
- 参数描述（资产的数字化描述）
- 管理接口
IEC61499 标准几乎包含了所有的部分。基于IEC61499 的CPS 架构是一个轻量级的CPS。更复杂一点，可能要加入automaticML 和OPC UA 等元素。这也是功能块能够实现的，
IEC 61499 的功能块不仅限于是底层控制，也可以延申到EPR，SCADA,MES高层软件。甚至有数字化仿真，大数据，AI等应用。而工业控制系统也从传统的分层架构转变成为基于CPS网络的去中心分布式系统架构。EPR，SCADA,MES高层软件组件也可以封装成为IEC61499 的功能块。也可以通过service interface 功能块访问这些软件组件。
我们知道，传统的自动控制系统是分层架构
DAEDALUS使用IEC61499 建立CPS 。智能制造系统由多个CPS通过网络构成。传统架构的的不同功能可以在同时在CPS中运行。这是一种去中心化，分布式架构。
传统分层架构中的功能都将转变成为IEC61499 的功能块和功能块应用，分布式地部署到不同的CPS 中运行。一个小型的CPS也许就运行一个传感器服务功能块，而一个大的CPS 可能运行一个实时控制的应用，同时运行EPR，MES 的功能块网络的一部分。智能制造体系中的所有软件就是在这些大大小小的CPS 上运行和协同操作的。
小型CPS 可能采用ARM 单片机就能够实现，而大型的CPS 采用X86或者多核Arm 实现。
应用市场
DAEDALUS还提出了类似手机App 的概念。形成一个数字化空间，将各种功能块化的App 存储在App 市场中。由系统集成商或者企业用户调用。
在CPS 中运行的功能块应用程序将分成为两类，一类是实时（REAL TIME）控制应用，另一类是物联网(ANY TIME)应用。CPS 可以通过现场总线和已有的控制设备互联。
CPS 是一个Linux OS 的设备，运行IEC61499 运行时（RUN TIME），它的内部架构如下
在操作系统之上，具有一个IEC61499 运行时-也就是运行功能块应用的虚拟机环境，按照IEC61499 的说法，一个运行时上可以有多个资源，每个资源之上都能够运行功能块网络。你可以将资源理解为可以运行应用的虚拟机。更加CPS 对算力的需求，选择单片机，多核Arm ，或者X86 处理器，
由此可见，DAEDALUS项目给我们一个实现CPS 清晰的脉络和路线图。实现智能制造可以从IEC61499 出发。
对于传统设备，传感器，测量仪器制造商， 可以将你的设备中添加嵌入式软件，将设备转变成为CPS 系统。对于专业设备率先实现CPS化，比如注塑机，包装设备，立体仓库。构建智能制造的一个小环境，并且融入国际大厂的开放性控制系统。系统集成商可以将传统设备转换为CPS，构建模块化制造单元。
在智能制造的发展过程中，必须兼顾已有的控制设备，比如PLC为基础的控制系统和设备。在DAEDALUS的概念中可以开发一种小尺寸，低成本的所谓CPS-izer 连接传统控制系统到IEC61499 兼容的cps网络中。这样的设备在基于CPS智能制造系统的早期发展阶段是必需的。
对于大数据，物联网等新型智能设备开发，可以直接融入CPS功能。原地踏步永远达不到彼岸，只有勇敢地跨出第一步就能寻找到适合的道路。