菲尼克斯電氣（南京）研發(fā)工程中心有限公司 杜品圣

智能工廠—德國(guó)推進(jìn)工業(yè)4.0戰(zhàn)略的第一步（下）

菲尼克斯電氣（南京）研發(fā)工程中心有限公司 杜品圣

2 智能工廠是實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0戰(zhàn)略的關(guān)鍵，互聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)智能工廠的基礎(chǔ)

2.1 智能工廠作為實(shí)施工業(yè)4.0戰(zhàn)略關(guān)鍵的原因

德國(guó)在推動(dòng)工業(yè)4.0這一國(guó)策時(shí)將重點(diǎn)放在智能工廠上，這與德國(guó)制造業(yè)在德國(guó)經(jīng)濟(jì)中有著舉足輕重的地位分不開(kāi)。德國(guó)擁有強(qiáng)大的設(shè)備和機(jī)床制造能力，是最具競(jìng)爭(zhēng)力的國(guó)家之一，推動(dòng)智能工廠這個(gè)項(xiàng)目，可以全方位地提升德國(guó)工業(yè)界的整體實(shí)力，對(duì)于整個(gè)制造產(chǎn)業(yè)鏈（信息技術(shù)、生產(chǎn)物流管理技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)、工業(yè)科技產(chǎn)品的科研和開(kāi)發(fā)、3D技術(shù)、復(fù)雜工業(yè)過(guò)程的管理技術(shù)和電子嵌入式系統(tǒng)技術(shù)等）產(chǎn)生顛覆性的變化。同樣這個(gè)項(xiàng)目也可以動(dòng)員和吸引大量工業(yè)制造產(chǎn)業(yè)鏈上中的小企業(yè)參與，舉一綱而萬(wàn)目張，解一卷而眾篇明，成為“全民項(xiàng)目”，使得中小企業(yè)都成為智能工廠生產(chǎn)技術(shù)的參與者、開(kāi)發(fā)者、使用者和受益者，繼續(xù)保持德國(guó)在整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的領(lǐng)先地位。更主要是最近十多年來(lái)技術(shù)的發(fā)展，市場(chǎng)的變化改變了市場(chǎng)及客戶(hù)的各種消費(fèi)及應(yīng)用理念，如目前為了迎合大眾客戶(hù)的需求，一切的營(yíng)銷(xiāo)都圍繞在兩個(gè)方面進(jìn)行。一個(gè)是移動(dòng)，從固定電話(huà)到移動(dòng)電話(huà)，臺(tái)式PC到移動(dòng)平板，人機(jī)操作平臺(tái)到移動(dòng)操作，有線(xiàn)控制到遠(yuǎn)程遙控等；另一個(gè)是所謂的“免費(fèi)”，所有的網(wǎng)站為了吸引更多的客戶(hù)，建立龐大的客戶(hù)群，初期大多采用免費(fèi)的服務(wù)方法，通過(guò)掌握大量的客戶(hù)資源來(lái)達(dá)到長(zhǎng)期贏利的目的。這些新型的營(yíng)銷(xiāo)手段給傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域的行業(yè)營(yíng)銷(xiāo)模式帶來(lái)了極大的沖擊。尤為迫切的是IT信息通信技術(shù)的迅速發(fā)展，已成為所有行業(yè)和應(yīng)用領(lǐng)域的重要?jiǎng)?chuàng)新驅(qū)動(dòng)器。互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用影響了人類(lèi)生活的各個(gè)方面。制造工業(yè)發(fā)展按照原來(lái)的設(shè)計(jì)制造生產(chǎn)和規(guī)劃方法已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)市場(chǎng)、客戶(hù)以及技術(shù)發(fā)展的需要。如何將互聯(lián)網(wǎng)及IT技術(shù)用于傳統(tǒng)工業(yè)和制造工業(yè)已成為當(dāng)務(wù)之急。傳統(tǒng)行業(yè)的改革必須符合新的營(yíng)銷(xiāo)理念——新的市場(chǎng)需求和新的技術(shù)發(fā)展。因此，如果德國(guó)想在全球制造裝備領(lǐng)域繼續(xù)保持著領(lǐng)頭羊的地位，必須繼續(xù)發(fā)揚(yáng)一貫專(zhuān)注于創(chuàng)新和創(chuàng)造的精神，通過(guò)工業(yè)4.0戰(zhàn)略的實(shí)施，通過(guò)傳統(tǒng)行業(yè)的變革，以符合新的營(yíng)銷(xiāo)理念、新的市場(chǎng)需求和新的技術(shù)發(fā)展，從而快速推動(dòng)德國(guó)國(guó)內(nèi)制造業(yè)的發(fā)展，再次提升它的全球競(jìng)爭(zhēng)力，成為新一代工業(yè)制造技術(shù)的供應(yīng)者和領(lǐng)先者。并將這種系統(tǒng)工程推向全世界。成為全球生產(chǎn)制造行業(yè)的掌門(mén)領(lǐng)袖。這也就是為什么當(dāng)美國(guó)的格里夫高唱第三次工業(yè)革命時(shí)，德國(guó)沒(méi)有人云亦云，而是針對(duì)自己的國(guó)情、自己的戰(zhàn)略、自己技術(shù)的特點(diǎn)制定了符合自己國(guó)家科技發(fā)展方向的工業(yè)4.0戰(zhàn)略。

2.2 現(xiàn)代制造業(yè)面臨的技術(shù)瓶頸及解決方法

那么當(dāng)今工業(yè)制造業(yè)到底面臨著怎樣的挑戰(zhàn)？這與世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的特點(diǎn)有關(guān)，世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展給工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展帶來(lái)了根本性的變化，產(chǎn)生了對(duì)生產(chǎn)制造布局的全球性，制造方式的靈活性，產(chǎn)品生命周期的縮短和企業(yè)發(fā)展持續(xù)性的需求。這些需求是工業(yè)4.0戰(zhàn)略在所有工業(yè)領(lǐng)域要解決的問(wèn)題。而在智能工廠，特別是生產(chǎn)制造領(lǐng)域就是要產(chǎn)生一種新型的生產(chǎn)制造模式，從單純的生產(chǎn)產(chǎn)品的技術(shù)角度來(lái)講，這種新型的生產(chǎn)制造模式要能適應(yīng)產(chǎn)品生命周期的新變化，能夠應(yīng)付產(chǎn)品快速更新?lián)Q代；產(chǎn)品種類(lèi)多而批量少；能夠面對(duì)價(jià)格的競(jìng)爭(zhēng)和成本的壓力；能夠面對(duì)投資回報(bào)時(shí)間；實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化和提升能源效率。在過(guò)去的十多年，機(jī)械制造行業(yè)的專(zhuān)家們做了不少努力來(lái)提高生產(chǎn)效率，加大生產(chǎn)的靈活性，如機(jī)電一體化、管控一體化、CIMS、數(shù)字工廠和虛擬工廠等都沒(méi)有很好地解決以上問(wèn)題。在實(shí)踐和發(fā)展中，人們慢慢認(rèn)識(shí)到這些問(wèn)題的解決并不能單單通過(guò)改造生產(chǎn)制造方式就可以實(shí)現(xiàn)。這種變革需要融合產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)、市場(chǎng)、服務(wù)、運(yùn)行及回收各階段的動(dòng)態(tài)管理，這恰恰是建設(shè)智能工廠的首要任務(wù)。現(xiàn)代生產(chǎn)制造工廠如圖1所示。

圖1 現(xiàn)代生產(chǎn)制造工廠

2.2.1 掌握產(chǎn)品生命周期而制訂的靈活多樣的生產(chǎn)制造周期

根據(jù)以上的分析，實(shí)現(xiàn)智能工廠要分多步進(jìn)行，其第一步就是要掌握產(chǎn)品生命周期而制訂靈活多樣的生產(chǎn)制造發(fā)展周期。實(shí)際上，產(chǎn)品從誕生到消失的生命周期在市場(chǎng)上的銷(xiāo)售量需求有一定規(guī)律。它經(jīng)歷了研發(fā)期、試用期、發(fā)展期、成熟期、飽和期和退出期。在不同時(shí)期，市場(chǎng)對(duì)于產(chǎn)品的數(shù)量需求也是不同的。如在研發(fā)期和試用期所需要的產(chǎn)品數(shù)量是有限的，而發(fā)展期、成熟期和飽和期所需要的產(chǎn)品數(shù)量是由市場(chǎng)推廣的力度及市場(chǎng)合理的定位來(lái)確定，在退出期則需要按回報(bào)率、更新?lián)Q代的速度和開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品的投入力度來(lái)規(guī)劃產(chǎn)品不同的生產(chǎn)數(shù)量和功能。見(jiàn)圖2的描述；

圖2 產(chǎn)品生產(chǎn)周期對(duì)于產(chǎn)品需求數(shù)量的影響

圖2所示的是產(chǎn)品管理的基本原則，所不同的是在過(guò)去的年代里，整個(gè)產(chǎn)品生命周期比較長(zhǎng)，一般可以按8年～10年計(jì)算，所以一般研發(fā)期與試用期的資本投入可以忽略不計(jì)。以開(kāi)發(fā)機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)品為例，初期的研發(fā)費(fèi)用、模具費(fèi)用甚至加工機(jī)械設(shè)備的費(fèi)用可以分?jǐn)傇诋a(chǎn)品的數(shù)量上。比較長(zhǎng)的產(chǎn)品生命周期產(chǎn)生巨大的銷(xiāo)售量，保證了初期投入及時(shí)地回報(bào)。而如今隨著技術(shù)的快速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)更新?lián)Q代的加速，使得產(chǎn)品生命周期大大縮短，這種現(xiàn)象首先出現(xiàn)在民用產(chǎn)品上，所有的民用產(chǎn)品，無(wú)論是家用電器、電子產(chǎn)品、IT產(chǎn)品、PC產(chǎn)品的使用周期也從過(guò)去的三四年縮短到一兩年，甚至更短。這種趨勢(shì)也影響了工業(yè)產(chǎn)品生命周期的長(zhǎng)短。產(chǎn)品生命周期短，產(chǎn)品數(shù)量少，同時(shí)數(shù)量要求的突變性需要一種靈活多樣的生產(chǎn)制造模式來(lái)快速響應(yīng)生產(chǎn)產(chǎn)品數(shù)量的變化。作為實(shí)現(xiàn)智能工廠的第一步就是要建立這樣的具有自適應(yīng)功能的生產(chǎn)制造模式，如圖3所示。所以目前德國(guó)在推動(dòng)智能工廠，其中一個(gè)重要任務(wù)是設(shè)計(jì)和規(guī)范按照市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品需求的不同而實(shí)現(xiàn)不同的生產(chǎn)方式，從而形成靈活多樣的生產(chǎn)制造發(fā)展周期。

圖3 針對(duì)不同產(chǎn)品市場(chǎng)需求的適應(yīng)性生產(chǎn)制造模式

2.2.2 人工、半自動(dòng)和全自動(dòng)三位一體的適應(yīng)性生產(chǎn)制造模式

多工作方法的生產(chǎn)制造模式是智能工廠滿(mǎn)足客戶(hù)和產(chǎn)品特殊需求的基礎(chǔ)，將客戶(hù)和市場(chǎng)的需求及時(shí)地與生產(chǎn)制造模式有機(jī)地整合在一起，及時(shí)地調(diào)整生產(chǎn)方法來(lái)平衡成本與投資，降低成本，提高響應(yīng)速度。提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)能力是智能工廠的基本設(shè)計(jì)思想，要實(shí)現(xiàn)人工、半自動(dòng)和全自動(dòng)三位一體的生產(chǎn)制造模式，首先要考慮這種混合生產(chǎn)制造模式的實(shí)施成本問(wèn)題，生產(chǎn)方式切換時(shí)產(chǎn)生的停機(jī)時(shí)間問(wèn)題，調(diào)試維護(hù)安裝操作難度提高的問(wèn)題，運(yùn)行人員的技術(shù)水平培養(yǎng)問(wèn)題，系統(tǒng)規(guī)劃預(yù)算的復(fù)雜性問(wèn)題等。針對(duì)這些問(wèn)題人們提出了解決問(wèn)題的六個(gè)方向：

? 產(chǎn)品數(shù)量的響應(yīng)性；

? 生產(chǎn)規(guī)劃的長(zhǎng)期性；

? 生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定性；

? 技術(shù)發(fā)展的連續(xù)性；

? 制造成本的競(jìng)爭(zhēng)性；

? 員工創(chuàng)新的主導(dǎo)性。

這六個(gè)性能構(gòu)成了智能工廠生產(chǎn)制造模型的特征，全面地系統(tǒng)化地確定這種新的生產(chǎn)制造模式的設(shè)計(jì)思路。

2.2.3 人工、半自動(dòng)和全自動(dòng)三位一體的適應(yīng)性生產(chǎn)制造模式的基本方法和體系架構(gòu)

智能工廠的核心由以下三大維度來(lái)實(shí)現(xiàn)：

? 實(shí)現(xiàn)工廠制造和業(yè)務(wù)規(guī)劃流程價(jià)值鏈；

? 工廠生產(chǎn)管理價(jià)值鏈即從產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)規(guī)劃、生產(chǎn)工程、生產(chǎn)實(shí)施到服務(wù)的五個(gè)階段；

? 工廠自動(dòng)化控制系統(tǒng) （從現(xiàn)場(chǎng)層、控制層、管理層到?jīng)Q策層）。

人工、半自動(dòng)和全自動(dòng)三位一體的適應(yīng)性生產(chǎn)制造模式是構(gòu)成生產(chǎn)價(jià)值鏈軸/生產(chǎn)管理軸的集合。針對(duì)產(chǎn)品的高柔性化生產(chǎn)和客戶(hù)定制的發(fā)展趨勢(shì)。建立高度靈活的個(gè)性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務(wù)的生產(chǎn)模式。在這種模式中，由于引入了各種新的技術(shù)特別是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，產(chǎn)生以生產(chǎn)制造為導(dǎo)向的交叉領(lǐng)域和創(chuàng)新理念，創(chuàng)造出新價(jià)值，傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)鏈將被重組。

適應(yīng)性的生產(chǎn)制造模式針對(duì)上面的六大特證，提出了基本的設(shè)計(jì)規(guī)范書(shū)，核心是將IT信息技術(shù)，工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)：

? 對(duì)所需信息和應(yīng)用信息要求數(shù)字化；

? 保證產(chǎn)品在不同時(shí)刻或階段需求量不同，對(duì)于生產(chǎn)峰值有及時(shí)地應(yīng)對(duì)能力；

? 應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)及IT技術(shù)將生產(chǎn)制造、生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)控制和生產(chǎn)管理結(jié)合在一起；

? 采用分散智能化裝備組件使得生產(chǎn)模式功能擴(kuò)展得更加方便；

? 采用“Cyber-Physical Systems”網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)的概念達(dá)到數(shù)字工廠與實(shí)際對(duì)象的一致性；

? 成本的優(yōu)化，操作的方便性等因素都在設(shè)計(jì)的大綱中體現(xiàn)出來(lái)。

根據(jù)這些現(xiàn)實(shí)及未來(lái)發(fā)生的問(wèn)題，德國(guó)的技術(shù)專(zhuān)家們提出了研究智慧工廠的路徑圖。德國(guó)的專(zhuān)家們首先一致認(rèn)為智能工廠是信息化技術(shù)發(fā)展的結(jié)果，在數(shù)字化工廠的基礎(chǔ)上，利用物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)和設(shè)備監(jiān)控技術(shù)加強(qiáng)信息管理和服務(wù)。智能工廠的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和運(yùn)行專(zhuān)家們不僅要了解自己的產(chǎn)品即生產(chǎn)裝備及技術(shù)，同時(shí)也應(yīng)該清楚掌握產(chǎn)銷(xiāo)流程，及時(shí)正確地采集生產(chǎn)線(xiàn)數(shù)據(jù)，以及合理的生產(chǎn)計(jì)劃編排與生產(chǎn)進(jìn)度，提高生產(chǎn)過(guò)程的可控性，減少生產(chǎn)線(xiàn)上人工的干預(yù)，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中必須將生產(chǎn)管理、生產(chǎn)流程及生產(chǎn)效率統(tǒng)一于生產(chǎn)制造模式中，從而構(gòu)建一個(gè)高效節(jié)能的、綠色環(huán)保的、環(huán)境舒適的現(xiàn)代化工廠。

（1） 采用網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)CPS方法（數(shù)字工廠/虛擬工廠的技術(shù)）來(lái)設(shè)計(jì)三位一體化的生產(chǎn)制造的模型

如前所述，智能工廠首先要解決的是生產(chǎn)制造的全球性，制造方式的靈活性，產(chǎn)品生命周期的縮短和企業(yè)發(fā)展的持續(xù)性，帶給生產(chǎn)制造工業(yè)挑戰(zhàn)的問(wèn)題，其采用的方法之一就是建立三位一體化適應(yīng)性生產(chǎn)制造模型。

這種三位一體的適應(yīng)性生產(chǎn)制造系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的初期非常復(fù)雜，它要了解工藝，要預(yù)測(cè)新模式的實(shí)現(xiàn)可行性，場(chǎng)地?cái)U(kuò)展的長(zhǎng)期性，生產(chǎn)功能擴(kuò)展的方便和可能性，模式的性?xún)r(jià)比和優(yōu)化以及設(shè)計(jì)模型與實(shí)際對(duì)象的一致性等，這些任務(wù)是傳統(tǒng)的工廠制造設(shè)計(jì)不可能完成的。同時(shí)，這種方案的制定需要無(wú)數(shù)次的認(rèn)證、實(shí)驗(yàn)和測(cè)試才能實(shí)現(xiàn)，所以必須采用數(shù)字仿真的技術(shù)，實(shí)際早在九十年代時(shí)，德國(guó)就在推動(dòng)數(shù)字工廠的技術(shù)，而后又采用所謂虛擬工廠理念的仿真技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)工廠，以減少初期工廠設(shè)計(jì)的成本和加快建廠的時(shí)間。但是這種方法一直沒(méi)有得到很好的實(shí)現(xiàn)，其原因之一在于當(dāng)時(shí)的IT技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)還不能支撐這一設(shè)計(jì)模式，所建立的工廠模型與直接的模型相差很大，實(shí)踐的應(yīng)用價(jià)值不大。

而工業(yè)戰(zhàn)略4.0中明確地提出互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，信息技術(shù)運(yùn)用到制造工業(yè)中，在實(shí)現(xiàn)智能工廠中推出了所謂“Cyber-Physical Systems（CPS）”的慨念，這個(gè)概念目前在學(xué)術(shù)領(lǐng)域里討論的非常多，理解不一，有不同的解釋。實(shí)際上CPS的理念貫穿到整個(gè)工業(yè)革命的實(shí)施之中，從定義上來(lái)理解，CPS是一個(gè)協(xié)調(diào)和管理數(shù)字計(jì)算和物理過(guò)程和資源之間的相互關(guān)系，整合于全球和公共互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的系統(tǒng)中。它的方法可以運(yùn)用于各行各業(yè)，比如：分布式能源發(fā)配電系統(tǒng)的智能電網(wǎng)；交通車(chē)輛駕駛與交通系統(tǒng)互相聯(lián)網(wǎng)的車(chē)聯(lián)網(wǎng)；人體健康加上遠(yuǎn)程監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)聯(lián)網(wǎng)；運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)分散、靈活、自適應(yīng)的生產(chǎn)制造系統(tǒng)的工業(yè)4.0戰(zhàn)略（也可以稱(chēng)為工聯(lián)網(wǎng)）。 簡(jiǎn)單一句話(huà)，CPS就是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用于各行各業(yè)的代名詞， 其核心就是通過(guò)應(yīng)用信息通訊技術(shù)和利用互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)空間，將虛擬系統(tǒng)信息與物理系統(tǒng)相結(jié)合的手段，完成各行各業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

因此，三位一體的適應(yīng)性生產(chǎn)制造模式的基本方法和體系架構(gòu)中首先采用了Cyber-Physical Systems（CPS）的概念，實(shí)現(xiàn)兩大任務(wù)：生產(chǎn)制造系統(tǒng)的數(shù)字化和虛擬化（數(shù)字工廠）；數(shù)字虛擬工廠與實(shí)際的對(duì)象結(jié)合起來(lái)（網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)）。

從以上分析也給了我們一個(gè)啟示，目前德國(guó)推動(dòng)的智能工廠概念不是突然產(chǎn)生的想法，不是一個(gè)所謂的“革命”，而是德國(guó)在科學(xué)發(fā)展道路中多年的技術(shù)積累、技術(shù)沉淀和技術(shù)研究的自然結(jié)果，是多年研究的數(shù)字化工廠，工業(yè)仿真技術(shù)的繼續(xù)發(fā)展和提高，是一種技術(shù)的演變，是適應(yīng)社會(huì)對(duì)技術(shù)發(fā)展需求的一個(gè)響應(yīng)和變革。在實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)三位一體化生產(chǎn)制造的工廠模型中，德國(guó)恰恰加強(qiáng)了仿真技術(shù)即數(shù)字工廠技術(shù)的應(yīng)用，按照可持續(xù)發(fā)展和面向服務(wù)的業(yè)務(wù)開(kāi)始實(shí)踐，從適應(yīng)性、靈活性、自適應(yīng)性和學(xué)習(xí)特點(diǎn)，容錯(cuò)能力和風(fēng)險(xiǎn)管理，以及創(chuàng)新、節(jié)約成本和時(shí)間的角度來(lái)做一個(gè)三位一體的適應(yīng)性生產(chǎn)制造模式的模型。這是對(duì)原來(lái)數(shù)字工廠、虛擬工廠的方法應(yīng)用提出了更高同時(shí)又更明確的要求。這種模型能優(yōu)化生產(chǎn)流程，整合生產(chǎn)計(jì)劃管理，高效利用資源，定制調(diào)整機(jī)器適應(yīng)人的要求。CPS采用數(shù)字工廠的方法從各個(gè)環(huán)節(jié)、各個(gè)方面進(jìn)行適應(yīng)性系統(tǒng)仿真、工藝仿真、流程仿真、人機(jī)交叉仿真和人體工程仿真（如圖4～圖7所示），提供一個(gè)與生產(chǎn)制造、生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)控制和生產(chǎn)管理一體化的方案。筆者在與德國(guó)有關(guān)人員的交流中，知道目前德國(guó)許多大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)都在加強(qiáng)這方面的研究和開(kāi)發(fā)。各種新的開(kāi)發(fā)軟件及行業(yè)仿真技術(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)正在大量涌現(xiàn)，特別是數(shù)字虛擬工廠和實(shí)際對(duì)象的實(shí)時(shí)信息交換，而將數(shù)字工廠的模型進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制技術(shù)也正在開(kāi)發(fā)之中。

圖4 組裝線(xiàn)流程模擬

圖5 機(jī)器人運(yùn)行模擬

圖6 人體工程學(xué)仿真分析

圖7 人機(jī)交叉協(xié)同仿真分析

（2） 分散智能化功能模塊和一體化機(jī)電控制技術(shù)構(gòu)成三位一體化的適應(yīng)性生產(chǎn)制造系統(tǒng)

在運(yùn)用CPS的基本思想時(shí)，采用數(shù)字工廠的技術(shù)實(shí)現(xiàn)三位一體化的適應(yīng)性生產(chǎn)制造系統(tǒng)的仿真模型后，針對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)的突變性，針對(duì)大規(guī)模的客戶(hù)定制。這種制造系統(tǒng)模式具有快速的反應(yīng)和適應(yīng)能力，這要求實(shí)際的系統(tǒng)組成中要完成機(jī)器、工件和組件之間全面地和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的信息通信，同時(shí)機(jī)器及設(shè)備具有自配置和自校正的適應(yīng)能力以及機(jī)器能集成人的作用，適應(yīng)人的要求的功能。所以在實(shí)現(xiàn)這種新型三位一體化的適應(yīng)性生產(chǎn)制造系統(tǒng)時(shí)，采用物聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)、復(fù)合控制系統(tǒng)、信息通信系統(tǒng)、智能分布智能模塊和嵌入式技術(shù)。在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用分散智能化功能模塊和機(jī)電功能組件、機(jī)械傳動(dòng)、控制和通信的一體化的設(shè)計(jì)，這些功能模塊能按照生產(chǎn)要求自行組合和配置，不需要附加的工程工具。

由于生產(chǎn)制造系統(tǒng)需要對(duì)于生產(chǎn)產(chǎn)品的數(shù)量，種類(lèi)、性能和質(zhì)量有自適應(yīng)能力，通過(guò)分析與理解外界及自身的信息，來(lái)協(xié)調(diào)、重組及擴(kuò)充系統(tǒng)中各組成部分的具體工作任務(wù)，自行構(gòu)成最佳運(yùn)行系統(tǒng)。同時(shí)也有一定的自我學(xué)習(xí)及維護(hù)能力：透過(guò)系統(tǒng)自我學(xué)習(xí)功能，在制造過(guò)程中落實(shí)資料庫(kù)補(bǔ)充、更新及自動(dòng)執(zhí)行故障診斷，執(zhí)行故障排除與維護(hù)，或通知對(duì)系統(tǒng)執(zhí)行的能力，因此這種系統(tǒng)設(shè)計(jì)為模塊化、分散式和智能化的積木式組合結(jié)構(gòu)。分散化與模塊化使得系統(tǒng)能夠按照工藝和生產(chǎn)的要求任意組合。生產(chǎn)將變得更加靈活，不同的生產(chǎn)設(shè)備既能夠協(xié)作生產(chǎn)，又可以各自快速地對(duì)外部變化做出反應(yīng)。智能化是指分散功能化的模塊具有可測(cè)、可感功能，對(duì)感測(cè)到的信息進(jìn)行識(shí)別或各種數(shù)據(jù)處理。按照設(shè)定的邏輯要求來(lái)做出相應(yīng)的反應(yīng)，同時(shí)由得到反饋信息而建立完整的運(yùn)作循環(huán)，滿(mǎn)足各式各樣與多變的制造與服務(wù)需求。所以智能化模塊就是一個(gè)獨(dú)立的控制系統(tǒng)，能在設(shè)備層感知（現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)層），能夠處理和控制信息（控制層），再透過(guò)有線(xiàn)及無(wú)線(xiàn)網(wǎng)路將設(shè)備數(shù)據(jù)和控制信息可靠地傳遞到管理層，進(jìn)行智慧運(yùn)算，進(jìn)而達(dá)成人與人、人與物及物與物之間的交流。

這種分散化智能性模塊的不同組合構(gòu)成了一個(gè)三位一體化的適應(yīng)性生產(chǎn)制造系統(tǒng)，相對(duì)于原來(lái)機(jī)電一體化的模塊，又增加了自動(dòng)控制功能，應(yīng)用自動(dòng)組態(tài)配置的PLC技術(shù)。實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)使得整個(gè)模塊具有感知、分析和控制的智能功能，這種模塊一般采用嵌入式芯片技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。所以嵌入式芯片技術(shù)的發(fā)展構(gòu)成了適應(yīng)性生產(chǎn)制造系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)。圖8是適應(yīng)性生產(chǎn)制造系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8 分散式模塊化的智能生產(chǎn)制造模式

不同的模塊通過(guò)不同的組合形成一個(gè)生產(chǎn)制造系統(tǒng)，系統(tǒng)的適應(yīng)性可以通過(guò)插入或刪除其中的模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（3） IT技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)三位一體化的適應(yīng)性生產(chǎn)制造系統(tǒng)

當(dāng)智能分散型機(jī)電控制一體化的功能模塊組成以后，下一步就是功能模塊之間的信息傳輸和通信問(wèn)題。在智能工廠中大量地采用基于嵌入式Internet技術(shù)和無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)來(lái)進(jìn)行模塊與模塊之間，設(shè)備和設(shè)備之間的通信和信息交流。它以互聯(lián)網(wǎng)或WLAN作為通信的載體，為使用者提供機(jī)器到機(jī)器的通信解決方案，滿(mǎn)足使用者對(duì)生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控、指揮調(diào)度、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和測(cè)量、遠(yuǎn)程診斷等方面的信息化需求。IT技術(shù)與智能控制模塊之間是一種智能化、交互式通信，即使人們沒(méi)有實(shí)時(shí)發(fā)送信號(hào)，智能模塊也會(huì)根據(jù)既定程序主動(dòng)進(jìn)行通信，并根據(jù)所得到的數(shù)據(jù)智能化地做出選擇，對(duì)相關(guān)設(shè)備發(fā)出正確的指令。適應(yīng)性生產(chǎn)制造系統(tǒng)將IT技術(shù)和控制技術(shù)做了有機(jī)的結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)智能化、遠(yuǎn)程化和實(shí)時(shí)化，實(shí)現(xiàn)從客戶(hù)到生產(chǎn)線(xiàn)的產(chǎn)品和工藝配置暢通無(wú)阻的數(shù)據(jù)交流，同時(shí)對(duì)機(jī)電控制一體化與IT系統(tǒng)接口之間做了標(biāo)準(zhǔn)定義，如圖9所示。

圖9 IT和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了智能工廠的信息交流

3 一個(gè)正在開(kāi)發(fā)的智能工廠模式的案例

本文將簡(jiǎn)單介紹一個(gè)在德國(guó)正在進(jìn)行的一個(gè)“Modellfactory”項(xiàng)目，其目的是實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的功能，作為智能工廠研究的第一步，需要在此模型中完成以下幾點(diǎn)：

? 分散智能模塊化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；

? 以流程控制為主導(dǎo)的自適應(yīng)生產(chǎn)制造模型；

? 在上電通過(guò)即接即用的自動(dòng)化配置功能(Plug and Play) ；

? 采用WLAN的通信技術(shù)；

? 數(shù)字仿真模型與實(shí)際對(duì)象的一致性；

? 采用Plug and Play 的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層、控制層和管理層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改變。

這是一個(gè)爆米花生產(chǎn)自動(dòng)化流水系統(tǒng)，作為多功能生產(chǎn)制造適應(yīng)系統(tǒng)的一個(gè)模型，首先為了模擬系統(tǒng)功能的擴(kuò)展性和靈活性，整個(gè)系統(tǒng)的功能分散化和功能化，需要用仿真技術(shù)（數(shù)字工廠）來(lái)描述整個(gè)生產(chǎn)制造工藝流程的模型，如圖10、圖11所示。

圖10 沒(méi)有加工爆米花的功能

圖11 帶有加工爆米花的功能

（1）采用仿真技術(shù)（數(shù)字工廠）建立智能模塊化的生產(chǎn)制造的過(guò)程模型

分割各功能塊，用仿真技術(shù)建立智能模塊化的生產(chǎn)制造的過(guò)程模型，每個(gè)功能塊具有機(jī)電智能控制的功能，它一般是一個(gè)“黑箱子”僅有相對(duì)應(yīng)的各種信號(hào)輸入和輸出端。其信號(hào)的種類(lèi)有數(shù)字、模擬、通信、以太網(wǎng)、傳感、執(zhí)行、無(wú)線(xiàn)、有線(xiàn)等，進(jìn)行前后功能塊之間的信息的傳輸和控制，這些黑箱子可以按照生產(chǎn)工藝的需求任意的配置和規(guī)劃。

其中，他們開(kāi)發(fā)一整套的軟件，不僅包括了控制算法與通信方法（工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)、WLAN和各種無(wú)線(xiàn)通訊），也開(kāi)發(fā)了智能性的過(guò)程系統(tǒng)的組態(tài)結(jié)構(gòu)的運(yùn)算方法，以達(dá)到即接即用的目的。軟件算法中整合了生產(chǎn)管理和生產(chǎn)調(diào)度技術(shù)的功能，按照生產(chǎn)實(shí)際需要來(lái)組成新的生產(chǎn)制造工藝線(xiàn)。當(dāng)然智能化的現(xiàn)場(chǎng)安裝、調(diào)試、診斷和故障預(yù)警功能也包含在這套軟件之中，利用模擬和仿真工具對(duì)于所有系統(tǒng)的功能、質(zhì)量、速度、安全、可靠、場(chǎng)地分配和布置做了仔細(xì)的分析和研究。

（2）設(shè)計(jì)和制造機(jī)電控制一體化的智能模塊

當(dāng)仿真實(shí)驗(yàn)完成以后，按工藝要求設(shè)計(jì)制造機(jī)電控制一體化的智能模塊的硬件，如圖12所示。這種模塊與原來(lái)機(jī)電一體化模塊的根本不同在于，原來(lái)機(jī)電一體化的模塊是一個(gè)被控對(duì)象，它僅僅是個(gè)執(zhí)行裝置，一切由主控或控制器來(lái)控制。而現(xiàn)在機(jī)電控制一體化的智能模塊是一個(gè)stand alone獨(dú)立的具有控制功能的模塊，它可以自行對(duì)于對(duì)象進(jìn)行控制。其關(guān)鍵點(diǎn)是采用嵌入式控制技術(shù)，將各種通信接口融合在此控制模塊之中。簡(jiǎn)單地講，機(jī)電控制一體化的智能模塊帶有傳感器和執(zhí)行器的感應(yīng)功能，帶有嵌入式自適應(yīng)控制器的對(duì)于控制對(duì)象進(jìn)行控制、處理及分析的功能，帶有各種通信接口具有數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋?/p>

圖12 數(shù)字工廠仿真技術(shù)的適應(yīng)性生產(chǎn)制造系統(tǒng)模型的設(shè)計(jì)

（3）爆米花生產(chǎn)制造系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

最后進(jìn)行爆米花生產(chǎn)制造系統(tǒng)的組裝和調(diào)試，如圖13所示。目前這套系統(tǒng)已經(jīng)完成，可以對(duì)智能工廠的一些概念和性能進(jìn)行試驗(yàn)。同時(shí)作為大學(xué)一個(gè)試驗(yàn)基地，學(xué)生們和教師們可以利用這個(gè)模型進(jìn)行智能工廠的各種功能進(jìn)行研究，開(kāi)發(fā)更多更智能化的軟件，使得學(xué)生與技術(shù)人員對(duì)智能工廠有個(gè)感性的認(rèn)識(shí)，一步一步地對(duì)這方面進(jìn)行新的探索。如在這個(gè)模型上開(kāi)始最佳能量管理的研究，最佳系統(tǒng)效率的研究，物聯(lián)網(wǎng)在生產(chǎn)制造智能化系統(tǒng)的應(yīng)用，云數(shù)據(jù)應(yīng)用于生產(chǎn)管理的方法等。

圖13 模塊化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，模塊化系統(tǒng)的安裝和系統(tǒng)調(diào)試

4 結(jié)語(yǔ)

圖14 智能工廠的未來(lái)

通過(guò)以上對(duì)德國(guó)工業(yè)4.0戰(zhàn)略的分析，可以給我們今后制造業(yè)的發(fā)展提供一些啟示和思路。當(dāng)我們面臨互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)以及IT技術(shù)高速發(fā)展的時(shí)代，如何將這些技術(shù)成功地運(yùn)用到我們的工業(yè)實(shí)踐中去是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。我們常常講高投入、高消耗、高污染的生產(chǎn)模式已無(wú)法延續(xù)。為了提升競(jìng)爭(zhēng)力，保持可持續(xù)發(fā)展，必須采用新的技術(shù)，打破傳統(tǒng)理念，堅(jiān)持進(jìn)行持續(xù)的技術(shù)轉(zhuǎn)型，提高我們生產(chǎn)制造業(yè)的水平。這些任務(wù)對(duì)大家來(lái)講都是非常明確的。許多工業(yè)領(lǐng)域的專(zhuān)家們也一直在呼吁，一直在宣傳國(guó)外的先進(jìn)理念和戰(zhàn)略，給予我們?cè)S多新的思路，但是總是覺(jué)得無(wú)從下手。一方面宣傳CPS網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)，另一方面認(rèn)為實(shí)現(xiàn)這個(gè)系統(tǒng)太遙遠(yuǎn)。原因在于，當(dāng)一個(gè)新的思路（假定為“革命”）來(lái)臨之時(shí)，我們應(yīng)該如何學(xué)習(xí)？一種是就事論事的學(xué)，僅僅停留在名字的解釋?zhuān)拍畹睦斫?，或者滿(mǎn)足于一些文章的翻譯，而恰恰忽視了這種新“革命”的提出其背景是什么，原因是什么，要解決實(shí)際的問(wèn)題是什么。知其然，更要知其所以然。這樣才能有的放矢學(xué)，真正做到學(xué)以致用，有所借鑒和啟示。中國(guó)的生產(chǎn)制造水平要比德國(guó)落后起碼二三十年，在許多地方整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈也沒(méi)有真正的完善。當(dāng)務(wù)之急還是要把提高我們的生產(chǎn)率，提高我們的產(chǎn)品質(zhì)量， 提高我們的能效以及提高我們的自動(dòng)化整體水平作為產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的第一步。生產(chǎn)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型應(yīng)該充分重視自動(dòng)化技術(shù)的作用，以工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)為主導(dǎo)，結(jié)合信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)制造業(yè)的應(yīng)用。如果我們不能生產(chǎn)出質(zhì)量可靠，性?xún)r(jià)比高的產(chǎn)品，那么再好的企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理都是無(wú)作用的。而要完成這個(gè)任務(wù)沒(méi)有先進(jìn)的自動(dòng)控制系統(tǒng)是不行的，這可能是我們學(xué)習(xí)德國(guó)工業(yè)4.0戰(zhàn)略最好的啟示，一切從國(guó)情出發(fā)，從技術(shù)的現(xiàn)狀及積累出發(fā)，從遇到的產(chǎn)業(yè)瓶頸出發(fā)，提出符合中國(guó)制造業(yè)發(fā)展的工業(yè)革命理念、戰(zhàn)略、目標(biāo)及規(guī)劃，以最快的速度來(lái)趕上世界先進(jìn)水平。最后，作為共勉，用圖14的遠(yuǎn)景圖來(lái)眺望一下智能工廠的未來(lái)。