工业4.0:智能化工厂与生产

“工业4.0”是由德国联盟教研部与联邦经济技能部联手推动的战略性项目，被看作是提振德国制作业的有力催化剂，也被以为将是全球制作业未来开展的方向。继蒸汽机的发明、大规模出产和自动化之后，这一趋势被称为“第四次工业革新”——“工业4.0”（Industry 4.0）。事实上，工业4.0这一词早在2011年的汉诺威工业饱览会中就现已被提出，它包含了智能工厂、工业网路系统、IT系统、出产链的自主操控。“工业4.0”发起物与效劳串连，旨在物对物（M2M）的运作架构下，打通产、销任督二脉，考究出产自动化、出产IT化，出产方法将由批次量产转向接单后出产，履行智慧出产、绿色出产、都市出产的未来趋势。本刊将此文介绍给读者，以供参阅。

工厂经过“资讯物理系统（CPS）”来树立一个完好的网路系统，这当中包含了相互连接的智能机械、仓储系统、及高效的产品设备等，这些设备能够独当一面的运作，或许相互交流消息、相互操控，并且以嵌入式系统来监测出产环境。当指令经过CPS系统时，纵向需求经过工厂和公司的商业流程，横向则连接了能够实时办理的衍生价值系统，这两方面一起构建了嵌入式制作的系统网络。从出产机台的运动操控到整体工厂运作无不考究智能，未来的工厂工人，将不再仅仅单调的操作机器，而是将自己的经历储存到系统中，更有智能地与出产机器沟通互动。“智能制作”就是“工业4.0”的一个缩影。

此外，“工业4.0”还将处理当今国际遇到的一些应战，比方资源功率、城镇化和人才结构调整等。工业4.0能够继续带来掩盖整个价值网络的资源出产率和功率的增益。一起能够将人口结构改动和社会要素考虑在内，并设定适宜的办法来安排出产。智能辅佐系统能够把工人从单调、程式化的作业中解放出来，使其能够将精力会集在立异和增值业务上。在关于熟练工缺少的问题上，工业4.0答应高龄的工人延伸他们的作业生计，使他们能够长期地坚持出产力。灵敏的作业安排方法使得工人们能够更好地整合他们自己的作业，私家生活和继续的作业生计开展将变得更有功率，能够说，工业4.0为作业和生活找到了一个更好的平衡点。

　　德国抢先推动“工业4.0”项目

为了在新工业革新中占领先机，德国联盟教研部与联邦经济技能部正联手推动《高技能战略2020》断定的十大未来项目之一——“工业4.0”项目，支撑工业技能范畴新一代要害技能的研制与立异。项目由德国联邦教研部与联邦经济技能部联手赞助，联盟政府投入达2亿欧元。在《高技能战略2020》的方案举动中，德国联盟政府为未来项目“工业4.0”设立了雄心壮志的方针：德国要成为如今工业出产技能（即网络物理交融式出产系统）的供应国和主导商场。

　　“工业4.0”项意图首要内容

“工业4.0”项意图概念描绘了由会集式操控向涣散式增强型操控的根本方法改动，方针是树立一个高度灵敏的个性化和数字化的产品与效劳的出产方法。在这种方法中，传统的作业边界将消失，并会发作各种新的活动范畴和协作方法。发明新价值的进程正在发作改动，工业链分工将被重组。

“工业4.0”项目将从两个方向打开，一是“智能工厂”，要点研讨智能化出产系统及进程，以及网络化分布式出产设备的完结；二是“智能出产”，首要触及整个企业的出产物流办理、人机互动以及3D技能在工业出产进程中的运用等。该方案将特别重视吸引中小企业参加，力求使中小企业成为新一代智能化出产技能的运用者和受益者，一起也成为先进工业出产技能的发明者和供应者。

　　“工业4.0”项意图要点运用技能

跟着工业4.0年代的到来，许多沿袭多年、占有主导地位的工业自动化技能，正面对被筛选、被更新换代的命运，而一批曾经以为是高端的工业自动化技能，也跟着新年代的到来，快速的走入到了实践的运用中去，成为新年代的宠儿：

一是以工业PC为根底的低本钱工控自动化将成为干流；

二是PLC进入第六代——微型化、网络化、PC化和开放性；

三是DCS系统走向测控管一体化规划；

四是操控系统向现场总线（FCS）方向开展；

五是仪器仪表向数字化、智能化、网络化、微型化开展；

六是数控技能向智能化、开放性、网络化、信息化开展；

七是工业操控网络向有限和无限相结合的方向；

八是工业操控软件向规范化、网络化、智能化和开放性方向开展。

此外，为了完结工业制作到工业4.0的改动，德国还要完结一项两层战略。不只应该自始自终地把“信息和通讯科技”和“本身的传统高科技战略”进行整合，以努力成为智能制作科技的首要供货商，寻求稳固本身在全球商场的领导地位。一起，还应发明并效劳于CPS科技和产品。

为了达到这个两层要求，以下几个工业4.0的特征应该被履行：

一是横向集成需求经过价值网络；

二是端到端的工程立体集成横跨整个价值链；

三是笔直集成和网络化的制作系统。

通向工业4.0之路要求德国在研制上投入巨大的精力，为了完结两层战略，所进行的研讨首要有必要完结“制作系统的水平缓笔直集成”和“工程上端到端的集成”。此外，出于对工业4.0系统的要求和CPS科技继续开展的意图，在作业场所中新的社会根底设备应该得到更多重视。

　　各界积极呼应“工业4.0”项目

德国电子电气工业协会（ZVEI）猜测，工业4.0将使工业出产功率进步30%，德国人工智能研讨中心履行长Wahlster也表明，工业4.0将会在一些高劳作本钱的区域十分具有竞赛力。有鉴于此，德国机械设备制作业联合会（VDMA）及德国信息技能、通讯、新媒体协会（BITKOM）也已参加，德国三大工业协会决议一起树立一个名为“第四次工业革新渠道”办事处，并于2013年4月在法兰克福正式发动。三大协会一起树立办事处的首要方针在于，推动工业的开展、进步工业出产规范、开发新的商业方法和运营方法并付诸实践。

德国企业界做出了积极地呼应。比方，西门子展现本身推动工业4.0的详细举动，其凭仗全集成自动化（TIA）和“数字化企业渠道”，长久以来占有着信息技能集成范畴的领导地位。在2013汉诺威工业饱览会上，西门子展现了交融规划、工程和出产工艺以及相关机电系统的全面处理方案。西门子展台将突出展现西门子的最新技能成果，这包含以全集成自动化TIA v12版别、新一代操控器Sifmatic S7-1500、针对电气传动运用的“全集成驱动系统”（IDS）概念，以及以信息技能为根底的效劳，例如，状况监控。别的，西门子公司还将与德国弗劳思霍夫研讨院以及群众轿车公司联合展现，经过运用产品生命周期办理软件（PLM）进行虚拟出产规划，可下降出产线上机器人的能耗高达50%。别的，西门子指出当时约7500名软件工程师是其在ICT驱动制作业自动化立异上的最大本钱。

智能制作业工程范畴的全球化竞赛变得更加剧烈，德国并不是仅有一个在制作业布置物联网和作业效劳的国家。远在大洋彼岸的美国在2011年6月正式发动包含工业机器人在内的“先进制作同伴方案”，2012年2月又出台“先进制作业国家战略方案”，提出经过加强研讨和实验（R&E）税收减免、扩大和优化政府投资、建造“智能”制作技能渠道以加快智能制作的技能立异。日本亦提出经过加快开展协同式机器人、无人化工厂进步制作业的国际竞赛力。

　　“工业4.0”两大主题

　　智能工厂：智能工业开展新方向

“智能工厂”的概念最早是奇思2009年在美国提出，其间心是工业化-和信息化的高度交融。智能工厂是在数字化工厂的根底上，运用物联网的技能和设备监控技能加强信息办理和效劳；未来，将经过大数据与剖析渠道，将云核算中由大型工业机器发作的数据转化为实时信息（云端智能工厂），并加上绿色智能的手法和智能系统等新兴技能于一体，构建一个高效节能的、绿色环保的、环境舒适的人性化工厂。现在智能工厂概念仍议论纷纷，其根本特征首要有制程管控可视化、系统监管全方位及制作绿色化三个层面。

一是制程管控可视化。因为智能工厂高度的整合性，在产品制程上，包含质料管控及流程，均可直接实时展现于操控者眼前，此外，系统机具的现况亦可实时掌握，削减因系统故障构成误差。而制程中的相关数据均可保留在数据库中，让办理者得以有完好信息进行后续规划，也能够依出产线系统的现况规划机具的维护；可根据信息的整合树立产品制作的智能组合。

二是系统监管全方位。经过物联网概念、以传感器做链接使制作设备具有感知才干，系统可进行辨认、剖析、推理、决议方案、以及操控功用；这类制作配备，能够说是先进制作技能、信息技能和智能技能的深度结合。当然此类系统，绝对不只仅仅在KS内装置一个软件系统罢了，首要是透过系统渠道累积常识的才干，来树立设备信息及反应的数据库。从订单开端，到产品制作完结、入库的出产制程信息，都能够在数据厍中一目了然，在遇到制程反常的状况，操控者亦可更为迅速反应，以促进更有用的工厂运转与出产。

三是在制作绿色化方面，除了在制作上运用环保资料、留心污染等问题，并与上下游厂商间，从资源、资料、规划、制作、废弃物回收到再运用处理，以构成绿色产品生命周期办理的循环，更可透过绿色ICT的附加值运用，延伸至绿色供应链的协同办理、绿色制程办理与智慧环境监控等，帮忙上下游厂商与客户之间一起发明契合环保的绿色产品。

　　智能工厂的建造首要根据以下三大根底技能。

一是无线感测器。无线感测器将是完结智能工厂的重要利器。智慧感测是根本构成要素。仪器仪表的智慧化，首要是以微处理器和人工智能技能的开展与运用为主，包含运用神经网路、遗传演算法、进化核算、混沌操控等智慧技能，使仪器仪表完结高速、高效、多功用、高机动灵敏等功用，如专家操控系统（expert control system；ECS）、模块逻辑操控器（FLC—Fuzzy Logic controller）等都成为智能工厂相关技能的重视焦点。

二是操控系统网路化（云端智能工厂）。跟着智能工厂制作流程连接的嵌入式设备越来越多，经过云端架构布置操控系统，无疑已是当今最重要的趋势之一。在工业自动化范畴，跟着运用和效劳向云端运算搬运，资料和运算方位的首要方法都现已被改动了，由此也给嵌入式设备范畴带来颠覆性变革。如跟着嵌入式产品和许多工业自动化范畴的典型IT元件，如制作履行系统；（MEs）以及出产方案系统（PPS）的智慧化，以及连线程度日渐进步，云端运算将可供给更完好的系统和效劳。一旦完结连线，系统结构、操控办法以及人机协作办法等制作规矩，都会因为操控系统网路化而发作改动。此外。因为影像、语音信号等大数据高速率传输对网路频宽的要求，对操控系统网路化，更构成严峻的应战，并且网路上传递的资讯十分多样化，哪些资料应该先传（如设备故障消息），哪些资料能够晚点传（如电子邮件），都要靠操控系统的智慧才干，进行恰当的判别才干得以完结。

三是工业通讯无线化。工业无线网络技能是物联网技能范畴最活泼的干流开展方向，是影响未来制作业开展的革新性技能，其经过支撑设备间的交互与物联，供给低本钱、高牢靠、高灵敏的新一代泛在制作信息系统和环境。跟着无线技能日益遍及，各家供货商正在供给一系列软硬体技能，帮忙在产品中增加通讯功用。这些技能援助的通讯规范包含蓝牙、Wi-Fi、GPS、LTE以及WiMax。但是，因为工厂需求不像消费商场一样的规范化，有必要因应出产需求，有更多弹性的选择，最热门的技能未必是最好的通讯规范和客户需求的技能。

　　智能出产：制作业的未来

能出产（Intelligent Manufacturing.IM），也称智能制作，是一种由智能机器和人类专家一起组成的人机一体化智能系统，它在制作进程中能进行智能活动，比如剖析、推理、判别、构思和决议方案等。经过人与智能机器的协作同事，去扩大、延伸和部分地替代人类专家在制作进程中的脑力劳作。它把制作自动化的概念更新，扩展到柔性化、智能化和高度集成化。与传统的制作比较，智能出产具有自安排和超柔性、自律才干、学习才干和自维护才干、人机一体化、虚拟完结等特征。

“智能制作”需求硬件，软件以及咨询系统的整合。那些具有“智慧制作”特点的出产线，不只拥有着为数众多的操控器、传感器，并且经过有线或无线传感网架构进行串联，将数据传输给上层的制作履行办理系统MES，结合物联网的系统架构，从而让制作业进步到一个新的阶段。

制作首要是效劳于产品的出产，现在跟着客户个性化需求越来越多，产品出产也逐步出现出少量多样等新特征，这就迫使制作厂商要进步出产线的速度与灵敏性，关于商场前端的改动需求能够快速调整。例如当时一些轿车厂就能够让客户在线指定轿车的色彩，快速调整出产线，快速交给产品。智能制作就是要为运用者带来更多的便当。

近年来，由人工智能技能、机器人技能和数字化制作技能等相结合的智能制作技能，正引领新一轮的制作业变革。智能制作技能开端贯穿于规划、出产、办理和效劳等制作业的各个环节，智能制作技能的工业化及广泛运用正催生智能制作业。归纳起来，当今国际制作业智能化开展出现两大趋势。

一是以3D打印为代表的“数字化”制作技能锋芒毕露。“数字化”制作以核算机规划方案为蓝本，以特制粉末或液态金属等先进资料为质料，以“3D打印机”为东西，经过在产品层级中增加资料直接把所需产品准确打印出来。这一技能有可能改动未来的产品的规划、销售和交给用户的办法，使大规模定制和简略的规划成为可能，使制作业完结随时、随地、按不同需求进行出产，并彻底改动自“福特年代”以来的传统制作业形状。

3D打印技能创始了一个全新的偏平式、协作性的全球手工业商场，而不是传统意义上的层级式、自上而下的企业结构。一个由数百万人组成的涣散式网络替代了从批发到零售商在内的所有中间人，并且消除了传统供应链中每一个阶段性的交易本钱。这种“增加式出产”能够大幅下降耐用品的出产本钱，从而使数以万计的小型出产商对传统上处于中心方位的大型出产者提出应战。不过新的出产办法现已发作了重大改动，传统的出产制作业将面对一次长期的“洗牌”。

有猜测指出，未来模具制作作业、机床作业、玩具作业、轻工产品作业或许都可能被筛选出局，而替代他们的就是3D打印机。当然，这需求一个进程，首要是人们习惯和承受新事物的进程与工业本身完善生长的进程。不过10年、20年是分水岭，一般新技能会变得十分老练起来，并被广泛运用。

二是智能制作技能立异及运用贯穿制作业全进程。先进制作技能的加快交融使得制作业的规划、出产、办理、效劳各个环节日趋智能化，智能制作正引领新一轮的制作业革新，首要体现在以下四个方面。

（1）建模与仿真使产品规划日趋智能化。建模与仿真广泛运用于产品规划、出产及供应链办理的整个产品生命周期。建模与防真经过削减测验和建模开销下降风险，经过简化规划部分和制作部分之间的切换来紧缩新产品进入商场的时刻。

（2）以工业机器人为代表的智能制作配备在出产进程中运用日趋广泛。近年来，工业机器人运用范畴不断拓展，品种更加繁复，功用越来越强，自动化和智能化水平明显进步。轿车、电子电器、工程机械等作业已大量运用工业机器人自动化出产线，工业机器人自动化出产线成套配备已成为自动化配备的干流及未来的开展方向。业界通常将工业机器人分为日系和欧系。

日系的首要代表有安川、OTC、松下、FANUc、不贰越、川崎等公司；欧系首要有德国KUKA、CLOOS，瑞典ABB，意大利COMAU，奥地利IGM公司等。工业机器人在制作业的运用规模越来越广泛，其规范化、模块化、网络化和智能化程度越来越高，功用也越发强壮，正朝着成套技能和配备的方向开展。国际机器人联合会主席榊原伸表明，曩昔4——5年间，国际机器人作业得到了长足的开展，作业平均增长率为8%——9%。据联合会计算，近年来国际工业机器人作业的年总产值约250亿美元。

（3）全球供应链办理立异加快。经过运用企业资源规划软件和无线电频率辨认技能（RFID）等信息技能，使得全球规模的供应链办理更具功率，缩短了满意客户订单的时刻，进步了出产功率。

（4）智能效劳业方法加快构成。先进制作企业经过嵌入式软件，无线连接和在线效劳的启用整合成新的“智能”效劳业方法，制作业与效劳业两个部分之间的边界日益含糊，交融越来越深入。消费者正在要求取得产品“体验”，而非仅仅是一个产品，效劳供货商如亚马逊公司已进入了制作业范畴。

　　制作企业怎么习惯“工业4.0”年代

通向工业4.0的路将会是一段革新性的进展。现有的根底科技和经历将不得不为了习惯制作工业中的特别设备而进行改动和革新，并且关于新地域和新商场的立异处理方案将不得不从头探索。为此，企业需求对以下8个范畴进一步改善。

规范化和参阅架构

工业4.0将会触及网络技能的规划并经过价值网络集成几家不同的公司。如果一揽子一起规范得以完结，这种协作同伴关系将成为可能，并且需求一个参照架构来为这些规范供给描绘并促进规范的完结。

杂乱系统的办理

制作系统正在日益变得杂乱，恰当的方案、描绘和阐明模型能够为这些杂乱系统供给办理根底。工程师们应该为了开展这些模型而进行更多的办法立异和东西运用。

一套综合的工业根底宽带设备

毋庸置疑，综兼并高质量的通讯同络是工业4.0的要害要求。无论是在德国国内，还是在德国与其他协作国家之间，宽带网络根底设备也因而需求进一步的、大规则的拓展。

安全和安保

安全和安保是智能制作系统成功的要害。保证设备和产品本身不会引起运用者的风险，也不会对环境构成污染十分重要。一起，设备和产品中包含的信息特别需求被维护，以避免这些信息被乱用或许在未被授权的情况下运用。这将对安全和安保的架构和特别辨认码的集成调用发作更高的要求，一起相关的训练和作业生计的继续开展规划也要得到加强。

作业的安排和规划

在智慧工厂里，雇员的人物将会发作引人注意图改动。越来越多的实时导向性操控将会让作业界容、作业流程和作业环境发作改动。针对安排作业的社会科技的完结将会给工人供给承当重大职责和加强个人开展的时机。当上述内容成为实际，进行协作的作业规划和作业生计的学习途径关于发动参照模型课题将变尤为必要。

训练和继续性的作业开展

工业4.0将从根本上改动工人们的作业和作业诉求。实施合适的训练战略并用培育学习的办法安排作业也因而而变得十分必要，能够借此完结“活到老学到老”和根据作业地址的广泛的个人开展。为了达到这项方针，模型课题和“最好的有用网络”应该被进一步开发和进步，立体学习技能也应该投入研讨。

规章准则

在工业4.0下树立新的制作流程和水平的商业网络架构时有必要恪守法令，罢了存在的立法也同样需求在必要时考虑立异对法令带来的影响。面对的应战包含协作信息的维护、职责议题、办理私家信息和交易限制等。这将不只对立法，也对其他代表商务行为的活动提出了要求——准则将作为一个包含面广泛的适用东西而存在，其间的内容条款包含指导方针、规范合同和公司团体协议，或许如审计类型的自律行为。

资源功率

除高花费以外，仅是制作工业在原资料和能源上的消费便已满足引起一系列关于环境与安全的探讨。工业4.0将会使得从原资料变为产品的进程更加多产和高效。企业将会权衡“投资在智慧工厂中的额定资源”与“带来的潜在节省”之间的利害，这对企业将十分必要。