智能設備

在未來的智能工廠，每個生產環(huán)節(jié)清晰可見、高度透明，整個車間有序且高效地運轉。“工業(yè)4.0”中，自動化設備在原有的控制功能基礎上，附加一定新功能，就可以實現(xiàn)產品生命周期管理、安全性、可追蹤性與節(jié)能性等智能化要求。這些為生產設備添加的新功能是指通過為生產線配置眾多傳感器，讓設備具有感知能力，將所感知的信息通過無線網(wǎng)絡傳送到云計算數(shù)據(jù)中心，通過大數(shù)據(jù)分析決策進一步使得自動化設備具有自律管理的智能功能，從而實現(xiàn)設備智能化。

“工業(yè)4.0”中，在生產線、生產設備中配備的傳感器，能夠實時抓取數(shù)據(jù)，然后經過無線通信連接互聯(lián)網(wǎng)，傳輸數(shù)據(jù)，對生產本身進行實時的監(jiān)控。設備傳感和控制層的數(shù)據(jù)與企業(yè)信息系統(tǒng)融合形成了信息物理系統(tǒng)（CPS），使得生產大數(shù)據(jù)傳到云計算數(shù)據(jù)中心進行存儲、分析，形成決策并反過來指導設備運轉。設備的智能化直接決定了“工業(yè)4.0”所要求的智能生產水平。

生產效率是制造企業(yè)首先會考慮的問題。在具體生產流程方面，“工業(yè)4.0”對企業(yè)的意義在于，它能夠將各種生產資源，包括生產設備、工廠工人、業(yè)務管理系統(tǒng)和生產設施形成一個閉環(huán)網(wǎng)絡，進而通過物聯(lián)網(wǎng)和系統(tǒng)服務應用，實現(xiàn)貫穿整個智能產品和系統(tǒng)的價值鏈網(wǎng)絡的橫向、縱向的鏈接和端對端的數(shù)字化集成，從而提高生產效率, 最終實現(xiàn)智能工廠。通過智能工廠制造系統(tǒng)在分散價值網(wǎng)絡上的橫向連接，就可以在產品開發(fā)、生產、銷售、物流、服務的過程中，借助軟件和網(wǎng)絡的監(jiān)測、交流溝通，根據(jù)最新情況，靈活、實時地調整生產工藝，而不再是完全遵照幾個月或者幾年前的計劃。

“工業(yè)4.0”通過CPS系統(tǒng)將不同設備通過數(shù)據(jù)交互連接到一起，讓工廠內部、外部構成一個整體。而這種“一體化”其實是為了實現(xiàn)生產制造的“分散化”。“工業(yè)4.0”中，生產模式將從“由集中式中央控制向分散式增強控制”轉變，“分散化”后的生產將變得比流水線的自動化方式更加靈活。

流水線作業(yè)的主要特點是：物料通過流水線傳送，操作工人在工位上不動，不斷地簡單重復一個固定的動作。好處是可以避免操作工人在車間內來回走動、更換工具等勞動環(huán)節(jié)，從而顯著地提升工作效率（圖5）。

圖5 生產生產場景圖及演變過程

隨著PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）的出現(xiàn)和普及，自動化技術得到了重大突破。PLC使得一些邏輯關聯(lián)復雜的操作可以由設備自動完成。同時，數(shù)控機床技術的發(fā)展，使得零部件能夠在機床上按照圖紙完成若干復雜的加工工作。此外，采用機械手等工業(yè)機器人技術，也使得替代操作工人的簡單重復的固定作業(yè)成為可能。

所以，在流水線上，經過分解的、由標準化動作組成的操作很容易被自動化的機器來完成。也就是，流水線很容易實現(xiàn)自動化。過去30多年是全球化發(fā)展最快的一段時期，發(fā)達國家通過產業(yè)轉移將大量勞動密集型產業(yè)轉移到勞動力成本較低的發(fā)展中國家。對于大量勞動密集型產業(yè)來說，自動化水平較高的流水線的綜合成本往往要高于自動化水平較低的生產線。

但是，自動化流水線也有其弊端。不能靈活地生產，不能滿足個性化定制，而且重復性低、相對復雜、感知能力要求強的操作更適合人工來做。

更好地滿足個性化需求，提高生產線的柔性是制造業(yè)長期追求的目標。

“工業(yè)4.0”報告中描述的動態(tài)配置的生產方式主要是指從事作業(yè)的機器人（工作站）能夠通過網(wǎng)絡實時訪問所有有關信息，并根據(jù)信息內容，自主切換生產方式以及更換生產材料，從而調整成為最匹配模式的生產作業(yè)。動態(tài)配置的生產方式能夠實現(xiàn)為每個客戶、每個產品進行不同的設計、零部件構成、產品訂單、生產計劃、生產制造、物流配送，杜絕整個鏈條中的浪費環(huán)節(jié)。與傳統(tǒng)生產方式不同，動態(tài)配置的生產方式在生產之前，或者生產過程中，都能夠隨時變更最初的設計方案。

例如，目前的汽車生產主要是按照事先設計好的工藝流程進行的生產線生產方式。盡管也存在一些混流生產方式，但是生產過程中，一定要在由眾多機械組成的生產線上進行，所以不會實現(xiàn)產品設計的多樣化。管理這些生產線的MES（制造執(zhí)行管理系統(tǒng)）原本應該帶給生產線更多的靈活性，但是受到構成生產線的眾多機械的硬件制約，無法發(fā)揮出更多的功能，作用極為有限（圖6）。

圖6 傳統(tǒng)汽車生產中嚴格按照順序的生產流程

同時，在不同生產線上操作的工人分布于各個車間，他們都不會掌握整個生產流程，所以也只能發(fā)揮出在某項固定工作上的作用。這樣一來，很難實時滿足客戶的需求。

“工業(yè)4.0”描繪的智能工廠中，固定的生產線概念消失了，采取了可以動態(tài)、有機地重新構成的模塊化生產方式。

例如，生產模塊可以視為一個“信息物理系統(tǒng)”，正在進行裝配的汽車能夠自律在生產模塊間穿梭，接受所需的裝配作業(yè)。其中，如果生產、零部件供給環(huán)節(jié)出現(xiàn)瓶頸，能夠及時調度其他車型的生產資源或者零部件，繼續(xù)進行生產。也就是，為每個車型自律性選擇適合的生產模塊，進行動態(tài)的裝配作業(yè)。在這種動態(tài)配置的生產方式下，可以發(fā)揮出MES原本的綜合管理功能，能夠動態(tài)管理設計、裝配、測試等整個生產流程，既保證了生產設備的運轉效率，又可以使生產種類實現(xiàn)多樣化（圖7）。

圖7 動態(tài)配置的生產流程

智能物料

“工業(yè)4.0”時代，在智能工廠中，CRM（Customer Relationship Management,客戶關系管理）、PDM（Product Data Management，產品數(shù)據(jù)管理）、SCM（Supply chain management，供應鏈管理）等軟件管理系統(tǒng)可能都將互聯(lián)。屆時，接到顧客訂單后的一瞬間，工廠就會立即自動地向原材料或零部件供應商采購原材料或零部件。

原材料或零部件到貨后，將被賦予數(shù)據(jù)，“這是給某某客戶生產的某某產品的某某工藝中的原材料或零部件”，使“原材料或零部件”帶有信息。帶有信息的原材料或零部件也就意味著擁有自己的用途或目的地，成為了“智能物料”。如果，在生產過程中，當原材料或零部件一旦被錯誤配送到其他生產線，它就會通過與生產設備開展“對話”，返回屬于自己的正確的生產線；如果，生產機器之間的原材料不夠用，同樣，生產機器也可以向訂單系統(tǒng)進行“交涉”，來增加原材料或零部件數(shù)量（圖8）。

圖8 帶有二維碼的智能物料（作者拍攝于索菲亞家具定制工廠）

最終，即便是原材料或零部件嵌入到產品內之后，由于它還保存著路徑流程信息，將會很容易實現(xiàn)追蹤溯源（圖9）。

圖9 帶有二維碼的智能零部件

據(jù)媒體報道，SAP全球高級副總裁、全球研發(fā)網(wǎng)絡總裁柯曼先生在2014中國信息產業(yè)經濟年會上做了主題為“SAP中國的工業(yè)4.0和物聯(lián)網(wǎng)之道”的演講?？侣J為，在“工業(yè)4.0”里，所有的事情都變得數(shù)字化了。

每個產品都有自己獨立的ID，企業(yè)可以突破地理空間的限制，實現(xiàn)遠程操作與服務。建立在大數(shù)據(jù)預測的基礎上，企業(yè)能夠根據(jù)預測結果，為客戶量身提供更為延后或者提前的服務，進一步降低風險和成本。在生產的過程中，企業(yè)也能夠實現(xiàn)更好的能源管理和彈性生產。

智能產品

越來越多的事實表明，信息技術特別是互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展和應用正以前所未有的廣度和深度，加快推進制造業(yè)生產方式、制造模式的深刻變革。隨之而來的是，產品本身屬性的變化（圖10）。

圖10 產品的智能化

當前的汽車或許不再是一個“機械”，是一個由傳感器、天線、接收器、顯示儀等等眾多的電子零部件組成的“電子產品”（圖11）。