工業(yè)4.0時代簡便自動化四大發(fā)展趨勢

繼蒸汽時代、電氣時代、信息時代三大工業(yè)革命之后，全球化分工使生產(chǎn)要素加速流動和配置，市場風(fēng)向變化和產(chǎn)品個性化的需求對企業(yè)反應(yīng)時間和柔性化能力提出前所未有的要求，全球進(jìn)入空前的創(chuàng)新密集和產(chǎn)業(yè)變革時代。基于此，以物聯(lián)網(wǎng)簡便自動化生產(chǎn)和智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命悄然來襲。

早在2011年漢諾威工業(yè)博覽會上，德國率先提出“工業(yè)4.0”的概念，之后美國也推出工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)企業(yè)等類似概念。無論工業(yè)4.0還是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，其主要特征都是智能和物聯(lián)，而主旨都在于將傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)與現(xiàn)代信息技術(shù)相結(jié)合，從而提高資源利用率和生產(chǎn)靈活性、增強(qiáng)客戶與商業(yè)伙伴緊密度并提升工業(yè)生產(chǎn)的商業(yè)價值。

“工業(yè)4.0”是一個宏大的愿景，但又是一個簡單的概念：把大量的有關(guān)人、IT系統(tǒng)、自動化原件和機(jī)器的信息融入到虛擬網(wǎng)絡(luò)——實體物理系統(tǒng)（CPS）中，并利用產(chǎn)生的數(shù)據(jù)為企業(yè)服務(wù)，其本質(zhì)即為“融合”。在制造系統(tǒng)中，工廠現(xiàn)場設(shè)備傳感和控制層的數(shù)據(jù)與企業(yè)信息系統(tǒng)融合，并傳到云端進(jìn)行存儲、分析，形成決策并反過來指導(dǎo)、協(xié)同企業(yè)的生產(chǎn)和運營。

通過工業(yè)4.0可以建立一種人——技術(shù)互動的嶄新模式，即機(jī)器適應(yīng)人的需求。具有多通道用戶界面的智能工業(yè)輔助系統(tǒng)，能將數(shù)字和模擬環(huán)境直接搬到生產(chǎn)車間。而未來工廠也將從局部的機(jī)器智能（如機(jī)器人）發(fā)展到全廠智能。屆時，嵌入式制造系統(tǒng)在工廠和企業(yè)之間的業(yè)務(wù)流程上實現(xiàn)縱向網(wǎng)絡(luò)連接，在分散的價值網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)橫向連接，并可進(jìn)行實時管理——從下訂單開始，直到外運物流。這一理念將零散的信息、通訊、虛擬等技術(shù)整合，通過數(shù)據(jù)可視化和共享互聯(lián)，打通企業(yè)的 產(chǎn)品設(shè)計、研發(fā)、生產(chǎn)與客戶管理、供應(yīng)鏈和能耗管理等系統(tǒng)，實現(xiàn)從底層控制級、中層產(chǎn)線級，到上層企業(yè)級的整體優(yōu)化，最終幫助制造業(yè)實現(xiàn)更短的上市時間、 更高的生產(chǎn)靈活性和資產(chǎn)利用率、更低的擁有成本和更可控的企業(yè)風(fēng)險。

工業(yè)4.0的基礎(chǔ)是數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和集成化。與此相應(yīng)的是，工業(yè)4.0時代的工業(yè)自動化，將在原有自動化技術(shù)和架構(gòu)下，實現(xiàn)集中式控制向分散式增強(qiáng)型控制的 基本模式轉(zhuǎn)變，讓設(shè)備從傳感器到因特網(wǎng)的通訊能夠無縫對接，從而建立一個高度靈活的、個性化和數(shù)字化、融合了產(chǎn)品與服務(wù)的生產(chǎn)模式。在這種模式下，生產(chǎn)自動化技術(shù)可通過自我診斷、自我修正和各種功能軟件讓設(shè)備更加智能，以更好地輔助工人完成生產(chǎn)。因此要求自動化設(shè)備的通訊功能和集成能力更強(qiáng)，而自動化軟件則需具備更強(qiáng)大的分析處理及與企業(yè)其他軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享能力。  

在自動化層面，統(tǒng)一的控制平臺，順暢的通訊網(wǎng)絡(luò)是基礎(chǔ)。而要實現(xiàn)工業(yè)4.0，自動化在四個層面上將進(jìn)一步拓展：  

? 自動化系統(tǒng)內(nèi)部的橫向連接。通 過全集成自動化、集成架構(gòu)等統(tǒng)一平臺將控制、驅(qū)動、低壓配電等系統(tǒng)深度集成，在單一的編程環(huán)境中為可擴(kuò)展運動和機(jī)器控制提供集成的平臺。這種集成可減少需 要儲存的備件數(shù)量，而控制平臺的開放性則可確保與第三方組件輕松集成。此外，在每臺機(jī)器上使用的可視化及信息軟件需實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化處理方式。  

? 與下層現(xiàn)場傳感和數(shù)據(jù)采集層及上層企業(yè)管理系統(tǒng)的縱向連接。從機(jī)器運行和能源使用到變量處理和材料使用，在生產(chǎn)過程的每個環(huán)節(jié)中，控制器、傳感器及其它設(shè)備均會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)。來自生產(chǎn)車間的數(shù)據(jù)在幾年之內(nèi)就會在數(shù)量 上超過公司產(chǎn)生的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。即便是現(xiàn)在，也有大量的此類數(shù)據(jù)正在通過現(xiàn)場的PLC進(jìn)行分析。當(dāng)務(wù)之急乃是將所有來自各工廠運行系統(tǒng)不斷劇增的數(shù)據(jù)與來自業(yè) 務(wù)應(yīng)用的信息相結(jié)合，從而打造運營智能，尤其是遠(yuǎn)程維護(hù)解決方案和基于云技術(shù)的服務(wù)，以應(yīng)對持續(xù)增加的圍繞數(shù)據(jù)分析的服務(wù)需求。如遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測可以對個別 部件的運動進(jìn)行分析或?qū)φ麄€驅(qū)動鏈實施在線連續(xù)監(jiān)測。  

? 基于開放標(biāo)準(zhǔn)和統(tǒng)一協(xié)議的通訊網(wǎng)絡(luò)。若 要充分利用智能化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的優(yōu)勢，需要借助統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，來實現(xiàn)工廠內(nèi)所有設(shè)備（包括企業(yè)級設(shè)備）彼此之間的相互通信。未來，網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備將得到更廣泛的利用。獨立IP的應(yīng)用可以使產(chǎn)品和設(shè)備具備可識別的獨立身份、便于追蹤、定位和監(jiān)測。此外，標(biāo)準(zhǔn)通訊可使更多的數(shù)字設(shè)備融入生產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)，如攝像機(jī)、 RFID讀卡器、數(shù)字平板、安全磁卡等，以提高生產(chǎn)管理的精細(xì)化。  

? 移動技術(shù)和虛擬化。目前在平板電腦或智能手機(jī)上訪問生產(chǎn)數(shù)據(jù)，信息和工廠員工已能夠?qū)崿F(xiàn)“移動”并隨時隨地訪問應(yīng)用程序。未來，很多情況下需要使用云技術(shù)處理和存儲來自各地的 數(shù)據(jù)，又要在各地實時地使用這些數(shù)據(jù)。移動技術(shù)讓人變得機(jī)動靈活。人們可以隨時隨地與任何相關(guān)人事聯(lián)系，可以與全球同事交流分享經(jīng)驗知識、解決業(yè)務(wù)問題。 不管技術(shù)專家身在何處，呼叫中心代表都可以實時向其咨詢問題，而專家本人也可以隨地訪問世界上任意地點的設(shè)備服務(wù)歷史以及其它裝置的歷史，還能夠核對工廠 更新和其它咨詢。例如，很多油井地處分散的偏遠(yuǎn)地區(qū)，過去，技術(shù)人員需要奔波于各個油井之間將數(shù)據(jù)下載到閃存卡中，而現(xiàn)在則可以直接從云端下載數(shù)據(jù)，通過 遠(yuǎn)程監(jiān)視設(shè)備和過程。他們可以實時生成報告，而不是按天或者按周。

虛擬化可以降低對物理服務(wù)器和其它硬件的依賴性，同時節(jié)約工廠的能源成本。虛擬化技術(shù)還可以改善機(jī)器的可靠性，打造低成本高可用性的備份解決方案，同時允許操作系統(tǒng)的多個實例在單一硬件上運行。最新的DCS系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用虛擬化服務(wù)器實現(xiàn)更快的處理速度及降低生命周期成本。   

現(xiàn)階段，每一項自動化技術(shù)都已投入使用，但大部分公司至今仍在單一地使用其中某一項技術(shù)。一旦公司理念趨于成熟，開始接受這些新技術(shù)，就能夠出現(xiàn)同時應(yīng)用所有這些技術(shù)的局面。目前，控制層面，最新的PLC、變頻等產(chǎn)品都有標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)通訊接口，現(xiàn)場設(shè)備通過傳感器數(shù)據(jù)采集和聯(lián)網(wǎng)傳輸即可實現(xiàn)診斷等智能功能；信 息層面，各種數(shù)據(jù)庫軟件、制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、制造運行管理系統(tǒng)（MOM）、產(chǎn)品生命周期管理軟件（PLM）等，同企業(yè)資源規(guī)劃（ERP）解決方案連 接起來，則實現(xiàn)數(shù)據(jù)到信息的轉(zhuǎn)換、輔助商業(yè)決策；分析運營層面：現(xiàn)有的云平臺也具備了遠(yuǎn)程分析優(yōu)化的基礎(chǔ)和經(jīng)驗；安全層面：業(yè)界主流廠商都已與信息安全企 業(yè)合作推出了實際方案。而未來的挑戰(zhàn)主要在于需要在生產(chǎn)工程、機(jī)械工程、工藝工程、自動化工程、IT和互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域建立起一個共同認(rèn)可的問題處理方式和標(biāo)準(zhǔn)。