工業(yè)4.0—向工業(yè)的未來進發(fā)

摘要：踏上“工業(yè)4.0”這艘明日之舟的重要前提是進行改革，以實現(xiàn)軟件對公司整體業(yè)務(wù)、生產(chǎn)流程的管理控制及對所有生產(chǎn)設(shè)備通訊接口的裝配。本文以下內(nèi)容將對相應(yīng)解決方案進行詳細(xì)介紹。本文網(wǎng)絡(luò)版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/269812.htm

關(guān)鍵詞：工業(yè)4.0；數(shù)字化；物聯(lián)網(wǎng)；IoT

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2015.2.005

“工業(yè)4.0\"的動機與設(shè)想

“工業(yè)4.O”的概念下蘊含著新興的計劃，在此計劃中最新的IT技術(shù)及電子設(shè)備都將服務(wù)于制造工藝“信息化”的進程，以期實現(xiàn)工廠智能化（Smart Factory）的目標(biāo)。該目標(biāo)表現(xiàn)為高度靈活、資源利用率高、使用人體工程學(xué)和將客戶與合作伙伴充分融入業(yè)務(wù)流程。其技術(shù)基礎(chǔ)為物聯(lián)網(wǎng)（IoT）及在不久的將來創(chuàng)建的信息物理系統(tǒng)（CPS）。

選擇進行這場變革的動機及原因有很多（圖1）?？傮w來說可以將之歸為兩類：歐洲工業(yè)國家人口結(jié)構(gòu)的變化及日益多變的市場與繁復(fù)的成本壓力；而客戶對產(chǎn)品定制化、個性化解決方案及可持續(xù)拓展方面不斷上升的熱情與要求成為了這一趨勢的另一推手。由此即可較為詳細(xì)地描述通往“工業(yè)4.0”的幾點重要目標(biāo)：

1.高度靈活性：此點不僅需要在生產(chǎn)制造方面，同時也需要在整體產(chǎn)品開發(fā)流程當(dāng)中體現(xiàn)出來。在整合所有數(shù)據(jù)信息及機械之后，企業(yè)可以創(chuàng)建一個智能網(wǎng)絡(luò)，在其中所有參與者都可以直接掌握所需的內(nèi)外部信息。

2.流程一體化實現(xiàn)最短的市場投放時間（Time to Market）：憑借大量的數(shù)據(jù)存儲（知識數(shù)據(jù)庫），更快速、更成熟地推出新產(chǎn)品將成為可能。

3.未來展望一信息物理系統(tǒng)（CPS）。即所有機械及流程可以通過物聯(lián)網(wǎng)進行直接信息交流，以此來實現(xiàn)智能機械輔助下產(chǎn)品研發(fā)創(chuàng)新所有必需流程的自主分析、仿制及優(yōu)化。

屆時人與機械分離的場景將成為過去，人與機器人合作生產(chǎn)將成為未來的主流模式。

不過，在實現(xiàn)工業(yè)4.O的道路上還存在很多急需解決的問題與挑戰(zhàn)，例如安全性及傳感器自主能源供應(yīng)（能量采集）。

邁向工業(yè)4.0進程的后續(xù)步驟

過去40年對電子元件的應(yīng)用使工業(yè)的全貌發(fā)生了翻天覆地的變化（圖2）。初期人們?yōu)闄C械添加了電氣/電子模塊，但其均為單機（獨立）方案，針對不同機械將會有不同的特定的管理操作/編程。如今的情形已與往日不同：通過使用特定軟件工具已經(jīng)可以實現(xiàn)利用一個中央計算機對整體生產(chǎn)流程進行控制。由此工業(yè)制造流程的產(chǎn)出質(zhì)量得以大大提高且成本在不斷降低。如何利用更好及更有效的軟硬件優(yōu)化配置已成為當(dāng)前及短期未來工業(yè)領(lǐng)域的核心議題。此外，使用更好物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的革新行為使得對整體生產(chǎn)進程的整合成為可能。對機械間通信（M2M）的擴展、對產(chǎn)品研發(fā)制造的所有知識資源（知識數(shù)據(jù)庫）與服務(wù)客戶行為的整合將給企業(yè)帶來更短的市場進入時間與更高的產(chǎn)品質(zhì)量水準(zhǔn)。在對至今產(chǎn)品研發(fā)領(lǐng)域尚處于分離狀態(tài)的流程進行整合的過程中，隱藏著實現(xiàn)新型工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)4.O的巨大的潛力。未來在此領(lǐng)域中IT團隊將成為主導(dǎo)力量，而這一趨勢也將導(dǎo)致人們在工作體制內(nèi)重新思考。由于在無干擾流程中的機械將在無人值守的情況下進行生產(chǎn)，生產(chǎn)相應(yīng)職責(zé)將被推移至工作準(zhǔn)備或計劃領(lǐng)域。當(dāng)前的生產(chǎn)領(lǐng)域的員工將不得不接受培訓(xùn)轉(zhuǎn)型為IT或工程領(lǐng)域的技工，以期可以正常掌握并控制未來的生產(chǎn)流程。作為結(jié)果是，越來越多的直接工作將轉(zhuǎn)變?yōu)殚g接工作。在此趨勢的基礎(chǔ)上將可能逐漸產(chǎn)生信息物理系統(tǒng)（CPS），影響其實現(xiàn)的因素將會是以工業(yè)4.0作為最終目標(biāo)解決現(xiàn)有問題的速度與進程。

位于德國Amberg的西門子公司的電器工廠就是一個很好地示例。該工廠長期使用“數(shù)據(jù)化控制”以保證其生產(chǎn)的高效與產(chǎn)品的質(zhì)量。其最主要的保證成功的秘訣是一套由公司自創(chuàng)的昂貴的進行生產(chǎn)流程控制的完善軟件解決方案“Comesco”（連接式企業(yè)生產(chǎn)流程管理系統(tǒng)）。該系統(tǒng)憑借可以直觀控制的細(xì)化功能實現(xiàn)了通過網(wǎng)絡(luò)對所有流程信息進行實時報告。該系統(tǒng)除可以直接進入所有必需的管理及分析工具外，還具有監(jiān)測功能以保證對生產(chǎn)步驟流程進行持續(xù)監(jiān)視管理。如此模板化的工廠自動化的結(jié)果顯而易見：其產(chǎn)品質(zhì)量等級達到99.9988%且將故障率控制到僅12件每百萬件。

使用案例

在中小型企業(yè)中，連續(xù)性及核心系統(tǒng)中數(shù)據(jù)間鏈接的缺失較為普遍典型。公司內(nèi)部不同行業(yè)中千差萬別的解決方案及數(shù)據(jù)位置（獨立應(yīng)用）、機械與核心數(shù)據(jù)網(wǎng)電子連接及不同數(shù)據(jù)接入系統(tǒng)方式的缺失在很大程度上導(dǎo)致公司全面且實時的數(shù)據(jù)透明度受到極大的影響。在這種情況下會常常出現(xiàn)以下情況：公司內(nèi)部出現(xiàn)很多一樣或類似的數(shù)據(jù)，有些是電子數(shù)據(jù)，有些記錄在紙上，且它們屬于分散調(diào)查，保存，提取的不同職責(zé)范疇。尤其在生產(chǎn)部門，員工常常收到被迫指定的或改變的生產(chǎn)偏好及由列表及手動填寫數(shù)據(jù)組成的流程數(shù)據(jù)。其結(jié)果往往是一個簡單的對完成比率、生產(chǎn)負(fù)荷或是由于訂單更改而修改供貨時間的要求或詢問就使相關(guān)員工陷入繁瑣的解釋之中，且極可能由于流程的多極化導(dǎo)致其既無法快速準(zhǔn)確得出答案，又無法回答該流程對平行運行流程的影響。

作為解決方案，可以使用一個實時的包含所有在運行流程、背景及相關(guān)文件的信息一覽工具（例如Transfact公司的產(chǎn)品）。該一覽表可精細(xì)簡潔地將生產(chǎn)地址、生產(chǎn)區(qū)域及機械/員工（生產(chǎn)資源）一一歸類，并展示了所有生產(chǎn)訂單與工單，且可以根據(jù)所需了解所有詳細(xì)信息。借此可以有效避免過多數(shù)據(jù)如洪水猛獸一般撲面而來。例如，執(zhí)行列表按照根據(jù)當(dāng)前生產(chǎn)步驟核算出的交貨時間的順序?qū)⒅匾纳a(chǎn)訂單數(shù)據(jù)進行排序，員工可以從工作準(zhǔn)備流程開始看到整個工序的所有詳細(xì)信息。圖3顯示的產(chǎn)能規(guī)劃工具對報價及投資計劃非常重要，借此可以演示所有可能的生產(chǎn)場景并立即展示其對員工、機械及流程的具體影響。通常不為人知的短板單位可以通過此功能提前查明，以便相關(guān)單位對其及時作出反應(yīng)。

在大量生產(chǎn)的情況下，如：晶圓片制造，不可避免需要對相應(yīng)流程與控制參數(shù)進行自動核查。當(dāng)企業(yè)內(nèi)部事先沒有相應(yīng)數(shù)據(jù)構(gòu)造及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)時，對大量檢測數(shù)據(jù)的利用及系統(tǒng)性的跟蹤就會時常出現(xiàn)問題。在此SPC統(tǒng)計性控制模塊（圖4）就會在對保持特定質(zhì)量參數(shù)的制造流程的利用及管理上其到核心的作用。無論是使用圖表、趨勢圖或是顯示所需工藝能力的事先概括好的Cp/Cpk值，本模塊都可以將所有信息以通俗易懂且可以追溯數(shù)據(jù)來源的方式顯示出來。對管理層來說，利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)顯示生產(chǎn)流程中的負(fù)荷與產(chǎn)量非常重要，因為其對成本與費用的統(tǒng)計總結(jié)非常重要。最后Transfact公司的軟件工具會生成一個統(tǒng)計圖表，自動補充了單一成本與總成本核算信息。

由圖5顯示的系統(tǒng)所需硬件成本可以很明顯地看出，使用以上介紹軟件產(chǎn)品完全不需要任何需要不時支付大量許可費用的元件或產(chǎn)品。

除真正實現(xiàn)無紙辦公以外，Transfact系統(tǒng)還對所有其他公司重要功能提供支持：從客戶服務(wù)、報價階段到確認(rèn)/清算訂單直至智能倉庫管理及物流系統(tǒng)都將提供標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的功能，以保證客戶隨時都可以以最快的速度掌握所有與技術(shù)、經(jīng)濟或質(zhì)量相關(guān)的數(shù)據(jù)。由于機械利用與分配是統(tǒng)一進行的，也使得所需服務(wù)及維護工作變得更加簡單且可計劃。中小型公司可以借此立刻擁有未來工業(yè)4.0模式所要求的集中管控系統(tǒng)，并以此為基礎(chǔ)踏上繼續(xù)發(fā)展的正確軌跡。