實踐“工業4.0”的關鍵技術與思考

陸斌

摘 要：工業4.0預示著我們世界上第四次工業革命的到來，是人類的工業技術與信息技術上實現真正的結合的標志，發展信息化的制造業，為世界工業帶來新的發展方向。本文主要對工業4.0進行了深入的分析和研究，重點探討了工業4.0的主要技術和未來的發展方向。

關鍵詞：工業4.0；CPS；技術；發展

1.“工業4.O”概念

“工業4.0”是指以滿足個性化、隨時變化的顧客需求為目的，綜合利用智能制造、動態定價、價值分享協議等手段，提供制造端直通用戶端的“端到端解決方案”的一種全新的生產組織模式。它以“網絡化制造”、“自我組織適應性強的物流”、“集成客戶的制造工程”為特征，生產組織由集中式控制向分散式增強型控制轉變，目標是建立一個高度靈活的個性化、數字化、智能化的產品與服務相結合的生產模式。在這種模式中，制造與制造服務業的行業界限將消失，創造價值的過程發生根本性變革，產業鏈分工將被重組。德國工業界認為“工業4.0”概念即是以智能制造為主導的第四次工業革命。通過充分利用信息通訊技術和網絡空間虛擬系統——信息物理系統（Cyber—PhysicalSystem）相結合的手段，將制造業向智能化轉型。

2.建立在CPS之上

“工業4.0”的框架內并沒有涉及到新技術的引進，而是強調通過信息物理系統（CPS）與生產系統的融合來改變當前的工業生產與服務模式。以物聯網、服務網以及數據網為核心內容的CPS將成為“工業4.0”的基礎。長期以來占據產業主導地位的制造業技術，由于其系統的封閉性會面臨被淘汰的可能，而信息、通信、軟件技術在制造業中將發揮越來越重要的作用，成為“工業4.0”時代的新寵兒。

基于高性能軟件的嵌入式系統與融合在數字網絡中的專業用戶接口之間，發生的相互作用，將誕生全新的系統功能性世界，舉一個簡單的例子，智能手機囊括許多應用和服務，已經遠遠超出設備本身通話功能。由于全新的劃時代應用和服務的提供商將不斷涌現，漸漸形成新價值鏈，所以，CPS也將對現有業務與市場模式帶來范式轉變。汽車工業、能源經濟，還有包括諸如工業4.0的生產技術的各個工業部門，將同步因這些新價值鏈發生巨變。未來，CPS將以以往人類無法想象的形式，對人類安全、效率、生活舒適度、提升健康水平等做出貢獻。同時，CPS也將對解決人口結構變化、自然資源不足、可持續發展以及能源結構變化等帶來的問題，發揮關鍵性的作用。

3.“工業4.0”項目的重點應用技術

隨著工業4.0時代的到來，許多沿用多年、占據主導地位的工業自動化技術，正面臨被淘汰、被更新換代的命運，而一批以前認為是高端的工業自動化技術，也隨著新時代的到來，快速的走入到了實際的應用中去，成為新時代的寵兒：一是以工業PC為基礎的低成本工控自動化將成為主流；二是PLC進入第六代——微型化、網絡化、PC化和開放性；三是DCS系統走向測控管一體化設計；四是控制系統向現場總線（FCS）方向發展；五是儀器儀表向數字化、智能化、網絡化、微型化發展；六是數控技術向智能化、開放性、網絡化、信息化發展；七是工業控制網絡向有限和無限相結合的方向；八是工業控制軟件向標準化、網絡化、智能化和開放性方向發展。

此外，為了實現工業制造到工業4.0的轉變，德國還要實現一項雙重策略。不僅應該一如既往地把“信息和通訊科技”和“自身的傳統高科技策略”進行整合，以努力成為智能制造科技的主要供應商，尋求穩固自身在全球市場的領導地位。同時，還應創造并服務于CPS科技和產品。為了達成這個雙重要求，以下幾個工業4.0的特征應該被執行：一是橫向集成需要通過價值網絡；二是端到端的工程立體集成橫跨整個價值鏈；三是垂直集成和網絡化的制造系統。通向工業4.0之路要求德國在研發上投入巨大的精力，為了實現雙重策略，所進行的研究首先必須實現“制造系統的水平和垂直集成”和“工程上端到端的集成”。此外，出于對工業4.0系統的要求和CPS科技持續發展的目的，在工作場所中新的社會基礎設施應該得到更多關注。

4.智能工廠：自動化制造業的未來

CPS連接了虛擬空間與物理現實世界，技術過程與業務過程也因此得到融合，從而開創新工業時代，最能夠準確表達新工業時代的就是工業4.0項目倡導的智能工廠概念，智能工廠是通過在生產系統中配備CPS來實現的，相對于傳統生產系統，智能工廠的產品、資源及處理過程因CPS的存在，將具有非常高水平的實時性，同時在資源、成本節約中也頗具優勢。智能工廠按照重視可持續性的服務中心的業務來設計，因此，服從性、靈活性、自適應以及學習等特征、容錯能力，甚至風險管理都是其中不可或缺的要素。智能工廠的裝備將實現高級自動化，主要是由基于自動觀察生產過程的CPS的生產系統的靈活網絡來實現的。通過可實時應對的靈活的生產系統，能夠實現生產過程的徹底優化。同時，生產優勢不僅僅是在特定生產條件下一次性體現，也可以實現多家工廠、多個生產單元所形成的世界級網絡的最優化。這就意味著，創新技術、成本與時間的節約，擁有培育新市場機會的網絡容量的“自下而上”型生產模式中的革命。

智能工廠的生產相對于傳統制造工業有如下優勢：由CPS形成最優化的生產過程：智能工廠的“單元”決定其活動范圍、設定選項以及生產條件，可與其他單元進行獨立的無線通信。理想的生產系統，智能編輯產品特性、成本、物流管理、安全、信賴性、時間以及可持續性等要素，為每個顧客進行最優化的產品制造。

5.結論

綜上所述，不管是工業4.0還是CPS，都標志著工業制造和信息技術，以及控制技術的真正融合，工業制造中的各種技術實現真正意義上的分工合作，更是將工業4.0的價值得以真正的體現。工業4.0 將會使得從原材料變為產品的過程更加多產和高效，對制造業而言，越來越多的微小企業通過互聯網組成可與大企業對抗的社區或聯盟，他們可能是智能化工廠的先鋒隊。

參考文獻：

[1]王巍.以創新搶占“工業4.0”時代發展制高點.《現代商貿業》，2014（3）

[2]張曙.工業4.0和智能制造.《機械設計與制造工程》，2014（8）