智能工厂_德国推进工业4_0战略的第一步_下_

1、专 栏Column现代制造德国推进工业4.0战略的第一步（下）菲尼克斯电气（南京）研发工程中心有限公司 杜品圣2014.2 AUTOMATION PANORAMA#2014.2 AUTOMATION PANORAMA#2智能工厂是实现工业4.0战略的关键，互联网自动化技术的应用是实现智能工厂的基础2.1智能工厂作为实施工业 4.0战略关键的原因德国在推动工业4.0这一国策时将重点放在智能工厂上，这与德国制造业在德国经济中有着举足轻重的地位分不开。德国拥有 强大的设备和机床制造能力，是最具竞争力的国家之一，推动智 能工厂这个项目，可以全方位地提升德国工业界的整体实力，对 于整个制造产业链（信息技

2、术、生产物流管理技术、自动化控制 技术、机电一体化技术、工业科技产品的科研和开发、3D技术、复杂工业过程的管理技术和电子嵌入式系统技术等）产生颠覆性 的变化。同样这个项目也可以动员和吸引大量工业制造产业链上 中的小企业参与，举一纲而万目张，解一卷而众篇明，成为“全 民项目”，使得中小企业都成为智能工厂生产技术的参与者、 开发者、使用者和受益者，继续保持德国在整个产业链的领先地 位。更主要是最近十多年来技术的发展，市场的变化改变了市场 及客户的各种消费及应用理念，如目前为了迎合大众客户的需 求，一切的营销都围绕在两个方面进行。一个是移动，从固定电 话到移动电话，台式 PC到移动平板，人机操作平台

3、到移动操作， 有线控制到远程遥控等；另一个是所谓的“免费”，所有的网站 为了吸引更多的客户，建立庞大的客户群，初期大多采用免费的 服务方法，通过掌握大量的客户资源来达到长期赢利的目的。这 些新型的营销手段给传统的工业领域的行业营销模式带来了极大 的冲击。尤为迫切的是 IT信息通信技术的迅速发展，已成为所有 行业和应用领域的重要创新驱动器。互联网技术的广泛应用影响了人类生活的各个方面。制造工业发展按照原来的设计制造生产 和规划方法已远远不能适应市场、客户以及技术发展的需要。如 何将互联网及IT技术用于传统工业和制造工业已成为当务之急。 传统行业的改革必须符合新的营销理念一一新的市场需求和新的 技

4、术发展。因此，如果德国想在全球制造装备领域继续保持着领 头羊的地位，必须继续发扬一贯专注于创新和创造的精神，通过 工业4.0战略的实施，通过传统行业的变革，以符合新的营销理 念、新的市场需求和新的技术发展，从而快速推动德国国内制造 业的发展，再次提升它的全球竞争力，成为新一代工业制造技术 的供应者和领先者。并将这种系统工程推向全世界。成为全球生 产制造行业的掌门领袖。这也就是为什么当美国的格里夫高唱第 三次工业革命时，德国没有人云亦云，而是针对自己的国情、自 己的战略、自己技术的特点制定了符合自己国家科技发展方向的 工业4.0战略。2.2现代制造业面临的技术瓶颈及解决方法那么当今工业制造业到底

5、面临着怎样的挑战？这与世界经 济发展的特点有关，世界经济的发展给工业领域的发展带来了根 本性的变化，产生了对生产制造布局的全球性，制造方式的灵活 性，产品生命周期的缩短和企业发展持续性的需求。这些需求是 工业4.0战略在所有工业领域要解决的问题。而在智能工厂，特别 是生产制造领域就是要产生一种新型的生产制造模式，从单纯的 生产产品的技术角度来讲，这种新型的生产制造模式要能适应产 品生命周期的新变化，能够应付产品快速更新换代；产品种类多 而批量少；能够面对价格的竞争和成本的压力；能够面对投资回报时间；实现资源的优化和提升能源效率。在过去的十多年，机 械制造行业的专家们做了不少努力来提高生产效率，

6、加大生产的 灵活性，如机电一体化、管控一体化、CIMS、数字工厂和虚拟工厂等都没有很好地解决以上问题。在实践和发展中，人们慢慢认 识到这些问题的解决并不能单单通过改造生产制造方式就可以实 现。这种变革需要融合产品研发、生产、市场、服务、运行及回 收各阶段的动态管理，这恰恰是建设智能工厂的首要任务。现代 生产制造工厂如图1所示。图1现代生产制造工厂221掌握产品生命周期而制订的灵活多样的生产制造周期根据以上的分析，实现智能工厂要分多步进行，其第一步就 是要掌握产品生命周期而制订灵活多样的生产制造发展周期。实 际上，产品从诞生到消失的生命周期在市场上的销售量需求有一 定规律。它经历了研发期、试用期

7、、发展期、成熟期、饱和期和 退出期。在不同时期，市场对于产品的数量需求也是不同的。如 在研发期和试用期所需要的产品数量是有限的，而发展期、成熟 期和饱和期所需要的产品数量是由市场推广的力度及市场合理的 定位来确定，在退出期则需要按回报率、更新换代的速度和开发新产品的投入力度来规划产品不同的生产数量和功能。见图2的图2产品生产周期对于产品需求数量的影响图2所示的是产品管理的基本原则，所不同的是在过去的年代里，整个产品生命周期比较长，一般可以按8年10年计算，所以一般研发期与试用期的资本投入可以忽略不计。以开发机械结构产品为例，初期的研发费用、模具费用甚至加工机械设备的费 用可以分摊在产品的数量上

8、。比较长的产品生命周期产生巨大的 销售量，保证了初期投入及时地回报。而如今随着技术的快速发 展，产业更新换代的加速，使得产品生命周期大大缩短，这种现 象首先出现在民用产品上，所有的民用产品，无论是家用电器、 电子产品、IT产品、PC产品的使用周期也从过去的三四年缩短 到一两年，甚至更短。这种趋势也影响了工业产品生命周期的长 短。产品生命周期短，产品数量少，同时数量要求的突变性需要 一种灵活多样的生产制造模式来快速响应生产产品数量的变化。 作为实现智能工厂的第一步就是要建立这样的具有自适应功能的 生产制造模式，如图3所示。所以目前德国在推动智能工厂，其中 一个重要任务是设计和规范按照市场对产品需

9、求的不同而实现不 同的生产方式，从而形成灵活多样的生产制造发展周期。2.2.2 人工、半自动和全自动三位一体的适应性生产制造 模式多工作方法的生产制造模式是智能工厂满足客户和产品特 殊需求的基础，将客户和市场的需求及时地与生产制造模式有机 地整合在一起，及时地调整生产方法来平衡成本与投资，降低成 本，提高响应速度。提高产品的竞争能力是智能工厂的基本设计 思想，要实现人工、半自动和全自动三位一体的生产制造模式， 首先要考虑这种混合生产制造模式的实施成本问题，生产方式切 换时产生的停机时间问题，调试维护安装操作难度提高的问题， 运行人员的技术水平培养问题，系统规戈撷算的复杂性问题等。 针对这些问题

10、人们提出了解决问题的六个方向：?产品数量的响应性；?生产规划的长期性；?生产工艺的稳定性；?技术发展的连续性；?制造成本的竞争性；?员工创新的主导性。这六个性能构成了智能工厂生产制造模型的特征，全面地系 统化地确定这种新的生产制造模式的设计思路。2.2.3人工、半自动和全自动三位一体的适应性生产制造模 式的基本方法和体系架构智能工厂的核心由以下三大维度来实现：?实现工厂制造和业务规划流程价值链；?工厂生产管理价值链即从产品设计和开发、生产规划、生产工程、生产实施到服务的五个阶段；?工厂自动化控制系统（从现场层、控制层、管理层到决策层）。Column栏现代制造人工、半自动和全自动三位一体的适应性

11、生产制造模式是构 成生产价值链轴/生产管理轴的集合。针对产品的高柔性化生产和 客户定制的发展趋势。建立高度灵活的个性化和数字化的产品与 服务的生产模式。在这种模式中，由于引入了各种新的技术特别 是互联网技术，产生以生产制造为导向的交叉领域和创新理念， 创造出新价值，传统的产业链将被重组。适应性的生产制造模式针对上面的六大特证，提出了基本的 设计规范书，核心是将 IT信息技术，工业以太网络技术与工业自 动化技术有机地结合起来：? 对所需信息和应用信息要求数字化；? 保证产品在不同时刻或阶段需求量不同，对于生产峰值 有及时地应对能力；? 应用互联网及IT技术将生产制造、生产工艺、生产控制 和生产管

12、理结合在一起；? 采用分散智能化装备组件使得生产模式功能扩展得更加 方便；? 采用“ Cyber-Physical Systems "网络物理系统的概念达 到数字工厂与实际对象的一致性；? 成本的优化，操作的方便性等因素都在设计的大纲中体现出来。根据这些现实及未来发生的问题，德国的技术专家们提出了 研究智慧工厂的路径图。德国的专家们首先一致认为智能工厂是 信息化技术发展的结果，在数字化工厂的基础上，利用物联网的 技术和设备监控技术加强信息管理和服务。智能工厂的规划、设 计和运行专家们不仅要了解自己的产品即生产装备及技术，同时 也应该清楚掌握产销流程，及时正确地采集生产线数据，以及合

13、理的生产计划编排与生产进度，提高生产过程的可控性，减少生 产线上人工的干预，在设计的过程中必须将生产管理、生产流程 及生产效率统一于生产制造模式中，从而构建一个高效节能的、 绿色环保的、环境舒适的现代化工厂。（1）采用网络物理系统 CPS方法（数字工厂/虚拟工厂的技 术）来设计三位一体化的生产制造的模型如前所述，智能工厂首先要解决的是生产制造的全球性，制 造方式的灵活性，产品生命周期的缩短和企业发展的持续性，带 给生产制造工业挑战的问题，其采用的方法之一就是建立三位一 体化适应性生产制造模型。这种三位一体的适应性生产制造系统在设计的初期非常复 杂，它要了解工艺，要预测新模式的实现可行性，场地扩

14、展的长 期性，生产功能扩展的方便和可能性，模式的性价比和优化以及 设计模型与实际对象的一致性等，这些任务是传统的工厂制造设 计不可能完成的。同时，这种方案的制定需要无数次的认证、实 验和测试才能实现，所以必须采用数字仿真的技术，实际早在 九十年代时，德国就在推动数字工厂的技术，而后又采用所谓虚 拟工厂理念的仿真技术来设计工厂，以减少初期工厂设计的成本 和加快建厂的时间。但是这种方法一直没有得到很好的实现，其 原因之一在于当时的IT技术、计算机技术、信息技术还不能支撑 这一设计模式，所建立的工厂模型与直接的模型相差很大，实践 的应用价值不大。而工业战略4.0中明确地提出互联网技术，信息技术运用

15、到制造工业中，在实现智能工厂中推出了所谓“Cyber-PhysicalSystems（ CPS） ”的慨念，这个概念目前在学术领域里讨论的非 常多，理解不一，有不同的解释。实际上CPS的理念贯穿到整个工业革命的实施之中，从定义上来理解，CPS是一个协调和管理数字计算和物理过程和资源之间的相互关系，整合于全球和公共 互联网网络进行通信的系统中。它的方法可以运用于各行各业， 比如：分布式能源发配电系统的智能电网；交通车辆驾驶与交通 系统互相联网的车联网；人体健康加上远程监控联网的医联网； 运用互联网实现分散、灵活、自适应的生产制造系统的工业4.0战略（也可以称为工联网）。简单一句话，CPS就是互联

16、网技术运用于各行各业的代名词，其核心就是通过应用信息通讯技术和利用互联网的网络空间，将虚拟系统信息与物理系统相结合的手 段，完成各行各业的产业升级。因此，三位一体的适应性生产制造模式的基本方法和体系架构中首先采用了 Cyber-Physical Systems （ CPS）的概念，实现两大任务：生产制造系统的数字化和虚拟化（数字工厂）；数字虚拟 工厂与实际的对象结合起来（网络物理系统）。从以上分析也给了我们一个启示，目前德国推动的智能工厂概念不是突然产生的想法，不是一个所谓的“革命”，而是德 国在科学发展道路中多年的技术积累、技术沉淀和技术研究的自 然结果，是多年研究的数字化工厂，工业仿真技术

17、的继续发展和 提高，是一种技术的演变，是适应社会对技术发展需求的一个响 应和变革。在实现设计三位一体化生产制造的工厂模型中，德国 恰恰加强了仿真技术即数字工厂技术的应用，按照可持续发展和 面向服务的业务开始实践，从适应性、灵活性、自适应性和学习 特点，容错能力和风险管理，以及创新、节约成本和时间的角度 来做一个三位一体的适应性生产制造模式的模型。这是对原来 数字工厂、虚拟工厂的方法应用提出了更高同时又更明确的要 求。这种模型能优化生产流程，整合生产计划管理，高效利用 资源，定制调整机器适应人的要求。CPS采用数字工厂的方法从各个环节、各个方面进行适应性系统仿真、工艺仿真、流程仿 真、人机交叉仿

18、真和人体工程仿真（如图4图7所示），提供一个与生产制造、生产工艺、生产控制和生产管理一体化的方 案。笔者在与德国有关人员的交流中，知道目前德国许多大学 和科研机构都在加强这方面的研究和开发。各种新的开发软件 2014.2 AUTOMATION PANORAMA53及行业仿真技术数据库正在大量涌现，特别是数字虚拟工厂和 实际对象的实时信息交换，而将数字工厂的模型进行实时的控 制技术也正在开发之中。图5机器人运行模拟图4组装线流程模拟图6人体工程学仿真分析图7人机交叉协同仿真分析（2）分散智能化功能模块和一体化机电控制技术构成三位一体化的适应性生产制造系统在运用CPS的基本思想时，采用数字工厂的技

19、术实现三位一 体化的适应性生产制造系统的仿真模型后，针对产品生产的突变 性，针对大规模的客户定制。这种制造系统模式具有快速的反应 和适应能力，这要求实际的系统组成中要完成机器、工件和组件 之间全面地和点对点的信息通信，同时机器及设备具有自配置和 自校正的适应能力以及机器能集成人的作用，适应人的要求的功 能。所以在实现这种新型三位一体化的适应性生产制造系统时， 采用物联网、网络物理系统、复合控制系统、信息通信系统、智 能分布智能模块和嵌入式技术。在机械结构设计中，采用分散智 能化功能模块和机电功能组件、机械传动、控制和通信的一体化 的设计，这些功能模块能按照生产要求自行组合和配置，不需要 附加的

20、工程工具。由于生产制造系统需要对于生产产品的数量，种类、性能 和质量有自适应能力，通过分析与理解外界及自身的信息，来协 调、重组及扩充系统中各组成部分的具体工作任务，自行构成最 佳运行系统。同时也有一定的自我学习及维护能力：透过系统自 我学习功能，在制造过程中落实资料库补充、更新及自动执行故 障诊断，执行故障排除与维护，或通知对系统执行的能力，因此 这种系统设计为模块化、分散式和智能化的积木式组合结构。分 散化与模块化使得系统能够按照工艺和生产的要求任意组合。生 产将变得更加灵活，不同的生产设备既能够协作生产，又可以各 自快速地对外部变化做出反应。智能化是指分散功能化的模块具 有可测、可感功能

21、，对感测到的信息进行识别或各种数据处理。 按照设定的逻辑要求来做出相应的反应，同时由得到反馈信息而 建立完整的运作循环，满足各式各样与多变的制造与服务需求。 所以智能化模块就是一个独立的控制系统，能在设备层感知（现 场总线层），能够处理和控制信息（控制层），再透过有线及无 线网路将设备数据和控制信息可靠地传递到管理层，进行智慧运 算，进而达成人与人、人与物及物与物之间的交流。这种分散化智能性模块的不同组合构成了一个三位一体化的适 应性生产制造系统，相对于原来机电一体化的模块，又增加了自动 控制功能，应用自动组态配置的 PLC技术。实时工业以太网技术使得 整个模块具有感知、分析和控制的智能功能，

22、这种模块一般采用嵌 入式芯片技术来实现。所以嵌入式芯片技术的发展构成了适应性生 产制造系统的硬件基础。图8是适应性生产制造系统的结构示意图。图8分散式模块化的智能生产制造模式2014.2 AUTOMATION PANORAMA53氈/宀凭专 栏Column现代制造#认;“Ti*automatqn panorama 2014.2#认;“Ti*automatqn panorama 2014.2不同的模块通过不同的组合形成一个生产制造系统，系统的 适应性可以通过插入或删除其中的模块来实现。（3）IT技术与互联网技术应用实现三位一体化的适应性生 产制造系统当智能分散型机电控制一体化的功能模块组成以后，

23、下一步 就是功能模块之间的信息传输和通信问题。在智能工厂中大量地采 用基于嵌入式Interne技术和无线通信技术来进行模块与模块之间， 设备和设备之间的通信和信息交流。它以互联网或WLAN作为通信的载体，为使用者提供机器到机器的通信解决方案，满足使用者对 生产过程监控、指挥调度、远程数据采集和测量、远程诊断等方面 的信息化需求。IT技术与智能控制模块之间是一种智能化、交互式 通信，即使人们没有实时发送信号，智能模块也会根据既定程序主 动进行通信，并根据所得到的数据智能化地做出选择，对相关设备 发出正确的指令。适应性生产制造系统将IT技术和控制技术做了有机的结合，从而实现智能化、远程化和实时化，

24、实现从客户到生产 线的产品和工艺配置畅通无阻的数据交流，同时对机电控制一体化 与IT系统接口之间做了标准定义，如图 9所示。*一图10没有加工爆米花的功能DigiEaJ mags procasang for quMly in&pection图9 IT和互联网技术的应用实现了智能工厂的信息交流3 一个正在开发的智能工厂模式的案例本文将简单介绍一个在德国正在进行的一个“ Modellfactory ”项目 其目的是实现自适应的功能，作为智能工厂研究的第一步，需要在此模型中完成以下几点：?分散智能模块化的系统结构；?以流程控制为主导的自适应生产制造模型；?在上电通过即接即用的自动化配置功能（

25、Plug and Play）；? 采用WLAN的通信技术；?数字仿真模型与实际对象的一致性；? 采用Plug and Play的方法来实现网络层、控制层和管理 层系统结构的改变。这是一个爆米花生产自动化流水系统，作为多功能生产制造适应系统的一个模型，首先为了模拟系统功能的扩展性和灵活性，整个系统的功能分散化和功能化，需要用仿真技术（数字工 厂）来描述整个生产制造工艺流程的模型，如图10、图11所示。图11带有加工爆米花的功能（1）采用仿真技术（数字工厂）建立智能模块化的生产制 造的过程模型分割各功能块，用仿真技术建立智能模块化的生产制造的 过程模型，每个功能块具有机电智能控制的功能，它一般是一

26、个“黑箱子”仅有相对应的各种信号输入和输出端。其信号的种类 有数字、模拟、通信、以太网、传感、执行、无线、有线等，进 行前后功能块之间的信息的传输和控制，这些黑箱子可以按照生 产工艺的需求任意的配置和规划。其中，他们开发一整套的软件，不仅包括了控制算法与通信 方法（工业实时以太网、现场总线、WLAN和各种无线通讯），也开发了智能性的过程系统的组态结构的运算方法，以达到即接 即用的目的。软件算法中整合了生产管理和生产调度技术的功 能，按照生产实际需要来组成新的生产制造工艺线。当然智能化 的现场安装、调试、诊断和故障预警功能也包含在这套软件之 中，利用模拟和仿真工具对于所有系统的功能、质量、速度、

27、安 全、可靠、场地分配和布置做了仔细的分析和研究。（2）设计和制造机电控制一体化的智能模块当仿真实验完成以后，按工艺要求设计制造机电控制一体 化的智能模块的硬件，如图12所示。这种模块与原来机电一体化模块的根本不同在于，原来机电一体化的模块是一个被控对象，55认;“Ti*automatqn panorama 2014.2它仅仅是个执行装置，一切由主控或控制器来控制。而现在机电 控制一体化的智能模块是一个stand alone独立的具有控制功能的模块，它可以自行对于对象进行控制。其关键点是采用嵌入式控 制技术，将各种通信接口融合在此控制模块之中。简单地讲，机 电控制一体化的智能模块带有传感器和执

28、行器的感应功能，带有 嵌入式自适应控制器的对于控制对象进行控制、处理及分析的功 能，带有各种通信接口具有数据传输的功能。图12数字工厂仿真技术的适应性生产制造系统模型的设计(3) 爆米花生产制造系统的实现最后进行爆米花生产制造系统的组装和调试，如图13所示目前这套系统已经完成，可以对智能工厂的一些概念和性能进行 试验。同时作为大学一个试验基地，学生们和教师们可以利用这 个模型进行智能工厂的各种功能进行研究，开发更多更智能化的 软件，使得学生与技术人员对智能工厂有个感性的认识，一步一 步地对这方面进行新的探索。如在这个模型上开始最佳能量管理 的研究，最佳系统效率的研究，物联网在生产制造智能化系统的应用，云数据应用于生产管理的方法等。图13模块化系统的设计，模块化系统的安装和系统调试4结语通过以上对德国工业4.0战略的分析，