工業4.0時代自動化四大發展趨勢

中國信息界e製造2014-12-03

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繼蒸汽時代、電氣時代、信息時代三大工業革命之後，全球化分工使生產要素加速流動和配置，市場風向變化和產品個性化的需求對企業反應時間和柔性化能力提出前所未有的要求，全球進入空前的創新密集和產業變革時代。

繼蒸汽時代、電氣時代、信息時代三大工業革命之後，全球化分工使生產要素加速流動和配置，市場風向變化和產品個性化的需求對企業反應時間和柔性化能力提出前所未有的要求，全球進入空前的創新密集和產業變革時代。基於此，以物聯網和智能製造為主導的第四次工業革命悄然來襲。

早在2011年漢諾威工業博覽會上，德國率先提出「工業4.0」的概念，之後美國也推出工業物聯網、互聯企業等類似概念。無論工業4.0還是工業互聯網，其主要特徵都是智能和物聯，而主旨都在於將傳統工業生產與現代信息技術相結合，從而提高資源利用率和生產靈活性、增強客戶與商業夥伴緊密度並提升工業生產的商業價值。

「工業4.0」是一個宏大的願景，但又是一個簡單的概念：把大量的有關人、IT系統、自動化原件和機器的信息融入到虛擬網路——實體物理系統(CPS)中，並利用產生的數據為企業服務，其本質即為「融合」。在製造系統中，工廠現場設備感測和控制層的數據與企業信息系統融合，並傳到雲端進行存儲、分析，形成決策並反過來指導、協同企業的生產和運營。

通過工業4.0可以建立一種人——技術互動的嶄新模式，即機器適應人的需求。具有多通道用戶界面的智能工業輔助系統，能將數字和模擬環境直接搬到生產車間。而未來工廠也將從局部的機器智能(如機器人)發展到全廠智能。屆時，嵌入式製造系統在工廠和企業之間的業務流程上實現縱向網路連接，在分散的價值網路上實現橫向連接，並可進行實時管理——從下訂單開始，直到外運物流。這一理念將零散的信息、通訊、虛擬等技術整合，通過數據可視化和共享互聯，打通企業的產品設計、研發、生產與客戶管理、供應鏈和能耗管理等系統，實現從底層控制級、中層產線級，到上層企業級的整體優化，最終幫助製造業實現更短的上市時間、更高的生產靈活性和資產利用率、更低的擁有成本和更可控的企業風險。

工業4.0的基礎是數字化、網路化和集成化。與此相應的是，工業4.0時代的工業自動化，將在原有自動化技術和架構下，實現集中式控制向分散式增強型控制的基本模式轉變，讓設備從感測器到網際網路的通訊能夠無縫對接，從而建立一個高度靈活的、個性化和數字化、融合了產品與服務的生產模式。在這種模式下，生產自動化技術可通過自我診斷、自我修正和各種功能軟體讓設備更加智能，以更好地輔助工人完成生產。因此要求自動化設備的通訊功能和集成能力更強，而自動化軟體則需具備更強大的分析處理及與企業其他軟體系統的數據共享能力。

在自動化層面，統一的控制平台，順暢的通訊網路是基礎。而要實現工業4.0，自動化在四個層面上將進一步拓展：

·自動化系統內部的橫向連接。通過全集成自動化、集成架構等統一平台將控制、驅動、低壓配電等系統深度集成，在單一的編程環境中為可擴展運動和機器控制提供集成的平台。這種集成可減少需要儲存的備件數量，而控制平台的開放性則可確保與第三方組件輕鬆集成。此外，在每台機器上使用的可視化及信息軟體需實現標準化處理方式。

·與下層現場感測和數據採集層及上層企業管理系統的縱向連接。從機器運行和能源使用到變數處理和材料使用，在生產過程的每個環節中，控制器、感測器及其它設備均會產生大量數據。來自生產車間的數據在幾年之內就會在數量上超過公司產生的業務數據。即便是現在，也有大量的此類數據正在通過現場的PLC進行分析。當務之急乃是將所有來自各工廠運行系統不斷劇增的數據與來自業務應用的信息相結合，從而打造運營智能，尤其是遠程維護解決方案和基於雲技術的服務，以應對持續增加的圍繞數據分析的服務需求。如遠程狀態監測可以對個別部件的運動進行分析或對整個驅動鏈實施在線連續監測。

·基於開放標準和統一協議的通訊網路。若要充分利用智能化網路技術的優勢，需要藉助統一網路基礎設施，來實現工廠內所有設備(包括企業級設備)彼此之間的相互通信。未來，網路交換設備將得到更廣泛的利用。獨立IP的應用可以使產品和設備具備可識別的獨立身份、便於追蹤、定位和監測。此外，標準通訊可使更多的數字設備融入生產線網路，如攝像機、RFID讀卡器、數字平板、安全磁卡等，以提高生產管理的精細化。

·移動技術和虛擬化。目前在平板電腦或智能手機上訪問生產數據，信息和工廠員工已能夠實現「移動」並隨時隨地訪問應用程序。未來，很多情況下需要使用雲技術處理和存儲來自各地的數據，又要在各地實時地使用這些數據。移動技術讓人變得機動靈活。人們可以隨時隨地與任何相關人事聯繫，可以與全球同事交流分享經驗知識、解決業務問題。不管技術專家身在何處，呼叫中心代表都可以實時向其諮詢問題，而專家本人也可以隨地訪問世界上任意地點的設備服務歷史以及其它裝置的歷史，還能夠核對工廠更新和其它諮詢。例如，很多油井地處分散的偏遠地區，過去，技術人員需要奔波於各個油井之間將數據下載到快閃記憶體卡中，而現在則可以直接從雲端下載數據，通過遠程監視設備和過程。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伺服器和其它硬體的依賴性，同時節約工廠的能源成本。虛擬化技術還可以改善機器的可靠性，打造低成本高可用性的備份解決方案，同時允許操作系統的多個實例在單一硬體上運行。最新的DCS系統已經應用虛擬化伺服器實現更快的處理速度及降低生命周期成本。

現階段，每一項自動化技術都已投入使用，但大部分公司至今仍在單一地使用其中某一項技術。一旦公司理念趨於成熟，開始接受這些新技術，就能夠出現同時應用所有這些技術的局面。目前，控制層面，最新的PLC、變頻等產品都有標準的網路通訊介面，現場設備通過感測器數據採集和聯網傳輸即可實現診斷等智能功能;信息層面，各種資料庫軟體、製造執行系統(MES)、製造運行管理系統(MOM)、產品生命周期管理軟體(PLM)等，同企業資源規劃(ERP)解決方案連接起來，則實現數據到信息的轉換、輔助商業決策;分析運營層面：現有的雲平台也具備了遠程分析優化的基礎和經驗;安全層面：業界主流廠商都已與信息安全企業合作推出了實際方案。而未來的挑戰主要在於需要在生產工程、機械工程、工藝工程、自動化工程、IT和互聯網領域建立起一個共同認可的問題處理方式和標準。