實踐“工業(yè)4.0”的關鍵技術與思考

陸斌

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

關鍵詞：工業(yè)4.0；CPS；技術；發(fā)展

1.“工業(yè)4.O”概念

“工業(yè)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(tài)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(yè)的行業(yè)界限將消失，創(chuàng)造價值的過程發(fā)生根本性變革，產業(yè)鏈分工將被重組。德國工業(yè)界認為“工業(yè)4.0”概念即是以智能制造為主導的第四次工業(yè)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(yè)向智能化轉型。

2.建立在CPS之上

“工業(yè)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(yè)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(yè)4.0”的基礎。長期以來占據產業(yè)主導地位的制造業(yè)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(yè)中將發(fā)揮越來越重要的作用，成為“工業(yè)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(yè)用戶接口之間，發(fā)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(yè)務與市場模式帶來范式轉變。汽車工業(yè)、能源經濟，還有包括諸如工業(yè)4.0的生產技術的各個工業(yè)部門，將同步因這些新價值鏈發(fā)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(xù)發(fā)展以及能源結構變化等帶來的問題，發(fā)揮關鍵性的作用。

3.“工業(yè)4.0”項目的重點應用技術

隨著工業(yè)4.0時代的到來，許多沿用多年、占據主導地位的工業(yè)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(yè)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(yè)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(fā)展；五是儀器儀表向數字化、智能化、網絡化、微型化發(fā)展；六是數控技術向智能化、開放性、網絡化、信息化發(fā)展；七是工業(yè)控制網絡向有限和無限相結合的方向；八是工業(yè)控制軟件向標準化、網絡化、智能化和開放性方向發(fā)展。

此外，為了實現工業(yè)制造到工業(yè)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(wěn)固自身在全球市場的領導地位。同時，還應創(chuàng)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(yè)4.0的特征應該被執(zhí)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(yè)4.0之路要求德國在研發(fā)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(yè)4.0系統的要求和CPS科技持續(xù)發(fā)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(yè)的未來

CPS連接了虛擬空間與物理現實世界，技術過程與業(yè)務過程也因此得到融合，從而開創(chuàng)新工業(yè)時代，最能夠準確表達新工業(yè)時代的就是工業(yè)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(jié)約中也頗具優(yōu)勢。智能工廠按照重視可持續(xù)性的服務中心的業(yè)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(yōu)化。同時，生產優(yōu)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(yōu)化。這就意味著，創(chuàng)新技術、成本與時間的節(jié)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(yè)有如下優(yōu)勢：由CPS形成最優(yōu)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(xù)性等要素，為每個顧客進行最優(yōu)化的產品制造。

5.結論

綜上所述，不管是工業(yè)4.0還是CPS，都標志著工業(yè)制造和信息技術，以及控制技術的真正融合，工業(yè)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(yè)4.0的價值得以真正的體現。工業(yè)4.0 將會使得從原材料變?yōu)楫a品的過程更加多產和高效，對制造業(yè)而言，越來越多的微小企業(yè)通過互聯網組成可與大企業(yè)對抗的社區(qū)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(chuàng)新搶占“工業(yè)4.0”時代發(fā)展制高點.《現代商貿業(yè)》，2014（3）

[2]張曙.工業(yè)4.0和智能制造.《機械設計與制造工程》，2014（8）