引言：自德國提出工業(yè)4，0之后，就一直在不遺余力的支持本土工業(yè)4.0的發(fā)展，所以德國制造業(yè)正在將工業(yè)4.0從愿景變成現(xiàn)實。所以，我們應(yīng)該反思：我們的生產(chǎn)力是否下一步就要邁向“工業(yè)4.0”了?從生產(chǎn)關(guān)系上，我們有沒有做好迎接“工業(yè)4.0”生產(chǎn)力的準備呢?
德國政府對“工業(yè)4.0”的支持不遺余力，即使從宣傳角度也已經(jīng)做到了極致。德國教育與研究部、德國經(jīng)濟與技術(shù)部、德國國家科學(xué)與工程院、德國科學(xué)研究聯(lián)盟是核心，它們提出并支持了絕大部分的智能制造相關(guān)計劃和項目;德國人工智能研究中心和弗勞恩霍夫研究所利用其自身優(yōu)勢和設(shè)施為智能制造發(fā)展提供關(guān)鍵的知識儲備、試驗環(huán)境和合作平臺;“工業(yè)4.0”平臺、“東威斯特法倫-利普”智能技術(shù)系統(tǒng)尖端研究組等區(qū)域組織和行業(yè)協(xié)會是智能制造概念探索和技術(shù)聯(lián)合的有力推動者;以西門子為代表的企業(yè)則將“工業(yè)4.0”帶到了現(xiàn)實，推向了世界。
“工業(yè)4.0——從愿景到現(xiàn)實”項目生產(chǎn)線示意
一、工業(yè)4.0——從愿景到現(xiàn)實
工業(yè)4.0 是“智慧工廠”計劃的演示驗證項目，通過10家合作企業(yè)的共同努力，所開發(fā)的創(chuàng)新生產(chǎn)線實現(xiàn)了工業(yè)4.0關(guān)鍵方面的實際應(yīng)用。該項目所采用的架構(gòu)和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)如下：
——架構(gòu)。模塊間無直接連接(包括機械、電氣和通信);面向生產(chǎn)線柔性配置的模塊化系統(tǒng)結(jié)構(gòu);面向獨立的拓撲推導(dǎo)的鄰近區(qū)域自動探查;面向真實插入并生產(chǎn)的熱插拔能力。
——基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)?；A(chǔ)結(jié)構(gòu)主干網(wǎng)由復(fù)雜基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)開關(guān)組成;主干網(wǎng)中面向模塊防護的安全組件;完整的能耗建檔與可視化表達;物理工廠狀態(tài)發(fā)送到數(shù)字工廠。
“工業(yè)4.0——從愿景到現(xiàn)實”項目示意
思科公司利用工廠連接架構(gòu)將IT系統(tǒng)和運行技術(shù)系統(tǒng)會于一體，構(gòu)建集成的企業(yè)智能引擎。思科工廠連接解決方案是一個端到端架構(gòu)，可以實現(xiàn)增強的工廠網(wǎng)絡(luò)安全、更快的決策和性能提升、快速的網(wǎng)絡(luò)部署以及提升的系統(tǒng)正常運行時間和可視度。
思科公司“工廠連接”解決方案
FESTO公司的模塊化雕刻機用銑床給名片夾底座進行雕刻。作為賽博物理系統(tǒng)的初級階段，雕刻機的料臺模塊配備了小巧的控制器和以太網(wǎng)接口，實現(xiàn)全部功能并能自我診斷。在加工中，智能夾持模塊通過RFID將數(shù)字產(chǎn)品記憶初始化，生成生產(chǎn)通知單，之后由ERP系統(tǒng)加載。雕刻工作根據(jù)產(chǎn)品記憶進行，一個綜合服務(wù)器保證不同模塊間的無問題交互，工廠拓撲、工件特定能耗和狀態(tài)消息轉(zhuǎn)移。
哈挺公司的壓力配合模塊通過機器人將帶有RFID的外殼底座和外殼蓋組合到一起。連續(xù)的接口標準化是工業(yè)4.0環(huán)境下模塊化的基礎(chǔ)，是智慧工廠的關(guān)鍵也是挑戰(zhàn)。此外，模塊化連接器形成了機電骨干網(wǎng)，智能電力網(wǎng)絡(luò)單元接管了數(shù)據(jù)和電力管理，收集了操作狀態(tài)相關(guān)的信號，只有智能基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)才能確保所有工業(yè)生命線的管理。
哈挺公司“壓力配合”模塊
HIRSCHMANN和光爾格自動化公司的安全連接是協(xié)同的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)協(xié)同解決方案，包括安全網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、可管理的I/O模塊、連接器和導(dǎo)線，在智慧工廠中實現(xiàn)極為高效的通信。
LAPP公司的質(zhì)量控制模塊使用高分辨率攝像頭進行產(chǎn)品終檢，并且完成名片夾的試運行。質(zhì)量控制的結(jié)果存儲在產(chǎn)品RFID標簽中，雙軸的拾取單元負責分開次品。模塊通過與工業(yè)以太網(wǎng)的完全聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)了工業(yè)4.0愿景，傳感器、執(zhí)行器的連接難題得到解決。
MiniTec公司的人工工作臺高度可以電動調(diào)節(jié)，名片夾在這里使用基于增強現(xiàn)實的指導(dǎo)完成組裝。生產(chǎn)工藝更加高效的同時，人員也需要提升生產(chǎn)率，這個工作臺通過更大的柔性實現(xiàn)了這一點。
連接以太網(wǎng)的人工工作臺
鳳凰CONTACT公司的激光標記模塊利用產(chǎn)品自身的數(shù)字生產(chǎn)記憶完成雕刻，在工藝步驟前后，生產(chǎn)記憶通過RFID讀取和更新。
proALPHA公司提供了ERP系統(tǒng)，基于一個服務(wù)導(dǎo)向的集成平臺，它確保子系統(tǒng)間實現(xiàn)縱向與橫向集成。隨著工業(yè)4.0的實施，物聯(lián)網(wǎng)來到工廠，它被表征為ERP系統(tǒng)縱向集成進生產(chǎn)，以及不同系統(tǒng)的橫向、跨制造商聯(lián)網(wǎng)。未來，由于私有技術(shù)和功能的發(fā)展，“網(wǎng)絡(luò)化制造環(huán)境中的自適應(yīng)服務(wù)”將是工業(yè)4.0計劃的重要項目。
博世Rexroth公司的夾子安裝模塊通過RFID讀取產(chǎn)品記憶，然后利用分散式智能自主完成安裝。通過開放內(nèi)核工程，模塊的開放控制還能執(zhí)行高級程序語言創(chuàng)建的功能，滿足所有功能安全要求。分散式智能、開放式接口以及IT與自動化世界的連接，使得該模塊能輕易集成到每個工業(yè)4.0應(yīng)用中。
博世公司的RFID系統(tǒng)
西門子公司的產(chǎn)品壽命周期管理(PLM)解決方案，針對賽博物理生產(chǎn)系統(tǒng)的開發(fā)，以及信息和數(shù)據(jù)在開發(fā)和增值的所有階段持續(xù)使用的控制，提供了所需的方法和建模技術(shù)。在賽博物理生產(chǎn)系統(tǒng)中，單個生產(chǎn)模塊獨立地組織和優(yōu)化零件生產(chǎn)，這就需要預(yù)先仿真。完整的工廠數(shù)字數(shù)據(jù)向所有決策者提供，用于特定問題仿真的具體模型可以在任何時間得到。在未來的自主生產(chǎn)工廠中，控制這種技術(shù)復(fù)雜度需要為系統(tǒng)、工廠及其運行的設(shè)計和構(gòu)建開發(fā)相應(yīng)的軟件工具。
項目合作伙伴主要任務(wù)
二、關(guān)鍵生產(chǎn)線
關(guān)鍵生產(chǎn)線是“智慧工廠”計劃的演示驗證項目，旨在展現(xiàn)能夠描繪第四次工業(yè)革命中心特征的三個范本：智能產(chǎn)品，通信機床(即智能機床)，輔助操作員(即增強的操作員)。
——智能產(chǎn)品。智能產(chǎn)品的指導(dǎo)思想是將工件的作用擴展成制造系統(tǒng)的一個能動部分，產(chǎn)品接收記憶，任務(wù)和生產(chǎn)要求在其中儲存，產(chǎn)品自身能夠控制其生產(chǎn)。
——智能機床。智能機床的范本描述的是機床成為賽博物理系統(tǒng)的過程，即帶有本機控制智能的自動化組件，通過開放網(wǎng)絡(luò)和語義描述，與其它機床、生產(chǎn)線和產(chǎn)品進行通信。
——增強的操作員。增強的操作員的核心目標是支持人在生產(chǎn)工廠的中心作用，以處理日益增加的技術(shù)復(fù)雜度，這要通過環(huán)境敏感(上下文相關(guān))的信息供給，以及將用虛擬信息豐富現(xiàn)實世界，即增強現(xiàn)實。
2013年，德國人工智能研究中心在漢諾威演示驗證了這個試驗性工廠，依靠整條生產(chǎn)線，第四次工業(yè)革命的相關(guān)特征利用創(chuàng)新的信息和通信技術(shù)得到放大，模塊化制造生產(chǎn)線展示了卓越產(chǎn)品的柔性生產(chǎn)。關(guān)鍵生產(chǎn)線由訂單拾取站、銑削加工站、自動裝配站、人工工作臺組成，柔性地夾持、機械加工和裝配產(chǎn)品組件(外殼蓋、外殼底座和印刷電路板)。
關(guān)鍵生產(chǎn)線
(一)訂單拾取站
訂單拾取站的中央控制單元使用一個內(nèi)嵌控制器，在新生產(chǎn)指令通過運行接口發(fā)布后，生產(chǎn)數(shù)據(jù)中的特定生產(chǎn)參數(shù)傳送到內(nèi)嵌控制器。在整個壽命周期中，產(chǎn)品自身的語義記憶中攜帶著這些信息。數(shù)字產(chǎn)品記憶通過附在外殼蓋內(nèi)側(cè)的RFID芯片實現(xiàn)，數(shù)據(jù)類型使用了對象記憶模型(OMM)。在生產(chǎn)工藝執(zhí)行中，內(nèi)嵌控制器和其它自動化組件(如機器人、機床控制單元)之間發(fā)生信息交換，通過與服務(wù)器和通用互聯(lián)網(wǎng)標準的縱向與橫向集成，實現(xiàn)不同系統(tǒng)和鄰近模塊之間的直接通信。在產(chǎn)品記憶初始化后，機器人成為倉儲、銑床和自動裝配之間的連接器，在生產(chǎn)各步驟之間，生產(chǎn)的當前狀態(tài)總是通過RFID讀/寫模塊在產(chǎn)品記憶中進行注冊和更新。加工完成后，內(nèi)嵌控制器等待裝配站的批準，之后機器人把產(chǎn)品放置在智能產(chǎn)品托架上。
(二)銑削加工站
銑削加工站通過工業(yè)計算機控制，根據(jù)用戶要求對產(chǎn)品外殼蓋進行個性雕刻，機床的裝載通過機器人全自動完成。外殼蓋放置在工件卡盤上后，氣動臺式虎鉗自動閉合，然后加工開始。基于外圍工藝控制概念，銑削工藝的生產(chǎn)數(shù)據(jù)由產(chǎn)品RFID標簽攜帶。在這些數(shù)據(jù)中，銑削程序由內(nèi)嵌控制器創(chuàng)建，機床子程序動態(tài)編排為序列化程序。精加工后，機器人取走外殼蓋。
(三)自動裝配站
產(chǎn)品使用即插即用單元夾持并由不同的壓力單元組裝，特殊的工藝候選方案根據(jù)數(shù)字產(chǎn)品記憶中的存儲數(shù)據(jù)選擇。自動裝配站演示第四次工業(yè)革命的關(guān)鍵方面，基于賽博物理系統(tǒng)(CPS)表明優(yōu)化資源的、自適應(yīng)的生產(chǎn)工藝。一個智能產(chǎn)品托架作為實現(xiàn)CPS的原型進行演示，它不僅負責裝配單元的物料流，它還通過嵌入式傳感器技術(shù)、本機決策智能以及與生產(chǎn)控制的無線通信，主動影響生產(chǎn)工藝。工件托盤的傳送帶速度可根據(jù)客戶選擇調(diào)整(資源節(jié)約或臨時優(yōu)化)?；诜?wù)導(dǎo)向架構(gòu)和嵌入式系統(tǒng)，自動裝配站還展示了一些創(chuàng)新的控制概念，不同電子設(shè)備像封裝網(wǎng)絡(luò)服務(wù)一樣通過微控制器提供各種功能。模塊化工藝流利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)請求控制自適應(yīng)生產(chǎn)工藝。其中一個壓力單元可以使用即插即用原則交換，新的集成單元可以被自動識別，立即投入使用。關(guān)于生產(chǎn)工藝的資源節(jié)約配置方面，資源消耗的智能測量和可視化概念是另一個項目“由環(huán)境激活的機-機通信實現(xiàn)資源節(jié)約”(RES-COM)的成果。
(四)人工工作臺
人工工作臺完成組裝工藝，還能進行質(zhì)量控制和產(chǎn)品激活，工人由信息和通信技術(shù)支持。通過使用可視化技術(shù)的增強現(xiàn)實，單一指令變?yōu)?D動畫進入現(xiàn)實工作環(huán)境，復(fù)雜的組裝工藝可以易于理解的方式進行解釋。為了描述虛擬裝配指導(dǎo)，開發(fā)了智能文檔格式，特別適合賽博物理系統(tǒng)。通過它，工藝信息可以直接從產(chǎn)品RFID標簽檢索到，用于高效支持工人操作。
三、結(jié)束語
兩個項目從一個小名片夾和小卡片入手，演示了“工業(yè)4.0”的三個范本——“智能產(chǎn)品，智能機床，增強的操作員”。智能產(chǎn)品，利用存儲和接收的數(shù)字記憶，它自己就能控制產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，并且串起了全壽命周期的產(chǎn)品狀態(tài)信息。(當然，這是有局限的，比如會改變工件外形的冷熱加工就不一定適用)智能機床，內(nèi)置外形自適應(yīng)加工模塊、原位動態(tài)建模仿真能力，能夠自動生成數(shù)控程序(更重要的是，這些功能是即插即用的，并不一定要研制新的機床來實現(xiàn))。增強的操作員，則體現(xiàn)了其以人為本理念，充分調(diào)動其主觀能動性，實現(xiàn)個性化與高效化的結(jié)合(至少不是無人化工廠的奇葩概念)。
上機器人就是智能化，增材制造就是智能制造，這樣的錯誤觀念曾經(jīng)很有市場。我們還是要搞清楚目的目標是什么，精益、柔性、高效、節(jié)能、高質(zhì)量、低成本，這才是永恒的，而不能片面為了追求智能化而智能化。搞自動化，全都用機器代替人了值不值得?搞信息化，管理流程理不順會不會反倒出現(xiàn)了新瓶頸?搞數(shù)字化，全壽命周期所有過程都能建模仿真是不是就有用?搞網(wǎng)絡(luò)化，所有環(huán)節(jié)和要素都互聯(lián)互通了能干什么?搞智能化也是一樣的，是否理解了智能化的含義，到?jīng)]到非要搞智能化那一步?前四化都達到了一定水平了么?當前挑戰(zhàn)和未來需求是不是別無他法解決了?只是技術(shù)原因而沒有管理問題?也許這才是我們面對新工業(yè)革命更應(yīng)該關(guān)注的問題。我們的生產(chǎn)力是否下一步就要邁向“工業(yè)4.0”了?從生產(chǎn)關(guān)系上，我們有沒有做好迎接“工業(yè)4.0”生產(chǎn)力的準備呢?(作者：劉亞威)
（轉(zhuǎn)載）
