智能工廠與德國工業(yè)40

1、北京體驗(yàn)科技有限公司編制智能工廠與德國工業(yè)4.0當(dāng)前工業(yè)領(lǐng)域中全球競爭越來越激烈，自從十多年前首次推出智能電網(wǎng)的概念以來，“智能”這兩個(gè)字已成為了創(chuàng)新的代名詞，為了適應(yīng)新技術(shù)高速發(fā)展及新產(chǎn)品生命周期的不斷縮短，人們越來越需要具有沖擊力的市場行為進(jìn)行營銷，于是以智能為形容字的概念和產(chǎn)物越來越多，如智能工廠、智能儀表、智能手機(jī)、智能樓宇、智能玩具、智能家居、智能城市乃至智能社會(huì)，使得我們當(dāng)代人非?？只藕推v，是否會(huì)有一個(gè)智能人類將會(huì)代替我們的現(xiàn)代人類？然而，社會(huì)還是按照它本有的發(fā)展規(guī)律前進(jìn)著，當(dāng)我們還在繼續(xù)尋找“智能”的奧秘時(shí)候，科技革命、產(chǎn)業(yè)革命、工業(yè)革命的呼聲越來越高漲，杰里米里夫金預(yù)言“第三

2、次工業(yè)革命”，德國推出“工業(yè)4.0”現(xiàn)在被許多同行稱為“第四次工業(yè)革命”，歐盟提出“新工業(yè)革命”。一時(shí)此類研討會(huì)，高峰會(huì)風(fēng)起云涌，工業(yè)革命又成了最大熱詞，這些革命對(duì)中國是機(jī)遇還是挑戰(zhàn)？中國準(zhǔn)備好了嗎？每次變革都會(huì)給大到社會(huì)，小到企業(yè)及個(gè)人帶來變化，是向正面的方向變化還是向負(fù)面的方向發(fā)展這完全取決于人們是否真正認(rèn)識(shí)了這些所謂“革命”的推動(dòng)力是什么，其產(chǎn)生的根源是什么。如果人們真正的能夠挖掘這些深度和內(nèi)涵，抓住引起所謂“革命”的本質(zhì)，那么，我們不僅會(huì)知其然，而且知其所以然。在本文中，通過分析工業(yè)4.0的起因及基礎(chǔ)，確定德國推動(dòng)工業(yè)4.0的目的。從而了解其戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)。試圖得出一些對(duì)于中國生產(chǎn)制造行業(yè)的

3、啟示。1 工業(yè)4.0是一個(gè)以現(xiàn)代制造業(yè)為引導(dǎo)的產(chǎn)業(yè)革命目前同行都在談?wù)撝萍几锩a(chǎn)業(yè)革命、工業(yè)革命，但是這些革命的區(qū)別是什么？各種革命其主要的特征和標(biāo)志是什么？這里需要做一個(gè)簡單的解釋。人們常常講科技是第一生產(chǎn)力。確實(shí)如此，每次工業(yè)革命產(chǎn)生于技術(shù)的革命，一般來講，人類社會(huì)上首先產(chǎn)生科技革命，然后這些科技成果成功地應(yīng)用于某個(gè)領(lǐng)域上，從而產(chǎn)生了產(chǎn)業(yè)革命。多種產(chǎn)業(yè)革命的崛起，形成了工業(yè)革命。從這個(gè)觀點(diǎn)來理解，我們就能比較理智地來認(rèn)識(shí)目前所提出的各種革命，同時(shí)能遵循其革命的要求，制定行之有效、可控可行的戰(zhàn)略和對(duì)策。那么目前我們社會(huì)面臨的各種革命的最大的源泉是什么呢？實(shí)際上就是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)影

4、響了我們?nèi)祟惿鐣?huì)，對(duì)于社會(huì)的發(fā)展起了很大的推動(dòng)作用，這種新技術(shù)正日以繼夜的滲透到各行各業(yè)而推動(dòng)各行各業(yè)相應(yīng)的技術(shù)革命。如美國里夫金提出的第三次工業(yè)革命實(shí)際上是將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到新能源領(lǐng)域，產(chǎn)生了新能源的革命，新能源資源的分散分布化、就地取用化與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合產(chǎn)生了智能電網(wǎng)，產(chǎn)生了第三次工業(yè)革命。由于這些新領(lǐng)域的開拓，需要大量的新技術(shù)、新產(chǎn)品、新的工程解決方法，又引進(jìn)儲(chǔ)能控制技術(shù)、微網(wǎng)技術(shù)、云技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、電源管理技術(shù)等新的創(chuàng)新理念和方法，形成了能源領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)革命。所以本質(zhì)上它是新能源與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合的新的一次產(chǎn)業(yè)革命。它的推動(dòng)力就是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用。又如與文中有關(guān)的工業(yè)4.0，所謂的第

5、四次工業(yè)革命，它的起源是什么？它要解決的問題是什么？為什么德國會(huì)將工業(yè)4.0作為其科技發(fā)展綱要的一個(gè)核心組成部分。據(jù)報(bào)道德國西門子工業(yè)集團(tuán)總裁魯斯沃博士曾在中國工程院與國務(wù)院國資委舉辦的學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)上介紹，“工業(yè)4.0”概念即是以智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命，或革命性的生產(chǎn)方法。而智能工廠將是構(gòu)成未來工業(yè)體系的一個(gè)關(guān)鍵特征。在智能工廠里，人、機(jī)器和資源如同在一個(gè)社交網(wǎng)絡(luò)里自然地相互溝通協(xié)作；生產(chǎn)出來的智能產(chǎn)品能夠理解自己被制造的細(xì)節(jié)以及將如何使用，能夠回答“哪組參數(shù)被用來處理我”、“我應(yīng)該被傳送到哪里”等問題。在智能工廠里，智能輔助系統(tǒng)將從執(zhí)行例行任務(wù)中解放出來，使他們能夠?qū)Ｗ⒂趧?chuàng)新、增值的活

6、動(dòng)；靈活的工作組織能夠幫助工人把生活和工作實(shí)現(xiàn)更好地結(jié)合，個(gè)體顧客的需求將得到滿足。如果通俗地理解，就是生產(chǎn)制造人機(jī)一體化。今后的制造系統(tǒng)將不再是單單由人主宰設(shè)備，而是機(jī)器具有自適應(yīng)能力，滿足甚至超出人們的愿望。專家的描述確實(shí)給我們搞自動(dòng)化領(lǐng)域的同行們描繪了一個(gè)美好的前景，似乎一個(gè)具有顛覆性的工業(yè)革命真的來到了。人們又開始做了“創(chuàng)新式”的探索，開始學(xué)習(xí)、調(diào)研、總結(jié)、提高的認(rèn)識(shí)過程，發(fā)表了許多前瞻性的文章給了同行極好的借鑒和提示。一時(shí)又產(chǎn)生不少的新概念，如智能工廠、智能生產(chǎn)、數(shù)字工廠、智慧工廠、信息物理系統(tǒng)（Cyber-PhysicalSystem)等等。對(duì)于將“Cyber-PhysicalSy

7、stem”翻譯成信息物理系統(tǒng)是否理解了“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略的真正含義縱說紛紜。筆者也卷入了這股浪潮中，與德國主要制定工業(yè)4.0的企業(yè)、行業(yè)協(xié)會(huì)，正在參與工業(yè)4.0項(xiàng)目的大學(xué)、研究所進(jìn)行了交流，同時(shí)也參觀了一些正在開發(fā)的工業(yè)4.0的研究項(xiàng)目。漸漸地理解了德國為什么會(huì)推動(dòng)工業(yè)4.0，德國推動(dòng)工業(yè)4.0的基礎(chǔ)是什么，德國的工業(yè)4.0是一個(gè)戰(zhàn)略還是一場革命。得出以下幾點(diǎn)體會(huì):1.1德國工業(yè)4.0是科技快速發(fā)展推動(dòng)生產(chǎn)制造方式變革的產(chǎn)物德國是世界上共識(shí)的專注于創(chuàng)新工業(yè)科技產(chǎn)品的科研和開發(fā)的國家，特別在復(fù)雜制造工業(yè)過程的管理上，在信息技術(shù)領(lǐng)域擁有很高的能力水平，在嵌入式系統(tǒng)和工廠自動(dòng)化方面也有很專業(yè)的技術(shù)，

8、這些因素共同奠定了德國在制造工程工業(yè)上的領(lǐng)軍地位。但是當(dāng)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入人類歷史中，如何使德國成為新一代工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的供應(yīng)國和主導(dǎo)市場，使德國在新的制造業(yè)發(fā)展的前提下再次提升它的全球競爭力。對(duì)此德國對(duì)生產(chǎn)制造業(yè)的發(fā)展做了回顧，做了非常精辟的闡述。見下圖：按照工業(yè)4.0的定義，工業(yè)發(fā)展顯然是在科學(xué)和技術(shù)革新的推動(dòng)下實(shí)現(xiàn)的，所以它認(rèn)為第一次工業(yè)革命是蒸汽動(dòng)力的發(fā)明而產(chǎn)生了生產(chǎn)制造的機(jī)械化。我們稱為生產(chǎn)的機(jī)械化，而第二次工業(yè)革命是由于電的發(fā)明而產(chǎn)生批量生產(chǎn)，稱為生產(chǎn)流水線。第三次工業(yè)革命是由于電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)的發(fā)展而產(chǎn)生自動(dòng)化生產(chǎn)制造方式，使得產(chǎn)品更為豐富，功能性更強(qiáng)。從工業(yè)4.0戰(zhàn)略的分析可見，科技的發(fā)

9、展必然會(huì)進(jìn)入工業(yè)界，而會(huì)對(duì)工業(yè)產(chǎn)生最大的影響就是生產(chǎn)方法的變化，這些生產(chǎn)方法的變革又推動(dòng)了產(chǎn)業(yè)的變化，如果我們稍微回顧一下工業(yè)的發(fā)展史，從紡織工業(yè)、鋼鐵行業(yè)、汽車行業(yè)、化工行業(yè)、電子行業(yè)興起和發(fā)展可以證明這一點(diǎn)，因此我們可以毫不夸張地說生產(chǎn)制造方式的改變和創(chuàng)新將是產(chǎn)業(yè)乃至工業(yè)革命的前兆。如今科技發(fā)展如此的快速飛躍，尤其IT和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已深入到人類生活的方方面面，是否能將這些技術(shù)成功應(yīng)用于生產(chǎn)制造行業(yè)呢？這可能是工業(yè)4.0設(shè)計(jì)者所考慮的第一個(gè)問題。如何解決這個(gè)問題，也必須遵循兩大原則：（1）生產(chǎn)制造方式的改變必須與目前制造行業(yè)的發(fā)展和未來相適應(yīng)。（2）任何一次新技術(shù)的應(yīng)用必須與原來的生產(chǎn)制造模式

10、有機(jī)結(jié)合，是原來制造模式的繼承和發(fā)揚(yáng)，是對(duì)原來模式的技術(shù)沉積和積累的再利用和突破。從這個(gè)原則出發(fā)，工業(yè)4.0制定了正確定位的戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)。1.2工業(yè)4.0是一個(gè)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)轉(zhuǎn)型，是產(chǎn)業(yè)的變革從上文所述三次工業(yè)發(fā)展中可以看到，由于新的科學(xué)技術(shù)成功地運(yùn)用于工業(yè)上，使得生產(chǎn)制造模式變革性的進(jìn)步，即從單一手工業(yè)，小作坊生產(chǎn)成為批量簡易流水線生產(chǎn)到大批量的全自動(dòng)化生產(chǎn)流水線，這種生產(chǎn)方式的改變也推動(dòng)了產(chǎn)業(yè)的革命，他不但使生產(chǎn)的效率、生產(chǎn)的質(zhì)量起了天翻地覆的變化，也不斷地改變了生產(chǎn)乃至企業(yè)的管理模式，從而引起了工業(yè)革命。實(shí)際上從20世紀(jì)70年代后期自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展以后，生產(chǎn)的規(guī)模越來越大，工藝越來越復(fù)雜，技術(shù)要

11、求越來越高，在生產(chǎn)的效率、生產(chǎn)的質(zhì)量上人們做了不斷地改進(jìn)和提高。一個(gè)大規(guī)模、大批量生產(chǎn)制造的模式已基本定型。但是當(dāng)今社會(huì)正處于一個(gè)大發(fā)展、大調(diào)整的變動(dòng)時(shí)期，社會(huì)發(fā)展的不確定性引來了經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不確定性，為了在這不確定性的社會(huì)中始終保持企業(yè)、產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展，人們充分運(yùn)用了創(chuàng)新創(chuàng)造這個(gè)武器，用技術(shù)發(fā)展的確定性來減少經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不確定性。如計(jì)算機(jī)奇人喬布斯，當(dāng)人們都陶醉于IBM大型計(jì)算機(jī)時(shí)，他將大型機(jī)變成了臺(tái)式機(jī)，而當(dāng)臺(tái)式機(jī)普及后，他又將臺(tái)式機(jī)變成了掌上機(jī)。當(dāng)大家都在敲鍵盤時(shí)，他又采用了觸摸屏，使得一兩歲的幼兒也能操作。正由于這些創(chuàng)新的精神使得蘋果公司在不確定的經(jīng)濟(jì)壞境中找到了一條公司持續(xù)發(fā)展的道路。同

12、樣如果德國要始終保持其在生產(chǎn)制造領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊的地位，德國也必須不斷地要發(fā)揚(yáng)創(chuàng)新創(chuàng)造的精神來推動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械制造業(yè)的不斷發(fā)展，自20世紀(jì)70年代后期自動(dòng)控制系統(tǒng)用于生產(chǎn)制造系統(tǒng)，人們也不斷地探索如何提高生產(chǎn)效率，如何提高生產(chǎn)產(chǎn)品，如何提高生產(chǎn)的質(zhì)量以及生產(chǎn)的靈活性，所以從機(jī)械制造的角度提出了機(jī)電控制一體化、管理控制一體化。從企業(yè)及生產(chǎn)管理上又提出了MES管理和ERP企業(yè)管理，從生產(chǎn)機(jī)械設(shè)計(jì)上提出了數(shù)字工廠、虛擬工廠。同時(shí)為了提高生產(chǎn)的靈活性提出了CIMS的概念，進(jìn)行了大量的試驗(yàn)和實(shí)踐。但是所有的一切都沒有解決目前我們生產(chǎn)制造行業(yè)面臨的四大挑戰(zhàn)，即隨著IT技術(shù)、PC技術(shù)和通訊技術(shù)的飛躍發(fā)展人們對(duì)生產(chǎn)制

13、造行業(yè)提出新的要求。其主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：（1）生產(chǎn)制造產(chǎn)業(yè)鏈的全球性；（2）生產(chǎn)制造形式的靈活性；（3）企業(yè)發(fā)展的持續(xù)發(fā)展性；（4）經(jīng)濟(jì)發(fā)展周期的縮短性。具體的講，由于科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，產(chǎn)品的生命周期越來越短，對(duì)于產(chǎn)品更新?lián)Q代的快速響應(yīng)的要求越來越高，由于生命周期的縮短使得產(chǎn)品批量也越來越減少。產(chǎn)品數(shù)量的減少又提高成本和價(jià)格的壓力。更主要的是由于經(jīng)濟(jì)周期變化的快速性要求投資回報(bào)率時(shí)間也在縮短，同時(shí)能源使用效率，節(jié)能減排等都是我們面臨的新挑戰(zhàn)。如何讓這些挑戰(zhàn)成為新的機(jī)遇這就是德國制定工業(yè)4.0戰(zhàn)略的真正的動(dòng)機(jī)。而工業(yè)4.0戰(zhàn)略的基本思路又恰恰是如何將現(xiàn)有的發(fā)展技術(shù)通過與迅速發(fā)展的IT互聯(lián)網(wǎng)技

14、術(shù)相結(jié)合來解決以上問題，所以工業(yè)4.0是產(chǎn)業(yè)的技術(shù)轉(zhuǎn)型，是一個(gè)產(chǎn)業(yè)變革。1.3 工業(yè)4.0的戰(zhàn)略從制造業(yè)的轉(zhuǎn)型到推動(dòng)德國整個(gè)工業(yè)的持續(xù)發(fā)展德國工業(yè)4.0戰(zhàn)略是為了保持它在全球制造裝備領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位的工業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略。它希望從生產(chǎn)機(jī)械制造模式的改革轉(zhuǎn)型開始，通過將IT技術(shù)，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有機(jī)地應(yīng)用于生產(chǎn)機(jī)械制造這個(gè)領(lǐng)域中去，改變生產(chǎn)機(jī)械制造的基本模式，按照靈活性、快速應(yīng)變性、成本效率性及回報(bào)短期性建立一個(gè)高度靈活的個(gè)性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務(wù)的生產(chǎn)模式。在這種模式中，傳統(tǒng)的行業(yè)界限將消失，并會(huì)產(chǎn)生各種新的活動(dòng)領(lǐng)域和合作形式。創(chuàng)造新價(jià)值的過程正在發(fā)生改變，產(chǎn)業(yè)鏈分工將被重組，充分利用物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)和設(shè)備監(jiān)控

15、技術(shù)加強(qiáng)信息管理和服務(wù)；清楚掌握產(chǎn)銷流程、提高生產(chǎn)過程的可控性、減少生產(chǎn)線上人工的干預(yù)、即時(shí)正確地采集生產(chǎn)線數(shù)據(jù)，以及合理的生產(chǎn)計(jì)劃編排與生產(chǎn)進(jìn)度。集綠色、智能等新興技術(shù)于一體，構(gòu)建一個(gè)高效節(jié)能、綠色環(huán)保、環(huán)境舒適的生產(chǎn)制造管理控制系統(tǒng)，其核心是將生產(chǎn)系統(tǒng)及過程用網(wǎng)絡(luò)化分布式生產(chǎn)設(shè)施來實(shí)現(xiàn)；同時(shí)企業(yè)管理，包括生產(chǎn)物流管理、人機(jī)互動(dòng)管理以及3D技術(shù)在產(chǎn)品開發(fā)過程中的應(yīng)用，形成新產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)制造管理一體化，即所謂的企業(yè)生命周期管理。產(chǎn)生了一個(gè)新型企業(yè)管理生產(chǎn)制造控制服務(wù)全周期管理的產(chǎn)業(yè)鏈，這個(gè)新型的產(chǎn)業(yè)鏈將信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、現(xiàn)代管理技術(shù)，制造技術(shù)與新的服務(wù)模式相結(jié)合，企業(yè)之間的合作，技術(shù)領(lǐng)域之

16、間的交流，新領(lǐng)域，新技術(shù)，新理念，新管理模式必將吸引大量大中小企業(yè)參與工業(yè)4.0的戰(zhàn)略之中去，德國各個(gè)企業(yè)積極參與新一代產(chǎn)業(yè)鏈形成、發(fā)展的工作，同時(shí)也企圖成為其成果的使用者和受益者。實(shí)際上在2009年德國就制定了高新技術(shù)2020，其目的旨在奠定德國在重要關(guān)鍵技術(shù)上的國際頂尖地位，繼續(xù)加強(qiáng)德國作為技術(shù)經(jīng)濟(jì)強(qiáng)國的核心競爭力。其中它提出了以下重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域，即： 交通運(yùn)輸和物流 汽車電子 新能源技術(shù) 能源效率 數(shù)字媒體 智能化樓宅 醫(yī)療技術(shù) 公共安全為了實(shí)現(xiàn)在這些領(lǐng)域的突破，德國高新技術(shù)2020特別強(qiáng)調(diào)了推動(dòng)跨學(xué)科技術(shù)：工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)和微電子、微處理機(jī)的重要性，明確定義了工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)德國高新技

17、術(shù)2020的關(guān)鍵，與此同時(shí)，在“自動(dòng)化2020白皮書”中又將自動(dòng)化定義為下列技術(shù)的綜合： 電子電氣技術(shù) 機(jī)電一體化技術(shù) 生產(chǎn)工藝流程 計(jì)算機(jī)和IT技術(shù) 傳感器和變送器 驅(qū)動(dòng)和執(zhí)行系統(tǒng) 通信技術(shù)高新技術(shù)2020提出了自動(dòng)化控制系統(tǒng)是運(yùn)用和應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)、產(chǎn)品和工具構(gòu)成一個(gè)完整的針對(duì)流程和生產(chǎn)過程的解決方案。對(duì)新型的生產(chǎn)制造體系的改革其核心就是對(duì)于自動(dòng)化技術(shù)在生產(chǎn)制造中作用做了新的闡釋。傳統(tǒng)的工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要是對(duì)于生產(chǎn)制造必須的信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸（現(xiàn)場總線層），對(duì)于所有得到的數(shù)據(jù)和信息按照人們所制定的設(shè)想、規(guī)律進(jìn)行處理，并將處理好的數(shù)據(jù)和信息反饋到生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)或送入上位進(jìn)行分析和決策（控制層

18、）。對(duì)于處理好的信息和數(shù)據(jù)或現(xiàn)場直接采集到的信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行（離線或在線）分析、顯示和必要的干預(yù)。而這次德國“自動(dòng)化2020”將生產(chǎn)工藝流程納入為工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的范疇，此時(shí)德國還沒有明確地將工業(yè)4.0戰(zhàn)略放在2020高新技術(shù)戰(zhàn)略之中，但是在高新技術(shù)2020戰(zhàn)略中非常清楚指出自動(dòng)化技術(shù)和日益快速的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將會(huì)對(duì)工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展起關(guān)鍵的作用。因此德國要保持工業(yè)強(qiáng)國，必須抓住這個(gè)機(jī)遇，成功地將自動(dòng)化技術(shù)和快速發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用于工業(yè)領(lǐng)域，從而推動(dòng)德國整個(gè)工業(yè)的持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略。實(shí)際上早在2000年，針對(duì)生產(chǎn)制造模式新的發(fā)展，國際著名的咨詢機(jī)構(gòu)ARC詳細(xì)地分析了自動(dòng)化、制造業(yè)以及信息化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，

19、對(duì)于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展趨勢對(duì)生產(chǎn)制造可能產(chǎn)生的影響作出了全面的調(diào)查，提出了多個(gè)導(dǎo)向性的生產(chǎn)自動(dòng)化管理模式，指導(dǎo)企業(yè)制定相應(yīng)的解決方案，為用戶創(chuàng)造更高價(jià)值。其中從生產(chǎn)流程管理、企業(yè)業(yè)務(wù)管理一直到研究開發(fā)產(chǎn)品生命周期的管理而形成的“協(xié)同制造模式”（CollaborativeManufacturingModel CMM）。它將IT技術(shù)、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及生產(chǎn)管理技術(shù)，及現(xiàn)代自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)控制管理模式CDAS和CPAS模式上，解決產(chǎn)品生命周期的不斷縮短、物流交貨周期的不斷加快以及客戶定制要求的多樣化的問題。這種CMM協(xié)同制造模式為制造行業(yè)的變革提出了一個(gè)行之有效的方法。通過將研發(fā)流程，企業(yè)管理

20、流程與生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)鏈流程有機(jī)地結(jié)合起來，形成一個(gè)協(xié)同制造流程，同時(shí)將IT技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)作為協(xié)同制造系統(tǒng)的信息流控制管理結(jié)構(gòu)，從而使得MRP、ERP、MES的制造管理，PLMD/PLMS產(chǎn)品研發(fā)和產(chǎn)品服務(wù)生命周期和CRM客戶/市場關(guān)系管理有機(jī)地融合在一個(gè)完整的企業(yè)與市場信息閉環(huán)系統(tǒng)，使得企業(yè)的價(jià)值鏈從單一的制造環(huán)節(jié)往上游的設(shè)計(jì)研發(fā)環(huán)節(jié)發(fā)展，生產(chǎn)與研發(fā)在同一個(gè)協(xié)同平臺(tái)上，企業(yè)的管理鏈也從上游向下游生產(chǎn)制造控制產(chǎn)業(yè)鏈延伸，一個(gè)集CRM、PLM、生產(chǎn)、研發(fā)、控制和企業(yè)管理大成的協(xié)同制造管理系統(tǒng)正在形成。其基本的核心就是所謂企業(yè)管理、生產(chǎn)工藝價(jià)值鏈和產(chǎn)品生命周期的三軸空間的鼎立模式，它定義了制造商

21、、供應(yīng)商乃至開發(fā)商之間的協(xié)同的產(chǎn)業(yè)鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其關(guān)鍵的點(diǎn)在于協(xié)同市場和研發(fā)、協(xié)同研發(fā)和生產(chǎn)、協(xié)同管理和通信。一個(gè)完整的制造網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)制造企業(yè)或參與者組成，它們相互交換商品和信息，共同執(zhí)行業(yè)務(wù)流程。企業(yè)、價(jià)值鏈和產(chǎn)品生命周期這三軸貫穿于各個(gè)制造參與者之間。居于水平面上方的是管理職能，下方是制造職能。CMM模式不僅要為各個(gè)獨(dú)立的部門，也要為擴(kuò)大化的整個(gè)企業(yè)和擴(kuò)張后的整個(gè)供應(yīng)鏈制定解決方案。工業(yè)4.0成功地運(yùn)用了CMM的思想，同時(shí)按照德國目前發(fā)展生產(chǎn)制造模式的特點(diǎn)，將該未來項(xiàng)目主要分為兩大主題，一是“智能工廠”，重點(diǎn)研究智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及過程，以及網(wǎng)絡(luò)化分布式生產(chǎn)設(shè)施的實(shí)現(xiàn)；二是“智能生產(chǎn)”，主要涉及

22、整個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)物流管理、人機(jī)互動(dòng)以及3D技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)過程中的應(yīng)用等，利用物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)和設(shè)備監(jiān)控技術(shù)加強(qiáng)信息管理和服務(wù)；清楚掌握產(chǎn)銷流程、提高生產(chǎn)過程的可控性，其核心就是通過利用互聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)（Cyber-PhysicalSystem)相結(jié)合的手段，將制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型。從而實(shí)現(xiàn)研發(fā)生產(chǎn)制造工藝及控制全方位的信息覆蓋，全面控制各種信息，確保各個(gè)環(huán)節(jié)都能處于最優(yōu)狀態(tài)。這種改革將指引各行各業(yè)都朝著生產(chǎn)制造業(yè)智能發(fā)展的方向發(fā)展。推動(dòng)了整個(gè)德國工業(yè)的持續(xù)發(fā)展，機(jī)器人、制造成套裝備、IT技術(shù)、控制技術(shù)、信息技術(shù)等等都會(huì)加入到這一變革之中去。所以工業(yè)4.0的戰(zhàn)略的目標(biāo)是從制造業(yè)的轉(zhuǎn)型到推動(dòng)德

23、國整個(gè)工業(yè)的持續(xù)發(fā)展。2智能工廠是實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0戰(zhàn)略的關(guān)鍵，互聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)智能工廠的基礎(chǔ)2.1智能工廠作為實(shí)施工業(yè)4.0戰(zhàn)略關(guān)鍵德國在推動(dòng)工業(yè)4.0這一國策時(shí)將重點(diǎn)放在智能工廠上，這與德國制造業(yè)在德國經(jīng)濟(jì)中有著舉足輕重的地位分不開。德國擁有強(qiáng)大的設(shè)備和機(jī)床制造能力，是最具競爭力的國家之一，推動(dòng)智能工廠這個(gè)項(xiàng)目，可以全方位地提升德國工業(yè)界的整體實(shí)力，對(duì)于整個(gè)制造產(chǎn)業(yè)鏈（信息技術(shù)、生產(chǎn)物流管理技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)、工業(yè)科技產(chǎn)品的科研和開發(fā)、3D技術(shù)、復(fù)雜工業(yè)過程的管理技術(shù)和電子嵌入式系統(tǒng)技術(shù)等）產(chǎn)生顛覆性的變化。同樣這個(gè)項(xiàng)目也可以動(dòng)員和吸引大量工業(yè)制造產(chǎn)業(yè)鏈上中的小企

24、業(yè)參與，舉一綱而萬目張，解一卷而眾篇明，成為“全民項(xiàng)目”，使得中小企業(yè)都成為智能工廠生產(chǎn)技術(shù)的參與者、開發(fā)者、使用者和受益者，繼續(xù)保持德國在整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的領(lǐng)先地位。更主要是最近十多年來技術(shù)的發(fā)展，市場的變化改變了市場及客戶的各種消費(fèi)及應(yīng)用理念，如目前為了迎合大眾客戶的需求，一切的營銷都圍繞在兩個(gè)方面進(jìn)行。一個(gè)是移動(dòng)，從固定電話到移動(dòng)電話，臺(tái)式PC到移動(dòng)平板，人機(jī)操作平臺(tái)到移動(dòng)操作，有線控制到遠(yuǎn)程遙控等；另一個(gè)是所謂的“免費(fèi)”，所有的網(wǎng)站為了吸引更多的客戶，建立龐大的客戶群，初期大多采用免費(fèi)的服務(wù)方法，通過掌握大量的客戶資源來達(dá)到長期贏利的目的。這些新型的營銷手段給傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域的行業(yè)營銷模式帶來

25、了極大的沖擊。尤為迫切的是IT信息通信技術(shù)的迅速發(fā)展，已成為所有行業(yè)和應(yīng)用領(lǐng)域的重要?jiǎng)?chuàng)新驅(qū)動(dòng)器。互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用影響了人類生活的各個(gè)方面。制造工業(yè)發(fā)展按照原來的設(shè)計(jì)制造生產(chǎn)和規(guī)劃方法已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)市場、客戶以及技術(shù)發(fā)展的需要。如何將互聯(lián)網(wǎng)及IT技術(shù)用于傳統(tǒng)工業(yè)和制造工業(yè)已成為當(dāng)務(wù)之急。傳統(tǒng)行業(yè)的改革必須符合新的營銷理念新的市場需求和新的技術(shù)發(fā)展。因此，如果德國想在全球制造裝備領(lǐng)域繼續(xù)保持著領(lǐng)頭羊的地位，必須繼續(xù)發(fā)揚(yáng)一貫專注于創(chuàng)新和創(chuàng)造的精神，通過工業(yè)4.0戰(zhàn)略的實(shí)施，通過傳統(tǒng)行業(yè)的變革，以符合新的營銷理念、新的市場需求和新的技術(shù)發(fā)展，從而快速推動(dòng)德國國內(nèi)制造業(yè)的發(fā)展，再次提升它的全球競爭力

26、，成為新一代工業(yè)制造技術(shù)的供應(yīng)者和領(lǐng)先者。并將這種系統(tǒng)工程推向全世界。成為全球生產(chǎn)制造行業(yè)的掌門領(lǐng)袖。這也就是為什么當(dāng)美國的格里夫高唱第三次工業(yè)革命時(shí)，德國沒有人云亦云，而是針對(duì)自己的國情、自己的戰(zhàn)略、自己技術(shù)的特點(diǎn)制定了符合自己國家科技發(fā)展方向的工業(yè)4.0戰(zhàn)略。2.2現(xiàn)代制造業(yè)面臨的技術(shù)瓶頸及解決方法那么當(dāng)今工業(yè)制造業(yè)到底面臨著怎樣的挑戰(zhàn)？這與世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的特點(diǎn)有關(guān)，世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展給工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展帶來了根本性的變化，產(chǎn)生了對(duì)生產(chǎn)制造布局的全球性，制造方式的靈活性，產(chǎn)品生命周期的縮短和企業(yè)發(fā)展持續(xù)性的需求。這些需求是工業(yè)4.0戰(zhàn)略在所有工業(yè)領(lǐng)域要解決的問題。而在智能工廠，特別是生產(chǎn)制造領(lǐng)域就是

27、要產(chǎn)生一種新型的生產(chǎn)制造模式，從單純的生產(chǎn)產(chǎn)品的技術(shù)角度來講，這種新型的生產(chǎn)制造模式要能適應(yīng)產(chǎn)品生命周期的新變化，能夠應(yīng)付產(chǎn)品快速更新?lián)Q代；產(chǎn)品種類多而批量少；能夠面對(duì)價(jià)格的競爭和成本的壓力；能夠面對(duì)投資回報(bào)時(shí)間；實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化和提升能源效率。在過去的十多年，機(jī)械制造行業(yè)的專家們做了不少努力來提高生產(chǎn)效率，加大生產(chǎn)的靈活性，如機(jī)電一體化、管控一體化、CIMS、數(shù)字工廠和虛擬工廠等都沒有很好地解決以上問題。在實(shí)踐和發(fā)展中，人們慢慢認(rèn)識(shí)到這些問題的解決并不能單單通過改造生產(chǎn)制造方式就可以實(shí)現(xiàn)。這種變革需要融合產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)、市場、服務(wù)、運(yùn)行及回收各階段的動(dòng)態(tài)管理，這恰恰是建設(shè)智能工廠的首要任務(wù)。現(xiàn)

28、代生產(chǎn)制造工廠如圖1所示。圖1 現(xiàn)代生產(chǎn)制造工廠2.2.1掌握產(chǎn)品生命周期而制訂的靈活多樣的生產(chǎn)制造周期根據(jù)以上的分析，實(shí)現(xiàn)智能工廠要分多步進(jìn)行，其第一步就是要掌握產(chǎn)品生命周期而制訂靈活多樣的生產(chǎn)制造發(fā)展周期。實(shí)際上，產(chǎn)品從誕生到消失的生命周期在市場上的銷售量需求有一定規(guī)律。它經(jīng)歷了研發(fā)期、試用期、發(fā)展期、成熟期、飽和期和退出期。在不同時(shí)期，市場對(duì)于產(chǎn)品的數(shù)量需求也是不同的。如在研發(fā)期和試用期所需要的產(chǎn)品數(shù)量是有限的，而發(fā)展期、成熟期和飽和期所需要的產(chǎn)品數(shù)量是由市場推廣的力度及市場合理的定位來確定，在退出期則需要按回報(bào)率、更新?lián)Q代的速度和開發(fā)新產(chǎn)品的投入力度來規(guī)劃產(chǎn)品不同的生產(chǎn)數(shù)量和功能。見圖

29、2的描述；圖2 產(chǎn)品生產(chǎn)周期對(duì)于產(chǎn)品需求數(shù)量的影響圖2所示的是產(chǎn)品管理的基本原則，所不同的是在過去的年代里，整個(gè)產(chǎn)品生命周期比較長，一般可以按8年10年計(jì)算，所以一般研發(fā)期與試用期的資本投入可以忽略不計(jì)。以開發(fā)機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)品為例，初期的研發(fā)費(fèi)用、模具費(fèi)用甚至加工機(jī)械設(shè)備的費(fèi)用可以分?jǐn)傇诋a(chǎn)品的數(shù)量上。比較長的產(chǎn)品生命周期產(chǎn)生巨大的銷售量，保證了初期投入及時(shí)地回報(bào)。而如今隨著技術(shù)的快速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)更新?lián)Q代的加速，使得產(chǎn)品生命周期大大縮短，這種現(xiàn)象首先出現(xiàn)在民用產(chǎn)品上，所有的民用產(chǎn)品，無論是家用電器、電子產(chǎn)品、IT產(chǎn)品、PC產(chǎn)品的使用周期也從過去的三四年縮短到一兩年，甚至更短。這種趨勢也影響了工業(yè)產(chǎn)品生

30、命周期的長短。產(chǎn)品生命周期短，產(chǎn)品數(shù)量少，同時(shí)數(shù)量要求的突變性需要一種靈活多樣的生產(chǎn)制造模式來快速響應(yīng)生產(chǎn)產(chǎn)品數(shù)量的變化。作為實(shí)現(xiàn)智能工廠的第一步就是要建立這樣的具有自適應(yīng)功能的生產(chǎn)制造模式，如圖3所示。所以目前德國在推動(dòng)智能工廠，其中一個(gè)重要任務(wù)是設(shè)計(jì)和規(guī)范按照市場對(duì)產(chǎn)品需求的不同而實(shí)現(xiàn)不同的生產(chǎn)方式，從而形成靈活多樣的生產(chǎn)制造發(fā)展周期。圖3 針對(duì)不同產(chǎn)品市場需求的適應(yīng)性生產(chǎn)制造模式2.2.2人工、半自動(dòng)和全自動(dòng)三位一體的適應(yīng)性生產(chǎn)制造模式多工作方法的生產(chǎn)制造模式是智能工廠滿足客戶和產(chǎn)品特殊需求的基礎(chǔ)，將客戶和市場的需求及時(shí)地與生產(chǎn)制造模式有機(jī)地整合在一起，及時(shí)地調(diào)整生產(chǎn)方法來平衡成本與投資

31、，降低成本，提高響應(yīng)速度。提高產(chǎn)品的競爭能力是智能工廠的基本設(shè)計(jì)思想，要實(shí)現(xiàn)人工、半自動(dòng)和全自動(dòng)三位一體的生產(chǎn)制造模式，首先要考慮這種混合生產(chǎn)制造模式的實(shí)施成本問題，生產(chǎn)方式切換時(shí)產(chǎn)生的停機(jī)時(shí)間問題，調(diào)試維護(hù)安裝操作難度提高的問題，運(yùn)行人員的技術(shù)水平培養(yǎng)問題，系統(tǒng)規(guī)劃預(yù)算的復(fù)雜性問題等。針對(duì)這些問題人們提出了解決問題的六個(gè)方向： 產(chǎn)品數(shù)量的響應(yīng)性； 生產(chǎn)規(guī)劃的長期性； 生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定性； 技術(shù)發(fā)展的連續(xù)性； 制造成本的競爭性； 員工創(chuàng)新的主導(dǎo)性。這六個(gè)性能構(gòu)成了智能工廠生產(chǎn)制造模型的特征，全面地系統(tǒng)化地確定這種新的生產(chǎn)制造模式的設(shè)計(jì)思路。2.2.3人工、半自動(dòng)和全自動(dòng)三位一體的適應(yīng)性生產(chǎn)制造模

32、式的基本方法和體系架構(gòu)智能工廠的核心由以下三大維度來實(shí)現(xiàn)： 實(shí)現(xiàn)工廠制造和業(yè)務(wù)規(guī)劃流程價(jià)值鏈； 工廠生產(chǎn)管理價(jià)值鏈即從產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)、生產(chǎn)規(guī)劃、生產(chǎn)工程、生產(chǎn)實(shí)施到服務(wù)的五個(gè)階段； 工廠自動(dòng)化控制系統(tǒng) （從現(xiàn)場層、控制層、管理層到?jīng)Q策層）。人工、半自動(dòng)和全自動(dòng)三位一體的適應(yīng)性生產(chǎn)制造模式是構(gòu)成生產(chǎn)價(jià)值鏈軸/生產(chǎn)管理軸的集合。針對(duì)產(chǎn)品的高柔性化生產(chǎn)和客戶定制的發(fā)展趨勢。建立高度靈活的個(gè)性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務(wù)的生產(chǎn)模式。在這種模式中，由于引入了各種新的技術(shù)特別是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，產(chǎn)生以生產(chǎn)制造為導(dǎo)向的交叉領(lǐng)域和創(chuàng)新理念，創(chuàng)造出新價(jià)值，傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)鏈將被重組。適應(yīng)性的生產(chǎn)制造模式針對(duì)上面的六大特證，提出了

33、基本的設(shè)計(jì)規(guī)范書，核心是將IT信息技術(shù)，工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來： 對(duì)所需信息和應(yīng)用信息要求數(shù)字化； 保證產(chǎn)品在不同時(shí)刻或階段需求量不同，對(duì)于生產(chǎn)峰值有及時(shí)地應(yīng)對(duì)能力； 應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)及IT技術(shù)將生產(chǎn)制造、生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)控制和生產(chǎn)管理結(jié)合在一起； 采用分散智能化裝備組件使得生產(chǎn)模式功能擴(kuò)展得更加方便； 采用“Cyber-Physical Systems”網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)的概念達(dá)到數(shù)字工廠與實(shí)際對(duì)象的一致性； 成本的優(yōu)化，操作的方便性等因素都在設(shè)計(jì)的大綱中體現(xiàn)出來。根據(jù)這些現(xiàn)實(shí)及未來發(fā)生的問題，德國的技術(shù)專家們提出了研究智慧工廠的路徑圖。德國的專家們首先一致認(rèn)為智能工廠是信息化技術(shù)

34、發(fā)展的結(jié)果，在數(shù)字化工廠的基礎(chǔ)上，利用物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)和設(shè)備監(jiān)控技術(shù)加強(qiáng)信息管理和服務(wù)。智能工廠的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和運(yùn)行專家們不僅要了解自己的產(chǎn)品即生產(chǎn)裝備及技術(shù)，同時(shí)也應(yīng)該清楚掌握產(chǎn)銷流程，及時(shí)正確地采集生產(chǎn)線數(shù)據(jù)，以及合理的生產(chǎn)計(jì)劃編排與生產(chǎn)進(jìn)度，提高生產(chǎn)過程的可控性，減少生產(chǎn)線上人工的干預(yù)，在設(shè)計(jì)的過程中必須將生產(chǎn)管理、生產(chǎn)流程及生產(chǎn)效率統(tǒng)一于生產(chǎn)制造模式中，從而構(gòu)建一個(gè)高效節(jié)能的、綠色環(huán)保的、環(huán)境舒適的現(xiàn)代化工廠。（1） 采用網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)CPS方法（數(shù)字工廠/虛擬工廠的技術(shù)）來設(shè)計(jì)三位一體化的生產(chǎn)制造的模型如前所述，智能工廠首先要解決的是生產(chǎn)制造的全球性，制造方式的靈活性，產(chǎn)品生命周期的縮短和企

35、業(yè)發(fā)展的持續(xù)性，帶給生產(chǎn)制造工業(yè)挑戰(zhàn)的問題，其采用的方法之一就是建立三位一體化適應(yīng)性生產(chǎn)制造模型。這種三位一體的適應(yīng)性生產(chǎn)制造系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的初期非常復(fù)雜，它要了解工藝，要預(yù)測新模式的實(shí)現(xiàn)可行性，場地?cái)U(kuò)展的長期性，生產(chǎn)功能擴(kuò)展的方便和可能性，模式的性價(jià)比和優(yōu)化以及設(shè)計(jì)模型與實(shí)際對(duì)象的一致性等，這些任務(wù)是傳統(tǒng)的工廠制造設(shè)計(jì)不可能完成的。同時(shí)，這種方案的制定需要無數(shù)次的認(rèn)證、實(shí)驗(yàn)和測試才能實(shí)現(xiàn)，所以必須采用數(shù)字仿真的技術(shù)，實(shí)際早在九十年代時(shí)，德國就在推動(dòng)數(shù)字工廠的技術(shù)，而后又采用所謂虛擬工廠理念的仿真技術(shù)來設(shè)計(jì)工廠，以減少初期工廠設(shè)計(jì)的成本和加快建廠的時(shí)間。但是這種方法一直沒有得到很好的實(shí)現(xiàn)，其原因之

36、一在于當(dāng)時(shí)的IT技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)還不能支撐這一設(shè)計(jì)模式，所建立的工廠模型與直接的模型相差很大，實(shí)踐的應(yīng)用價(jià)值不大。而工業(yè)戰(zhàn)略4.0中明確地提出互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，信息技術(shù)運(yùn)用到制造工業(yè)中，在實(shí)現(xiàn)智能工廠中推出了所謂“Cyber-Physical Systems（CPS）”的慨念，這個(gè)概念目前在學(xué)術(shù)領(lǐng)域里討論的非常多，理解不一，有不同的解釋。實(shí)際上CPS的理念貫穿到整個(gè)工業(yè)革命的實(shí)施之中，從定義上來理解，CPS是一個(gè)協(xié)調(diào)和管理數(shù)字計(jì)算和物理過程和資源之間的相互關(guān)系，整合于全球和公共互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的系統(tǒng)中。它的方法可以運(yùn)用于各行各業(yè)，比如：分布式能源發(fā)配電系統(tǒng)的智能電網(wǎng)；交通車輛駕駛與交通系

37、統(tǒng)互相聯(lián)網(wǎng)的車聯(lián)網(wǎng)；人體健康加上遠(yuǎn)程監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)聯(lián)網(wǎng)；運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)分散、靈活、自適應(yīng)的生產(chǎn)制造系統(tǒng)的工業(yè)4.0戰(zhàn)略（也可以稱為工聯(lián)網(wǎng)）。簡單一句話，CPS就是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用于各行各業(yè)的代名詞， 其核心就是通過應(yīng)用信息通訊技術(shù)和利用互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)空間，將虛擬系統(tǒng)信息與物理系統(tǒng)相結(jié)合的手段，完成各行各業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)。因此，三位一體的適應(yīng)性生產(chǎn)制造模式的基本方法和體系架構(gòu)中首先采用了Cyber-Physical Systems（CPS）的概念，實(shí)現(xiàn)兩大任務(wù)：生產(chǎn)制造系統(tǒng)的數(shù)字化和虛擬化（數(shù)字工廠）；數(shù)字虛擬工廠與實(shí)際的對(duì)象結(jié)合起來（網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)）。從以上分析也給了我們一個(gè)啟示，目前德國推動(dòng)的智能工廠概

38、念不是突然產(chǎn)生的想法，不是一個(gè)所謂的“革命”，而是德國在科學(xué)發(fā)展道路中多年的技術(shù)積累、技術(shù)沉淀和技術(shù)研究的自然結(jié)果，是多年研究的數(shù)字化工廠，工業(yè)仿真技術(shù)的繼續(xù)發(fā)展和提高，是一種技術(shù)的演變，是適應(yīng)社會(huì)對(duì)技術(shù)發(fā)展需求的一個(gè)響應(yīng)和變革。在實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)三位一體化生產(chǎn)制造的工廠模型中，德國恰恰加強(qiáng)了仿真技術(shù)即數(shù)字工廠技術(shù)的應(yīng)用，按照可持續(xù)發(fā)展和面向服務(wù)的業(yè)務(wù)開始實(shí)踐，從適應(yīng)性、靈活性、自適應(yīng)性和學(xué)習(xí)特點(diǎn)，容錯(cuò)能力和風(fēng)險(xiǎn)管理，以及創(chuàng)新、節(jié)約成本和時(shí)間的角度來做一個(gè)三位一體的適應(yīng)性生產(chǎn)制造模式的模型。這是對(duì)原來數(shù)字工廠、虛擬工廠的方法應(yīng)用提出了更高同時(shí)又更明確的要求。這種模型能優(yōu)化生產(chǎn)流程，整合生產(chǎn)計(jì)劃管理，高

39、效利用資源，定制調(diào)整機(jī)器適應(yīng)人的要求。CPS采用數(shù)字工廠的方法從各個(gè)環(huán)節(jié)、各個(gè)方面進(jìn)行適應(yīng)性系統(tǒng)仿真、工藝仿真、流程仿真、人機(jī)交叉仿真和人體工程仿真（如圖4圖7所示），提供一個(gè)與生產(chǎn)制造、生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)控制和生產(chǎn)管理一體化的方案。筆者在與德國有關(guān)人員的交流中，知道目前德國許多大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)都在加強(qiáng)這方面的研究和開發(fā)。各種新的開發(fā)軟件及行業(yè)仿真技術(shù)數(shù)據(jù)庫正在大量涌現(xiàn)，特別是數(shù)字虛擬工廠和實(shí)際對(duì)象的實(shí)時(shí)信息交換，而將數(shù)字工廠的模型進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制技術(shù)也正在開發(fā)之中。圖4 組裝線流程模擬圖5 機(jī)器人運(yùn)行模擬圖6 人體工程學(xué)仿真分析圖7 人機(jī)交叉協(xié)同仿真分析（2） 分散智能化功能模塊和一體化機(jī)電控制技術(shù)

40、構(gòu)成三位一體化的適應(yīng)性生產(chǎn)制造系統(tǒng)在運(yùn)用CPS的基本思想時(shí)，采用數(shù)字工廠的技術(shù)實(shí)現(xiàn)三位一體化的適應(yīng)性生產(chǎn)制造系統(tǒng)的仿真模型后，針對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)的突變性，針對(duì)大規(guī)模的客戶定制。這種制造系統(tǒng)模式具有快速的反應(yīng)和適應(yīng)能力，這要求實(shí)際的系統(tǒng)組成中要完成機(jī)器、工件和組件之間全面地和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的信息通信，同時(shí)機(jī)器及設(shè)備具有自配置和自校正的適應(yīng)能力以及機(jī)器能集成人的作用，適應(yīng)人的要求的功能。所以在實(shí)現(xiàn)這種新型三位一體化的適應(yīng)性生產(chǎn)制造系統(tǒng)時(shí)，采用物聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)、復(fù)合控制系統(tǒng)、信息通信系統(tǒng)、智能分布智能模塊和嵌入式技術(shù)。在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用分散智能化功能模塊和機(jī)電功能組件、機(jī)械傳動(dòng)、控制和通信的一體化的設(shè)計(jì)，

41、這些功能模塊能按照生產(chǎn)要求自行組合和配置，不需要附加的工程工具。由于生產(chǎn)制造系統(tǒng)需要對(duì)于生產(chǎn)產(chǎn)品的數(shù)量，種類、性能和質(zhì)量有自適應(yīng)能力，通過分析與理解外界及自身的信息，來協(xié)調(diào)、重組及擴(kuò)充系統(tǒng)中各組成部分的具體工作任務(wù)，自行構(gòu)成最佳運(yùn)行系統(tǒng)。同時(shí)也有一定的自我學(xué)習(xí)及維護(hù)能力：透過系統(tǒng)自我學(xué)習(xí)功能，在制造過程中落實(shí)資料庫補(bǔ)充、更新及自動(dòng)執(zhí)行故障診斷，執(zhí)行故障排除與維護(hù)，或通知對(duì)系統(tǒng)執(zhí)行的能力，因此這種系統(tǒng)設(shè)計(jì)為模塊化、分散式和智能化的積木式組合結(jié)構(gòu)。分散化與模塊化使得系統(tǒng)能夠按照工藝和生產(chǎn)的要求任意組合。生產(chǎn)將變得更加靈活，不同的生產(chǎn)設(shè)備既能夠協(xié)作生產(chǎn)，又可以各自快速地對(duì)外部變化做出反應(yīng)。智能化是指

42、分散功能化的模塊具有可測、可感功能，對(duì)感測到的信息進(jìn)行識(shí)別或各種數(shù)據(jù)處理。按照設(shè)定的邏輯要求來做出相應(yīng)的反應(yīng)，同時(shí)由得到反饋信息而建立完整的運(yùn)作循環(huán)，滿足各式各樣與多變的制造與服務(wù)需求。所以智能化模塊就是一個(gè)獨(dú)立的控制系統(tǒng)，能在設(shè)備層感知（現(xiàn)場總線層），能夠處理和控制信息（控制層），再透過有線及無線網(wǎng)路將設(shè)備數(shù)據(jù)和控制信息可靠地傳遞到管理層，進(jìn)行智慧運(yùn)算，進(jìn)而達(dá)成人與人、人與物及物與物之間的交流。這種分散化智能性模塊的不同組合構(gòu)成了一個(gè)三位一體化的適應(yīng)性生產(chǎn)制造系統(tǒng)，相對(duì)于原來機(jī)電一體化的模塊，又增加了自動(dòng)控制功能，應(yīng)用自動(dòng)組態(tài)配置的PLC技術(shù)。實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)使得整個(gè)模塊具有感知、分析和控

43、制的智能功能，這種模塊一般采用嵌入式芯片技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。所以嵌入式芯片技術(shù)的發(fā)展構(gòu)成了適應(yīng)性生產(chǎn)制造系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)。圖8是適應(yīng)性生產(chǎn)制造系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖8 分散式模塊化的智能生產(chǎn)制造模式 不同的模塊通過不同的組合形成一個(gè)生產(chǎn)制造系統(tǒng)，系統(tǒng)的適應(yīng)性可以通過插入或刪除其中的模塊來實(shí)現(xiàn)。（3） IT技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)三位一體化的適應(yīng)性生產(chǎn)制造系統(tǒng)當(dāng)智能分散型機(jī)電控制一體化的功能模塊組成以后，下一步就是功能模塊之間的信息傳輸和通信問題。在智能工廠中大量地采用基于嵌入式Internet技術(shù)和無線通信技術(shù)來進(jìn)行模塊與模塊之間，設(shè)備和設(shè)備之間的通信和信息交流。它以互聯(lián)網(wǎng)或WLAN作為通信的載體，為使用

44、者提供機(jī)器到機(jī)器的通信解決方案，滿足使用者對(duì)生產(chǎn)過程監(jiān)控、指揮調(diào)度、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和測量、遠(yuǎn)程診斷等方面的信息化需求。IT技術(shù)與智能控制模塊之間是一種智能化、交互式通信，即使人們沒有實(shí)時(shí)發(fā)送信號(hào)，智能模塊也會(huì)根據(jù)既定程序主動(dòng)進(jìn)行通信，并根據(jù)所得到的數(shù)據(jù)智能化地做出選擇，對(duì)相關(guān)設(shè)備發(fā)出正確的指令。適應(yīng)性生產(chǎn)制造系統(tǒng)將IT技術(shù)和控制技術(shù)做了有機(jī)的結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)智能化、遠(yuǎn)程化和實(shí)時(shí)化，實(shí)現(xiàn)從客戶到生產(chǎn)線的產(chǎn)品和工藝配置暢通無阻的數(shù)據(jù)交流，同時(shí)對(duì)機(jī)電控制一體化與IT系統(tǒng)接口之間做了標(biāo)準(zhǔn)定義，如圖9所示。圖9 IT和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了智能工廠的信息交流3 一個(gè)正在開發(fā)的智能工廠模式的案例本文將簡單介紹

45、一個(gè)在德國正在進(jìn)行的一個(gè)“Modellfactory”項(xiàng)目，其目的是實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的功能，作為智能工廠研究的第一步，需要在此模型中完成以下幾點(diǎn)： 分散智能模塊化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)； 以流程控制為主導(dǎo)的自適應(yīng)生產(chǎn)制造模型； 在上電通過即接即用的自動(dòng)化配置功能(Plug and Play) ； 采用WLAN的通信技術(shù)； 數(shù)字仿真模型與實(shí)際對(duì)象的一致性； 采用Plug and Play 的方法來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層、控制層和管理層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改變。這是一個(gè)爆米花生產(chǎn)自動(dòng)化流水系統(tǒng)，作為多功能生產(chǎn)制造適應(yīng)系統(tǒng)的一個(gè)模型，首先為了模擬系統(tǒng)功能的擴(kuò)展性和靈活性，整個(gè)系統(tǒng)的功能分散化和功能化，需要用仿真技術(shù)（數(shù)字工廠）來描述整個(gè)生產(chǎn)制造工藝流程的模型，如圖10、圖11所示。圖10 沒有加工爆米花的功能圖11 帶有加工爆米花的功能(1) 采用仿真技術(shù)（數(shù)字工廠）建立智能模塊化的生產(chǎn)制造的過程模型分割各功能塊，用仿真技術(shù)建立智能模塊化的生產(chǎn)制造的過程模型，每個(gè)功能塊具有機(jī)電智能控制的功能，它一般是一個(gè)“黑箱子”僅有相對(duì)應(yīng)的各種信號(hào)輸入和輸出端。其信號(hào)的種類有數(shù)字、模擬、通信、以太網(wǎng)、傳感、執(zhí)行、無線、有線等，進(jìn)行前后功能塊之間的信息的傳輸和控制，這些黑箱子可以按照生產(chǎn)工藝的需求任意的配置和規(guī)劃。其中，他們開發(fā)一整套的軟件，不僅包括了控制算法與通信方法（工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線、WLAN和各種無線通訊），