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工業(yè)4.0智慧工廠解決方案
2019-05-15工業(yè)4.0浪潮
企業(yè)正進(jìn)行深刻變革的同時(shí)，德國政府提出“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略，其目的是為了提高德國工業(yè)的競爭力，在新一輪工業(yè)革命中占領(lǐng)先機(jī)。德國政府甚至已將其上升為國家戰(zhàn)略，旨在支持工業(yè)領(lǐng)域新一代革命性技術(shù)的研發(fā)與創(chuàng)新。簡要概述為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)、兩大主題、三項(xiàng)集成這三個(gè)要點(diǎn)。具體解釋如下：
?、僖粋€(gè)網(wǎng)絡(luò)：物理信息系統(tǒng)（CPS）。CPS可以將資源、信息、物體以及人緊密聯(lián)系在一起，從而創(chuàng)造物聯(lián)網(wǎng)及相關(guān)服務(wù)，并將生產(chǎn)工廠轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)智能環(huán)境。這是實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0的基礎(chǔ)。
②兩大主題：智能工廠和智能生產(chǎn)?！爸悄芄S”是未來智能基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵組成部分，重點(diǎn)研究智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及過程以及網(wǎng)絡(luò)化分布生產(chǎn)設(shè)施的實(shí)現(xiàn)?！爸悄苌a(chǎn)”的側(cè)重點(diǎn)在于將人機(jī)互動、智能物流管理、3D打印等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)過程。
?、廴?xiàng)集成：橫向集成、縱向集成與端對端的集成。工業(yè)4.0將無處不在的傳感器、嵌入式終端系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、通信設(shè)施通過CPS形成一個(gè)智能網(wǎng)絡(luò)，使人與人、人與機(jī)器、機(jī)器與機(jī)器以及服務(wù)與服務(wù)之間能夠互聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部、企業(yè)之間以及整個(gè)價(jià)值鏈的橫向、縱向和端對端的高度集成。
其中制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)扮演了面向服務(wù)的工業(yè)信息總線的角色，MES可以實(shí)現(xiàn)智能生產(chǎn)控制并使工業(yè)4.0落地。
智能工廠
工業(yè)4.0時(shí)代“智能工廠”制造信息體系一個(gè)特征是可重新配置生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)，它將對相關(guān)生產(chǎn)系統(tǒng)的屬性及參數(shù)進(jìn)行改變。制造執(zhí)行系統(tǒng)必須考慮這一點(diǎn)，所以新的生產(chǎn)管理系統(tǒng)始終需要更新那些會受影響的生產(chǎn)系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)。受影響的系統(tǒng)不僅指的是本地系統(tǒng)，而且還包括所有生產(chǎn)過程中的其它各種系統(tǒng)。整個(gè)供應(yīng)鏈的資源供應(yīng)必須是可見的，并且在可用性方面要完全透明。除了產(chǎn)生相應(yīng)“智能工廠”的生產(chǎn)技術(shù)之外，項(xiàng)目下一步最重要一項(xiàng)任務(wù)是：開發(fā)供應(yīng)鏈中各個(gè)環(huán)節(jié)的集成解決方案。需要為“智能工廠”中的“智能對象”設(shè)計(jì)一個(gè)參考結(jié)構(gòu)，在未來“智能供應(yīng)鏈”中增加“智能服務(wù)”。這樣的參考結(jié)構(gòu)確保對流程的統(tǒng)一理解以及所有流程中各系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化互動。所有行動的目標(biāo)都是為了形成一個(gè)高度靈活、層級少且高效的生產(chǎn)系統(tǒng)。
無線感測
無線感測器將是未來實(shí)現(xiàn)智慧工廠的重要利器
智慧感測是基本構(gòu)成要素，但如果要讓制造流程有智慧判斷的能力，儀器、儀表、RFID感測器等控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成要素，仍是關(guān)注焦點(diǎn)。儀器儀表的智慧化，主要是以微處理器和人工智慧技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用為主，包括運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)路、遺傳演算法、進(jìn)化計(jì)算、溷沌控制等智慧技術(shù)，使儀器儀表實(shí)現(xiàn)高速、高效、多功能、高機(jī)動靈活等性能。
如專家控制系統(tǒng)(expert control system；ECS)就是一種而具有大量的專門知識與經(jīng)驗(yàn)的程式系統(tǒng)。它運(yùn)用人工智慧技術(shù)和電腦技術(shù)，根據(jù)某領(lǐng)域一個(gè)或多個(gè)專家提供的知識和經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行推理和判斷，模擬人類專家的決策過程，解決那些需要人類專家才能解決好的復(fù)雜問題。
此外，模塊控制器(FC-Fuzzy Controller)，也稱模塊邏輯控制器(FLC-Fuzzy Logic Controller)，也是智慧工廠相關(guān)技術(shù)的關(guān)注焦點(diǎn)。由于模塊控制技術(shù)具有處理不確定性、不精確性和模塊資訊的能力，對無法建造數(shù)學(xué)模型的被控過程，能進(jìn)行有效的控制，能解決一些用常規(guī)控制方法不能解決的問題，也讓模塊控制在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化
隨著工廠制造流程連接的嵌入式設(shè)備越來越多，透過云端架構(gòu)部署控制系統(tǒng)，無疑已是當(dāng)今最重要的趨勢之一。
在工業(yè)自動化領(lǐng)域，隨著應(yīng)用和服務(wù)向云端運(yùn)算轉(zhuǎn)移，資料和運(yùn)算位置的主要模式都已經(jīng)被改變了，由此也給嵌入式設(shè)備領(lǐng)域帶來顛覆性變革。如隨著嵌入式產(chǎn)品和許多工業(yè)自動化領(lǐng)域的典型IT元件，如制造執(zhí)行系統(tǒng)(manufacturing execution systems；MES)以及生產(chǎn)計(jì)劃系統(tǒng)(production planning systems；PPS)的智慧化，以及連線程度日漸提高，云端運(yùn)算將可提供更完整的系統(tǒng)和服務(wù)，生產(chǎn)設(shè)備將不再是過去單一而獨(dú)立的個(gè)體。但將孤立的嵌入式設(shè)備接入工廠制造流程，甚至是云端，其實(shí)具有高度的顛覆性，必定會對工廠制造流程產(chǎn)生重大的影響。一旦完成連線，一切的制造規(guī)則都可能會改變。
包括體系結(jié)構(gòu)、控制方法以及人機(jī)協(xié)作方法等，都會因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)網(wǎng)路化，而產(chǎn)生變化，如控制與通信的耦合、時(shí)間延遲、資訊調(diào)度方法、分散式控制方式與故障診斷等，都使得自動控制理論在網(wǎng)路環(huán)境下的控制方法和演算法，都需要不斷地創(chuàng)新。
此外，由于影像、語音信號等大資料量、高速率傳輸對網(wǎng)路頻寬的要求，對控制系統(tǒng)網(wǎng)路化，更構(gòu)成嚴(yán)厲的挑戰(zhàn)。因?yàn)楣I(yè)生產(chǎn)流程不容許一點(diǎn)點(diǎn)差錯(cuò)，網(wǎng)路傳遞的封包資訊不能有一點(diǎn)點(diǎn)漏失，而且網(wǎng)路上傳遞的資訊非常多樣化，哪些資料應(yīng)該先傳(如設(shè)備故障訊息)，哪些資料可以晚點(diǎn)傳(如電子郵件)，都要靠控制系統(tǒng)的智慧能力，進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐袛嗖拍艿靡詫?shí)現(xiàn)。
工業(yè)通訊無線化
工 業(yè)通信無線化也是當(dāng)前智慧工廠探討比較熱烈的問題。根據(jù)專家分析，到2013年，全球工廠自動化中的無線通訊系統(tǒng)應(yīng)用，將每年增加約40%。隨著無線技術(shù)日益普及，各家供應(yīng)商正在提供一系列軟硬體技術(shù)，協(xié)助在產(chǎn)品中增加通信功能。這些技術(shù)支援的通信標(biāo)準(zhǔn)包括藍(lán)牙、Wi-Fi、GPS、LTE以及WiMax 。
然而，在增加無線連網(wǎng)功能時(shí)，晶片及相關(guān)軟體的選擇極具挑戰(zhàn)性，包括優(yōu)化性能、功耗、成本和規(guī)模，都必須加以考慮，更重要的是，由于工廠需求不像消費(fèi)市場一樣的標(biāo)準(zhǔn)化，必須適應(yīng)生產(chǎn)需求，有更多彈性的選擇，最熱門的技術(shù)未必是最好的通信標(biāo)準(zhǔn)和客戶需要的技術(shù)。
此外，無線技術(shù)雖然在布建便利性方面，對比有線顯然有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢，但無線技術(shù)目前的完善、可靠性、確定性與即時(shí)性、相容性等還有待加強(qiáng)。因此，工業(yè)無線技術(shù)的定位，目前仍應(yīng)是傳統(tǒng)有線技術(shù)的延伸，多數(shù)儀表以及自動化產(chǎn)品雖會嵌入無線傳輸?shù)墓δ埽釛売芯€技術(shù)，目前還言之過早。
智能物流
智能物流是利用集成智能化技術(shù)，使物流系統(tǒng)能模仿人的智能，具有思維，感知，學(xué)習(xí)，推理判斷和自行解決物流中某些問題的能力。智能物流的未來發(fā)展將會體現(xiàn)出四個(gè)特點(diǎn)：智能化，一體化和層次化，柔性化與社會化。在物流作業(yè)過程中的大量運(yùn)籌與決策的智能化；以物流管理為核心，實(shí)現(xiàn)物流過程中運(yùn)輸，存儲，包裝，裝卸等環(huán)節(jié)的一體化和智能物流系統(tǒng)的層次化；智能物流的發(fā)展會更加突出“以顧客為中心”的理念，根據(jù)消費(fèi)者需求變化來靈活調(diào)節(jié)生產(chǎn)工藝；智能物流的發(fā)展將會促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和世界資源優(yōu)化配置，實(shí)現(xiàn)社會化。 通過智能物流系統(tǒng)的四個(gè)智能機(jī)理，即信息的智能獲取技術(shù)，智能傳遞技術(shù)，智能處理技術(shù)，智能運(yùn)用技術(shù)。
企業(yè)內(nèi)部物流管理的角度來談，則重點(diǎn)需要分析的對象是生產(chǎn)物流，它是指企業(yè)在生產(chǎn)制造流水線上的物料供應(yīng)。其概念涉及的內(nèi)容很廣，從學(xué)科和專業(yè)方向來分析，屬于工業(yè)工程學(xué)科，其重點(diǎn)研究的是排程、優(yōu)化及生產(chǎn)線的布置;從企業(yè)生產(chǎn)物流的角度來講，其重點(diǎn)研究的是生產(chǎn)運(yùn)作管理，包含生產(chǎn)物流、物料的搬運(yùn)。企業(yè)內(nèi)部物流要想達(dá)到智能化管理，需具備4個(gè)要素，分別是：智能標(biāo)識、智能感知、智能監(jiān)控、智能排程。
生產(chǎn)信息體系的變革
“工業(yè)4.0/智能工廠” 的發(fā)展，是智能工業(yè)發(fā)展的新方向。特征體現(xiàn)在制造生產(chǎn)信息體系上：
一、系統(tǒng)具有自主能力：可采集與理解外界及自身的資訊，并以之分析判及規(guī)劃自身行為
二、整體可視技術(shù)的實(shí)踐：結(jié)合訊號處理、推理預(yù)測、彷真及多媒體技術(shù)，將實(shí)境擴(kuò)增展示現(xiàn)實(shí)生活中的設(shè)計(jì)與制造過程。
三、協(xié)調(diào)、重組及擴(kuò)充特性：系統(tǒng)中各組承擔(dān)為可依據(jù)工作任務(wù)，自行組成最佳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
四、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，及自動執(zhí)行故障診斷，并具備對故障排除與維護(hù)，或通知對的系統(tǒng)執(zhí)行的能力。
五、人機(jī)共存的系統(tǒng)：人機(jī)之間具備互相協(xié)調(diào)合作關(guān)系，各自在不同層次之間相輔相成。
工業(yè)4.0落地三階段
第一個(gè)階段：MES(制造執(zhí)行系統(tǒng))將會起到更加重要的作用。自動化層和MES之間的對接會變得更加重要、更加無縫化，而且能跨越企業(yè)實(shí)現(xiàn)柔性生產(chǎn)。所有的信息都要實(shí)時(shí)可用，為生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)化環(huán)節(jié)所用。
第二個(gè)階段：是虛擬與現(xiàn)實(shí)的結(jié)合，也就是產(chǎn)品設(shè)計(jì)以及工程當(dāng)中的數(shù)字化世界和真實(shí)世界的融合。這得為了應(yīng)對生產(chǎn)效率越來越高、產(chǎn)品周期越來越短、產(chǎn)品變形越來越多等方面的挑戰(zhàn)。
第三個(gè)階段：是信息物理融合系統(tǒng)。信息物理融合系統(tǒng)是計(jì)算、通信和物理過程高度集成的系統(tǒng)。這些生產(chǎn)體系可以體現(xiàn)實(shí)實(shí)在在的既有物理工廠系統(tǒng)，也有在數(shù)字世界的仿真，最終能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)過程的完全可控、可調(diào)。
OrBit-SCADA數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)
OrBit-SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系統(tǒng)是"制造業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信息總線"的具體實(shí)現(xiàn)，它包含兩個(gè)層次的含義：一是分步式的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，即工業(yè)通訊與控制的PC上位機(jī)系統(tǒng) ；另一個(gè)是生產(chǎn)現(xiàn)場的場景建模和顯示系統(tǒng)。
我們可以這樣理解："工業(yè)4.0" 若沒有MES系統(tǒng)就名不符實(shí)，MES如果離開了SCADA將無法實(shí)現(xiàn)智能互聯(lián)與智能感知。
