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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)正進行深刻變革的同時，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)革命中占領先機。德國政府甚至已將其上升為國家戰(zhàn)略，旨在支持工業(yè)領域新一代革命性技術的研發(fā)與創(chuàng)新。簡要概述為一個網(wǎng)絡、兩大主題、三項集成這三個要點。具體解釋如下：
?、僖粋€網(wǎng)絡：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)及相關服務，并將生產工廠轉變?yōu)橐粋€智能環(huán)境。這是實現(xiàn)工業(yè)4.0的基礎。
?、趦纱笾黝}：智能工廠和智能生產?！爸悄芄S”是未來智能基礎設施的關鍵組成部分，重點研究智能化生產系統(tǒng)及過程以及網(wǎng)絡化分布生產設施的實現(xiàn)。“智能生產”的側重點在于將人機互動、智能物流管理、3D打印等先進技術應用于整個工業(yè)生產過程。
?、廴椉桑簷M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)、通信設施通過CPS形成一個智能網(wǎng)絡，使人與人、人與機器、機器與機器以及服務與服務之間能夠互聯(lián)，從而實現(xiàn)企業(yè)內部、企業(yè)之間以及整個價值鏈的橫向、縱向和端對端的高度集成。
其中制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)扮演了面向服務的工業(yè)信息總線的角色，MES可以實現(xiàn)智能生產控制并使工業(yè)4.0落地。
智能工廠
工業(yè)4.0時代“智能工廠”制造信息體系一個特征是可重新配置生產執(zhí)行系統(tǒng)，它將對相關生產系統(tǒng)的屬性及參數(shù)進行改變。制造執(zhí)行系統(tǒng)必須考慮這一點，所以新的生產管理系統(tǒng)始終需要更新那些會受影響的生產系統(tǒng)的當前狀態(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過程中的其它各種系統(tǒng)。整個供應鏈的資源供應必須是可見的，并且在可用性方面要完全透明。除了產生相應“智能工廠”的生產技術之外，項目下一步最重要一項任務是：開發(fā)供應鏈中各個環(huán)節(jié)的集成解決方案。需要為“智能工廠”中的“智能對象”設計一個參考結構，在未來“智能供應鏈”中增加“智能服務”。這樣的參考結構確保對流程的統(tǒng)一理解以及所有流程中各系統(tǒng)的標準化互動。所有行動的目標都是為了形成一個高度靈活、層級少且高效的生產系統(tǒng)。
無線感測
無線感測器將是未來實現(xiàn)智慧工廠的重要利器
智慧感測是基本構成要素，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)的基本構成要素，仍是關注焦點。儀器儀表的智慧化，主要是以微處理器和人工智慧技術的發(fā)展與應用為主，包括運用神經(jīng)網(wǎng)路、遺傳演算法、進化計算、溷沌控制等智慧技術，使儀器儀表實現(xiàn)高速、高效、多功能、高機動靈活等性能。
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)驗的程式系統(tǒng)。它運用人工智慧技術和電腦技術，根據(jù)某領域一個或多個專家提供的知識和經(jīng)驗，進行推理和判斷，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)，也是智慧工廠相關技術的關注焦點。由于模塊控制技術具有處理不確定性、不精確性和模塊資訊的能力，對無法建造數(shù)學模型的被控過程，能進行有效的控制，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)控制領域得到了廣泛的應用。
控制系統(tǒng)網(wǎng)絡化
隨著工廠制造流程連接的嵌入式設備越來越多，透過云端架構部署控制系統(tǒng)，無疑已是當今最重要的趨勢之一。
在工業(yè)自動化領域，隨著應用和服務向云端運算轉移，資料和運算位置的主要模式都已經(jīng)被改變了，由此也給嵌入式設備領域帶來顛覆性變革。如隨著嵌入式產品和許多工業(yè)自動化領域的典型IT元件，如制造執(zhí)行系統(tǒng)(manufacturing execution systems；MES)以及生產計劃系統(tǒng)(production planning systems；PPS)的智慧化，以及連線程度日漸提高，云端運算將可提供更完整的系統(tǒng)和服務，生產設備將不再是過去單一而獨立的個體。但將孤立的嵌入式設備接入工廠制造流程，甚至是云端，其實具有高度的顛覆性，必定會對工廠制造流程產生重大的影響。一旦完成連線，一切的制造規(guī)則都可能會改變。
包括體系結構、控制方法以及人機協(xié)作方法等，都會因為控制系統(tǒng)網(wǎng)路化，而產生變化，如控制與通信的耦合、時間延遲、資訊調度方法、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，更構成嚴厲的挑戰(zhàn)。因為工業(yè)生產流程不容許一點點差錯，網(wǎng)路傳遞的封包資訊不能有一點點漏失，而且網(wǎng)路上傳遞的資訊非常多樣化，哪些資料應該先傳(如設備故障訊息)，哪些資料可以晚點傳(如電子郵件)，都要靠控制系統(tǒng)的智慧能力，進行適當?shù)呐袛嗖拍艿靡詫崿F(xiàn)。
工業(yè)通訊無線化
工 業(yè)通信無線化也是當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)應用，將每年增加約40%。隨著無線技術日益普及，各家供應商正在提供一系列軟硬體技術，協(xié)助在產品中增加通信功能。這些技術支援的通信標準包括藍牙、Wi-Fi、GPS、LTE以及WiMax 。
然而，在增加無線連網(wǎng)功能時，晶片及相關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市場一樣的標準化，必須適應生產需求，有更多彈性的選擇，最熱門的技術未必是最好的通信標準和客戶需要的技術。
此外，無線技術雖然在布建便利性方面，對比有線顯然有相當?shù)膬?yōu)勢，但無線技術目前的完善、可靠性、確定性與即時性、相容性等還有待加強。因此，工業(yè)無線技術的定位，目前仍應是傳統(tǒng)有線技術的延伸，多數(shù)儀表以及自動化產品雖會嵌入無線傳輸?shù)墓δ?，但要舍棄有線技術，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，使物流系統(tǒng)能模仿人的智能，具有思維，感知，學習，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)出四個特點：智能化，一體化和層次化，柔性化與社會化。在物流作業(yè)過程中的大量運籌與決策的智能化；以物流管理為核心，實現(xiàn)物流過程中運輸，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)消費者需求變化來靈活調節(jié)生產工藝；智能物流的發(fā)展將會促進區(qū)域經(jīng)濟的發(fā)展和世界資源優(yōu)化配置，實現(xiàn)社會化。 通過智能物流系統(tǒng)的四個智能機理，即信息的智能獲取技術，智能傳遞技術，智能處理技術，智能運用技術。
企業(yè)內部物流管理的角度來談，則重點需要分析的對象是生產物流，它是指企業(yè)在生產制造流水線上的物料供應。其概念涉及的內容很廣，從學科和專業(yè)方向來分析，屬于工業(yè)工程學科，其重點研究的是排程、優(yōu)化及生產線的布置;從企業(yè)生產物流的角度來講，其重點研究的是生產運作管理，包含生產物流、物料的搬運。企業(yè)內部物流要想達到智能化管理，需具備4個要素，分別是：智能標識、智能感知、智能監(jiān)控、智能排程。
生產信息體系的變革
“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、整體可視技術的實踐：結合訊號處理、推理預測、彷真及多媒體技術，將實境擴增展示現(xiàn)實生活中的設計與制造過程。
三、協(xié)調、重組及擴充特性：系統(tǒng)中各組承擔為可依據(jù)工作任務，自行組成最佳系統(tǒng)結構。
四、自我學習及維護能力：透過系統(tǒng)自我學習功能，在制造過程中落實資料庫補充、更新，及自動執(zhí)行故障診斷，并具備對故障排除與維護，或通知對的系統(tǒng)執(zhí)行的能力。
五、人機共存的系統(tǒng)：人機之間具備互相協(xié)調合作關系，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)實現(xiàn)柔性生產。所有的信息都要實時可用，為生產網(wǎng)絡化環(huán)節(jié)所用。
第二個階段：是虛擬與現(xiàn)實的結合，也就是產品設計以及工程當中的數(shù)字化世界和真實世界的融合。這得為了應對生產效率越來越高、產品周期越來越短、產品變形越來越多等方面的挑戰(zhàn)。
第三個階段：是信息物理融合系統(tǒng)。信息物理融合系統(tǒng)是計算、通信和物理過程高度集成的系統(tǒng)。這些生產體系可以體現(xiàn)實實在在的既有物理工廠系統(tǒng)，也有在數(shù)字世界的仿真，最終能夠實現(xiàn)生產過程的完全可控、可調。
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"的具體實現(xiàn)，它包含兩個層次的含義：一是分步式的實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，即工業(yè)通訊與控制的PC上位機系統(tǒng) ；另一個是生產現(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，MES如果離開了SCADA將無法實現(xiàn)智能互聯(lián)與智能感知。
