1、工業(yè)4.0的概念及內(nèi)涵
工業(yè)4.0是什么？工業(yè)4.0的概念是德國于2013年提出，隨后被上升至德國國家創(chuàng)新戰(zhàn)略之一，是德國20個(gè)面向2020年的科技戰(zhàn)略之一。在2013年漢諾威展會(huì)上，德國教研部、科技部、西門子、博世等聯(lián)合推出了工業(yè)4.0。目前它僅僅是一個(gè)愿景計(jì)劃。
工業(yè)4.0的概念目前仍然是相對(duì)模糊的，可以被理解為一個(gè)大的生態(tài)系統(tǒng)。從供應(yīng)商到制造車間，再到下游客戶，全過程實(shí)現(xiàn)智能化和網(wǎng)絡(luò)化。工廠內(nèi)部生產(chǎn)過程高度智能化，云技術(shù)和大數(shù)據(jù)貫穿其中，cps賦予設(shè)備互聯(lián)通信，并且可以實(shí)現(xiàn)全過程數(shù)字管理，形成一個(gè)完整的生態(tài)鏈，在這個(gè)生態(tài)鏈中，主要的角色有：供應(yīng)商、企業(yè)、工廠、設(shè)備、客戶等，連接這些角色的是cps系統(tǒng)。
工業(yè)4.0的核心是實(shí)現(xiàn)三項(xiàng)集成。第一，橫向業(yè)務(wù)集成，整合業(yè)務(wù)合作伙伴、公司與公司之間、公司與用戶之間的主體網(wǎng)絡(luò)，橫向業(yè)務(wù)集成中主要用到的工具包括crm、scm等；第二，縱向業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)集成，主要是整合企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)流程之間的信息溝通問題，包括機(jī)器設(shè)備、供應(yīng)鏈系統(tǒng)、生產(chǎn)系統(tǒng)和運(yùn)營系統(tǒng)等，主要運(yùn)用的工具包括erp、mes、dcs、scada、hmi等，重點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)智能制造的過程；第三，價(jià)值鏈端到端的數(shù)字化集成。在這個(gè)價(jià)值鏈上，產(chǎn)品從用戶需求、創(chuàng)意、設(shè)計(jì)、制造運(yùn)行到服務(wù)過程，形成對(duì)產(chǎn)品的全生命周期管理，主要的工具軟件包括cad、pdm和plm等。
工業(yè)4.0的基礎(chǔ)是網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)（cps），這個(gè)概念比此前更廣泛，將設(shè)備、產(chǎn)品、相關(guān)設(shè)施、人力等廣泛連接成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)。更確切的說，這個(gè)系統(tǒng)就是我們所說的制造業(yè)的互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)化。cps從廣義上理解，就是一個(gè)在環(huán)境感知的基礎(chǔ)上，深度融合了計(jì)算、通信和控制能力的可控、可信、可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)化物理設(shè)備系統(tǒng)，它通過計(jì)算進(jìn)程和物理進(jìn)程相互影響的反饋循環(huán)，實(shí)現(xiàn)深度融合和實(shí)時(shí)交互來增加或擴(kuò)展新的功能，以安全、可靠、高效和實(shí)時(shí)的方式監(jiān)測或者控制一個(gè)物理實(shí)體。cps的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)信息世界和物理世界的完全融合，構(gòu)建一個(gè)可控、可信、可擴(kuò)展并且安全高效的cps網(wǎng)絡(luò)，并最終從根本上改變?nèi)祟悩?gòu)建工程物理系統(tǒng)的方式。
信息物理網(wǎng)絡(luò)（cps）是虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用中的高度融合,是工廠、機(jī)器、生產(chǎn)資料和人通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高度聯(lián)結(jié)。cps是工業(yè)4.0的實(shí)踐基礎(chǔ)，沒有cps的支撐，智能工廠、智能制造都是空中樓閣。
cps與物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)在邏輯關(guān)系。美國國家科學(xué)基金會(huì)（nsf）認(rèn)為，cps將讓整個(gè)世界互聯(lián)起來。如同互聯(lián)網(wǎng)改變了人與人的互動(dòng)一樣，cps將會(huì)改變我們與物理世界的互動(dòng)。海量運(yùn)算是cps接入設(shè)備的普遍特征，因此，接入設(shè)備通常具有強(qiáng)大的計(jì)算能力。物聯(lián)網(wǎng)中的物品不具備控制和自治能力，通信也大都發(fā)生在物品與服務(wù)器之間，因此物品之間無法進(jìn)行協(xié)同。從這個(gè)角度來說物聯(lián)網(wǎng)可以看作cps的一種簡約應(yīng)用，或者說，cps讓物聯(lián)網(wǎng)的定義和概念明晰起來。在物聯(lián)網(wǎng)中主要是通過rfid與讀寫器之間的通信，人并沒有介入其中。感知在cps中十分重要。
2、工業(yè)4.0并沒有確定性模式
到目前為止，工業(yè)4.0仍然停留在理論化階段，對(duì)工業(yè)4.0的理解，可以理解成更高層次的工業(yè)制造水平，包含了由集中式控制向分散式增強(qiáng)型控制的基本模式轉(zhuǎn)變，目標(biāo)是建立一個(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。
工業(yè)4.0到目前位置并沒有確定性的模式。雖然工業(yè)4.0強(qiáng)調(diào)高度智能，強(qiáng)調(diào)無人化或者少人化，但是，實(shí)際上在現(xiàn)有的自動(dòng)化工廠或者數(shù)字化工廠，工業(yè)機(jī)器人、伺服電機(jī)、傳感器等都已經(jīng)存在。
西門子、倍福及很多中小企業(yè)都宣稱自己是工業(yè)4.0，但都是結(jié)合自身特點(diǎn)而言。例如倍福認(rèn)為其基于pc的自動(dòng)化控制技術(shù)，無所不能的通訊技術(shù)是工業(yè)4.0的核心技術(shù)，而西門子認(rèn)為其pia、totalsolution、全壽命周期管理、數(shù)字化工廠才是工業(yè)4.0的要素。
智能化和數(shù)字化是工業(yè)4.0的發(fā)展方向。現(xiàn)有的自動(dòng)化工廠或者數(shù)字化工廠，工業(yè)機(jī)器人、伺服、傳感器等都已經(jīng)存在。但這僅僅是基礎(chǔ)條件，只有上述設(shè)備具備了主動(dòng)感知環(huán)境、產(chǎn)品工藝、操作者水平的變化，主動(dòng)調(diào)整軟件和程序，自動(dòng)適應(yīng)周圍的變化，并根據(jù)這些變化不斷地學(xué)習(xí)和優(yōu)化自己的控制性能，才是講真正的智能制造。工業(yè)4.0是未來智能化、網(wǎng)絡(luò)化世界的一部分，并沒有確定的模式，建議關(guān)注行業(yè)里面企業(yè)的向工業(yè)4.0方向發(fā)生的變化，比如更加智能化，而不是以靜態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)衡量。
3、工業(yè)4.0的發(fā)展路徑：從數(shù)字化工廠到智慧工廠
智慧化和網(wǎng)絡(luò)化是未來工業(yè)4.0的未來發(fā)展方向。智慧工廠是工業(yè)4.0的最終形態(tài)，實(shí)現(xiàn)智慧工廠的前提是數(shù)字化工廠，而數(shù)字化工廠又是以數(shù)字化車間為基礎(chǔ)的。
數(shù)字化工廠（df）是以產(chǎn)品全生命周期的相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境中，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行仿真、評(píng)估和優(yōu)化，并進(jìn)一步擴(kuò)展到整個(gè)產(chǎn)品生命周期的新型生產(chǎn)組織方式，是現(xiàn)代數(shù)字制造技術(shù)與計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，同時(shí)具有其鮮明的特征。它的出現(xiàn)給基礎(chǔ)制造業(yè)注入了新的活力，主要作為溝通產(chǎn)品設(shè)計(jì)和產(chǎn)品制造之間的橋梁。
智能工廠中，嵌入了具有設(shè)計(jì)功能和產(chǎn)品生命周期管理功能的plm軟件，制造執(zhí)行系統(tǒng)mes以及供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)scm等，工廠內(nèi)部執(zhí)行系統(tǒng)以cps驅(qū)動(dòng)底層硬件設(shè)備，車間內(nèi)部通過工業(yè)以太網(wǎng)或者更高級(jí)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)互通互聯(lián)。工廠的決策、生產(chǎn)、流通環(huán)節(jié)更加智能化。
應(yīng)對(duì)工業(yè)4.0的大趨勢，企業(yè)可以采取兩步走的策略：（1）在工業(yè)3.0時(shí)代或者工業(yè)3.x時(shí)代，主要建設(shè)以數(shù)字化工廠為代表的生產(chǎn)車間。數(shù)字化工廠中，包括了plm、erp、mes、tia、logistic建設(shè)和數(shù)據(jù)流集成，實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品生命周期和生產(chǎn)生命周期集成整合；（2）在工業(yè)4.0的時(shí)代，主要以智能化工廠（智慧工廠）為存在載體，在智能工廠中cps的大量應(yīng)用貫穿在工廠的核心位置，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)、自主生產(chǎn)模式，通過實(shí)時(shí)智能化決策，管理復(fù)雜的生產(chǎn)，并滿足客戶個(gè)性化需求。
目前走在前列的是西門子等國際傳統(tǒng)的智能制造提供商。根據(jù)西門子自身的定位，處在工業(yè)3.8的位置，目前正在強(qiáng)化和完善數(shù)字化工廠在智能制造環(huán)節(jié)的作用。從硬件設(shè)備到軟件開發(fā)，從工廠內(nèi)部聯(lián)網(wǎng)到外部聯(lián)網(wǎng)，進(jìn)行全方位的改造。逐步改造和升級(jí)的數(shù)字化工廠就是未來智能工廠的雛形。
數(shù)字化工廠與智能工廠之間是漸進(jìn)的關(guān)系，數(shù)字化工廠是實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0的第一步。在數(shù)字化工廠的基礎(chǔ)上，基于信息物理融合系統(tǒng)（cps）的智能生產(chǎn)系統(tǒng)就過渡到了智能化工廠。因此，二者的區(qū)別不僅僅體現(xiàn)在層次方面，二者的主要建設(shè)內(nèi)容頁有極大的區(qū)別，數(shù)字化工廠重點(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)三項(xiàng)集成，改善質(zhì)量，控制成本，提高效率等，而智能工廠則更多的強(qiáng)調(diào)智能決策，人機(jī)交互，虛擬仿真等，可以實(shí)現(xiàn)跨企業(yè)價(jià)值鏈的業(yè)務(wù)集成和構(gòu)建端到端的價(jià)值流，關(guān)鍵技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)和cps。
數(shù)字化工廠是工業(yè)4.0的第一步。主要的建設(shè)任務(wù)包括：（1）建立網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，包括外部互聯(lián)網(wǎng)、內(nèi)部工業(yè)以太網(wǎng)、無線通訊網(wǎng)絡(luò)等；（2）建立數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)scada，保障各個(gè)環(huán)節(jié)順利運(yùn)行；（3）建立縱向和橫向集成的業(yè)務(wù)模型與自組織形式；（4）建立合適的工業(yè)級(jí)應(yīng)用軟件系統(tǒng)，例如erp、plm、mes和cax等。
西門子在德國的安貝格數(shù)字工廠是目前數(shù)字化工廠的典范，該工廠從1991年開始建設(shè)，2008年數(shù)字化工廠集成完成，完成了首條混線生產(chǎn)線，2013年導(dǎo)入西門子的teamcenter等產(chǎn)品，到如今，該工廠已經(jīng)擁有高度數(shù)字化的生產(chǎn)流程，能靈活實(shí)現(xiàn)小批量、多層次生產(chǎn)。其工廠的生產(chǎn)特征及關(guān)鍵參數(shù)如下：
(1)24小時(shí)的生產(chǎn)交貨期（從工廠收到訂單到產(chǎn)品生產(chǎn)出來后，配送到中央倉庫）；
(2)一秒鐘生產(chǎn)一個(gè)產(chǎn)品；
(3)年產(chǎn)30億件零部件，每年生產(chǎn)150萬平方米的pcb板；
(4)2014年每100萬件產(chǎn)品殘次品率僅11.5件；
(5)質(zhì)量水平達(dá)到99.9989%；
（6）生產(chǎn)線可靠性達(dá)到99%；
(7)可追溯性達(dá)到100%；
(8)生產(chǎn)計(jì)劃已經(jīng)排到2018年，在不改變現(xiàn)有人員數(shù)量級(jí)生產(chǎn)面積的基礎(chǔ)上產(chǎn)能將增加3倍；
目前，安貝格工廠的生產(chǎn)過程的自動(dòng)化率到達(dá)75%，但更為關(guān)鍵的是除了生產(chǎn)過程的自動(dòng)化，安貝格更為關(guān)注的是物流的自動(dòng)化與信息的自動(dòng)化與生產(chǎn)過程的自動(dòng)化項(xiàng)匹配。工廠廣泛通過simatic平臺(tái)，每條線實(shí)現(xiàn)了超過1000個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集。而這些均使用西門子自己的產(chǎn)品（ewa的理念是：讓我們的產(chǎn)品來自動(dòng)生產(chǎn)產(chǎn)品：simaticproductssimatic）。實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)的透明化，1200名員工都可以看到實(shí)時(shí)的生產(chǎn)狀態(tài)的信息。
ewa為保證質(zhì)量第一，創(chuàng)新性的提出了dpm-a的指標(biāo)，即百萬出錯(cuò)率，使得ewa的產(chǎn)品質(zhì)量迅速提升，從上世紀(jì)90年代的560百萬出錯(cuò)率，下降到現(xiàn)今的十幾的水平，ewa近幾年的百萬出錯(cuò)率分別如下圖所示。2014年的11.5百萬出錯(cuò)率，相當(dāng)于質(zhì)量水平達(dá)到了99.9989%。
4、工業(yè)4.0的層次架構(gòu)解析及重要模塊
目前對(duì)數(shù)字化工廠內(nèi)部的層次架構(gòu)并沒有形成完整的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)西門子的數(shù)字化工廠的層次架構(gòu)來看，大致可以分成5個(gè)層次：分別是企業(yè)層、管理層、操作層、控制層和現(xiàn)場層。不同的層次對(duì)應(yīng)的不同的設(shè)備。在企業(yè)層中，主要設(shè)計(jì)產(chǎn)品開發(fā)、產(chǎn)品仿真模及企業(yè)日常管理，主要包括erp和plm軟件；在管理層，承接了plm和erp的部分工能，主要以執(zhí)行制造為主，主要包括mes軟件系統(tǒng)和工廠工程組態(tài)；操作層，主要由dcs和scada系統(tǒng)構(gòu)成，執(zhí)行mes發(fā)出的具體指令；控制層是以plc和hmi為主體的模塊構(gòu)成；最底層的現(xiàn)場層主要是由具體的現(xiàn)場設(shè)備構(gòu)成，包括機(jī)器人、機(jī)床、泵閥等設(shè)備。各個(gè)層次之間通過工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)連接。
除了西門子的數(shù)字化工廠的層次架構(gòu)，研華經(jīng)過三十多年積累，也逐漸形成了數(shù)字工廠的各個(gè)模塊。其數(shù)字化工廠包括四個(gè)主要層次，分別是：erp層、mes層、中央監(jiān)控層、設(shè)備層。每個(gè)層次之間都有獨(dú)立的通訊模式。工廠內(nèi)部總體包括數(shù)據(jù)采集、工業(yè)通訊、嵌入式機(jī)器人、i/o板卡高速采集運(yùn)動(dòng)控制、人機(jī)界面、工控機(jī)以及上層軟件等七大部分，為企業(yè)構(gòu)建一個(gè)完整的智慧工廠解決方案，兼?zhèn)湓O(shè)施系統(tǒng)、信息化應(yīng)用系統(tǒng)、設(shè)備管理系統(tǒng)、公共安全系統(tǒng)等，建設(shè)高效、節(jié)能的數(shù)字工廠。
結(jié)合西門子和研華的數(shù)字化工廠層次架構(gòu)，及我們前期的草根調(diào)研情況，我們提出了工業(yè)4.0時(shí)代數(shù)字化工廠的基本層次架構(gòu)的一般模式，工廠層次分為5層，分別是：
（1）erp層，主要是企業(yè)層級(jí)的應(yīng)用，包括產(chǎn)品開發(fā)，企業(yè)管理等軟件系統(tǒng)；
（2）mes層，mes層是企業(yè)管理制造和產(chǎn)品生命周期的交叉點(diǎn)，負(fù)責(zé)具體的制造執(zhí)行過程，工單生成和車間任務(wù)分配等。
（3）通信層，通信層是負(fù)責(zé)對(duì)工廠內(nèi)部設(shè)備之間互聯(lián)的重要設(shè)備，主要的硬件設(shè)備包括工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線、交換機(jī)及無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。通信層涉及到眾多通信協(xié)議的整合。
（4）工業(yè)控制層，與西門子的控制層類似，主要由scada、plc和dcs構(gòu)成，還包括人機(jī)交互界面（hmi），實(shí)現(xiàn)對(duì)底層設(shè)備實(shí)施邏輯控制。
（5）設(shè)備執(zhí)行層，主要包括工業(yè)機(jī)器人、智能機(jī)床、伺服系統(tǒng)、泵閥設(shè)備、3d打印、機(jī)器視覺、傳感器等，都是重要的現(xiàn)場執(zhí)行設(shè)備。
在數(shù)字化工廠的五個(gè)層次中，既包括硬件設(shè)備，也包括軟件系統(tǒng)。數(shù)字化工廠的每個(gè)層次都有獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)連接方式、服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫?？梢孕纬瑟?dú)立的感知、決策行動(dòng)，層與層之間的通訊方式也不盡相同。
所以，從數(shù)字化工廠的層次架構(gòu)可以看到，整個(gè)智能化過程中有幾個(gè)非常重要的模塊：（1）工業(yè)軟件模塊，工業(yè)軟件可以涵蓋企業(yè)層的erp到產(chǎn)品設(shè)計(jì)層的plm再到制造執(zhí)行系統(tǒng)mes，甚至是更底層的數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件和控制軟件，將構(gòu)成數(shù)字化工廠強(qiáng)大的軟件系統(tǒng)；（2）工業(yè)通訊模塊，工業(yè)通訊是連接每層的通訊網(wǎng)絡(luò)，是實(shí)現(xiàn)物理世界與虛擬世界的橋梁，是實(shí)現(xiàn)人與人人與機(jī)器設(shè)備之間通信的橋梁，因此也是智能工廠中不可缺少的模塊；（3）執(zhí)行設(shè)備模塊，這個(gè)模塊構(gòu)成復(fù)雜，包括機(jī)器人、智能機(jī)床、泵閥設(shè)備、機(jī)器視覺、3d打印等，結(jié)合到目前的產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀與產(chǎn)業(yè)化需求程度，我們認(rèn)為機(jī)器視覺，作為工業(yè)機(jī)器人的感知功能設(shè)備，未來具備較好的發(fā)展空間，是執(zhí)行設(shè)備模塊中具有發(fā)展?jié)摿Φ哪K。