引言：自德國(guó)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(guó)制造業(yè)正在將工業(yè)4.0從愿景變成現(xiàn)實(shí)。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(méi)有做好迎接“工業(yè)4.0”生產(chǎn)力的準(zhǔn)備呢?
德國(guó)政府對(duì)“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(guó)教育與研究部、德國(guó)經(jīng)濟(jì)與技術(shù)部、德國(guó)國(guó)家科學(xué)與工程院、德國(guó)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(jì)劃和項(xiàng)目;德國(guó)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(shì)和設(shè)施為智能制造發(fā)展提供關(guān)鍵的知識(shí)儲(chǔ)備、試驗(yàn)環(huán)境和合作平臺(tái);“工業(yè)4.0”平臺(tái)、“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(huì)是智能制造概念探索和技術(shù)聯(lián)合的有力推動(dòng)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(shí)，推向了世界。
“工業(yè)4.0——從愿景到現(xiàn)實(shí)”項(xiàng)目生產(chǎn)線示意
一、工業(yè)4.0——從愿景到現(xiàn)實(shí)
工業(yè)4.0 是“智慧工廠”計(jì)劃的演示驗(yàn)證項(xiàng)目，通過(guò)10家合作企業(yè)的共同努力，所開(kāi)發(fā)的創(chuàng)新生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)了工業(yè)4.0關(guān)鍵方面的實(shí)際應(yīng)用。該項(xiàng)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(wú)直接連接(包括機(jī)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(dú)立的拓?fù)渫茖?dǎo)的鄰近區(qū)域自動(dòng)探查;面向真實(shí)插入并生產(chǎn)的熱插拔能力。
——基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)主干網(wǎng)由復(fù)雜基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)開(kāi)關(guān)組成;主干網(wǎng)中面向模塊防護(hù)的安全組件;完整的能耗建檔與可視化表達(dá);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(shí)”項(xiàng)目示意
思科公司利用工廠連接架構(gòu)將IT系統(tǒng)和運(yùn)行技術(shù)系統(tǒng)會(huì)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(gè)端到端架構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)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(yùn)行時(shí)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(jī)用銑床給名片夾底座進(jìn)行雕刻。作為賽博物理系統(tǒng)的初級(jí)階段，雕刻機(jī)的料臺(tái)模塊配備了小巧的控制器和以太網(wǎng)接口，實(shí)現(xiàn)全部功能并能自我診斷。在加工中，智能夾持模塊通過(guò)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(jìn)行，一個(gè)綜合服務(wù)器保證不同模塊間的無(wú)問(wèn)題交互，工廠拓?fù)?、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(guò)機(jī)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(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(hào)，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(dòng)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(shí)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(jìn)行產(chǎn)品終檢，并且完成名片夾的試運(yùn)行。質(zhì)量控制的結(jié)果存儲(chǔ)在產(chǎn)品RFID標(biāo)簽中，雙軸的拾取單元負(fù)責(zé)分開(kāi)次品。模塊通過(guò)與工業(yè)以太網(wǎng)的完全聯(lián)網(wǎng)實(shí)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(tái)高度可以電動(dòng)調(diào)節(jié)，名片夾在這里使用基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)完成組裝。生產(chǎn)工藝更加高效的同時(shí)，人員也需要提升生產(chǎn)率，這個(gè)工作臺(tái)通過(guò)更大的柔性實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。
連接以太網(wǎng)的人工工作臺(tái)
鳳凰CONTACT公司的激光標(biāo)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(guò)RFID讀取和更新。
proALPHA公司提供了ERP系統(tǒng)，基于一個(gè)服務(wù)導(dǎo)向的集成平臺(tái)，它確保子系統(tǒng)間實(shí)現(xiàn)縱向與橫向集成。隨著工業(yè)4.0的實(shí)施，物聯(lián)網(wǎng)來(lái)到工廠，它被表征為ERP系統(tǒng)縱向集成進(jìn)生產(chǎn)，以及不同系統(tǒng)的橫向、跨制造商聯(lián)網(wǎng)。未來(lái)，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(jì)劃的重要項(xiàng)目。
博世Rexroth公司的夾子安裝模塊通過(guò)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(guò)開(kāi)放內(nèi)核工程，模塊的開(kāi)放控制還能執(zhí)行高級(jí)程序語(yǔ)言創(chuàng)建的功能，滿足所有功能安全要求。分散式智能、開(kāi)放式接口以及IT與自動(dòng)化世界的連接，使得該模塊能輕易集成到每個(gè)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(duì)賽博物理生產(chǎn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，以及信息和數(shù)據(jù)在開(kāi)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(gè)生產(chǎn)模塊獨(dú)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?jǐn)?shù)據(jù)向所有決策者提供，用于特定問(wèn)題仿真的具體模型可以在任何時(shí)間得到。在未來(lái)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(yùn)行的設(shè)計(jì)和構(gòu)建開(kāi)發(fā)相應(yīng)的軟件工具。
項(xiàng)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(jì)劃的演示驗(yàn)證項(xiàng)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(gè)范本：智能產(chǎn)品，通信機(jī)床(即智能機(jī)床)，輔助操作員(即增強(qiáng)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(kuò)展成制造系統(tǒng)的一個(gè)能動(dòng)部分，產(chǎn)品接收記憶，任務(wù)和生產(chǎn)要求在其中儲(chǔ)存，產(chǎn)品自身能夠控制其生產(chǎn)。
——智能機(jī)床。智能機(jī)床的范本描述的是機(jī)床成為賽博物理系統(tǒng)的過(guò)程，即帶有本機(jī)控制智能的自動(dòng)化組件，通過(guò)開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)和語(yǔ)義描述，與其它機(jī)床、生產(chǎn)線和產(chǎn)品進(jìn)行通信。
——增強(qiáng)的操作員。增強(qiáng)的操作員的核心目標(biāo)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(guò)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(shí)世界，即增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)。
2013年，德國(guó)人工智能研究中心在漢諾威演示驗(yàn)證了這個(gè)試驗(yàn)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(dòng)裝配站、人工工作臺(tái)組成，柔性地夾持、機(jī)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(gè)內(nèi)嵌控制器，在新生產(chǎn)指令通過(guò)運(yùn)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(gè)壽命周期中，產(chǎn)品自身的語(yǔ)義記憶中攜帶著這些信息。數(shù)字產(chǎn)品記憶通過(guò)附在外殼蓋內(nèi)側(cè)的RFID芯片實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)類型使用了對(duì)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(dòng)化組件(如機(jī)器人、機(jī)床控制單元)之間發(fā)生信息交換，通過(guò)與服務(wù)器和通用互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的縱向與橫向集成，實(shí)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(jī)器人成為倉(cāng)儲(chǔ)、銑床和自動(dòng)裝配之間的連接器，在生產(chǎn)各步驟之間，生產(chǎn)的當(dāng)前狀態(tài)總是通過(guò)RFID讀/寫模塊在產(chǎn)品記憶中進(jìn)行注冊(cè)和更新。加工完成后，內(nèi)嵌控制器等待裝配站的批準(zhǔn)，之后機(jī)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(guò)工業(yè)計(jì)算機(jī)控制，根據(jù)用戶要求對(duì)產(chǎn)品外殼蓋進(jìn)行個(gè)性雕刻，機(jī)床的裝載通過(guò)機(jī)器人全自動(dòng)完成。外殼蓋放置在工件卡盤上后，氣動(dòng)臺(tái)式虎鉗自動(dòng)閉合，然后加工開(kāi)始?；谕鈬に嚳刂聘拍睿娤鞴に嚨纳a(chǎn)數(shù)據(jù)由產(chǎn)品RFID標(biāo)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(jī)床子程序動(dòng)態(tài)編排為序列化程序。精加工后，機(jī)器人取走外殼蓋。
(三)自動(dòng)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(chǔ)數(shù)據(jù)選擇。自動(dòng)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(gè)智能產(chǎn)品托架作為實(shí)現(xiàn)CPS的原型進(jìn)行演示，它不僅負(fù)責(zé)裝配單元的物料流，它還通過(guò)嵌入式傳感器技術(shù)、本機(jī)決策智能以及與生產(chǎn)控制的無(wú)線通信，主動(dòng)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(shí)優(yōu)化)?；诜?wù)導(dǎo)向架構(gòu)和嵌入式系統(tǒng)，自動(dòng)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(guò)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(guò)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)請(qǐng)求控制自適應(yīng)生產(chǎn)工藝。其中一個(gè)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(dòng)識(shí)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(cè)量和可視化概念是另一個(gè)項(xiàng)目“由環(huán)境激活的機(jī)-機(jī)通信實(shí)現(xiàn)資源節(jié)約”(RES-COM)的成果。
(四)人工工作臺(tái)
人工工作臺(tái)完成組裝工藝，還能進(jìn)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(guò)使用可視化技術(shù)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，單一指令變?yōu)?D動(dòng)畫進(jìn)入現(xiàn)實(shí)工作環(huán)境，復(fù)雜的組裝工藝可以易于理解的方式進(jìn)行解釋。為了描述虛擬裝配指導(dǎo)，開(kāi)發(fā)了智能文檔格式，特別適合賽博物理系統(tǒng)。通過(guò)它，工藝信息可以直接從產(chǎn)品RFID標(biāo)簽檢索到，用于高效支持工人操作。
三、結(jié)束語(yǔ)
兩個(gè)項(xiàng)目從一個(gè)小名片夾和小卡片入手，演示了“工業(yè)4.0”的三個(gè)范本——“智能產(chǎn)品，智能機(jī)床，增強(qiáng)的操作員”。智能產(chǎn)品，利用存儲(chǔ)和接收的數(shù)字記憶，它自己就能控制產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程，并且串起了全壽命周期的產(chǎn)品狀態(tài)信息。(當(dāng)然，這是有局限的，比如會(huì)改變工件外形的冷熱加工就不一定適用)智能機(jī)床，內(nèi)置外形自適應(yīng)加工模塊、原位動(dòng)態(tài)建模仿真能力，能夠自動(dòng)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(jī)床來(lái)實(shí)現(xiàn))。增強(qiáng)的操作員，則體現(xiàn)了其以人為本理念，充分調(diào)動(dòng)其主觀能動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化與高效化的結(jié)合(至少不是無(wú)人化工廠的奇葩概念)。
上機(jī)器人就是智能化，增材制造就是智能制造，這樣的錯(cuò)誤觀念曾經(jīng)很有市場(chǎng)。我們還是要搞清楚目的目標(biāo)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(dòng)化，全都用機(jī)器代替人了值不值得?搞信息化，管理流程理不順會(huì)不會(huì)反倒出現(xiàn)了新瓶頸?搞數(shù)字化，全壽命周期所有過(guò)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(dá)到了一定水平了么?當(dāng)前挑戰(zhàn)和未來(lái)需求是不是別無(wú)他法解決了?只是技術(shù)原因而沒(méi)有管理問(wèn)題?也許這才是我們面對(duì)新工業(yè)革命更應(yīng)該關(guān)注的問(wèn)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(méi)有做好迎接“工業(yè)4.0”生產(chǎn)力的準(zhǔn)備呢?(作者：劉亞威)
（轉(zhuǎn)載）
