智能设备

在未来的智能工厂，每个生产环节清晰可见、高度透明，整个车间有序且高效地运转。“工业4.0”中，自动化设备在原有的控制功能基础上，附加一定新功能，就可以实现产品生命周期管理、安全性、可追踪性与节能性等智能化要求。这些为生产设备添加的新功能是指通过为生产线配置众多传感器，让设备具有感知能力，将所感知的信息通过无线网络传送到云计算数据中心，通过大数据分析决策进一步使得自动化设备具有自律管理的智能功能，从而实现设备智能化。

“工业4.0”中，在生产线、生产设备中配备的传感器，能够实时抓取数据，然后经过无线通信连接互联网，传输数据，对生产本身进行实时的监控。设备传感和控制层的数据与企业信息系统融合形成了信息物理系统（CPS），使得生产大数据传到云计算数据中心进行存储、分析，形成决策并反过来指导设备运转。设备的智能化直接决定了“工业4.0”所要求的智能生产水平。

生产效率是制造企业首先会考虑的问题。在具体生产流程方面，“工业4.0”对企业的意义在于，它能够将各种生产资源，包括生产设备、工厂工人、业务管理系统和生产设施形成一个闭环网络，进而通过物联网和系统服务应用，实现贯穿整个智能产品和系统的价值链网络的横向、纵向的链接和端对端的数字化集成，从而提高生产效率, 最终实现智能工厂。通过智能工厂制造系统在分散价值网络上的横向连接，就可以在产品开发、生产、销售、物流、服务的过程中，借助软件和网络的监测、交流沟通，根据最新情况，灵活、实时地调整生产工艺，而不再是完全遵照几个月或者几年前的计划。

“工业4.0”通过CPS系统将不同设备通过数据交互连接到一起，让工厂内部、外部构成一个整体。而这种“一体化”其实是为了实现生产制造的“分散化”。“工业4.0”中，生产模式将从“由集中式中央控制向分散式增强控制”转变，“分散化”后的生产将变得比流水线的自动化方式更加灵活。

流水线作业的主要特点是：物料通过流水线传送，操作工人在工位上不动，不断地简单重复一个固定的动作。好处是可以避免操作工人在车间内来回走动、更换工具等劳动环节，从而显著地提升工作效率（图5）。

图5 生产生产场景图及演变过程

随着PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器）的出现和普及，自动化技术得到了重大突破。PLC使得一些逻辑关联复杂的操作可以由设备自动完成。同时，数控机床技术的发展，使得零部件能够在机床上按照图纸完成若干复杂的加工工作。此外，采用机械手等工业机器人技术，也使得替代操作工人的简单重复的固定作业成为可能。

所以，在流水线上，经过分解的、由标准化动作组成的操作很容易被自动化的机器来完成。也就是，流水线很容易实现自动化。过去30多年是全球化发展最快的一段时期，发达国家通过产业转移将大量劳动密集型产业转移到劳动力成本较低的发展中国家。对于大量劳动密集型产业来说，自动化水平较高的流水线的综合成本往往要高于自动化水平较低的生产线。

但是，自动化流水线也有其弊端。不能灵活地生产，不能满足个性化定制，而且重复性低、相对复杂、感知能力要求强的操作更适合人工来做。

更好地满足个性化需求，提高生产线的柔性是制造业长期追求的目标。

“工业4.0”报告中描述的动态配置的生产方式主要是指从事作业的机器人（工作站）能够通过网络实时访问所有有关信息，并根据信息内容，自主切换生产方式以及更换生产材料，从而调整成为最匹配模式的生产作业。动态配置的生产方式能够实现为每个客户、每个产品进行不同的设计、零部件构成、产品订单、生产计划、生产制造、物流配送，杜绝整个链条中的浪费环节。与传统生产方式不同，动态配置的生产方式在生产之前，或者生产过程中，都能够随时变更最初的设计方案。

例如，目前的汽车生产主要是按照事先设计好的工艺流程进行的生产线生产方式。尽管也存在一些混流生产方式，但是生产过程中，一定要在由众多机械组成的生产线上进行，所以不会实现产品设计的多样化。管理这些生产线的MES（制造执行管理系统）原本应该带给生产线更多的灵活性，但是受到构成生产线的众多机械的硬件制约，无法发挥出更多的功能，作用极为有限（图6）。

图6 传统汽车生产中严格按照顺序的生产流程

同时，在不同生产线上操作的工人分布于各个车间，他们都不会掌握整个生产流程，所以也只能发挥出在某项固定工作上的作用。这样一来，很难实时满足客户的需求。

“工业4.0”描绘的智能工厂中，固定的生产线概念消失了，采取了可以动态、有机地重新构成的模块化生产方式。

例如，生产模块可以视为一个“信息物理系统”，正在进行装配的汽车能够自律在生产模块间穿梭，接受所需的装配作业。其中，如果生产、零部件供给环节出现瓶颈，能够及时调度其他车型的生产资源或者零部件，继续进行生产。也就是，为每个车型自律性选择适合的生产模块，进行动态的装配作业。在这种动态配置的生产方式下，可以发挥出MES原本的综合管理功能，能够动态管理设计、装配、测试等整个生产流程，既保证了生产设备的运转效率，又可以使生产种类实现多样化（图7）。

图7 动态配置的生产流程

智能物料

“工业4.0”时代，在智能工厂中，CRM（Customer Relationship Management,客户关系管理）、PDM（Product Data Management，产品数据管理）、SCM（Supply chain management，供应链管理）等软件管理系统可能都将互联。届时，接到顾客订单后的一瞬间，工厂就会立即自动地向原材料或零部件供应商采购原材料或零部件。

原材料或零部件到货后，将被赋予数据，“这是给某某客户生产的某某产品的某某工艺中的原材料或零部件”，使“原材料或零部件”带有信息。带有信息的原材料或零部件也就意味着拥有自己的用途或目的地，成为了“智能物料”。如果，在生产过程中，当原材料或零部件一旦被错误配送到其他生产线，它就会通过与生产设备开展“对话”，返回属于自己的正确的生产线；如果，生产机器之间的原材料不够用，同样，生产机器也可以向订单系统进行“交涉”，来增加原材料或零部件数量（图8）。

图8 带有二维码的智能物料（作者拍摄于索菲亚家具定制工厂）

最终，即便是原材料或零部件嵌入到产品内之后，由于它还保存着路径流程信息，将会很容易实现追踪溯源（图9）。

图9 带有二维码的智能零部件

据媒体报道，SAP全球高级副总裁、全球研发网络总裁柯曼先生在2014中国信息产业经济年会上做了主题为“SAP中国的工业4.0和物联网之道”的演讲。柯曼认为，在“工业4.0”里，所有的事情都变得数字化了。

每个产品都有自己独立的ID，企业可以突破地理空间的限制，实现远程操作与服务。建立在大数据预测的基础上，企业能够根据预测结果，为客户量身提供更为延后或者提前的服务，进一步降低风险和成本。在生产的过程中，企业也能够实现更好的能源管理和弹性生产。

智能产品

越来越多的事实表明，信息技术特别是互联网技术的发展和应用正以前所未有的广度和深度，加快推进制造业生产方式、制造模式的深刻变革。随之而来的是，产品本身属性的变化（图10）。

图10 产品的智能化

当前的汽车或许不再是一个“机械”，是一个由传感器、天线、接收器、显示仪等等众多的电子零部件组成的“电子产品”（图11）。