智能工厂与装备制造业转型升级

　　战略创新的Industry 4. 0 将创造一个CPS 平台。该平台支持工业业务过程的协调,以及用于智能工厂和智能产品生命周期所有方面的相关业务。由这些平台提供的服务和应用,将人员、对象和系统相互连接起来。物联网与服务网示意图如图3 所示。物联网与服务网具有如下特性。

图3　物联网与服务网示意图 

　　① 通过快速和简单的编排服务和应用(包括基于CPS 的软件)提供灵活性;

　　② 按照APP 商店模式分配和部署业务流程;

　　③ 整个业务过程具有综合的、安全可靠的后备;

　　④ 由传感器到用户接口的每个环节都能做到功能安全、信息安全和高度可靠;

　　⑤ 支持移动终端设备;

　　⑥ 支持业务网络上的协同制造、服务以及分析和预测过程。

　　为了实现Industry 4. 0,德国联邦教研部与联邦经济技术部联手,投入高达5 亿欧元支持该计划,由德国人工智能研究中心(DFKI)牵头,西门子公司、菲尼克斯电气公司以及SAP 公司等23 家工业自动化企业参加,组成了“智能工厂创新联盟”。该联盟的目标是研发、演示、应用和分享创新的智能工厂技术,提出融合规划、工程和生产工艺以及相关机电系统的全面解决方案,为智能工厂技术应用于工业生产创造条件。

4 领导制造业市场和领导装备制造业供应商的双战略

　　为了确保德国在制造业市场和装备制造业供应商两个方面的领导地位,Industry 4. 0 采用在制造业布局CPS 以及加速CPS 技术和产品市场化双战略。

　　Industry 4. 0 在战略层面能够创建水平价值网络,在业务流程层面(包括工程)提供跨越整个价值链的端到端集成,同时能够实现垂直集成和网络化制造系统,具体化为以下三方面特征。

　　(1) 水平集成:为了构建和成功地扩展两个主导的市场,位于不同地方的业务部门构成闭合的全局网络是十分必要的,同时不同的企业之间必须开展紧密合作,这就需要不同的价值创建阶段和产品生命周期及其相应的制造系统的逻辑的、端到端的数字集成。在生产、自动化工程和工厂领域,水平集成是指用于制造和业务规划流程不同阶段的各种工厂系统的集成,其中包括在公司内部和几个不同公司之间的集成。该集成的目标是提供端到端的解决方案。

　　(2) 端到端系统工程:跨越整个价值链的端到端系统工程包括产品设计和开发、生产规划、生产工程、生产实施以及服务五个阶段,端到端系统工程图如图4所示。

图4　端到端系统工程图

　　五个阶段的具体任务如下。

　　① 产品设计和开发:使用PLM 软件虚拟开发、规划和最佳化,用虚拟原型有效缩短开发时间,对原型进行虚拟分析。

　　② 生产规划:工业软件和自动化技术集成,用工业软件仿真生产规划并进行最佳化,缩短上市时间。

　　③ 生产工程:在独立系统之间无缝通信,对所有的自动化任务进行统一的访问,建立统一的信息平台。

　　④ 生产实施:采用节能和节约资源的部件及其解决方案提高生产效率,通过MES 系统获得最佳生产性能,采用自动化和驱动集成解决方案。

　　⑤ 服务:在垂直市场和生产过程知识专利基础上,建立与产品、系统以及应用有关的全生命周期服务,远程诊断与维护能源管理服务,自动化系统功能安全和信息安全评估与测试等。

　　端到端系统工程需要采用跨越不同技术学科的性能整体性系统工程方法。贯穿工程流程的端到端数字集成,横跨不同的公司和整个产品价值链,同时考虑用户需求,将数字世界和真实世界进行集成。端到端数字系统工程和由此产生的价值链最优化,将意味着用户不再选择由制造商指定的预先定义了性能范围的产品,取而代之的是将单个功能和部件配合,以满足指定的要求。

　　通过CPS 实现的基于模型的开发,允许采用一种端到端、模型化的数字方法,它包括从用户需求到产品结构,直至最终产品生产。这就使得在一个端到端系统工程工具链中就能识别和描述所有的依赖关系。基于同一模型能够平行地开发制造系统,这就意味着它与产品的开发始终保持并驾齐驱,其结果是使得制造单批量产品亦能获利成为可能。

　　(3) 垂直集成和网络制造系统:垂直集成是指为了能够实现端到端的解决方案,在不同层级(例如执行器和传感器、控制、生产、管理、制造和执行以及公司规划级)的各种工厂系统的集成。垂直集成的基础架构就在一个具体的工厂内。在将来的智能工厂中,制造流程的结构将不再是固定的和预先定义的。取而代之,将定义一套IT 配置规则。该规则依据模型、数据、通信和算法,能够依据各种情况,针对每个处境构建一个特定的结构(拓扑),从而实现制造系统的自组织和重新配置性。为了实现垂直集成,需要确保执行器和传感器信号能够跨越不同层级,一直传送到ERP 级。