基于CPS技術的工業4.0智能工廠

? ? ?在德國工業4.0工作組推薦的一個智能工廠示范點,人們可以看到一個類似科幻的生產制造場景,未來的工人不再是目前大家心目中的身著藍色工衣,手持各種機械工具的形象,他們如同Google公司一些科技達人,穿著T恤,聽著音樂就可以把手頭上的生產制造工作完成了。能夠實現以上場景的未來制造業,可以基于CPS的不斷演進,將在工業4.0體系中得以實現。

未來的智能工廠和工人

圖例:未來的智能工廠和工人

? ? ?威廉.拉佐尼克在《車間的競爭優勢》一書中明確指出了工業制造中車間的重要性,在工廠的現代管理體系中,工廠的現場管理也是重要的部分。因此,本節結合工廠的演變,解讀CPS在未來制造業的重要地位。

? ? ?對于CPS和智能工廠,目前似乎存在很多混淆視聽的說法,一方面學術界為了凸顯CPS的價值,認為CPS可以利用到所有場景下去,另外一方面一些提供信息化解決方案的供應商,認為智能工廠的解決方案就是CPS的解決方案。以上兩種看法都有問題,前者忽視了智能工廠還有其他非CPS系統的存在,后者則縮小了CPS可以幫助制造企業解決問題的范圍。

? ? ?我們可以看一個基于CPS的智能工廠示意圖,在圖中,工廠的CPS占據了一半的面積,但在CPS之外,還有諸如MES、CAD、ERP和PLM等應用系統,嚴格意義上講,這些系統不屬于CPS的一部分,它們是較為獨立的一些系統體系。如果非要把系統包含為一體,或許工業4.0技術體系中的智能工廠才是最好的概念。

基于CPS的智能工廠示意圖

圖例:基于CPS的智能工廠示意圖

? ? ?作為第一次工業革命最大的成就,工廠是其中一個創造,由于有了工廠的存在,才有了工人的產生,生產制造才作為一種產業開始顯現,工業革命才第一次有了核心的地方去不斷創新,不斷提升生產力,一次又一次的提升人類的生產效率。試想如果沒有工廠的存在,第二次工業革命的流水線、第三次工業革命的數控設備等,將成為無本之木、無源之水,是難以在工業發展進程中出現的,也難以在人類生活中產生巨大影響,因此就談不上什么工業革命了。

? ? ?在工業4.0體系中,傳統的工廠將因為應用CPS等技術,成為了智能工廠,這將促使工廠內的生產力大大提升,其生產的柔性也將大大提高,一條生產線可以實現更多的產品型號的生產,從而最終實現大規模個性化生產的目的。因此,CPS在工廠的應用是智能工廠的一部分。

? ? ?當然,在制造企業的研發、制造、運營和營銷等多個環節中,CPS仍然大有所為,例如,CPS還可以利用到供應鏈的管理中,通過原材料工廠的CPS應用,并跟工廠的CPS系統連接起來,可以實現網絡化CPS系統,這就為智能產品的出現奠定了基礎。

? ? ?對于產品來講,其初期的形態是原材料,原材料被工廠采購回來之后,根據將來加工制造的需要,分別要進入不同的生產工廠或流水線,生產制造管理系統將根據生產計劃安排,讓工人或者物料系統把這些生產資料運送到具體的位置。傳統的工廠一般是通過工人根據標簽進行判斷,安排這些生產資料進入相應的生產線去的,這種場景我們很容易在一家汽車生產車間看到。不過,在未來基于CPS的生產制造中,生產資料在進入生產體系之前就賦予了CPS能力,它一個具有智能的生產資料,它會進行自我描述,可以跟同樣賦予了CPS能力的生產線進行對話,生產線可以根據對話的結果,智能化的安排相關生產制造計劃。

基于RFID等技術的生產流水線

圖例:基于RFID等技術的生產流水線

? ? ?按照德國工業4.0體系所設想,智能產品將集成有動態數字存儲器、感知和通信能力,承載著在其整個供應鏈和生命周期中所需的各種必需信息。在這樣的情況下,智能產品具有三個方面的特征:

  • 智能產品是信息的載體,智能產品產品在整個完整的供應鏈和生命周期中都一直帶有自身信息;
  • 智能產品是一個AGENT(中文可以翻譯為代理,人工智能術語),智能產品將會影響其所在環境;
  • 智能產品具有自我監測能力,產品會對其自身狀態和環境進行監測。

? ? ?對于智能產品的第一個特征來講,擁有自我識別和描述的信息,是一個基本要求,同時還可以包含大量的生產或銷售信息,當然,這些信息可以在生產過程中附加上去。例如,對于一個在生產制造流程中的智能產品來講,智能產品自己可以對自己進行描述,例如,“我將在2015年2月10日生產,2015年2月14日出廠,并要求運送到清華大學東門。”

? ? ?在智能產品進入生產制造流程中的時候,該產品還會作為一個代理,對周圍的環境進行感知和產生影響,例如,在生產線上的智能產品可以對智能生產線發出指令,“請握緊我的左邊把柄。”

? ? ?智能產品還可以對自己不斷進行監測,并根據自身狀態和環境做出恰當的反應,例如,已經被某智能生產線加工了10多分鐘的智能產品,可能會發出指令,“我已經被加工10分鐘,請把我傳送到下一個生產線環節。”

? ? ?以上描繪的智能產品具有的三個特征,是CPS賦予產品的功能,這也是CPS應用所產生的價值。在生產制造領域采用CPS,將給產品賦予大量的智能,結合到智能工廠擁有的智能設備、智能流水線和智能管理設備等,智能產品將跟他們產生大量的交互,從而使得智能產品在智能工廠實現所謂智能制造,這就是未來制造業的圖景。

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