現(xiàn)代工業(yè)的多次變革，是世界格局變化和社會進步背后的重要驅(qū)動力。伴隨著工業(yè)技術(shù)和信息技術(shù)的進步，工業(yè)4.0時代對智慧工廠的愿景終將照進現(xiàn)實。
從1.0 到 4.0，工業(yè)的前世今生
2011年的漢諾威工業(yè)博覽會上，德國率先提出了工業(yè)4.0的概念，就此拉開了下一代工業(yè)升級的大幕。如何利用機器人、大數(shù)據(jù)、人工智能等先進技術(shù)，帶動工業(yè)升級，成了各國關(guān)注的焦點。
在工業(yè)4.0的愿景中里，包含了我們對未來工廠的眾多期待：能預(yù)先檢測故障，主動維修的機器;無需工人操作，在高危環(huán)境中完成任務(wù)的重型機械;能識別物料、自主協(xié)作的機器人……這些有望在未來，成為智慧工廠中的現(xiàn)實。
工業(yè)4.0到底是什么?智慧工廠和工業(yè)4.0的關(guān)系是怎樣的?如果想要看懂這些概念，我們首先需要理解此前的幾次工業(yè)革命對行業(yè)帶來了怎樣的變化。
回顧歷史，工業(yè)歷經(jīng)了三次重大的變革：
?機械化：以蒸汽機發(fā)明為代表，機械逐步取代人力勞動。工廠也逐漸取代了傳統(tǒng)的手工作坊，成為新的制造模式。
?電氣化：發(fā)電機和內(nèi)燃機的出現(xiàn)，推動工業(yè)進入電氣時代。流水線系統(tǒng)的發(fā)明，讓大規(guī)模生產(chǎn)模式開始普及，使得汽車、冰箱等產(chǎn)品走進普通人的生活中。
?數(shù)字化：電子技術(shù)和IT技術(shù)的發(fā)展浪潮下，催生了RTU、PLC等現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備。使得工業(yè)流程更加自動化、數(shù)字化。
工業(yè)4.0的目標是，將前兩次工業(yè)革命中發(fā)展完善的“工業(yè)系統(tǒng)”和第三次工業(yè)革命中出現(xiàn)的“信息系統(tǒng)”融合，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動的方式，推動工業(yè)效率和產(chǎn)能的進一步提升。
智慧工廠的多層架構(gòu)
近年來，“智慧工廠”和“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”等概念受到了更廣泛的關(guān)注。工業(yè)4.0中描述的眾多應(yīng)用，包括預(yù)測性維護、柔性生產(chǎn)、全球協(xié)同設(shè)計等等，也逐漸的傳播開來。
為了更好的理解這些工業(yè)應(yīng)用的潛在商業(yè)價值和實施難度，我們需要首先對工廠的環(huán)境和架構(gòu)有更清晰的認識。從工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的角度來分析，工廠可以簡單分為以下幾個層次：
來源：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)白皮書 (2017)
邊緣層
邊緣層是整套工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中，最接近工廠現(xiàn)場的層面。邊緣層代表的是位于生產(chǎn)現(xiàn)場的物理層，這其中包括了數(shù)控機床、機器人等制造設(shè)備;傳感器、可編程控制器(PLC)等感知和工控設(shè)備;以及物料、人員等生產(chǎn)過程中不可或缺的元素。
邊緣層的眾多設(shè)備，是工業(yè)數(shù)據(jù)的源頭。在理想情況下，設(shè)備和傳感器收集到的海量實時數(shù)據(jù)，可以幫助企業(yè)實現(xiàn)生產(chǎn)工藝、物流、故障維修等多方面的提升。
但在現(xiàn)實中，中國大多數(shù)工廠的數(shù)字化水平十分有限。工廠的老舊設(shè)備并不具備全面的數(shù)據(jù)采集能力，也缺乏支持數(shù)據(jù)互聯(lián)互通的通信模組。這對需要數(shù)據(jù)驅(qū)動的眾多應(yīng)用，帶來了較大的挑戰(zhàn)。
如何通過加裝傳感器和物聯(lián)網(wǎng)通信模組的手段，對現(xiàn)有工廠進行改造，是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中的重要環(huán)節(jié)。
網(wǎng)絡(luò)層
在工廠環(huán)境中，眾多設(shè)備之間的互通互聯(lián)往往是通過有線(工廠以太網(wǎng))和無線(LoRA、NB-IOT、4G / 5G等)手段實現(xiàn)的。
工廠中的各種應(yīng)用場景，對數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?、時延和可靠度等方面提出了不同需求;比如工業(yè)AR (高帶寬，低時延)和機器控制(高可靠性、低時延)等等。為了滿足這些多元化的通信需求，工廠需要結(jié)合多種通信手段。
來源：5G Americas
上面所描述的數(shù)據(jù)互通互聯(lián)，更多是對于OT網(wǎng)絡(luò)的升級改造。智慧工廠應(yīng)用的實施，更需要打通工廠OT和IT網(wǎng)絡(luò)間的間隔，實現(xiàn)工廠中調(diào)度 - 生產(chǎn) - 維修等多環(huán)節(jié)的整體調(diào)控。
平臺層 & 應(yīng)用層
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺 (PaaS)是智慧工廠的核心。PaaS 平臺集成了工廠設(shè)備連接、計算資源調(diào)度等諸多功能。為搭建眾多工業(yè)APP的開發(fā)提供了有效的支撐。
在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的平臺上，垂直行業(yè)企業(yè)可以將自己對制造流程、工業(yè)機理的深入理解，總結(jié)開發(fā)成模塊化的應(yīng)用，以服務(wù)不同細分行業(yè)的獨特需求(刀具管理、產(chǎn)品缺陷檢測、能耗管理等)。工業(yè)應(yīng)用的開發(fā)者可以通過知識 & 技術(shù)輸出的方式，即拓寬了自身盈利的模式，也間接推動了行業(yè)升級的步伐。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺能夠創(chuàng)造的潛在價值是不容忽視的。但我們更需要意識到，對工廠自動化 & 數(shù)字化改造，是實現(xiàn)眾多先進工業(yè)應(yīng)用的基本條件。這對中小型工廠主來說，或許不是最具吸引力的建議。改造所需的前期投入和難以量化的潛在回報，難以說服眾多工廠進行大刀闊斧的改革。這對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系在行業(yè)中的推廣，帶來了一定的挑戰(zhàn)。
下文里，我們將簡單介紹智慧工廠中幾個應(yīng)用場景，希望能幫助大家對智慧工廠帶來的潛在價值有更清晰的認知。
設(shè)備維護對工業(yè)的重要性
在實際工業(yè)環(huán)境中，設(shè)備故障的發(fā)生遠比我們想像的更加難以預(yù)料。
在現(xiàn)代的工業(yè)體系中，生產(chǎn)線上的設(shè)備緊密協(xié)作。單個設(shè)備的突發(fā)故障，可能會導(dǎo)致整條生產(chǎn)線暫停運行。產(chǎn)線停機帶來的經(jīng)濟損失是巨大的。
以汽車行業(yè)為例，停產(chǎn)的每分鐘的經(jīng)濟損失即可達到上萬美金。同時，設(shè)備故障帶來的潛在安全隱患，也是工廠關(guān)注的重點。
因此，對工業(yè)設(shè)備的有效維護，是保證工廠穩(wěn)定運行的基礎(chǔ) 。傳統(tǒng)的維修方式，主要包括在設(shè)備故障之后進行的被動型維修，以及固定周期的預(yù)防性維修。
被動型維護，代表只有在設(shè)備出現(xiàn)故障后才會維護。這個模式的優(yōu)勢是實現(xiàn)了設(shè)備壽命的最大化;但同時，設(shè)備故障前的準確度極大降低。設(shè)備故障的不確定性，也會導(dǎo)致工廠長期處于“救火”狀態(tài)，變相增加了維護成本。
預(yù)防性維護是指對設(shè)備進行周期性的檢查和保養(yǎng)。預(yù)防性維護能夠有效的降低突發(fā)故障的幾率，但也提高了設(shè)備維護的成本。這對低利潤高成本的傳統(tǒng)工業(yè)來說，會帶來較大負擔(dān)。
預(yù)測性維護的概念其實很容易理解：如果工廠能夠有效的預(yù)測出設(shè)備將在何時出現(xiàn)故障，就可以提前安排對設(shè)備的檢修和替換，有效減少故障帶來的損失。
上圖清晰的展示三種不同維護模式的區(qū)別
數(shù)據(jù)驅(qū)動，防患于未然
預(yù)測性維護的概念本身，早在上世紀90年代已被提出。由于當(dāng)時傳感技術(shù)和計算能力的局限，無法被廣泛的應(yīng)用到工業(yè)場景中。在傳感設(shè)備種類逐漸豐富、通信和計算能力日漸成熟的當(dāng)今，預(yù)測性維護的實用價值正逐漸被更多的行業(yè)所接受。
預(yù)測性維護的核心，是構(gòu)建一套可以有效判斷設(shè)備運行狀況的數(shù)據(jù)模型，對不同種類的故障進行有效的預(yù)判。在構(gòu)建預(yù)測模型的過程中，需要大量真實數(shù)據(jù)的支持。這包括傳感設(shè)備采集的實際運行數(shù)據(jù)以及故障案例的歷史數(shù)據(jù)。
我們需要意識到，工業(yè)設(shè)備歷經(jīng)了數(shù)十年的打磨迭代，設(shè)備損壞的概率遠低于設(shè)備正常的概率。如果預(yù)測性維護的模型無法準確預(yù)測故障，產(chǎn)生了大量無效的警告消息，反而會對工廠增加額外的維護負擔(dān)。
預(yù)測性維護的實施，對工廠的數(shù)據(jù)采集、互聯(lián)互通有較高的要求。針對收集的多種傳感數(shù)據(jù)進行分析、建模，也是傳統(tǒng)工業(yè)所欠缺的技能。這也是未來工業(yè)升級需要克服的挑戰(zhàn)。
預(yù)測性維護——說起來容易，做起來難
來源：NASA
預(yù)測性維護在行業(yè)中的應(yīng)用
預(yù)測性維護的概念并非紙上談兵。垂直領(lǐng)域的龍頭企業(yè)們，已經(jīng)將預(yù)測性維護應(yīng)用到了實際運營中。
航空行業(yè)是預(yù)測性維護最早獲得實際應(yīng)用的行業(yè)之一。作為現(xiàn)代工業(yè)制造的重要成就之一，飛機的制造流程極為復(fù)雜，需要對上百萬個零件完成組裝調(diào)試。因此，對飛機的合理檢修，也需要具有專業(yè)的維修服務(wù)供應(yīng)商提供服務(wù)。
新一代的飛機上，配備了大量數(shù)字化設(shè)備，能夠采集在飛行過程中產(chǎn)生的大量設(shè)備信息。如何充分利用新一代飛機所產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，讓這些數(shù)據(jù)帶來更高的運營效率，是航空公司和航空運維公司關(guān)注的重要課題。
飛機制造商(OEM)在飛機維護領(lǐng)域占據(jù)著領(lǐng)先優(yōu)勢。他們對于飛機各組件的工作原理和潛在出現(xiàn)故障的原因，有著先天的優(yōu)勢。
以波音為例，公司的Airplane Health Management (AHM)系統(tǒng)目前已為全球超過2000架飛機提供服務(wù)。通過在飛機上部署的大量傳感設(shè)備，波音可以實時檢測飛機出現(xiàn)的故障和潛在隱患，幫助航空公司預(yù)先安排檢修和零部件更換等事項。通過數(shù)字化的手段，波音將飛機的平均運營時長提高了35%，為航空公司帶來了效率和營收上的提升。作為能源行業(yè)的巨頭之一，雪佛龍(Chevron)也在預(yù)測性維護上做出了積極地嘗試。
2017年，公司宣布與微軟和傳感器制造商艾默生展開合作，通過數(shù)字化的手段幫助自身實現(xiàn)數(shù)字化的改造。公司預(yù)計在2024年前，實現(xiàn)對公司在100多個國家的工廠的數(shù)字化改造。
其中的典型應(yīng)用，就是對工廠中換熱器的預(yù)測性維護。雪佛龍在全球的工廠中擁有超過5000個換熱器，是石油生產(chǎn)過程中的重要設(shè)備之一。
來源：Microsoft Azure 2018
在雪佛龍工廠內(nèi)的換熱器上，僅裝有兩個溫度傳感器，可以對冷卻劑和原油的溫度進行測量，但難以對換熱器的使用實現(xiàn)全周期的監(jiān)控。通過在設(shè)備上加裝額外的傳感設(shè)備，工廠實現(xiàn)了這一目標。依靠大量設(shè)備數(shù)據(jù)的支持，雪佛龍的維修團隊可以更好的監(jiān)控設(shè)備工作狀態(tài)，并有效判斷設(shè)備是否需要替換和維護。
新時代的新制造
在傳統(tǒng)制造業(yè)中，我們所熟知的流水線體系屬于剛性生產(chǎn)。通過對生產(chǎn)設(shè)備和制造流程的高度標準化，流水線系統(tǒng)可以在保持質(zhì)量的同時，實現(xiàn)對單一產(chǎn)品的大批量生產(chǎn)。
伴隨著經(jīng)濟的發(fā)展，市場已經(jīng)逐漸從賣方市場轉(zhuǎn)向由消費者主導(dǎo)。消費者對于產(chǎn)品定制化的要求更加多樣化。按需生產(chǎn)，這對傳統(tǒng)的大批量生產(chǎn)模式帶來了挑戰(zhàn)。
柔性生產(chǎn)，與剛性生產(chǎn)相對應(yīng)，是為了滿足定制化需求而產(chǎn)生的新型制造模式。其中的柔性可以體現(xiàn)在制造場景中的不同方面，其中包括：
?加工柔性化：根據(jù)多元化的產(chǎn)品要求，靈活的采用不同的制造工藝和手段進行加工。
?物料柔性化：和現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備協(xié)同，根據(jù)不同的制造需求，提前安排原材料的調(diào)配和運送。
?排產(chǎn)柔性化: 在物理層面的協(xié)同之外，柔性生產(chǎn)的生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)(MES)需要整合大量訂單信息，制定最合適的生產(chǎn)方案，實現(xiàn)制造資源的最優(yōu)分配。
柔性生產(chǎn)對離散型制造業(yè)帶來的變革
產(chǎn)品同質(zhì)化，競爭激烈是眾多離散型工業(yè)面臨的普遍挑戰(zhàn)。以服裝和家電行業(yè)為例，消費者是否買單，是決定一款產(chǎn)品成敗的關(guān)鍵。在傳統(tǒng)的大規(guī)模制造模式下，廠家依靠大量市場調(diào)研和歷史經(jīng)驗來主導(dǎo)產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計。希望最終生產(chǎn)出來的產(chǎn)品，能夠符合當(dāng)前消費者的喜好。
這種模式的弊端顯而易見：企業(yè)在承擔(dān)了大量前期調(diào)研、開發(fā)成本之外，還需要面臨對市場判斷錯誤帶來的產(chǎn)品滯銷等風(fēng)險。這對眾多制造企業(yè)的盈利和可持續(xù)發(fā)展能力帶來了阻礙。
通過柔性生產(chǎn)，制造企業(yè)可以對用戶的定制化需求實現(xiàn)即時的反饋，促使傳統(tǒng)的大規(guī)模制造模式轉(zhuǎn)向消費者參與其中的C2M模式。
在中國的家電企業(yè)中，海爾已經(jīng)在眾多工廠中實現(xiàn)了柔性生產(chǎn)。用戶可以通過海爾的官網(wǎng)，對自己想要訂購的冰箱、空調(diào)進行定制化。海爾的柔性制造平臺，將會根據(jù)用戶的需求，合理安排工廠內(nèi)的物料配送以及組裝工作，確保定制產(chǎn)品能在合理的時間內(nèi)完成組裝。
服裝業(yè)對柔性生產(chǎn)的需求同樣緊迫。伴隨著人力成本的上漲，廠商的大批量訂單已經(jīng)逐漸轉(zhuǎn)移到了成本更低的東南亞市場。只有實現(xiàn)柔性的生產(chǎn)模式，服裝廠商才能更好地抓住剩余的“多種類小批量”的訂單市場。這意味著，傳統(tǒng)的服裝制造商要對自身的采購、生產(chǎn)和物流等環(huán)節(jié)進行深度的改造。
通過柔性生產(chǎn)，制造廠商可以對用戶的需求有更清晰的認知，按需生產(chǎn)用戶想要的定制化產(chǎn)品。這樣創(chuàng)新的模式有效節(jié)省了前期研發(fā)成本，也減少了存貨積壓的潛在風(fēng)險。
我們距離智慧工廠還有多遠?
智慧工廠的發(fā)展，需要建立在工廠實現(xiàn)信息化、自動化的基礎(chǔ)上。只有在工廠內(nèi)數(shù)據(jù)互通和對設(shè)備的精準控制后，才有可能將智慧工廠的應(yīng)用付諸實施。
中國傳統(tǒng)工業(yè)規(guī)模龐大。但整體信息化、自動化水平仍落后于德美等制造業(yè)強國。多數(shù)企業(yè)仍處于從工業(yè)2.0-3.0轉(zhuǎn)型的階段，距離智慧工廠的要求仍有較大的差距。
伴隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成熟，中國工業(yè)有望完成對現(xiàn)有的工廠網(wǎng)絡(luò)改造，實現(xiàn)廠內(nèi)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通。此外，自動化設(shè)備和工控系統(tǒng)的普及，也會加強工廠對生產(chǎn)制造流程的控制維度和精度。
我們期待在不久的將來，共同迎接智慧工廠的來臨。
數(shù)字化要一盤棋更要各自為戰(zhàn)
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