構(gòu)建智能工廠的關(guān)鍵要素與技術(shù)挑戰(zhàn)

智能工廠是以工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，利用傳感、自動(dòng)化、數(shù)據(jù)傳輸、大數(shù)據(jù)分析及人工智能等技術(shù)，通過(guò)彼此信息的交換、自行組織，可使整個(gè)價(jià)值鏈中的流程實(shí)現(xiàn)互聯(lián)和自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)工廠的辦公、供應(yīng)鏈管理、工廠間協(xié)調(diào)及生產(chǎn)自動(dòng)化等目標(biāo)，整個(gè)生產(chǎn)將變得更加高效、敏捷，人與機(jī)器可以全新的方式建立聯(lián)系。

在中國(guó)制造全面升級(jí)改造的國(guó)家大戰(zhàn)略中，智能工廠是提升工業(yè)生產(chǎn)水平，改進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)效率的必然選擇，無(wú)論是對(duì)傳統(tǒng)單一工廠，還是全球化的多工廠體系，智能工廠將是適應(yīng)全球智能制造和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的必然要求。未來(lái)將致力于在其全球各地的工廠組成一個(gè)虛擬化的 “智能工廠”：在不同的工廠之間交換工藝信息，持續(xù)優(yōu)化生產(chǎn)，并通過(guò)對(duì)產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)時(shí)進(jìn)行優(yōu)化，從而允許生產(chǎn)商自動(dòng)根據(jù)客戶(hù)要求進(jìn)行更改，或是對(duì)原材料供貨發(fā)生變化等作出反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)龐大的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的各種技術(shù)指標(biāo)。

圖1 麥肯錫2025物聯(lián)網(wǎng)價(jià)值預(yù)估報(bào)告（單位萬(wàn)億美元）

麥肯錫全球研究院最新預(yù)測(cè)，到2025年智能工廠帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)影響價(jià)值將達(dá)每年1.2萬(wàn)億美元至3.7萬(wàn)億美元。埃森哲聯(lián)合Frontier Economics，預(yù)估了智能工廠和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)對(duì)中國(guó)12個(gè)產(chǎn)業(yè)的累計(jì)GDP影響，在中國(guó)當(dāng)前政策和投資趨勢(shì)的助推下，未來(lái)15年，僅在制造業(yè)，智能工廠和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)就可創(chuàng)造1960億美元的累計(jì)GDP增長(zhǎng)，如果進(jìn)一步擴(kuò)大物聯(lián)網(wǎng)的影響，各行業(yè)還將創(chuàng)造出更大價(jià)值。以制造業(yè)為例，物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)價(jià)值將從1960億美元躍升至7360億美元，增加276%。

技術(shù)革新與全新挑戰(zhàn)

智能工廠是實(shí)現(xiàn)智能制造的重要載體，主要通過(guò)構(gòu)建智能化生產(chǎn)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)化分布生產(chǎn)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的智能化。智能工廠已經(jīng)具有了自主能力，可采集、分析、判斷、規(guī)劃；通過(guò)整體可視技術(shù)進(jìn)行推理預(yù)測(cè)，利用仿真及多媒體技術(shù)，將實(shí)境擴(kuò)增展示設(shè)計(jì)與制造過(guò)程。系統(tǒng)中各組成部分可自行組成最佳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具備協(xié)調(diào)、重組及擴(kuò)充特性。已系統(tǒng)具備了自我學(xué)習(xí)、自行維護(hù)能力。

智能工廠代表了高度互聯(lián)和智能化的數(shù)字時(shí)代，工廠的智能化通過(guò)互聯(lián)互通、數(shù)字化、大數(shù)據(jù)、智能裝備與智能供應(yīng)鏈五大關(guān)鍵領(lǐng)域得以體現(xiàn)，典型智能工廠包括生產(chǎn)設(shè)備互聯(lián)、物品識(shí)別定位、能耗自動(dòng)檢測(cè)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、產(chǎn)品遠(yuǎn)程運(yùn)維、配件產(chǎn)品追溯、生產(chǎn)業(yè)績(jī)考核以及工廠環(huán)境監(jiān)測(cè)等目前存在的實(shí)際應(yīng)用。目前智能工廠相比于傳統(tǒng)工業(yè)制造，具有幾個(gè)明顯的技術(shù)革新。首先是智能的感知控制，通過(guò)利用智能感知技術(shù)隨時(shí)隨地對(duì)工業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；其次是全面的互聯(lián)互通，通過(guò)多種通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地傳遞出去；再次是深度的數(shù)據(jù)應(yīng)用，利用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等相關(guān)技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模、分析和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)海量數(shù)據(jù)的充分挖掘和利用；最后是創(chuàng)始的服務(wù)模式，利用信息管理、智能終端和平臺(tái)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工業(yè)智能化改造，提升產(chǎn)業(yè)價(jià)值、優(yōu)化服務(wù)資源和激發(fā)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新。在這些技術(shù)革新的基礎(chǔ)上，智能工廠將會(huì)面對(duì)六大技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，即終端智能化，連接泛在化，計(jì)算邊緣化，網(wǎng)絡(luò)扁平化以及服務(wù)平臺(tái)化和安全提升化。由此帶來(lái)的管理變革包括設(shè)備聯(lián)接日趨多元化，數(shù)據(jù)處理向邊緣端傾斜以及企業(yè)戰(zhàn)略由產(chǎn)業(yè)個(gè)體向生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)型，企業(yè)運(yùn)營(yíng)由設(shè)備和資產(chǎn)向產(chǎn)品和客戶(hù)轉(zhuǎn)移。

圖2 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)引領(lǐng)的智能工廠運(yùn)作流程示意

技術(shù)和趨勢(shì)的變革帶來(lái)了全新的挑戰(zhàn)，比如缺乏統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，行業(yè)規(guī)范化有待加強(qiáng)，再比如中國(guó)企業(yè)普遍工業(yè)信息化程度低，應(yīng)用推廣有待提速，以及企業(yè)發(fā)展不均衡，成功模式較難復(fù)制等，特別的數(shù)據(jù)所有權(quán)懸而未決，數(shù)據(jù)安全問(wèn)題亟待解決。因此，從國(guó)家和企業(yè)層面上來(lái)說(shuō)，面對(duì)這些挑戰(zhàn)，整體的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)布局標(biāo)準(zhǔn)化任務(wù)需要分階段實(shí)施，網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通和數(shù)據(jù)異構(gòu)集成等基本技術(shù)問(wèn)題需要解決，此外還需要規(guī)范資源數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化封裝，構(gòu)建良好的應(yīng)用創(chuàng)新生態(tài)環(huán)境，此外還要構(gòu)建工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的安全環(huán)境，預(yù)防控制安全問(wèn)題。

智能工廠需要解決的問(wèn)題及技術(shù)實(shí)現(xiàn)

作為未來(lái)工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，面對(duì)諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，智能工廠需要解決多個(gè)方面的問(wèn)題，而我們通過(guò)分析這些需要解決的問(wèn)題，可以梳理出通過(guò)哪些技術(shù)和產(chǎn)品進(jìn)行技術(shù)實(shí)現(xiàn)。特別的，作為中國(guó)電子信息技術(shù)開(kāi)年第一大展，各位可以在參觀2019年上海慕尼黑電子展時(shí)，在各家廠商的展臺(tái)上尋找到助力實(shí)現(xiàn)智能工廠的各種產(chǎn)品技術(shù)和系統(tǒng)解決方案。

智能工廠首當(dāng)其沖面臨要解決的問(wèn)題就是智能的感知控制，通過(guò)隨時(shí)隨地的進(jìn)行工業(yè)數(shù)據(jù)的采集來(lái)獲取最關(guān)鍵的工業(yè)數(shù)據(jù)。在技術(shù)實(shí)現(xiàn)方面，通過(guò)各種感知控制技術(shù)可以解決實(shí)際問(wèn)題，這就涉及到包括傳感器、設(shè)備識(shí)別、工業(yè)控制等多方面的技術(shù)。在慕尼黑電子展上，BOSCH博世（展位號(hào)4500），ams AG艾邁斯半導(dǎo)體(展位號(hào)4524)，TE Connectivity（展位號(hào)4354）

阿爾卑斯 ALPS（展位號(hào)5600）和歐姆龍 OMRON（展位號(hào)5306）都是工業(yè)傳感器的領(lǐng)導(dǎo)廠商，借助各種高精度高可靠性的傳感器產(chǎn)品，可以實(shí)現(xiàn)精確的工業(yè)數(shù)據(jù)獲取。在工業(yè)控制系統(tǒng)和器件方面，ST意法半導(dǎo)體（展位號(hào)4108），Renesas瑞薩（展位號(hào)4510）和Cypress賽普拉斯（展位號(hào)4116）都是工業(yè)控制器件的重要供應(yīng)商。

第二個(gè)需要解決的問(wèn)題時(shí)全面的互聯(lián)互通，如果將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的傳遞出去，并保證信號(hào)傳輸?shù)陌踩煽恳约凹嫒莶煌O(shè)備是非常重要的技術(shù)挑戰(zhàn)。應(yīng)對(duì)這個(gè)問(wèn)題需要的技術(shù)包括工業(yè)以太網(wǎng)，短距離無(wú)線通信和低功耗的工業(yè)廣域網(wǎng)等技術(shù)和相關(guān)解決方案。在慕尼黑電子展期間，您可以在Honeywell霍尼韋爾（展位號(hào)4559），賽普拉斯（展位號(hào)4116）以及TDK (展位號(hào)5106)等廠商的展臺(tái)獲得最新最先進(jìn)的互聯(lián)互通技術(shù)解決方案。

圖3 紛繁復(fù)雜的各類(lèi)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化組織

有了數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)傳輸，智能工廠的智能化核心體現(xiàn)來(lái)自于對(duì)數(shù)據(jù)的深度應(yīng)用。利用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等相關(guān)技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模、分析和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)海量數(shù)據(jù)的充分挖掘和利用。這方面涉及的數(shù)據(jù)處理技術(shù)除了我們熟知的云計(jì)算等算法和設(shè)備服務(wù)之外，還包括數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)建模以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。在慕尼黑電子展期間，Cypress（展位號(hào)4116）將展示擁有嵌入式計(jì)算能力的新一代存儲(chǔ)平臺(tái)，滿(mǎn)足智能工廠對(duì)高可靠智能技術(shù)和無(wú)故障存儲(chǔ)產(chǎn)品的日益增長(zhǎng)的需求。該平臺(tái)擁有標(biāo)準(zhǔn)化的IP設(shè)計(jì)，可針對(duì)新的應(yīng)用需求實(shí)現(xiàn)快速的重新配置。賽普拉斯的Semper NOR閃存產(chǎn)品系列即基于該平臺(tái)打造，它搭載了Arm? Cortex?-M0處理器，可在工業(yè)應(yīng)用的極端工作溫度中提供可靠、持久的數(shù)據(jù)留存能力。

最后，智能工廠面臨的最特別的挑戰(zhàn)將是服務(wù)模式的創(chuàng)新，融合信息管理、智能終端和平臺(tái)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工業(yè)的智能化改造。這方面涉及到很多技術(shù)之外的服務(wù)模式創(chuàng)新，而其中最特別的一點(diǎn)是安全管理技術(shù)，特別是加密認(rèn)證、防火墻和入侵檢測(cè)等技術(shù)環(huán)節(jié)，保障智能工廠的全面安全性。通過(guò)連接網(wǎng)絡(luò)，客戶(hù)可以從工廠內(nèi)部和外部監(jiān)控機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)、交換數(shù)據(jù)、更改生產(chǎn)指令和重新編寫(xiě)MCU存儲(chǔ)程序來(lái)更新設(shè)備的設(shè)置。這就要求系統(tǒng)制造商需要提供一個(gè)更安全、更可靠、更友善人機(jī)界面且可重復(fù)編程的集成解決方案。在2019年慕尼黑電子展期間，瑞薩電子（展位號(hào)4510）針對(duì)工業(yè)安全應(yīng)用推出了RX65N/RX651系列MCU，其中的Trusted Secure IP安全功能，將代碼保護(hù)功能擴(kuò)展到開(kāi)發(fā)階段，防止重要算法泄露或未經(jīng)授權(quán)的復(fù)制。TM是片內(nèi)Flash中一個(gè)特殊的區(qū)域，一旦使用TM功能，該區(qū)域內(nèi)程序便只能通過(guò)CPU取指令方式來(lái)逐條執(zhí)行，任何通過(guò)數(shù)據(jù)總線訪問(wèn)TM區(qū)域的操作都將被禁止。

伴隨著第四次工業(yè)革命的浪潮，新一代信息技術(shù)將給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來(lái)深刻的影響。德國(guó)倡導(dǎo)的“工業(yè)4.0”到智能制造以及最新的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)已經(jīng)不可逆轉(zhuǎn)的大趨勢(shì)。勞動(dòng)力成本上升、原材料價(jià)格上升逼使工廠必需采用更高效的自動(dòng)化解決方案，另一方面面對(duì)消費(fèi)者的個(gè)性化需求在增長(zhǎng)，工廠需要建立起快速響應(yīng)多樣化需求的機(jī)制。智能工廠的建立是個(gè)龐大的系統(tǒng)化工程，廣大的開(kāi)發(fā)者將是參與這個(gè)龐大系統(tǒng)工程中某個(gè)部分開(kāi)發(fā)的重要?jiǎng)?chuàng)造者，希望大家都能在2019年上海慕尼黑電子展上，找到適合您項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的技術(shù)和系統(tǒng)解決方案。