工业4.0：智能工业

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专题介绍Feature工业4.0：智能工业工业和信息化部国际经济技术合作中心　王喜文摘要：智能工业或者工业4.0，是从嵌入式系统向信息物理融合系统（CPS）发展的技术进化。作为未来第四次工业革命的代表，工业4.0不断向实现物体、数据以及服务等无缝连接的互联网（物联网、数据网和服务互联网）的方向发展。文中介绍了工业4.0的进化过程，提出了CPS的概念及其功能，同时分析了德国的主要CPS市场及其未来发展。关键词：工业4.0；智能工业；CPS；德国德国期望成为基于互联网的高端工业生产技术的主导市程和信息技术充实到工业过程之中，实现了生产的最优化和自场，并将其作为《高科技战略2020》的一部分。实现这一目标动化。的代表性项目，也就是被称为工业4.0的智能工业项目，它将1.3工业革命3.0引领工业领域，开创分散型生产的新时代。第三次工业革命始于第二次工业革命过程中发生的生产智能工业或者工业4.0，是从嵌入式系统向信息物理融合过程高度自动化。自此，机械能够逐步替代人类作业。系统（CPS）发展的技术进化。作为未来第四次工业革命的代1.4工业革命4.0表，工业4.0不断向实现物体、数据以及服务等无缝连接的互未来10年，第四次工业革命将步入分散化生产的新时代。联网（物联网、数据网和服务互联网）的方向发展。工业4.0通过决定生产制造过程等的网络技术，07实现实时同时，分散型智能利用代表了生产制造过程的虚拟世界管理。与现实世界之间的交互关系，在构建智能物体网络中发挥重要2CPS作用。CPS连接了虚拟空间与物理现实世界，使智能物体通信工业4.0体现了生产模式从集中型到分散型的范式转变，以及相互作用，创造一个真正的网络世界。正是因为有了让传统生产过程理论发生颠覆的技术进步，这一CPS体现了当前嵌入式系统的进一步进化。与互联网或切才成为可能。未来，工业生产机械不再只是“加工”产品，者网上可搜集的数据、服务一起，嵌入式系统也是构成CPS取而代之的是，产品通过通信向机械传达如何采取正确操作。的要素之一。工业4.0通过将嵌入式系统生产技术与智能生产过程相CPS可提供构建物联网的基础部分，并且与服务互联网结合，将给工业领域、生产价值链、业务模式带来根本性变革一体化，实现工业4.0。这些技术被称为实现技术，培育更加（如智能工厂），从而开创一条通往新技术时代的道路。广泛的基于创新型应用或过程的新现实空间，淡化现实世界1工业4.0进化过程与虚拟空间的界限。实现技术就像互联网使得个人通信以及1.1工业革命1.0相互作用的关系发生变革一样，将给我们与物理现实世界之间18世纪末期始于英国的第一次工业革命，19世纪中叶结的相互作用关系带来根本性变化。束。这次工业革命的结果是机械生产代替了手工劳动，经济社基于高性能软件的嵌入式系统与融合在数字网络中的专会从以农业、手工业为基础转型到了以工业及机械制造带动经业用户接口之间，发生的相互作用，将诞生全新的系统功能性济发展的模式。世界。举一个简单的例子，智能手机囊括许多应用和服务，已1.2工业革命2.0经远远超出设备本身通话功能。第二次工业领域大变革发生在20世纪初期，批量工业生由于全新的划时代应用和服务的提供商将不断涌现，渐产开始的阶段。通过零部件生产与产品装配的成功分离，开创渐形成新价值链，所以，CPS也将对现有业务与市场模式带了产品批量生产的新模式。20世纪70年代以后，随着电子工来范式转变。汽车工业、能源经济，还有包括诸如工业4.0的2013年/第12期物联网技术3 专题介绍Feature生产技术的各个工业部门，将同步因这些新价值链发生巨变。健康：远程治疗以及远程诊断中的CPS；未来，CPS将以以往人类无法想象的形式，对人类安全、工业（智能工厂）：工业以及自动化生产中的CPS。效率、生活舒适度、提升健康水平等做出贡献。同时，CPS5CPS2025——未来也将对解决人口结构变化、自然资源不足、可持续发展以及能CPS应对社会面临的主要问题的同时，对涵盖自动化、源结构变化等带来的问题，发挥关键性的作用。生产技术、汽车、机械工程、能源、运输以及远程医疗等众3德国2020年主要CPS市场多工业部门、应用领域，具有非常重要的意义。因CPS而实德国将推进工业4.0项目作为国家战略的一个重要环节，现的许多应用，将产生新附加价值链和业务模式。CPS不仅可就是在2020年让德国成为CPS的主要市场。与其他大多数工以降低实际成本，提高能源、时间等的效率，还能降低CO2业发达国家完全不同的是，在推进工业进程的同时，德国一排放水平，在保护环境上发挥重大作用。直维持稳定的制造业劳动力。仅从制造业来看，CPS就可带来惊人的效率提升。CPS要联通现实世界与虚拟空间，从生产设备、工业产品到实时地统筹处理制造、工业链以及各个顾客的要求，实现智内置存储装置、通信功能、广播传感器、智能软件系统的日常能工厂。图2所示是CPS服务互联网的模式图。用品等，所有物品都要实现数字化。ᴽ࣑ӂ㚄㖁ǃ⢙㚄㖁现实世界与虚拟空间的界限越来越模糊，物联网正在快ᴽ࣑ӂ㚄㖁速发展。德国发达的嵌入式系统、CPS的有关经验，将为德国工业引领第四次工业革命（工业4.0）提供极好的机遇。㓿⍾᮷ॆĂĂ4CPS进程䘲⭘Ҿᡰᴹ亶ฏⲴѫ仈ᓄ⭘ᯩṸ˖䈝ѹᢰᵟǃӁ䇑㇇ǃᴽ࣑᫽֌ᒣਠ德国是嵌入式系统、移动通信网络等CPS相关领域的全球市场领袖。德国教育与研究部（BMBF）委托德国科学技术ᐕъ㜭ⓀӔ䙊ڕ؍ĂĂCPSᲪ㜭CPSᲪ㜭CPSᲪ㜭CPSᲪ㜭CPSᯩṸ工程院牵头的CPS进程项目的目的是，确立综合的CPS研究ᐕলᯩṸ⭥㖁ᯩṸӔ䙊ᯩṸ؍ڕᯩṸ议程，提升工业技术的国家竞争力，巩固德国作为主要市场及䘲⭘Ҿᡰᴹ亶ฏⲴCPSѫ仈ᓄ⭘ᯩṸ˖ᆹޘᙗǃ䮯ᵏ֌ъǃᐕ〻ǃษ䇝ǃḷ߶઼提供商的全球地位，在此基础上实现德国技术革命。图1所㿴ࡉǃ৲㘳փ㌫示给出了CPS各层的理想模式。⢙㚄㖁CPS਴ቲⲴ⨶ᜣ⁑ᔿ图2CPS服务互联网的模式图䳶ᡀ⭘ᡧ઼儈᭸Ⲵ䗷〻6智能工厂：自动化制造业的未来CPS连接了虚拟空间与物理现实世界，技术过程与业务过程也因此得到融合，从而开创新工业时代。最能够准确表⭘ᡧਟ㿶ॆⲴӂ䙊ᙗ达新工业时代的就是工业4.0项目倡导的智能工厂概念，智能⇿њ⭘䴰≲кⲴᴽ࣑䳶ᡀ工厂是通过在生产系统中配备CPS来实现的。相对于传统生产系统，智能工厂的产品、资源及处理过程因CPS的存在，将具有非常高水平的实时性，同时在资源、成本节约中也颇具䈝ѹⲴӂ䙊ᙗ优势。⢩ᇊ亶ฏᒣਠ઼փ㌫智能工厂按照重视可持续性的服务中心的业务来设计，因此，服从性、灵活性、自适应以及学习等特征、容错能力，Ӕ䙊ڕ؍ᐕল甚至风险管理都是其中不可或缺的要素。ᢰᵟⲴӂ䙊ᙗ智能工厂的装备将实现高级自动化，主要是由基于自动CPSѝ䰤Ԧǃᒣਠǃ䙊ؑส⹰䇮ᯭԕ৺ส⹰ᴽ࣑观察生产过程的CPS的生产系统的灵活网络来实现的。通过图1CPS各层的理想模式图可实时应对的灵活的生产系统，能够实现生产过程的彻底优CPS进程列举了当前至2025年间四个主要应用领域：化。同时，生产优势不仅仅是在特定生产条件下一次性体现，能源：智能电网中的CPS；也可以实现多家工厂、多个生产单元所形成的世界级网络的最机动性：网络化的机动性中的CPS；（下转第6页）4物联网技术2013年/第12期 方案案例Application设备的系统结构。系统架构合理，运行稳定，应用效果良好，整体技术达到国温度、覆冰、风偏、弧垂、微气象际领先水平。及视频图像等状态传感器信号ⴁ⍻㻵㖞ⴁ⍻㻵㖞ⴁ⍻㻵㖞ⴁ⍻㻵㖞数据采集模块OPGW㓔OPGW㓔OPGW㓔䘌〻࣎ޜ䘌〻ḕ䈒3G䘌〻㇑⨶ᰐ㓯Meshᰐ㓯Meshᰐ㓯MeshGPRS监控中心SDInternetWiFi中央处理器核心模块蓝牙OPGW㓔i.MX536NANDFLASHZigBee433⻱ⴈ䱥ࡇ相邻监测点915MRS232RS485光纤㖁㔌Ӕᦒᵪ现场控制远程控制䱢⚛້ᮠᦞᓃᴽ࣑ಘ˄Ӿ˅㌫㔏㇑⨶о㔤ᣔᮠᦞᓃᴽ࣑ಘ˄ѫ˅图1电力监测设备系统框图Ӕᦒᵪ由图1可见利用一颗独立的ARM处理器实现了对导⭥࣋Ր䗃㓯䐟线温度、覆冰、风偏、弧垂、微气象及视频图像等状态参数ⴁ᧗ѝᗳߣㆆ࠶᷀о᭟ᤱ㓯䐟㔬ਸⴁ⍻оᱮ⽪㓯䐟⣦ߥ࠶᷀о੺䆖㓯䐟࠶᷀оᣕ㺘传感器信号的采集输入，对各种数据进行分析综合压缩后，图2组网示意图通过各种灵活的无线组网方式如3G、GPRS、WiFi、蓝牙、ZigBee、433、915M等无线网络传输到监控中心或其他邻近的检测点。为防止监控点的灾难性破坏，设备本身还可以通过多种类型的存储介质如SD卡、NANDFLASH完成数据备份；设备具有的RS232、RS485、光纤等各种有线通信方式完成线路现场和远程的控制工作，有效地增加了设备的可靠性。全设备采用满足汽车温度级别的器件，可在－40～85℃下稳定持续工作，设备整体设计实现防水、盐雾等各种防护等级要求，可以用在大部分恶劣的高低温及湿度环境。图2所示图3现场实拍图是整体组网示意图，图3所示则是其现场实拍图。输电线路在线监测系统实现了输电设备运行状态的实时辰汉电子与国内某电力企业联合研发的基于i.MX536的监测和掌控，满足日常运行值班、故障抢修、应急指挥等不同新一代输电线路监控装置推动了输电线路信息传输技术发展，应用需求，具有很强的推广价值，为国家电网公司实施“三集实现了一个集输电线路状态监控、运行管理、指挥决策于一五大”体系建设提供了重要的技术支撑，对建设坚强智能电体的输电线路监控中心，提升了输电线路运行状态的监管能力，网具有重要意义。（上接第4页）优化。ᐕъ4.0Ც㜭ᐕল䙊䚃˄สҾӁ䇑㇇Ⲵᆹޘ㖁㔌˅这就意味着，创新技术、成本与时间的节约，拥有培育Ც㜭ᐕল2…N新市场机会的网络容量的“自下而上”型生产模式中的革命。Ც㜭ᐕল1䙊ؑ智能工厂的生产相对于传统制造工业有如下优势：˄ᵪಘ䰤˅由CPS形成最优化的生产过程：智能工厂的“单元”决Ც㜭ᵪಘ1Ც㜭ᵪಘ2Ც㜭⢙ᯉᲪ㜭ӗ૱定其活动范围、设定选项以及生产条件，可与其他单元进行䇑㇇ᵪⲴᓄ⭘〻ᒿᒣਠ独立的无线通信。ؑ᚟⢙⨶㶽ਸ⭏ӗ㌫㔏理想的生产系统，智能编辑产品特性、成本、物流管理、安全、信赖性、时间以及可持续性等要素，为每个顾客进行ᆹޘⲴ最优化的产品制造。Ӂ䇑㇇㖁㔌为了让机械服从人类的作业周期，可对人工进行定制调图3工业4.0智能工厂通道示意图整。图3所示是一种工业4.0智能工厂通道示意图。6物联网技术2013年/第12期