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摘要：踏上“工业4.0”这艘明日之舟的重要前提是进行改革，以实现软件对公司整体业务、生产流程的管理控制及对所有生产设备通讯接口的装配。本文以下内容将对相应解决方案进行详细介绍。本文网络版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/269812.htm
关键词：工业4.0；数字化；物联网；IoT
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2015.2.005
“工业4.0"的动机与设想
“工业4.O”的概念下蕴含着新兴的计划，在此计划中最新的IT技术及电子设备都将服务于制造工艺“信息化”的进程，以期实现工厂智能化（Smart Factory）的目标。该目标表现为高度灵活、资源利用率高、使用人体工程学和将客户与合作伙伴充分融入业务流程。其技术基础为物联网（IoT）及在不久的将来创建的信息物理系统（CPS）。
选择进行这场变革的动机及原因有很多（图1）。总体来说可以将之归为两类：欧洲工业国家人口结构的变化及日益多变的市场与繁复的成本压力；而客户对产品定制化、个性化解决方案及可持续拓展方面不断上升的热情与要求成为了这一趋势的另一推手。由此即可较为详细地描述通往“工业4.0”的几点重要目标：
1.高度灵活性：此点不仅需要在生产制造方面，同时也需要在整体产品开发流程当中体现出来。在整合所有数据信息及机械之后，企业可以创建一个智能网络，在其中所有参与者都可以直接掌握所需的内外部信息。
2.流程一体化实现最短的市场投放时间（Time to Market）：凭借大量的数据存储（知识数据库），更快速、更成熟地推出新产品将成为可能。
3.未来展望一信息物理系统（CPS）。即所有机械及流程可以通过物联网进行直接信息交流，以此来实现智能机械辅助下产品研发创新所有必需流程的自主分析、仿制及优化。
届时人与机械分离的场景将成为过去，人与机器人合作生产将成为未来的主流模式。
不过，在实现工业4.O的道路上还存在很多急需解决的问题与挑战，例如安全性及传感器自主能源供应（能量采集）。
迈向工业4.0进程的后续步骤
过去40年对电子元件的应用使工业的全貌发生了翻天覆地的变化（图2）。初期人们为机械添加了电气/电子模块，但其均为单机（独立）方案，针对不同机械将会有不同的特定的管理操作/编程。如今的情形已与往日不同：通过使用特定软件工具已经可以实现利用一个中央计算机对整体生产流程进行控制。由此工业制造流程的产出质量得以大大提高且成本在不断降低。如何利用更好及更有效的软硬件优化配置已成为当前及短期未来工业领域的核心议题。此外，使用更好物联网应用的革新行为使得对整体生产进程的整合成为可能。对机械间通信（M2M）的扩展、对产品研发制造的所有知识资源（知识数据库）与服务&客户行为的整合将给企业带来更短的市场进入时间与更高的产品质量水准。在对至今产品研发领域尚处于分离状态的流程进行整合的过程中，隐藏着实现新型工业标准4.O的巨大的潜力。未来在此领域中IT团队将成为主导力量，而这一趋势也将导致人们在工作体制内重新思考。由于在无干扰流程中的机械将在无人值守的情况下进行生产，生产相应职责将被推移至工作准备或计划领域。当前的生产领域的员工将不得不接受培训转型为IT或工程领域的技工，以期可以正常掌握并控制未来的生产流程。作为结果是，越来越多的直接工作将转变为间接工作。在此趋势的基础上将可能逐渐产生信息物理系统（CPS），影响其实现的因素将会是以工业4.0作为最终目标解决现有问题的速度与进程。
位于德国Amberg的西门子公司的电器工厂就是一个很好地示例。该工厂长期使用“数据化控制”以保证其生产的高效与产品的质量。其最主要的保证成功的秘诀是一套由公司自创的昂贵的进行生产流程控制的完善软件解决方案“Comesco”（连接式企业生产流程管理系统）。该系统凭借可以直观控制的细化功能实现了通过网络对所有流程信息进行实时报告。该系统除可以直接进入所有必需的管理及分析工具外，还具有监测功能以保证对生产步骤流程进行持续监视管理。如此模板化的工厂自动化的结果显而易见：其产品质量等级达到99.9988%且将故障率控制到仅12件每百万件。
使用案例
在中小型企业中，连续性及核心系统中数据间链接的缺失较为普遍典型。公司内部不同行业中千差万别的解决方案及数据位置（独立应用）、机械与核心数据网电子连接及不同数据接入系统方式的缺失在很大程度上导致公司全面且实时的数据透明度受到极大的影响。在这种情况下会常常出现以下情况：公司内部出现很多一样或类似的数据，有些是电子数据，有些记录在纸上，且它们属于分散调查，保存，提取的不同职责范畴。尤其在生产部门，员工常常收到被迫指定的或改变的生产偏好及由列表及手动填写数据组成的流程数据。其结果往往是一个简单的对完成比率、生产负荷或是由于订单更改而修改供货时间的要求或询问就使相关员工陷入繁琐的解释之中，且极可能由于流程的多极化导致其既无法快速准确得出答案，又无法回答该流程对平行运行流程的影响。
作为解决方案，可以使用一个实时的包含所有在运行流程、背景及相关文件的信息一览工具（例如Transfact公司的产品）。该一览表可精细简洁地将生产地址、生产区域及机械/员工（生产资源）一一归类，并展示了所有生产订单与工单，且可以根据所需了解所有详细信息。借此可以有效避免过多数据如洪水猛兽一般扑面而来。例如，执行列表按照根据当前生产步骤核算出的交货时间的顺序将重要的生产订单数据进行排序，员工可以从工作准备流程开始看到整个工序的所有详细信息。图3显示的产能规划工具对报价及投资计划非常重要，借此可以演示所有可能的生产场景并立即展示其对员工、机械及流程的具体影响。通常不为人知的短板单位可以通过此功能提前查明，以便相关单位对其及时作出反应。
在大量生产的情况下，如：晶圆片制造，不可避免需要对相应流程与控制参数进行自动核查。当企业内部事先没有相应数据构造及基础结构时，对大量检测数据的利用及系统性的跟踪就会时常出现问题。在此SPC统计性控制模块（图4）就会在对保持特定质量参数的制造流程的利用及管理上其到核心的作用。无论是使用图表、趋势图或是显示所需工艺能力的事先概括好的Cp/Cpk值，本模块都可以将所有信息以通俗易懂且可以追溯数据来源的方式显示出来。对管理层来说，利用现有数据显示生产流程中的负荷与产量非常重要，因为其对成本与费用的统计总结非常重要。最后Transfact公司的软件工具会生成一个统计图表，自动补充了单一成本与总成本核算信息。
由图5显示的系统所需硬件成本可以很明显地看出，使用以上介绍软件产品完全不需要任何需要不时支付大量许可费用的元件或产品。
除真正实现无纸办公以外，Transfact系统还对所有其他公司重要功能提供支持：从客户服务、报价阶段到确认/清算订单直至智能仓库管理及物流系统都将提供标准统一的功能，以保证客户随时都可以以最快的速度掌握所有与技术、经济或质量相关的数据。由于机械利用与分配是统一进行的，也使得所需服务及维护工作变得更加简单且可计划。中小型公司可以借此立刻拥有未来工业4.0模式所要求的集中管控系统，并以此为基础踏上继续发展的正确轨迹。
关键词：工业4.0；数字化；物联网；IoT
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2015.2.005
“工业4.0"的动机与设想
“工业4.O”的概念下蕴含着新兴的计划，在此计划中最新的IT技术及电子设备都将服务于制造工艺“信息化”的进程，以期实现工厂智能化（Smart Factory）的目标。该目标表现为高度灵活、资源利用率高、使用人体工程学和将客户与合作伙伴充分融入业务流程。其技术基础为物联网（IoT）及在不久的将来创建的信息物理系统（CPS）。
选择进行这场变革的动机及原因有很多（图1）。总体来说可以将之归为两类：欧洲工业国家人口结构的变化及日益多变的市场与繁复的成本压力；而客户对产品定制化、个性化解决方案及可持续拓展方面不断上升的热情与要求成为了这一趋势的另一推手。由此即可较为详细地描述通往“工业4.0”的几点重要目标：
1.高度灵活性：此点不仅需要在生产制造方面，同时也需要在整体产品开发流程当中体现出来。在整合所有数据信息及机械之后，企业可以创建一个智能网络，在其中所有参与者都可以直接掌握所需的内外部信息。
2.流程一体化实现最短的市场投放时间（Time to Market）：凭借大量的数据存储（知识数据库），更快速、更成熟地推出新产品将成为可能。
3.未来展望一信息物理系统（CPS）。即所有机械及流程可以通过物联网进行直接信息交流，以此来实现智能机械辅助下产品研发创新所有必需流程的自主分析、仿制及优化。
届时人与机械分离的场景将成为过去，人与机器人合作生产将成为未来的主流模式。
不过，在实现工业4.O的道路上还存在很多急需解决的问题与挑战，例如安全性及传感器自主能源供应（能量采集）。
迈向工业4.0进程的后续步骤
过去40年对电子元件的应用使工业的全貌发生了翻天覆地的变化（图2）。初期人们为机械添加了电气/电子模块，但其均为单机（独立）方案，针对不同机械将会有不同的特定的管理操作/编程。如今的情形已与往日不同：通过使用特定软件工具已经可以实现利用一个中央计算机对整体生产流程进行控制。由此工业制造流程的产出质量得以大大提高且成本在不断降低。如何利用更好及更有效的软硬件优化配置已成为当前及短期未来工业领域的核心议题。此外，使用更好物联网应用的革新行为使得对整体生产进程的整合成为可能。对机械间通信（M2M）的扩展、对产品研发制造的所有知识资源（知识数据库）与服务&客户行为的整合将给企业带来更短的市场进入时间与更高的产品质量水准。在对至今产品研发领域尚处于分离状态的流程进行整合的过程中，隐藏着实现新型工业标准4.O的巨大的潜力。未来在此领域中IT团队将成为主导力量，而这一趋势也将导致人们在工作体制内重新思考。由于在无干扰流程中的机械将在无人值守的情况下进行生产，生产相应职责将被推移至工作准备或计划领域。当前的生产领域的员工将不得不接受培训转型为IT或工程领域的技工，以期可以正常掌握并控制未来的生产流程。作为结果是，越来越多的直接工作将转变为间接工作。在此趋势的基础上将可能逐渐产生信息物理系统（CPS），影响其实现的因素将会是以工业4.0作为最终目标解决现有问题的速度与进程。
位于德国Amberg的西门子公司的电器工厂就是一个很好地示例。该工厂长期使用“数据化控制”以保证其生产的高效与产品的质量。其最主要的保证成功的秘诀是一套由公司自创的昂贵的进行生产流程控制的完善软件解决方案“Comesco”（连接式企业生产流程管理系统）。该系统凭借可以直观控制的细化功能实现了通过网络对所有流程信息进行实时报告。该系统除可以直接进入所有必需的管理及分析工具外，还具有监测功能以保证对生产步骤流程进行持续监视管理。如此模板化的工厂自动化的结果显而易见：其产品质量等级达到99.9988%且将故障率控制到仅12件每百万件。
使用案例
在中小型企业中，连续性及核心系统中数据间链接的缺失较为普遍典型。公司内部不同行业中千差万别的解决方案及数据位置（独立应用）、机械与核心数据网电子连接及不同数据接入系统方式的缺失在很大程度上导致公司全面且实时的数据透明度受到极大的影响。在这种情况下会常常出现以下情况：公司内部出现很多一样或类似的数据，有些是电子数据，有些记录在纸上，且它们属于分散调查，保存，提取的不同职责范畴。尤其在生产部门，员工常常收到被迫指定的或改变的生产偏好及由列表及手动填写数据组成的流程数据。其结果往往是一个简单的对完成比率、生产负荷或是由于订单更改而修改供货时间的要求或询问就使相关员工陷入繁琐的解释之中，且极可能由于流程的多极化导致其既无法快速准确得出答案，又无法回答该流程对平行运行流程的影响。
作为解决方案，可以使用一个实时的包含所有在运行流程、背景及相关文件的信息一览工具（例如Transfact公司的产品）。该一览表可精细简洁地将生产地址、生产区域及机械/员工（生产资源）一一归类，并展示了所有生产订单与工单，且可以根据所需了解所有详细信息。借此可以有效避免过多数据如洪水猛兽一般扑面而来。例如，执行列表按照根据当前生产步骤核算出的交货时间的顺序将重要的生产订单数据进行排序，员工可以从工作准备流程开始看到整个工序的所有详细信息。图3显示的产能规划工具对报价及投资计划非常重要，借此可以演示所有可能的生产场景并立即展示其对员工、机械及流程的具体影响。通常不为人知的短板单位可以通过此功能提前查明，以便相关单位对其及时作出反应。
在大量生产的情况下，如：晶圆片制造，不可避免需要对相应流程与控制参数进行自动核查。当企业内部事先没有相应数据构造及基础结构时，对大量检测数据的利用及系统性的跟踪就会时常出现问题。在此SPC统计性控制模块（图4）就会在对保持特定质量参数的制造流程的利用及管理上其到核心的作用。无论是使用图表、趋势图或是显示所需工艺能力的事先概括好的Cp/Cpk值，本模块都可以将所有信息以通俗易懂且可以追溯数据来源的方式显示出来。对管理层来说，利用现有数据显示生产流程中的负荷与产量非常重要，因为其对成本与费用的统计总结非常重要。最后Transfact公司的软件工具会生成一个统计图表，自动补充了单一成本与总成本核算信息。
由图5显示的系统所需硬件成本可以很明显地看出，使用以上介绍软件产品完全不需要任何需要不时支付大量许可费用的元件或产品。
除真正实现无纸办公以外，Transfact系统还对所有其他公司重要功能提供支持：从客户服务、报价阶段到确认/清算订单直至智能仓库管理及物流系统都将提供标准统一的功能，以保证客户随时都可以以最快的速度掌握所有与技术、经济或质量相关的数据。由于机械利用与分配是统一进行的，也使得所需服务及维护工作变得更加简单且可计划。中小型公司可以借此立刻拥有未来工业4.0模式所要求的集中管控系统，并以此为基础踏上继续发展的正确轨迹。