工业4.0：智能化工厂与生产
编者按：“工业4.0”是由德国联盟教研部与联邦经济技术部联手推动的战略性项目，被看作是提振德国制造业的有力催化剂，也被认为将是全球制造业未来发展的方向。继蒸汽机的发明、大规模生产和自动化之后，这一趋势被称为“第四次工业革命”——“工业4.0”（Industry 4.0）。事实上，工业4.0这一词早在2011年的汉诺威工业博览会中就已经被提出，它包含了智能工厂、工业网路系统、IT系统、生产链的自主控制。“工业4.0”提倡物与服务串连，旨在物对物（M2M）的运作架构下，打通产、销任督二脉，讲究生产自动化、生产IT化，生产模式将由批次量产转向接单后生产，落实智慧生产、绿色生产、都市生产的未来趋势。本刊将此文介绍给读者，以供参考。
工厂通过“资讯物理系统（CPS）”来建立一个完整的网路系统，这当中包括了相互连结的智能机械、仓储系统、及高效的产品设备等，这些设备可以独立自主的运作，或者互相交换讯息、互相控制，并且以嵌入式系统来监测生产环境。当指令经过CPS系统时，纵向需要经过工厂和公司的商业流程，横向则连接了可以实时管理的衍生价值体系，这两方面共同构建了嵌入式制造的系统网络。从生产机台的运动控制到整体工厂运作无不讲究智能，未来的工厂工人，将不再只是单调的操作机器，而是将自己的经验储存到系统中，更有智能地与生产机器沟通互动。“智能制造”就是“工业4.0”的一个缩影。
此外，“工业4.0”还将解决当今世界遇到的一些挑战，比如资源效率、城镇化和人才结构调整等。工业4.0能够持续带来覆盖整个价值网络的资源生产率和效率的增益。同时能够将人口结构变动和社会因素考虑在内，并设定合适的方式来组织生产。智能辅助系统可以把工人从单调、程式化的工作中解放出来，使其能够将精力集中在创新和增值业务上。在关于熟练工短缺的问题上，工业4.0允许高龄的工人延长他们的工作生涯，使他们能够长时间地保持生产力。灵活的工作组织形式使得工人们能够更好地整合他们自己的工作，私人生活和持续的职业生涯发展将变得更有效率，可以说，工业4.0为工作和生活找到了一个更好的平衡点。
德国抢先推进“工业4.0”项目
为了在新工业革命中占领先机，德国联盟教研部与联邦经济技术部正联手推动《高技术战略2020》确定的十大未来项目之一——“工业4.0”项目，支持工业技术领域新一代关键技术的研发与创新。项目由德国联邦教研部与联邦经济技术部联手资助，联盟政府投入达2亿欧元。在《高技术战略2020》的计划行动中，德国联盟政府为未来项目“工业4.0”设立了雄心勃勃的目标：德国要成为现今工业生产技术（即网络物理融合式生产系统）的供应国和主导市场。
“工业4.0”项目的主要内容
“工业4.0”项目的概念描述了由集中式控制向分散式增强型控制的基本模式转变，目标是建立一个高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式。在这种模式中，传统的行业界限将消失，并会产生各种新的活动领域和合作形式。创造新价值的过程正在发生改变，产业链分工将被重组。
“工业4.0”项目将从两个方向展开，一是“智能工厂”，重点研究智能化生产系统及过程，以及网络化分布式生产设施的实现；二是“智能生产”，主要涉及整个企业的生产物流管理、人机互动以及3D技术在工业生产过程中的应用等。该计划将特别注重吸引中小企业参与，力图使中小企业成为新一代智能化生产技术的使用者和受益者，同时也成为先进工业生产技术的创造者和供应者。
“工业4.0”项目的重点应用技术
随着工业4.0时代的到来，许多沿用多年、占据主导地位的工业自动化技术，正面临被淘汰、被更新换代的命运，而一批以前认为是高端的工业自动化技术，也随着新时代的到来，快速的走入到了实际的应用中去，成为新时代的宠儿：一是以工业PC为基础的低成本工控自动化将成为主流；二是PLC进入第六代——微型化、网络化、PC化和开放性；三是DCS系统走向测控管一体化设计；四是控制系统向现场总线（FCS）方向发展；五是仪器仪表向数字化、智能化、网络化、微型化发展；六是数控技术向智能化、开放性、网络化、信息化发展；七是工业控制网络向有限和无限相结合的方向；八是工业控制软件向标准化、网络化、智能化和开放性方向发展。
此外，为了实现工业制造到工业4.0的转变，德国还要实现一项双重策略。不仅应该一如既往地把“信息和通讯科技”和“自身的传统高科技策略”进行整合，以努力成为智能制造科技的主要供应商，寻求稳固自身在全球市场的领导地位。同时，还应创造并服务于CPS科技和产品。为了达成这个双重要求，以下几个工业4.0的特征应该被执行：一是横向集成需要通过价值网络；二是端到端的工程立体集成横跨整个价值链；三是垂直集成和网络化的制造系统。通向工业4.0之路要求德国在研发上投入巨大的精力，为了实现双重策略，所进行的研究首先必须实现“制造系统的水平和垂直集成”和“工程上端到端的集成”。此外，出于对工业4.0系统的要求和CPS科技持续发展的目的，在工作场所中新的社会基础设施应该得到更多关注。
各界积极响应“工业4.0”项目
德国电子电气工业协会（ZVEI）预测，工业4.0将使工业生产效率提高30%，德国人工智能研究中心执行长Wahlster也表示，工业4.0将会在一些高劳动成本的地区非常具有竞争力。有鉴于此，德国机械设备制造业联合会（VDMA）及德国信息技术、通讯、新媒体协会（BITKOM）也已加入，德国三大工业协会决定共同建立一个名为“第四次工业革命平台”办事处，并于2013年4月在法兰克福正式启动。三大协会共同建立办事处的主要目标在于，推动工业的发展、提高工业生产标准、开发新的商业模式和运营模式并付诸实践。
德国企业界做出了积极地响应。比如，西门子展示自身推进工业4.0的具体行动，其凭借全集成自动化（TIA）和“数字化企业平台”，长久以来占据着信息技术集成领域的领导地位。在2013汉诺威工业博览会上，西门子展示了融合规划、工程和生产工艺以及相关机电系统的全面解决方案。西门子展台将突出展示西门子的最新技术成就，这包括以全集成自动化TIA v12版本、新一代控制器Sifmatic S7-1500、针对电气传动应用的“全集成驱动系统”（IDS）概念，以及以信息技术为基础的服务，例如，状态监控。另外，西门子公司还将与德国弗劳思霍夫研究院以及大众汽车公司联合展示，通过利用产品生命周期管理软件（PLM）进行虚拟生产规划，可降低生产线上机器人的能耗高达50%。另外，西门子指出当前约7500名软件工程师是其在ICT驱动制造业自动化创新上的最大资本。