智能制造已不再只是一個概念，越來越多的跡象清楚地顯示出工業(yè)4.0和智能制造不可逆轉(zhuǎn)的發(fā)展趨勢。智能制造不僅是技術(shù)上的更新，更重要的是，它代表的是一種新興生產(chǎn)方式的變革，在這一建設(shè)過程中，需要從系統(tǒng)總體架構(gòu)、上游半導體芯片、基礎(chǔ)零部件、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、智能化機器設(shè)備、產(chǎn)線設(shè)計、企業(yè)的“兩化”融合等多個層面做認真細致的規(guī)劃和部署。

    智能制造發(fā)展規(guī)劃逐步清晰

    正如新松機器人自動化股份有限公司創(chuàng)始人、總裁曲道奎先生所說的，當前，全球正面臨著一次重大技術(shù)突破、制造模式更迭、以及商業(yè)模式重塑所帶來的新變革。不同國家針對這一新趨勢，都根據(jù)本身原有的工業(yè)基礎(chǔ)或國家發(fā)展的脈絡(luò)，從各自的切入點來制定未來國家的不同發(fā)展戰(zhàn)略。

    無論是美國提出的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”、德國提出的“工業(yè)4.0”等概念，還是中國政府制定的“中國制造2025”國家戰(zhàn)略，都強調(diào)的是信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)之間的融合，通過將設(shè)備與信息技術(shù)在數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)等不同層級的連接，打造一種新型、柔性、智能化的生產(chǎn)制造模式，以達到優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、綠色的總體發(fā)展目標。

    從產(chǎn)業(yè)鏈的角度來看，智能制造的上游為感知層，主要包含制造行業(yè)的各種零部件，以及與信息采集、傳感感知相關(guān)的產(chǎn)品；產(chǎn)業(yè)鏈中游為網(wǎng)絡(luò)層，主要包含云計算、大數(shù)據(jù)、智能芯片等產(chǎn)品；產(chǎn)業(yè)鏈下游為執(zhí)行層和應(yīng)用層，主要包含以工業(yè)機器人、智能機床、自動化裝備、3D打印為產(chǎn)品構(gòu)成的自動化生產(chǎn)線和智能工廠（如圖1所示）。

圖1智能制造整體產(chǎn)業(yè)鏈（資料來源：東西智庫）

    而從智能制造的發(fā)展來看（如圖2所示），數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、可視化是智能制造建設(shè)的第一步。第二階段是實現(xiàn)實時交互的動態(tài)優(yōu)化，包括現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時獲取及處理；實時動態(tài)優(yōu)化和決策；以及基于MES、ERP智能反饋優(yōu)化運行與管控等。第三階段則是實現(xiàn)虛實融合的智能化生產(chǎn)，全面建成不同層級（產(chǎn)品、制造裝備及工藝、車間和企業(yè)）的數(shù)字孿生，以達到工況自感知、工藝自學習、裝備自執(zhí)行、系統(tǒng)自組織的目標，完善基于賽博物理融合生產(chǎn)系統(tǒng)（CPPS）的智能工廠建設(shè)。

圖2智能制造發(fā)展“三部曲”（資料來源：《智能制造之路》）

    但另一方面，不得不面對的是，現(xiàn)階段中國制造業(yè)面臨的最大難題在于，沒有經(jīng)歷過工業(yè)化嚴格的發(fā)展進程，可以說，短短的幾十年，中國制造業(yè)實際上是整個全球制造發(fā)展史的一個縮影，發(fā)展水平極不均衡，1.0、2.0、3.0參差不齊，這也意味著中國的新工業(yè)革命相對于發(fā)達國家來說難度可能更大。因此，中國整個制造業(yè)的發(fā)展實際上是一個混合時代，要想一步就跨入4.0時代或者說智能制造時代，是不現(xiàn)實、也是不可行的，需要不同行業(yè)中的各個企業(yè)把握以下四個原則：一是要實現(xiàn)制造效率的提高，二是要降低制造成本，三是要減少能源消耗，四是要提高制造的靈活性與柔性化，來制定切實可行的企業(yè)新技術(shù)和新生產(chǎn)模式的升級、轉(zhuǎn)型。

    半導體層面向聯(lián)網(wǎng)、智能、節(jié)能、安全邁進

    為了實現(xiàn)智能工廠的轉(zhuǎn)型，必須提供智能和節(jié)能產(chǎn)品，或者說完全自主的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)由各種半導體器件和傳感器組成，并與模擬和數(shù)字信號處理IC相結(jié)合。因此，半導體制造商需要適應(yīng)這一技術(shù)趨勢，即工業(yè)領(lǐng)域正朝著聯(lián)網(wǎng)、智能、節(jié)能產(chǎn)品，以及集成安全安保功能和能源采集能力等重要方向邁進。

    瑞薩電子中國產(chǎn)業(yè)解決方案中心工業(yè)和家電部戴其宏經(jīng)理表示，在中國智能工廠和工業(yè)4.0是非常熱門的話題，數(shù)字化工業(yè)自動化市場提出了一些關(guān)鍵需求，首先是要不斷提高機器效率，然后是要進行實時性分析和過程優(yōu)化，實現(xiàn)生產(chǎn)流程的智能化及提高敏捷性，最后是服務(wù)解決方案要實現(xiàn)這些工業(yè)分析，同時也需要兼顧到工業(yè)生產(chǎn)的安全性連接，實現(xiàn)IT和OT之間的連接。她指出：“面對工業(yè)IoT和工業(yè)4.0，瑞薩目前所能提供的電子技術(shù)，首先是我們的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)解決方案，基于瑞薩的RZ/N多協(xié)議工業(yè)以太網(wǎng)、OPCUA、TSN、云、IO-Link這樣一些技術(shù)，然后同時提供BLDC電機與伺服運動控制方案。”

    RZ/N1是最新面向控制及工業(yè)控制級的產(chǎn)品，主要適用于可編程控制器，其設(shè)計理念是把應(yīng)用部分和實時通信部分兩者分開，如圖1所示，左邊是應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計，它采用了ARMCortex–A7，可選單雙核（最高主頻500MHz），其上可以跑Linux、ThreadX這樣的OS，同時集成了外設(shè)，主要給客戶做不同的應(yīng)用控制。右邊部分專注于做客戶的以太網(wǎng)通信，搭載了ARMCortex–M3內(nèi)核，運行的是硬件RTOS（uITORNOS），同時也集成了多協(xié)議多工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議與冗余協(xié)議，并搭載了5端口實時以太網(wǎng)交換機。RZ/N1有四大特點：

    ● 支持工業(yè)IT和OT網(wǎng)絡(luò)的連接，支持多協(xié)議工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，幾乎涵蓋了目前市場上所有熱門工業(yè)協(xié)議如EtherCat、Ethernet/IP、ⅢSercos、Powerlink、Profinet、Modbus、Canopen以及其它一些總線協(xié)議。協(xié)議棧集成在通用操作系統(tǒng)抽象層層面上，可以實現(xiàn)片內(nèi)兩個CPU之間的無縫通信，兩個CPU是通過共享內(nèi)存和中斷請求來進行互相通信；

    ● 芯片內(nèi)有一個單核CortexA7用來做智能控制，同時還有一個CortexM3核用來做客戶智能控制應(yīng)用，并且它也提供DDR2/3、XiPQSPI、NAND閃存接口；

    ● 在工業(yè)IIoT工業(yè)網(wǎng)關(guān)方面，該芯片內(nèi)部有先進的5端口Gbit交換機橋接IT及OT網(wǎng)絡(luò)；這樣的功能在目前市場上仍較少見，主要用于支持IT和OT網(wǎng)絡(luò)連接，以及支持TSN的判斷；

    ● 其關(guān)注于安全運行和防范網(wǎng)絡(luò)安全攻擊和冗余網(wǎng)絡(luò)。為了做到這一點，存儲器帶片上ECC校驗，唯一的IDHSR/PRP/MRP冗余，給客戶提供唯一的ID以防客戶程序被其他競爭對手盜取，同時芯片能支持工業(yè)交換機需要的冗余協(xié)議。

圖3RZ/N1架構(gòu)設(shè)計圖

    用戶在應(yīng)用RZ/N1芯片時，只需要專注于應(yīng)用層開發(fā)即可，通過通用操作系統(tǒng)抽象層簡化協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，客戶在應(yīng)用方面如果需要調(diào)用實時通信協(xié)議，只要直接調(diào)用R-IN引擎就可以了，不需要再次開發(fā)，這樣大大簡化了客戶的開發(fā)工作量，目前主控協(xié)議棧是由IEC61131-3開發(fā)系統(tǒng)來提供的。

    讓機器、設(shè)備更加智能

    實現(xiàn)智能制造的工廠將采用更多自主型智能機器。這些智能機器的功能將會不斷革新，更加靈活性和自適應(yīng)性，可自監(jiān)測和預測、檢測故障，甚至能診斷問題，以提升工廠和整個供貨與物流鏈更高的效率，降低生產(chǎn)成本、并增加生產(chǎn)的安全性。

    例如，作為智能制造的一項關(guān)鍵技術(shù)，機器人應(yīng)用在最近幾年取得了突飛猛進的發(fā)展。中國制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級和技術(shù)創(chuàng)新，為機器人行業(yè)提供了一個良好的發(fā)展機遇。在市場面，隨著中國制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級、國內(nèi)勞動力成本的不斷飆升，以及老年化社會的逐步來臨，令到無論是工業(yè)領(lǐng)域還是民生領(lǐng)域，都對機器人應(yīng)用提出了旺盛的需求，市場應(yīng)用條件已經(jīng)成熟。但與此同時，在目前機器人實際應(yīng)用中還存在著一些技術(shù)瓶頸，大多數(shù)的應(yīng)用場合還僅僅能夠?qū)崿F(xiàn)機械手（臂）的功能，完成簡單的生產(chǎn)和加工工藝，如打磨、焊接等等；而要真正替代人類進行各種精細化生產(chǎn)作業(yè)，就要求機器人能夠整合更多視覺、感知、交互等前沿技術(shù)。

    具體來說，機器人技術(shù)的發(fā)展正沿著由“機器”向“機器人”的方向邁進，“機器人”的名稱沒有變，但是內(nèi)容和支撐發(fā)生了顛覆性的改變，其特征包括：傳統(tǒng)機器人只是一種機械設(shè)備，但今天的機器人開始越來越多地帶有智能化系統(tǒng)的基本特征，即靈活性、靈巧性、智能性，具備操作、感知、學習和決策能力；過去，在機器人1.0時代，追求的是效率、速度和可靠性，而如今，機器人進入到2.0時代，要求機器人應(yīng)具有作業(yè)、交互、行走、決策這四大能力，并且具備感知技術(shù)、行為技術(shù)，以及關(guān)鍵的安全技術(shù)，同時還要與許多前沿技術(shù)融合在一起，例如AI、IoT、大數(shù)據(jù)、云計算等，甚至包括材料學以及生命科學等在內(nèi)，從而形成了一個“機器人技術(shù)生態(tài)”，也使得新型機器人技術(shù)生態(tài)空間蘊含著無限廣闊的發(fā)展前景。

    打造彈性多工的智能產(chǎn)線

    針對生產(chǎn)制造，臺達近期在漢諾威展上展出了“彈性多工智能產(chǎn)線”，現(xiàn)場模擬實際產(chǎn)線，整合三座機器人工作站、制造執(zhí)行及可視化監(jiān)控管理平臺、智能輸送線等，客戶可以當場下單訂制禮品，以智能產(chǎn)線分流加工件，同步多工生產(chǎn)，并進行即時監(jiān)控與可視化，真正升級“未來智造”。同時，臺達也呼應(yīng)智能設(shè)備需求，推出了全新“3D檢測系統(tǒng)”，通過動態(tài)設(shè)備模擬產(chǎn)品在流水線上進行精準的尺寸檢測，全面從設(shè)備、生產(chǎn)線、工廠層面實現(xiàn)智能制造。

    臺達機電事業(yè)群總經(jīng)理劉佳容表示：“智能制造不但是潮流，更是強化企業(yè)競爭力勢在必行的方向。臺達持續(xù)強化工業(yè)自動化布局，落實智能工廠，同時掌握發(fā)展智能制造的契機，整合完整的工業(yè)自動化軟、硬件與解決方案，真正落實新的‘智造’模式，以自動化和創(chuàng)新打造全新‘智造’業(yè)。”

    這條“彈性多工智能產(chǎn)線”全長4米，整合臺達機器人、視覺傳感器、智能化監(jiān)控軟件、機聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云端數(shù)據(jù)等，串聯(lián)客戶訂單、生產(chǎn)線、監(jiān)控系統(tǒng)，模擬無人工廠作業(yè)，打造高效、全自動、數(shù)字化的未來生產(chǎn)線。主要應(yīng)用包括：

    ● 左、右兩側(cè)各一組垂直多關(guān)節(jié)(六軸)工業(yè)機器人DRV90L系列執(zhí)行上料、加工、取件、入庫等作業(yè)，中央一組SCARA工業(yè)機器人DRS60L系列則將兩組六軸機器人加工完成的成品進行包裝；

    ● 生產(chǎn)線上的所有作業(yè)皆根據(jù)客戶現(xiàn)場通過電腦、平板或手機進行線上下單的內(nèi)容進行定制化制造，客戶也可通過云端、制造可視化管理平

    臺(DIAMMP)網(wǎng)頁監(jiān)控作業(yè)進度與設(shè)備運作數(shù)據(jù)等即時信息；

    ● 生產(chǎn)線采用臺達全新設(shè)計打造、可彈性分流的智能輸送線，此先進輸送帶圍繞著展示設(shè)備構(gòu)建，可根據(jù)加工情況，分別將工件送至不同的機器人工作站進行加工，實現(xiàn)同步多工、縮短待機時間，并提高生產(chǎn)效率。

    “彈性多工智能產(chǎn)線”體現(xiàn)的“智造”生產(chǎn)流程包括：客戶首先在制造執(zhí)行系統(tǒng)(DIAMES)構(gòu)建的制造管理平臺網(wǎng)頁上選擇想要的禮品類型，然后輸入欲雕刻在禮品上的定制化內(nèi)容后送出訂單，完成后收到通知短信息以及取貨所需的訂單QRCode。訂單通過云端平臺送至設(shè)備控制系統(tǒng)，系統(tǒng)依當前的作業(yè)情況，將夾具送至可較快進行加工的六軸機器人工作站，由機器人夾取待加工禮品以及包裝盒，放入夾具中，再送至雷射雕刻工作站進行雷雕；然后由SCARA工業(yè)機器人進行包裝，再依客戶需求現(xiàn)場送件，或放入倉儲區(qū)待客戶稍晚取貨。取貨流程也完全依照生產(chǎn)線作業(yè)，以臺達最新的條碼掃瞄器DAH系列掃瞄客戶訂單短信息中的QRCode，再由左側(cè)機器人自動取貨。

圖4臺達整合三座機器人工作站、制造執(zhí)行及可視化監(jiān)控管理平臺、智能輸送線

    工業(yè)企業(yè)掀起數(shù)字化變革

    數(shù)字化是智能制造的基礎(chǔ)，也是核心競爭力所在。施耐德電氣定位于驅(qū)動不斷發(fā)展的工業(yè)自動化市場數(shù)字化變革，以及助力工業(yè)客戶進行數(shù)字化轉(zhuǎn)型，并正在從根本上加速這種轉(zhuǎn)型的實現(xiàn)。施耐德電氣工業(yè)事業(yè)部執(zhí)行副總裁何維克表示：“首先，工業(yè)軟件正從一系列基于專業(yè)功能的獨立產(chǎn)品轉(zhuǎn)變成為跨企業(yè)部署、推動更廣泛的效率和性能優(yōu)化的整合與互相協(xié)作的軟件。這將進一步提升從設(shè)計到建設(shè)（Capex），再到運維（Opex）階段的連續(xù)性，從而在整個資產(chǎn)和運營生命周期內(nèi)將效率提升到新的高度。其次，數(shù)字互聯(lián)和豐富的數(shù)據(jù)支持創(chuàng)建新的商業(yè)模式，如軟件即服務(wù)，平臺即服務(wù)，甚至維護即服務(wù)，使工業(yè)企業(yè)可以輕松啟動數(shù)字化進程。”

    施耐德電氣數(shù)字化驅(qū)動的互聯(lián)互通方案使工業(yè)企業(yè)能夠與客戶建立新的關(guān)系，從而為其帶來巨大的競爭優(yōu)勢，其中包括：

    端到端集成軟件：通過面向工業(yè)領(lǐng)域的EcoStruxure，施耐德電氣將提供真正統(tǒng)一化的，可以在多個工業(yè)領(lǐng)域進行部署的工程方式。利用與AVEVA獨有的合作關(guān)系，可提供一套涵蓋從流程模擬到設(shè)計、建造和制造運營管理與優(yōu)化各個方面的全面數(shù)字資產(chǎn)管理解決方案。

    開發(fā)者生態(tài)系統(tǒng)：基于施耐德電氣廣泛的已裝機市場，數(shù)字化可為開發(fā)人員研發(fā)新軟件應(yīng)用程序提供更多機會。憑借40多種數(shù)字化服務(wù)，施耐德電氣正在賦能企業(yè)業(yè)務(wù)和運營，并使其變得更為數(shù)字化與高效。在這方面，施耐德電氣居于業(yè)界前列。

    開放和互操作技術(shù)：作為OPCUATSN塑造者團隊的成員，施耐德電氣參與了漢諾威工業(yè)展覽會的5個概念驗證合作項目，進一步推動以開放式架構(gòu)，釋放全部工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)潛力的理念。通過推動下一代從設(shè)備端到云端的統(tǒng)一通信，網(wǎng)絡(luò)將得到進一步簡化，用戶也可以利用已有的技術(shù)來降低集成和維護成本。

    工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)：新的應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)的可用性與豐富專業(yè)知識的結(jié)合，為整個行業(yè)創(chuàng)造了新的價值。施耐德電氣EcoStruxure可通過將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為機器制造商的關(guān)鍵洞察力，助力提高企業(yè)的效率和收益水平。