智能制造已不再只是一個(gè)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(shì)。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(dǎo)體芯片、基礎(chǔ)零部件、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、智能化機(jī)器設(shè)備、產(chǎn)線設(shè)計(jì)、企業(yè)的“兩化”融合等多個(gè)層面做認(rèn)真細(xì)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(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司創(chuàng)始人、總裁曲道奎先生所說的，當(dāng)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(guó)家針對(duì)這一新趨勢(shì)，都根據(jù)本身原有的工業(yè)基礎(chǔ)或國(guó)家發(fā)展的脈絡(luò)，從各自的切入點(diǎn)來制定未來國(guó)家的不同發(fā)展戰(zhàn)略。

    無論是美國(guó)提出的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”、德國(guó)提出的“工業(yè)4.0”等概念，還是中國(guó)政府制定的“中國(guó)制造2025”國(guó)家戰(zhàn)略，都強(qiáng)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(jí)的連接，打造一種新型、柔性、智能化的生產(chǎn)制造模式，以達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、綠色的總體發(fā)展目標(biāo)。

    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(jì)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(jī)器人、智能機(jī)床、自動(dòng)化裝備、3D打印為產(chǎn)品構(gòu)成的自動(dòng)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(kù)）

    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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互的動(dòng)態(tài)優(yōu)化，包括現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取及處理；實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)優(yōu)化和決策；以及基于MES、ERP智能反饋優(yōu)化運(yùn)行與管控等。第三階段則是實(shí)現(xiàn)虛實(shí)融合的智能化生產(chǎn)，全面建成不同層級(jí)（產(chǎn)品、制造裝備及工藝、車間和企業(yè)）的數(shù)字孿生，以達(dá)到工況自感知、工藝自學(xué)習(xí)、裝備自執(zhí)行、系統(tǒng)自組織的目標(biāo)，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(duì)的是，現(xiàn)階段中國(guó)制造業(yè)面臨的最大難題在于，沒有經(jīng)歷過工業(yè)化嚴(yán)格的發(fā)展進(jìn)程，可以說，短短的幾十年，中國(guó)制造業(yè)實(shí)際上是整個(gè)全球制造發(fā)展史的一個(gè)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(guó)的新工業(yè)革命相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家來說難度可能更大。因此，中國(guó)整個(gè)制造業(yè)的發(fā)展實(shí)際上是一個(gè)混合時(shí)代，要想一步就跨入4.0時(shí)代或者說智能制造時(shí)代，是不現(xiàn)實(shí)、也是不可行的，需要不同行業(yè)中的各個(gè)企業(yè)把握以下四個(gè)原則：一是要實(shí)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(shí)可行的企業(yè)新技術(shù)和新生產(chǎn)模式的升級(jí)、轉(zhuǎn)型。

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

    為了實(shí)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(dǎo)體器件和傳感器組成，并與模擬和數(shù)字信號(hào)處理IC相結(jié)合。因此，半導(dǎo)體制造商需要適應(yīng)這一技術(shù)趨勢(shì)，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(jìn)。

    瑞薩電子中國(guó)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(guó)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(dòng)化市場(chǎng)提出了一些關(guān)鍵需求，首先是要不斷提高機(jī)器效率，然后是要進(jìn)行實(shí)時(shí)性分析和過程優(yōu)化，實(shí)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(shí)現(xiàn)這些工業(yè)分析，同時(shí)也需要兼顧到工業(yè)生產(chǎn)的安全性連接，實(shí)現(xiàn)IT和OT之間的連接。她指出：“面對(duì)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(shí)提供BLDC電機(jī)與伺服運(yùn)動(dòng)控制方案。”

    RZ/N1是最新面向控制及工業(yè)控制級(jí)的產(chǎn)品，主要適用于可編程控制器，其設(shè)計(jì)理念是把應(yīng)用部分和實(shí)時(shí)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(jì)，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(shí)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(yùn)行的是硬件RTOS（uITORNOS），同時(shí)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(shí)時(shí)以太網(wǎng)交換機(jī)。RZ/N1有四大特點(diǎn)：

    ● 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(chǎng)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(shí)現(xiàn)片內(nèi)兩個(gè)CPU之間的無縫通信，兩個(gè)CPU是通過共享內(nèi)存和中斷請(qǐng)求來進(jìn)行互相通信；

    ● 芯片內(nèi)有一個(gè)單核CortexA7用來做智能控制，同時(shí)還有一個(gè)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(jìn)的5端口Gbit交換機(jī)橋接IT及OT網(wǎng)絡(luò)；這樣的功能在目前市場(chǎng)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(yùn)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(diǎn)，存儲(chǔ)器帶片上ECC校驗(yàn)，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(jìng)爭(zhēng)對(duì)手盜取，同時(shí)芯片能支持工業(yè)交換機(jī)需要的冗余協(xié)議。

圖3RZ/N1架構(gòu)設(shè)計(jì)圖

    用戶在應(yīng)用RZ/N1芯片時(shí)，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(jiǎn)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(shí)時(shí)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(jiǎn)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(jī)器、設(shè)備更加智能

    實(shí)現(xiàn)智能制造的工廠將采用更多自主型智能機(jī)器。這些智能機(jī)器的功能將會(huì)不斷革新，更加靈活性和自適應(yīng)性，可自監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)、檢測(cè)故障，甚至能診斷問題，以提升工廠和整個(gè)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(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，機(jī)器人應(yīng)用在最近幾年取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。中國(guó)制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)和技術(shù)創(chuàng)新，為機(jī)器人行業(yè)提供了一個(gè)良好的發(fā)展機(jī)遇。在市場(chǎng)面，隨著中國(guó)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)、國(guó)內(nèi)勞動(dòng)力成本的不斷飆升，以及老年化社會(huì)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(duì)機(jī)器人應(yīng)用提出了旺盛的需求，市場(chǎng)應(yīng)用條件已經(jīng)成熟。但與此同時(shí)，在目前機(jī)器人實(shí)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(chǎng)合還僅僅能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械手（臂）的功能，完成簡(jiǎn)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(jìn)行各種精細(xì)化生產(chǎn)作業(yè)，就要求機(jī)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(jī)器人技術(shù)的發(fā)展正沿著由“機(jī)器”向“機(jī)器人”的方向邁進(jìn)，“機(jī)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(jī)器人只是一種機(jī)械設(shè)備，但今天的機(jī)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(xué)習(xí)和決策能力；過去，在機(jī)器人1.0時(shí)代，追求的是效率、速度和可靠性，而如今，機(jī)器人進(jìn)入到2.0時(shí)代，要求機(jī)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(shí)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(jì)算等，甚至包括材料學(xué)以及生命科學(xué)等在內(nèi)，從而形成了一個(gè)“機(jī)器人技術(shù)生態(tài)”，也使得新型機(jī)器人技術(shù)生態(tài)空間蘊(yùn)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(duì)生產(chǎn)制造，臺(tái)達(dá)近期在漢諾威展上展出了“彈性多工智能產(chǎn)線”，現(xiàn)場(chǎng)模擬實(shí)際產(chǎn)線，整合三座機(jī)器人工作站、制造執(zhí)行及可視化監(jiān)控管理平臺(tái)、智能輸送線等，客戶可以當(dāng)場(chǎng)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(jìn)行即時(shí)監(jiān)控與可視化，真正升級(jí)“未來智造”。同時(shí)，臺(tái)達(dá)也呼應(yīng)智能設(shè)備需求，推出了全新“3D檢測(cè)系統(tǒng)”，通過動(dòng)態(tài)設(shè)備模擬產(chǎn)品在流水線上進(jìn)行精準(zhǔn)的尺寸檢測(cè)，全面從設(shè)備、生產(chǎn)線、工廠層面實(shí)現(xiàn)智能制造。

    臺(tái)達(dá)機(jī)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(qiáng)化企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力勢(shì)在必行的方向。臺(tái)達(dá)持續(xù)強(qiáng)化工業(yè)自動(dòng)化布局，落實(shí)智能工廠，同時(shí)掌握發(fā)展智能制造的契機(jī)，整合完整的工業(yè)自動(dòng)化軟、硬件與解決方案，真正落實(shí)新的‘智造’模式，以自動(dòng)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(zhǎng)4米，整合臺(tái)達(dá)機(jī)器人、視覺傳感器、智能化監(jiān)控軟件、機(jī)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(dòng)、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(jī)器人DRV90L系列執(zhí)行上料、加工、取件、入庫(kù)等作業(yè)，中央一組SCARA工業(yè)機(jī)器人DRS60L系列則將兩組六軸機(jī)器人加工完成的成品進(jìn)行包裝；

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

    臺(tái)(DIAMMP)網(wǎng)頁(yè)監(jiān)控作業(yè)進(jìn)度與設(shè)備運(yùn)作數(shù)據(jù)等即時(shí)信息；

    ● 生產(chǎn)線采用臺(tái)達(dá)全新設(shè)計(jì)打造、可彈性分流的智能輸送線，此先進(jìn)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(jī)器人工作站進(jìn)行加工，實(shí)現(xiàn)同步多工、縮短待機(jī)時(shí)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(tái)網(wǎng)頁(yè)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(tái)送至設(shè)備控制系統(tǒng)，系統(tǒng)依當(dāng)前的作業(yè)情況，將夾具送至可較快進(jìn)行加工的六軸機(jī)器人工作站，由機(jī)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(jìn)行雷雕；然后由SCARA工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行包裝，再依客戶需求現(xiàn)場(chǎng)送件，或放入倉(cāng)儲(chǔ)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(tái)達(dá)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(jī)器人自動(dòng)取貨。

圖4臺(tái)達(dá)整合三座機(jī)器人工作站、制造執(zhí)行及可視化監(jiān)控管理平臺(tái)、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(jìng)爭(zhēng)力所在。施耐德電氣定位于驅(qū)動(dòng)不斷發(fā)展的工業(yè)自動(dòng)化市場(chǎng)數(shù)字化變革，以及助力工業(yè)客戶進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)型，并正在從根本上加速這種轉(zhuǎn)型的實(shí)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(dú)立產(chǎn)品轉(zhuǎn)變成為跨企業(yè)部署、推動(dòng)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(jìn)一步提升從設(shè)計(jì)到建設(shè)（Capex），再到運(yùn)維（Opex）階段的連續(xù)性，從而在整個(gè)資產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)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(tái)即服務(wù)，甚至維護(hù)即服務(wù)，使工業(yè)企業(yè)可以輕松啟動(dòng)數(shù)字化進(jìn)程。”

    施耐德電氣數(shù)字化驅(qū)動(dòng)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(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，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(gè)工業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行部署的工程方式。利用與AVEVA獨(dú)有的合作關(guān)系，可提供一套涵蓋從流程模擬到設(shè)計(jì)、建造和制造運(yùn)營(yíng)管理與優(yōu)化各個(gè)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(jī)市場(chǎng)，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(jī)會(huì)。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(yùn)營(yíng)，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(tuán)隊(duì)的成員，施耐德電氣參與了漢諾威工業(yè)展覽會(huì)的5個(gè)概念驗(yàn)證合作項(xiàng)目，進(jìn)一步推動(dòng)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(dòng)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(jìn)一步簡(jiǎn)化，用戶也可以利用已有的技術(shù)來降低集成和維護(hù)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(shí)的結(jié)合，為整個(gè)行業(yè)創(chuàng)造了新的價(jià)值。施耐德電氣EcoStruxure可通過將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為機(jī)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。