構建智能工廠(chǎng)的關(guān)鍵要素與技術(shù)挑戰

智能工廠(chǎng)是以工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)為基礎，利用傳感、自動(dòng)化、數據傳輸、大數據分析及人工智能等技術(shù)，通過(guò)彼此信息的交換、自行組織，可使整個(gè)價(jià)值鏈中的流程實(shí)現互聯(lián)和自動(dòng)化，實(shí)現工廠(chǎng)的辦公、供應鏈管理、工廠(chǎng)間協(xié)調及生產(chǎn)自動(dòng)化等目標，整個(gè)生產(chǎn)將變得更加高效、敏捷，人與機器可以全新的方式建立聯(lián)系。

在中國制造全面升級改造的國家大戰略中，智能工廠(chǎng)是提升工業(yè)生產(chǎn)水平，改進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)效率的必然選擇，無(wú)論是對傳統單一工廠(chǎng)，還是全球化的多工廠(chǎng)體系，智能工廠(chǎng)將是適應全球智能制造和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的必然要求。未來(lái)將致力于在其全球各地的工廠(chǎng)組成一個(gè)虛擬化的 “智能工廠(chǎng)”：在不同的工廠(chǎng)之間交換工藝信息，持續優(yōu)化生產(chǎn)，并通過(guò)對產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節實(shí)時(shí)進(jìn)行優(yōu)化，從而允許生產(chǎn)商自動(dòng)根據客戶(hù)要求進(jìn)行更改，或是對原材料供貨發(fā)生變化等作出反應，實(shí)現龐大的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的各種技術(shù)指標。

圖1 麥肯錫2025物聯(lián)網(wǎng)價(jià)值預估報告（單位萬(wàn)億美元）

麥肯錫全球研究院最新預測，到2025年智能工廠(chǎng)帶來(lái)的經(jīng)濟影響價(jià)值將達每年1.2萬(wàn)億美元至3.7萬(wàn)億美元。埃森哲聯(lián)合Frontier Economics，預估了智能工廠(chǎng)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)對中國12個(gè)產(chǎn)業(yè)的累計GDP影響，在中國當前政策和投資趨勢的助推下，未來(lái)15年，僅在制造業(yè)，智能工廠(chǎng)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)就可創(chuàng )造1960億美元的累計GDP增長(cháng)，如果進(jìn)一步擴大物聯(lián)網(wǎng)的影響，各行業(yè)還將創(chuàng )造出更大價(jià)值。以制造業(yè)為例，物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng )造的經(jīng)濟價(jià)值將從1960億美元躍升至7360億美元，增加276%。

技術(shù)革新與全新挑戰

智能工廠(chǎng)是實(shí)現智能制造的重要載體，主要通過(guò)構建智能化生產(chǎn)系統、網(wǎng)絡(luò )化分布生產(chǎn)設施，實(shí)現生產(chǎn)過(guò)程的智能化。智能工廠(chǎng)已經(jīng)具有了自主能力，可采集、分析、判斷、規劃；通過(guò)整體可視技術(shù)進(jìn)行推理預測，利用仿真及多媒體技術(shù)，將實(shí)境擴增展示設計與制造過(guò)程。系統中各組成部分可自行組成最佳系統結構，具備協(xié)調、重組及擴充特性。已系統具備了自我學(xué)習、自行維護能力。

智能工廠(chǎng)代表了高度互聯(lián)和智能化的數字時(shí)代，工廠(chǎng)的智能化通過(guò)互聯(lián)互通、數字化、大數據、智能裝備與智能供應鏈五大關(guān)鍵領(lǐng)域得以體現，典型智能工廠(chǎng)包括生產(chǎn)設備互聯(lián)、物品識別定位、能耗自動(dòng)檢測、設備狀態(tài)監測、產(chǎn)品遠程運維、配件產(chǎn)品追溯、生產(chǎn)業(yè)績(jì)考核以及工廠(chǎng)環(huán)境監測等目前存在的實(shí)際應用。目前智能工廠(chǎng)相比于傳統工業(yè)制造，具有幾個(gè)明顯的技術(shù)革新。首先是智能的感知控制，通過(guò)利用智能感知技術(shù)隨時(shí)隨地對工業(yè)數據進(jìn)行采集；其次是全面的互聯(lián)互通，通過(guò)多種通信技術(shù)標準，將采集到的數據實(shí)時(shí)準確地傳遞出去；再次是深度的數據應用，利用云計算、大數據等相關(guān)技術(shù)，對數據進(jìn)行建模、分析和優(yōu)化，實(shí)現對海量數據的充分挖掘和利用；最后是創(chuàng )始的服務(wù)模式，利用信息管理、智能終端和平臺等技術(shù)，實(shí)現傳統工業(yè)智能化改造，提升產(chǎn)業(yè)價(jià)值、優(yōu)化服務(wù)資源和激發(fā)產(chǎn)業(yè)創(chuàng )新。在這些技術(shù)革新的基礎上，智能工廠(chǎng)將會(huì )面對六大技術(shù)發(fā)展趨勢，即終端智能化，連接泛在化，計算邊緣化，網(wǎng)絡(luò )扁平化以及服務(wù)平臺化和安全提升化。由此帶來(lái)的管理變革包括設備聯(lián)接日趨多元化，數據處理向邊緣端傾斜以及企業(yè)戰略由產(chǎn)業(yè)個(gè)體向生態(tài)系統轉型，企業(yè)運營(yíng)由設備和資產(chǎn)向產(chǎn)品和客戶(hù)轉移。

圖2 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)引領(lǐng)的智能工廠(chǎng)運作流程示意

技術(shù)和趨勢的變革帶來(lái)了全新的挑戰，比如缺乏統一的技術(shù)標準，行業(yè)規范化有待加強，再比如中國企業(yè)普遍工業(yè)信息化程度低，應用推廣有待提速，以及企業(yè)發(fā)展不均衡，成功模式較難復制等，特別的數據所有權懸而未決，數據安全問(wèn)題亟待解決。因此，從國家和企業(yè)層面上來(lái)說(shuō)，面對這些挑戰，整體的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)布局標準化任務(wù)需要分階段實(shí)施，網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)互通和數據異構集成等基本技術(shù)問(wèn)題需要解決，此外還需要規范資源數據的標準化封裝，構建良好的應用創(chuàng )新生態(tài)環(huán)境，此外還要構建工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的安全環(huán)境，預防控制安全問(wèn)題。

智能工廠(chǎng)需要解決的問(wèn)題及技術(shù)實(shí)現

作為未來(lái)工業(yè)發(fā)展的必然趨勢，面對諸多技術(shù)挑戰，智能工廠(chǎng)需要解決多個(gè)方面的問(wèn)題，而我們通過(guò)分析這些需要解決的問(wèn)題，可以梳理出通過(guò)哪些技術(shù)和產(chǎn)品進(jìn)行技術(shù)實(shí)現。特別的，作為中國電子信息技術(shù)開(kāi)年第一大展，各位可以在參觀(guān)2019年上海慕尼黑電子展時(shí)，在各家廠(chǎng)商的展臺上尋找到助力實(shí)現智能工廠(chǎng)的各種產(chǎn)品技術(shù)和系統解決方案。

智能工廠(chǎng)首當其沖面臨要解決的問(wèn)題就是智能的感知控制，通過(guò)隨時(shí)隨地的進(jìn)行工業(yè)數據的采集來(lái)獲取最關(guān)鍵的工業(yè)數據。在技術(shù)實(shí)現方面，通過(guò)各種感知控制技術(shù)可以解決實(shí)際問(wèn)題，這就涉及到包括傳感器、設備識別、工業(yè)控制等多方面的技術(shù)。在慕尼黑電子展上，BOSCH博世（展位號4500），ams AG艾邁斯半導體(展位號4524)，TE Connectivity（展位號4354）

阿爾卑斯 ALPS（展位號5600）和歐姆龍 OMRON（展位號5306）都是工業(yè)傳感器的領(lǐng)導廠(chǎng)商，借助各種高精度高可靠性的傳感器產(chǎn)品，可以實(shí)現精確的工業(yè)數據獲取。在工業(yè)控制系統和器件方面，ST意法半導體（展位號4108），Renesas瑞薩（展位號4510）和Cypress賽普拉斯（展位號4116）都是工業(yè)控制器件的重要供應商。

第二個(gè)需要解決的問(wèn)題時(shí)全面的互聯(lián)互通，如果將采集到的數據實(shí)時(shí)準確的傳遞出去，并保證信號傳輸的安全可靠以及兼容不同設備是非常重要的技術(shù)挑戰。應對這個(gè)問(wèn)題需要的技術(shù)包括工業(yè)以太網(wǎng)，短距離無(wú)線(xiàn)通信和低功耗的工業(yè)廣域網(wǎng)等技術(shù)和相關(guān)解決方案。在慕尼黑電子展期間，您可以在Honeywell霍尼韋爾（展位號4559），賽普拉斯（展位號4116）以及TDK (展位號5106)等廠(chǎng)商的展臺獲得最新最先進(jìn)的互聯(lián)互通技術(shù)解決方案。

圖3 紛繁復雜的各類(lèi)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)標準化組織

有了數據獲取和數據傳輸，智能工廠(chǎng)的智能化核心體現來(lái)自于對數據的深度應用。利用云計算、大數據等相關(guān)技術(shù)，對數據進(jìn)行建模、分析和優(yōu)化，實(shí)現對海量數據的充分挖掘和利用。這方面涉及的數據處理技術(shù)除了我們熟知的云計算等算法和設備服務(wù)之外，還包括數據清洗、數據分析、數據建模以及數據存儲等。在慕尼黑電子展期間，Cypress（展位號4116）將展示擁有嵌入式計算能力的新一代存儲平臺，滿(mǎn)足智能工廠(chǎng)對高可靠智能技術(shù)和無(wú)故障存儲產(chǎn)品的日益增長(cháng)的需求。該平臺擁有標準化的IP設計，可針對新的應用需求實(shí)現快速的重新配置。賽普拉斯的Semper NOR閃存產(chǎn)品系列即基于該平臺打造，它搭載了Arm? Cortex?-M0處理器，可在工業(yè)應用的極端工作溫度中提供可靠、持久的數據留存能力。

最后，智能工廠(chǎng)面臨的最特別的挑戰將是服務(wù)模式的創(chuàng )新，融合信息管理、智能終端和平臺等技術(shù)，實(shí)現傳統工業(yè)的智能化改造。這方面涉及到很多技術(shù)之外的服務(wù)模式創(chuàng )新，而其中最特別的一點(diǎn)是安全管理技術(shù)，特別是加密認證、防火墻和入侵檢測等技術(shù)環(huán)節，保障智能工廠(chǎng)的全面安全性。通過(guò)連接網(wǎng)絡(luò )，客戶(hù)可以從工廠(chǎng)內部和外部監控機械的運行狀態(tài)、交換數據、更改生產(chǎn)指令和重新編寫(xiě)MCU存儲程序來(lái)更新設備的設置。這就要求系統制造商需要提供一個(gè)更安全、更可靠、更友善人機界面且可重復編程的集成解決方案。在2019年慕尼黑電子展期間，瑞薩電子（展位號4510）針對工業(yè)安全應用推出了RX65N/RX651系列MCU，其中的Trusted Secure IP安全功能，將代碼保護功能擴展到開(kāi)發(fā)階段，防止重要算法泄露或未經(jīng)授權的復制。TM是片內Flash中一個(gè)特殊的區域，一旦使用TM功能，該區域內程序便只能通過(guò)CPU取指令方式來(lái)逐條執行，任何通過(guò)數據總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)TM區域的操作都將被禁止。

伴隨著(zhù)第四次工業(yè)革命的浪潮，新一代信息技術(shù)將給傳統制造業(yè)帶來(lái)深刻的影響。德國倡導的“工業(yè)4.0”到智能制造以及最新的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，制造業(yè)的轉型升級已經(jīng)不可逆轉的大趨勢。勞動(dòng)力成本上升、原材料價(jià)格上升逼使工廠(chǎng)必需采用更高效的自動(dòng)化解決方案，另一方面面對消費者的個(gè)性化需求在增長(cháng)，工廠(chǎng)需要建立起快速響應多樣化需求的機制。智能工廠(chǎng)的建立是個(gè)龐大的系統化工程，廣大的開(kāi)發(fā)者將是參與這個(gè)龐大系統工程中某個(gè)部分開(kāi)發(fā)的重要創(chuàng )造者，希望大家都能在2019年上海慕尼黑電子展上，找到適合您項目開(kāi)發(fā)的技術(shù)和系統解決方案。