工业4.0与工业控制网络

工业4.0与工业控制网络技术

摘要

第四次工业革命（“工业4.0”）是德国版的再工业化战略，以提高德国制造业的竞争力为主要目的，是从嵌入式系统向信息物理融合系统（CPS）发展的技术进化。它的主要内容包括“1个核心”、“2重战略”、“3大集成”、“8项举措”。本文简单介绍了“工业4.0”概念、主要内容、技术基础以及新工业时代所面临问题与挑战。随后介绍了工业控制网络技术的概念、主要内容包括现场总线技术与工业以太网技术。最后描述了自己对“工业4.0”与工业控制网络技术之间的关系与相互作用的认识，以及本专业（控制科学与工程）在“工业4.0”下体现。

关键字：工业4.0；工业控制网络技术；控制科学与工程；工业革命

一、工业4.0综述

1. 工业4.0概念

工业4.0（Industry 4.0）是指利用物联信息系统（CPS）将生产中的供应、制造、销售信息数据化、智慧化，最后达到快速、有效、个性化的产品供应。

与国际社会关于第三次工业革命的说法不同，德国学术界与产业界认为，前三次工业革命的发生，分别源于机械化、电力和信息技术。他们将18世纪引入机械制造设备定义为工业1.0，20世纪初的电气化为2.0，始于20世纪70年代的生产工艺自动化定义为3.0，而物联网和制造业服务化迎来了以智慧制造为主导第四次工业革命，或革命性的生产方法，即为“工业4.0”。德国“工业4.0”战略旨在通过充分利用信息通讯技术和物联信息系统（CPS）相结合的手段，推动制造业向智能化转型。

2. 工业4.0主要内容

工业4.0简单可以概括为“1个核心”、“2重战略”、“3大集成”、“8项举措”。

2.1 “1个核心”

工业4.0的核心是“智能+网络化”，即通过虚拟-实体系统（Cyber-Physical

System,CPS)，构建智慧工厂，实现智能制造的目的。CPS系统建立在信息和通讯技术（ICT）高速发展的基础上。

（1）通过大量部署通过大量部署各类传感元件实现信息的大量采集；

（2）将IT控件小型化与自主化，然后将其嵌入各类制造设备中从而实现设备的智能化；

（3）依托日新月异的通信技术达到数据的高速与无差错传输；

（4）无论后台的控制设备，还是在前端嵌入制造设备的IT控件，都可以通过人工开发的软件系统进行数据处理与与指令发送，从而达到生产过程的智能化以及方便人工实时控制的目的。

2.2 “2重战略”

基于CPS系统，“工业4.0”通过采用双重战略来增强德国制造业的竞争力。

一是“领先的供应商战略”，关注生产领域，要求德国的装备制造商必须遵循

“工业4.0”的理念，将先进的技术、完善的解决方案与传统的生产技术相结合，生

产出具备“智能”与乐于“交流”的生产设备，为德国的制造业增添活力，实现“德国

制造”质的飞跃。该战略注重吸引中小企业的参与，希望它们不仅成为“智能生产”

的使用者，也能化身为“智能生产”设备的供应者。

二是“领先的市场战略”，强调整个德国国内制造业市场的有效整合。构建遍布

德国不同地区、涉及所有行业、涵盖各类大、中、小企业的高速互联网络是实现这一战略的关键。通过这一网络，德国的各类企业就能实现快速的信息共享、最终达成有效的分工合作。在此基础上，生产工艺可以重新定义与进一步细化，从而实现更为专业化的生产，提高德国制造业的生产效率。除了生产以外，商业企业也能与生产单位无缝衔接，进一步拉近德国制造企业与国内市场以及世界市场之间的距离。

2.3 ”3大集成“

具体实施中需要３大集成的支撑：

（1）关注产品的生产过程，力求在智能工厂内通过联网建成生产的纵向集成；（2）关注产品整个生命周期的不同阶段，包括设计与开发、安排生产计划、管控

生产过程以及产品的售后维护等，实现各个不同阶段之间的信息共享，从而达成工程数字化集成；

（3）关注全社会价值网络的实现，从产品的研究、开发与应用拓展至建立标准化

策略、提高社会分工合作的有效性、探索新的商业模式以及考虑社会的可持续发展等，从而达成德国制造业的横向集成。

ICT技术的不断发展，为３大集成的可实现性提供了保证。相关的技术包括：

●机器对机器（Machine to Machine，M2M）技术，用于终端设备之间的数据

交换。M2M技术的发展，使得制造设备之间能够主动地进行通信，配合预

先安装在制造设备内部的嵌入式软硬件系统实现生产过程的智能化；

●物联网（Internet of Things,loT）技术。其应用范围超越了单纯的机器对

机器的互联，将整个社会的人与物连接成一个巨大的网络。按照国际电信联盟

（ITU）的解释：① 这是一个无处不在（Omnipresent）与时刻开启（Always On）的普适网络社会（Ubiquitous Network Society）。知名的信息技术研究和分析公

司高德纳（Gartner）咨询公司预计，至2020年加入物联网的终端设备将达到

260亿台，是2009年9亿台的约30倍。

●各类应用软件。包括实现企业系统化管理的企业资源计划系统（ERP）、产

品生命周期管理（PLM）、供应链管理（SCM），系统生命周期管理

（SysLM）等。这些系统在“工业4.0”中进一步发挥协同的作用，成为企业

进行智能化生产和管理的利器。

2.4 “8项举措”

1) 实现技术标准化和开放标准的参考体系。这主要是出于联网和集成的需要，

没有标准显然无法达成信息的互换，而开放标准的参考体系，包括公开完整

的技术说明等资料，有助于促进网络的迅速普及与社会各方的参与。

2) 建立模型来管理复杂的系统。由于“工业4.0”的跨学科、多企协同和异地合

作等特性，必然对整个系统的管理提出了很高的要求。只有事先建立并不断

完善管理模型，才能充分发挥“工业4.0”的功效。

3) 提供一套综合的工业宽带基础设施。这是实施联网的基础，以保证数据传输

的高速、稳定与可靠。

4) 建立安全保障机制。这是因为：第一、安全生产必须予以保障；第二、在传

输与储存过程中需要维护信息安全；第三、整个系统应具有健全的容错机制

以确保人为失误不会酿成灾难等。

5) 创新工作的组织和设计方式。由于“工业4.0”的高度自动化和分散协同性，

对社会生产的组织和设计方式提出了新的要求，需要探索与建立新的生产协

作方式，让员工能高效，并且是愉快与安全地进行生产活动。

6) 注重培训和持续的职业发展。在“工业4.0”中，员工需要面对的生产设备和

协作伙伴的范围远远超过了目前生产方式的要求，而且工作环境的变化速度

也显著加快。面对上述两方面的挑战，员工的持续学习就变得尤为重要。只

有全社会拥有大量的合格员工，“工业4.0”的威力才能真正得以体现。

7) 健全规章制度。它涉及企业如何进行数据保护、数据交换过程中安全性、保

护个人隐私、协调各国的不同贸易规则等。

8) 提升资源效率。“工业４．０”所说的资源，不仅包括原材料与能源，也涉及

人力资源和财务资源。德国联邦教育与科研部（BMBF）和德国工程师联合

会（BDMA）倡议的“效率工厂”（Effizienzfabrik），就可作为今后各企业提

升资源效率的重要参考。此外，建立各类可量化的关键绩效指标体系（KPI）也是评估企业资源利用效率的可靠工具。