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工业4.0与智慧工厂----未来生产力的答案

发布日期:2020年08月25日 14:50:11

前言

“工业4.0”一词是由来自不同领域(例如商业,政治和学术界)的一组代表于2011年首次公开提出的,旨在提高德国在制造业中的竞争力。 德国联邦政府在2020年的高科技战略中采纳了这一想法。随后,成立了一个工作组,就工业4.0的实施提供进一步咨询。

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一.第四次工业革命的定义与第三次革命有何不同

第四次工业革命通过引入定制和灵活的批量生产技术,将制造过程的自动化提高到了一个新水平。

这意味着机器将独立运行,或与人类合作创建面向客户的生产领域,并不断维护自身。 机器变成了一个独立的实体,可以收集数据,分析数据并提出建议。

通过将自我优化,自我认知和自我定制引入行业,这成为可能。 制造商将能够与计算机通信而不是操作它们。

机器将如何通信?

信息和通信技术(ICT)的快速变化打破了虚拟现实与现实世界之间的界限。 工业4.0背后的想法是创建一个社交网络,机器之间可以相互通信,称为物联网(IoT),也可以与人们进行通信,称为人联网(IoP)。

这样一来,机器就可以彼此之间以及与制造商之间进行通信,以创建我们现在所说的网络物理生产系统(CPPS)。 所有这些都有助于行业将现实世界集成到虚拟环境中,并使机器能够收集实时数据,对其进行分析,甚至根据它们做出决策。

二.工业4.0有哪些组成部分

网络物理系统,物联网,智能工厂和服务互联网是与该行业相关的学术研究出版物中引用的最常见的四个术语。 因此,在其初始阶段,这些是行业的四个主要组成部分。

1.网络物理系统

如上所述,电子物理系统旨在将计算和物理过程集成在一起。这意味着计算机和网络能够监视特定过程中的物理制造过程。这种系统的开发包括三个阶段:

识别:唯一的识别对于制造至关重要。这是机器可以进行通讯的最基本的语言。 RFID(射频识别)就是一个很好的例子。 RFID使用电磁场来识别通常贴在物体上的特定标签。尽管自1999年以来就已经出现了这种技术,但它仍然是工业4.0最初如何运作的一个很好的例子。 传感器和执行器的集成:这对于机器的运行至关重要。传感器和执行器的集成仅意味着可以控制特定机器的运动,并且可以感知环境的变化。但是,即使将传感器和执行器集成在一起,它们的使用也受到限制,并且不允许它们彼此通信。 传感器和执行器的开发:这种开发使机器可以存储和分析数据。现在,CPS配备了多个传感器和执行器,可以联网以交换信息。

2.物联网

今天,我们仍然对网络物理系统感到熟悉。 机器可以交换数据,并且在许多应用程序中可以感知周围环境的变化。 火灾警报就是一个很好的例子。 但是,物联网被认为是真正启动了工业4.0的东西。

物联网使物体和机器(例如手机和传感器)彼此之间以及与人类之间“通信”,从而制定出解决方案。 这种技术的集成使对象可以独立工作并解决问题。 当然,这也不是完全正确的,因为人类也被允许干预。

但是,如果目标相互矛盾,通常会将案件提至更高的职位。 根据赫尔曼(Hermann),彭特克(Pentek)和奥托(Otto)的说法,““物”和“物”可以理解为CPS。 因此,物联网可以定义为CPS通过唯一寻址模式相互协作的网络。

3.服务互联网(IoS)

不难发现,在当今世界,每个电子设备都更有可能连接到另一设备或互联网。 随着电子和智能设备的巨大发展和多样性,获取越来越多的电子设备和智能设备会带来复杂性,并破坏每个附加设备的实用性。

智能手机,平板电脑,笔记本电脑,电视乃至手表之间的联系越来越紧密,但是您购买的越多,最后一台设备的附加价值就变得不可识别。 服务互联网旨在创建一个包装器,以简化所有连接的设备,从而简化流程,从而充分利用它们。 它是客户通往制造商的门户。

4.智慧工厂

智能工厂是工业4.0的关键功能。 智能工厂采用所谓的“冷静”系统。 平静的系统是一个既可以处理物理世界又可以处理虚拟世界的系统。 这种系统称为“后台系统”,并且以某种方式在后台运行。 平静的系统会意识到周围的环境和周围的物体。 它还可以提供有关正在制造的对象的软信息,例如图纸和模型。 智能工厂可以定义为CPS通过IoT进行通信并协助人员和机器执行任务的工厂。

三.工业4.0设计原则

设计原则允许制造商研究向工业4.0技术的潜在转变。基于上述组件,以下是设计原则:

  • 互操作性:对象,机器和人需要能够通过物联网和人联网进行通信。这是真正使工厂变得聪明的最基本原则。

  • 虚拟化:CPS必须能够模拟和创建现实世界的虚拟副本。 CPS还必须能够监视周围环境中存在的对象。简而言之,必须有所有内容的虚拟副本。

  • 权力下放:CPS独立工作的能力。这为定制产品和解决问题提供了空间。这也为生产创造了更加灵活的环境。如果出现故障或目标冲突,则将问题下放到更高级别。但是,即使实施了此类技术,整个过程仍需要质量保证

  • 实时能力:智能工厂需要能够收集,存储或分析实时数据,并根据新发现做出决策。这不仅限于市场研究,还限于内部过程,例如生产线中机器的故障。智能对象必须能够识别缺陷并将任务重新委派给其他操作系统。这也极大地有助于生产的灵活性和优化。

  • 服务至上:生产必须以客户为导向。人和智能对象/设备必须能够通过服务互联网有效地连接,以根据客户的规范创建产品。这就是服务互联网必不可少的地方。

  • 模块化:在动态市场中,智能工厂适应新市场的能力至关重要。在典型情况下,一般公司可能需要一周的时间来研究市场并相应地改变其生产。另一方面,智能工厂必须能够快速,平稳地适应季节变化和市场趋势。