本文從“工業(yè) 4.0”革命的概念出發(fā)，引伸到面向制造業(yè)的“智慧工廠 1.0”，以及世

界各國所采取的策略與相關自動化新技術產(chǎn)品。文中進一步談到我國地磅行業(yè)在工業(yè) 4.0  革命中的地位及應用，并結合目前地磅行業(yè)的現(xiàn)狀，就如何結合工業(yè) 4.0  的發(fā)展談了自己的看法。以期引起我國地磅行業(yè)對“工業(yè) 4.0”制造技術及應用的重視。

前言

前不久在上海舉辦的代表中國工業(yè)風向標的《2014’上海國際工業(yè)博覽會》上，以“高端、智能、

綠色”為主題，以“工業(yè) 4.0”革命為契機，推動我國工業(yè)技術的發(fā)展。“工業(yè) 4.0”到底是什么內(nèi)容呢？

它與衡器工業(yè)又有何種關系呢？本文就此與地磅同行一一展開討論。

一、“工業(yè) 4.0”革命

目前國際工業(yè)界對于世界工業(yè)革命的階段劃分達成共識，認為可以分為以下幾個階段：

第一次工業(yè)革命：是以蒸汽時代（手工作坊生產(chǎn)制造模式）為代表。

第二次工業(yè)革命：是以電氣時代（人工流水線生產(chǎn)制造模式）為代表。

第三次工業(yè)革命：以數(shù)控和可編程控制技術（自動化流水線）為代表。

第四次工業(yè)革命：德國政府 2010年正式批準的《高技術戰(zhàn)略  2020》推出“工業(yè) 4.0”已成為全球

第四次工業(yè)革命風向標，信息通訊技術和 CPS（Cyber Physical Systems信息物理系統(tǒng)）作為創(chuàng)新驅動力。以制造業(yè)智能化、網(wǎng)絡化、柔性化、綠色化、服務化為核心特征。

從上圖工業(yè)革命的發(fā)展歷程中我們可以清楚地看出，實質上“工業(yè)  4.0”就是生產(chǎn)制造模式的變

革。“工業(yè)  4.0”也就是互聯(lián)網(wǎng)技術在自動化生產(chǎn)制造模式上的應用。生產(chǎn)制造系統(tǒng)采用互聯(lián)網(wǎng)的嵌入式系統(tǒng)，以及物聯(lián)網(wǎng)和基于萬維網(wǎng)（WEB）的服務，將使傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)制造模式走上第四次工業(yè)革命的道路。

“工業(yè)  4.0”的戰(zhàn)略目標就是讓生產(chǎn)制造行業(yè)逐步實現(xiàn)四化：智能適應化、機電控制模塊化、互

聯(lián)移動實用化、PLM管理一體化。

“工業(yè) 4.0”具體的應用技術可以描述如下：

自動化控制系統(tǒng)、通信技術、WEB2.0、云計算和大數(shù)據(jù)、M2M技術、軟件技術、物聯(lián)網(wǎng)、設

計技術等。

二、“智慧工廠1.0”

我國工業(yè)控制自動化行業(yè)為了響應“工業(yè) 4.0”的發(fā)展，提出了以“數(shù)字、綠色”為主旋律的“智慧

工廠 1.0”的概念，所謂的“智慧工廠”就是把大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)轉化為可執(zhí)行的信息，通過自動化與信

息化的融合，使裝備制造電子化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化，進而達到智能化，由常規(guī)工業(yè)資源驅動轉變?yōu)?/span>

工業(yè)信息驅動，以期提高我國工業(yè)生產(chǎn)效率并實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

“智慧工廠 1.0”的系統(tǒng)框架就是數(shù)字化工廠。數(shù)字化工廠的核心就是自動化控制系統(tǒng).

具體的工廠模型如下：

從上述系統(tǒng)圖與模型圖中，可以看出數(shù)字化工廠應該分為四個層面，最底層 Level  1的是現(xiàn)場總線層、Level 2層是  SCADA系統(tǒng)、Level  3層是  EAM、MES系統(tǒng)、Level  4層是  ERP、HCM系統(tǒng)。

其中 Level 1層是現(xiàn)場層、Level   2層是控制層，Level  3層是管理層、Level   4層是就是我們常說的ERP層。從功能上分，Leve  l、Level 2屬于控制階層，而  Leve 3、Level 4屬于管理階層。

現(xiàn)場總線層——衡器行業(yè)在自身的工廠內(nèi)有各類制造設備，例如各類加工中心及過程處理設備；衡器制造行業(yè)在用戶的工廠內(nèi)有各類非自動和自動衡器設備，例如設備中有各類傳感器及  I/O端口。

SCADA系統(tǒng)——即“遠程采集監(jiān)視控制系統(tǒng)”。該系統(tǒng)可以自動告訴管理者，現(xiàn)場操作人員是不是在工作，工作得如何。現(xiàn)場控制層的  HMI人機界面顯示的信息，通過自動網(wǎng)絡傳輸?shù)骄S修或管理人員處，實時了解現(xiàn)場設備的狀況。

MES、EAM系統(tǒng)——MES系統(tǒng)即“制造執(zhí)行系統(tǒng)”；EAM系統(tǒng)即“企業(yè)資產(chǎn)管理系統(tǒng)”。MES系統(tǒng)是面向車間的計算機集成生產(chǎn)過程管理與實時信息采集。一個完整的物流系統(tǒng)，從毛坯供應到部件生產(chǎn)到裝配到包裝到成品入庫的過程控制通過每一道工序實時掃描條形碼識別采集信息從而

組成了 MES系統(tǒng)。EAM系統(tǒng)主要包括完整的信息化物流系統(tǒng)的資產(chǎn)管理、備件管理等功能。

HCM、ERP系統(tǒng)——HCM系統(tǒng)即“生產(chǎn)計劃排程系統(tǒng)”，該系統(tǒng)根據(jù)營銷部門的客戶需求，通過生產(chǎn)監(jiān)控和庫存監(jiān)控，作出需求排序計劃，并通過軟件界面的電子文檔發(fā)布給制造和采購部門。

ERP系統(tǒng)即“企業(yè)資源計劃系統(tǒng)”，該系統(tǒng)是企業(yè)信息資源的最大的計劃管理平臺，包括企業(yè)策劃到營銷到研發(fā)設計到采購供應到生產(chǎn)、質量控制、產(chǎn)品出廠直至售后服務的全過程的資源計劃管理的信息化大系統(tǒng)。

“智慧工廠  1.0”系統(tǒng)的發(fā)展分三個階段進行。第一階段，屬于非管理型，未融合的網(wǎng)絡系統(tǒng)的建立，各階段有獨立的傳感數(shù)據(jù)，但沒有安全傳輸數(shù)據(jù)的保障；第二階段，形成融合的廠際網(wǎng)絡.

融合了各自獨立的網(wǎng)絡，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的可視化；第三階段，建立彈性多重的服務平臺。考慮各節(jié)點的控制安全與移動性，視頻化，運用遠程監(jiān)控、云計算技術、設備的軟件化運行的高級階段的物聯(lián)網(wǎng)。

“智慧工廠 1.0”系統(tǒng)的具體做法是通過三大集成（橫向集成、縱向集成、端對端集成），推進三大目標轉變，即實現(xiàn)生產(chǎn)由集中向分散的轉變、實現(xiàn)產(chǎn)品由大規(guī)模趨同性生產(chǎn)向規(guī)?；ㄖ粕a(chǎn)轉變、實現(xiàn)由客戶導向到客戶全程參與的轉變。

三、工業(yè) 4.0的戰(zhàn)略與實施

在工業(yè) 4.0的戰(zhàn)略與實施中，不同的國家有不同的實施方針，具體介紹如下：

1．“美式戰(zhàn)略”概念

以  GE和羅克韋爾自動化為代表的  “美式戰(zhàn)略”共同把網(wǎng)絡的作用提升到未來制造業(yè)的核心層次，體現(xiàn)的是一種信息化驅動思維，強調(diào)數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡和軟件分析。

（1）“全廠最優(yōu)化”的縱橫向戰(zhàn)略

羅克韋爾自動化縱向鏈條的現(xiàn)場層、控制層、管理層之間相互協(xié)調(diào),橫向鏈條的制造環(huán)境的所有組成部分協(xié)同工作,組成了縱向橫向融合的產(chǎn)業(yè)集成鏈。與思科合作，推出標準以太網(wǎng)   EtherNet/IP采用不同的網(wǎng)絡冗余協(xié)議，I/O網(wǎng)絡采用了  DLR環(huán)網(wǎng)的安全技術，采用以太網(wǎng)、TCP/IP和    CIP協(xié)議可與所有以太網(wǎng)設備融合。具有微秒分辨率的 SOE模塊可用于自動化運動控制的各種解決方案。

（2）虛擬測量儀器（Virtual Instrument）概念

美國國家儀器公司將計算機、網(wǎng)絡技術和儀器技術結合起來,提出的虛擬測量儀器概念。用 IPC、軟件和 I/O部件來構建虛擬儀器。而  I/O部件可以是獨立模塊、數(shù)據(jù)采集板（DAQ）或各類傳感器。

產(chǎn)品有 LabVIEW軟件及各種數(shù)據(jù)采集、信號處理、圖像采集及處理等產(chǎn)品。

（3）軟件定義機器（Software-defined Machine）概念

美國 GE公司最新推出的在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)下的   SDM系列軟件定義是針對智能機器、高端分析能力、提高生產(chǎn)效率。其最大的特點是簡化現(xiàn)場工程師的工作量，所有的高端疑難的數(shù)據(jù)分析由云計算完成，現(xiàn)場的操作維修有如傻瓜機的操作，這樣大大提高了現(xiàn)場的生產(chǎn)效率。SDM系列軟件特

點：云端下載、通用性、變化預測、人機交互、柔性化。

（4）OPC Tunneling技術的概念

以美國 OPC公司與  Microsoft合作而建立的數(shù)據(jù)傳輸通訊  OPC標準已有  10余年的歷史。OPC

是 OLE（Object Linking and Embedding）for Process Control的縮寫。采用這項軟件接口技術后，OEM硬件廠商只要支持統(tǒng)一的  OPC接口程序，使得軟件應用開發(fā)者避免為了實現(xiàn)在特定硬件平臺上的特定應用功能，而需要編寫硬件驅動程序的麻煩，大幅提升系統(tǒng)的開放性和可互操作性，給應用者帶來了極大的方便。

最新開發(fā)的 OPC Tunneling技術將多種信息打包，通過防火墻開通的針孔（pinhole）傳輸，之后再將信息分發(fā)到各個目的地。主要應用于：數(shù)據(jù)采集技術、歷史數(shù)據(jù)訪問、報警和事件處理、數(shù)據(jù)冗余技術、遠程數(shù)據(jù)訪問等。

2．“歐式戰(zhàn)略”概念

以西門子、ABB為代表的“歐式戰(zhàn)略”更多地在強調(diào)制造業(yè)本身面臨的資源、效率和數(shù)字化創(chuàng)新乃至人才的挑戰(zhàn)，體現(xiàn)的是一種工業(yè)化驅動思維。

（1）全集成自動化（TIA）和“數(shù)字化企業(yè)平臺”

全集成自動化（TIA）和“數(shù)字化企業(yè)平臺”，使得西門子長久以來占據(jù)著信息技術集成領域的領導地位。工程軟件平臺 TIA博途  V12、新一代控制器  Simatic  S7-1500、電氣傳動應用的“全集成驅動系統(tǒng)”（IDS）具有國際領先水平。

SIMATICNET具有特色的以太網(wǎng)產(chǎn)品及部件如下：

網(wǎng)絡部件；連接部件：ELS（電氣交換機）、ESM（電氣交換機）、SM（光纖交換機）、MC TP11（光纖電氣轉換模塊）；通信介質：普通雙絞線，工業(yè)屏蔽雙絞線和光纖；通訊處理器：SIMATIC PLC控制器上的工業(yè)以太網(wǎng)通訊外理器，PG/PC上的工業(yè)以太網(wǎng)通訊外理器。

（2）可編程繼電器邏輯控制系統(tǒng)（PLC Logic）的應用

最新推出的可編程繼電器邏輯控制系統(tǒng)的應用 ,使得單一的繼電器實現(xiàn)了邏輯控制軟件化，該公司的可編程繼電器邏輯控制系統(tǒng)（     PLC  Logic）有三大部分組成，除了常規(guī)的PLC-INTERFACE繼電器外，還集成了  PLC-V8C邏輯模塊及  LOGIC+軟件。該系統(tǒng)可插拔連接擴展到 48個  I/O點，TUBS連接支持   ProfibusDP通訊。

上述各類智能化硬件的應用為工業(yè) 4.0的工業(yè)化驅動提供了保證。

（3）產(chǎn)品生命周期管理軟件（PLM）及功能安全技術的應用

產(chǎn)品生命周期管理軟件（PLM）及功能安全技術由歐洲首先推出。其目的是提高生產(chǎn)效率，最大限度地降低產(chǎn)品生命周期內(nèi)的危險因素，以期達到增加安全目的。有資料介紹利用產(chǎn)品生命周期管理軟件（PLM）進行虛擬生產(chǎn)規(guī)劃，可降低生產(chǎn)線上設備的能耗最多可達 50%。功能安全技術是門全新的自動化安全系統(tǒng)控制技術，產(chǎn)品生產(chǎn)線上，能滿足 IEC/ISO功能安全要求的互鎖型安全鎖、安全急停按鈕、拉線急停開關、感應式安全光幕、以及控制柜中的安全繼電器、安全型  PLC及安全系統(tǒng)軟件等部件動作互相關聯(lián)，組成了一個全新完整的功能安全集成物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)。最新版安全聯(lián)鎖標準：EN ISO-14119用于替代在   2015年即將廢止的  EN-1088，新增了關于聯(lián)鎖及相關危險運動響應時間要求，確認系統(tǒng)安全等級控制系統(tǒng)配置和手動測試的頻率。該標準即將被我國最新國標所采用。

上述 PLM及功能安全技術的應用是工業(yè)  4.0進程中必不可少的。

3．“中國戰(zhàn)略”概念

中國推出的智慧工廠 1.0是將“美式戰(zhàn)略”和“歐式戰(zhàn)略”有機地結合，建立在新網(wǎng)絡、新能源和新材料相結合基礎上，將工業(yè)化驅動思維與信息化驅動思維相結合，強調(diào)以制造業(yè)智能化、網(wǎng)絡化、柔性化、綠色化、服務化為核心特征。

“中國戰(zhàn)略”的具體實施即生產(chǎn)制造自動化、流程管理數(shù)字化、企業(yè)信息網(wǎng)絡化、智能制造云端化四方面的應用，而對于我國衡器產(chǎn)品技術領域來說是以智能技術的應用為主。具體體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）智能通訊模塊：解決多種設備組網(wǎng)的通訊協(xié)議問題，提供系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸解決方案。

（2）智能識別技術：識別技術包含了語音識別、視頻、圖形、行為識別。

（3）智能機器視覺：包括智能機器的視覺，包括傳感器技術。

上述應用筆者已在相關的文章進行過介紹。

四、地磅行業(yè)在工業(yè) 4.0的作用地位與實施

電子衡器載荷傳遞機理的發(fā)展是由最初的電阻應變式傳感器開始的，但是隨著衡器應用技術各個發(fā)展階段的創(chuàng)新與應用范圍的擴大，各種載荷傳遞機理型式，如：激光技術、RFID射頻識別技術、紅外感應技術、GPS全球定位系統(tǒng)的應用促進了衡器系統(tǒng)技術的發(fā)展，也就順應著智慧工廠

1.0的物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展。

智慧工廠 1.0中的物聯(lián)網(wǎng)中的信息傳感層面，自動獲取物品信息，從廣義上說應該包括目前電子衡器中的數(shù)字稱重傳感器的信息傳感層面。

當今衡器的觀念已經(jīng)不僅僅指某個局部的計量稱重裝置，現(xiàn)代衡器的大概念包括了各種智能化信息的分析與管理決策。

現(xiàn)代衡器中的各類基于智慧工廠 1.0的互聯(lián)網(wǎng)自動稱重控制系統(tǒng)與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)一脈相承。第一從物聯(lián)網(wǎng)感知層面上：數(shù)字傳感器及相應儀表在物聯(lián)網(wǎng)中應用；第二從物聯(lián)網(wǎng)設備層面上：主要有貿(mào)易商品的追溯系統(tǒng)、無人值守汽車衡系統(tǒng)、工業(yè)配料自動稱重系統(tǒng)、車載計量監(jiān)控系統(tǒng)、基于遠程診斷的自動稱重控制系統(tǒng)、自動衡器數(shù)據(jù)管理及追溯系統(tǒng)、基于功能安全技術、現(xiàn)場總線技術的稱重控制系統(tǒng)、機器視覺自動檢測智能系統(tǒng)等。

目前我國衡器工業(yè)為了順應國家工業(yè) 4.0及智慧工廠  1.0的戰(zhàn)略，應該從以下兩大方面實施。

1．衡器行業(yè)內(nèi)部的“智慧工廠 1.0”的管理

作為生產(chǎn)制造設備供應商的衡器企業(yè)，本身應進行生產(chǎn)制造模式的變革?？v觀目前我國衡器行業(yè)的現(xiàn)狀，從規(guī)?；a(chǎn)看，主要有兩類企業(yè)，一類是年生產(chǎn)能力為百萬到數(shù)千萬元產(chǎn)品的小批量定制型生產(chǎn)企業(yè)，另一類是具有一定生產(chǎn)規(guī)模的年生產(chǎn)能力達上億元到數(shù)十億元產(chǎn)品的較大或中型

生產(chǎn)企業(yè)。

對于小批量定制型生產(chǎn)企業(yè)來說，由于在公司內(nèi)部不可能有大量的智能化制造設備，在生產(chǎn)線上也不具備本文第 2章“智慧工廠  1.0”中智能化的 SCADA系統(tǒng)（即“遠程采集監(jiān)視控制系統(tǒng)”）與具有條形碼識別功能的 MES生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)。但公司信息系統(tǒng)架構是必須的，建立工廠信息流的計算

機業(yè)務軟件界面是當務之急。主要滿足小批量特殊定制需要的工廠信息流的業(yè)務系統(tǒng)。

對于較大或中型生產(chǎn)企業(yè)特別是大批量生產(chǎn)的傳感器生產(chǎn)企業(yè)來說，應逐步分階段建立本文第2章“智慧工廠  1.0”中數(shù)字化工廠所需的各類系統(tǒng)，例如 SCADA系統(tǒng)、MES系統(tǒng)、EAM系統(tǒng)、HCM系統(tǒng)、ERP系統(tǒng)。上述各類系統(tǒng)的建立及正常運作，是實現(xiàn)數(shù)字信息化工廠的必要條件。

2．作為衡器用戶的 OEM 供應商的“智慧工廠 1.0”的實施

由于我國工業(yè)企業(yè)中使用衡器的廣大用戶同樣面臨著生產(chǎn)制造模式變革。衡器制造商的主要任務是為廣大用戶提供符合需要的衡器及系統(tǒng)設備。其中也有兩條實施措施，第一，衡器系統(tǒng)設計時如何選用上游 OEM供應商的智能信息化技術產(chǎn)品來為衡器服務；第二衡器本身設備及系統(tǒng)設計時如何采用智能信息化技術來滿足用戶生產(chǎn)制造模式變革的整體需求。

3．問題與對策

目前困擾我國衡器行業(yè)的最大問題是：衡器行業(yè)內(nèi)部的“智慧工廠1.0”的管理自動化是否成熟？現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)能否傳到管理層？生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)能否與企業(yè)管理無縫結合？目前衡器行業(yè)的大部分

企業(yè)在生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)中，有相當一部分企業(yè)還是手工作坊或人工流水線式的生產(chǎn)模式，僅相當于世界工業(yè)革命的第二、甚至第一階段。第三階段的生產(chǎn)制造自動化僅在個別企業(yè)的個別工序中得以實現(xiàn)。而要做到數(shù)字化、網(wǎng)絡化管理談何容易。各企業(yè)應根據(jù)自身的條件量身定制逐步實現(xiàn)智慧工廠的可行計劃。

作為產(chǎn)品用戶的 OEM供應商的衡器企業(yè)，在“智慧工廠  1.0”的實施過程中，制造的產(chǎn)品選用上游 OEM供應商的智能化產(chǎn)品以及衡器系統(tǒng)設計過程中同樣需要考慮衡器用戶的生產(chǎn)模式的實際狀況及需求。有些衡器用戶本身是否具備了“智能工廠  1.0”的管理自動化？是否有數(shù)字化、網(wǎng)絡化管理的需求？在不少衡器用戶中，特別是大中型國有企業(yè)已經(jīng)認識到工業(yè) 4.0會帶來產(chǎn)品產(chǎn)量、質量與服務的質的飛越，實現(xiàn)“智慧工廠  1.0”的步伐較快。衡器企業(yè)如何來適應這些需求，是廣大衡器企業(yè)需要考慮的問題。我國近期工業(yè)機器人及智能化設備在各行各業(yè)的大量應用，就是最好的例證。

對于一些還不具備實現(xiàn)信息化的生產(chǎn)企業(yè)，當務之急是首先完善生產(chǎn)自動化，智能化。

五、結尾與展望

要實現(xiàn)“工業(yè) 4.0”的智能適應化、機電控制模塊化、互聯(lián)移動實用化、PLM管理一體化的目標

結合目前我國衡器行業(yè)在  “智慧工廠 1.0”的分階段實施發(fā)展的四步曲應是：生產(chǎn)制造自動化；流程管理數(shù)字化；企業(yè)信息網(wǎng)絡化；智能制造云端化。目前當務之急是生產(chǎn)制造自動化、流程管理數(shù)字化、企業(yè)信息網(wǎng)絡化。其中智能制造云端化的實現(xiàn)估計需要幾代人的努力來實現(xiàn)的。

展望我國未來的工業(yè)發(fā)展遠景，對于制造行業(yè)來說應該是逐步實現(xiàn)“工業(yè) 4.0”及“智慧工廠  1.0”的數(shù)字化工廠，由資源驅動逐步向信息驅動轉變，實現(xiàn)創(chuàng)新驅動的生產(chǎn)制造模式的根本性變革。要實現(xiàn)上述“智慧工廠  1.0”的分階段四步曲任重道遠，需要我國衡器及各行各業(yè)的有識之士的共同不懈的努力，來推動上述四化的實現(xiàn)，以期跟上我國“工業(yè) 4.0”時代的發(fā)展步伐。