本文從“工業 4.0”革命的概念出發，引伸到面向制造業的“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品。文中進一步談到我國地磅行業在工業 4.0  革命中的地位及應用，并結合目前地磅行業的現狀，就如何結合工業 4.0  的發展談了自己的看法。以期引起我國地磅行業對“工業 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風向標的《2014’上海國際工業博覽會》上，以“高端、智能、

綠色”為主題，以“工業 4.0”革命為契機，推動我國工業技術的發展。“工業 4.0”到底是什么內容呢？

它與衡器工業又有何種關系呢？本文就此與地磅同行一一展開討論。

一、“工業 4.0”革命

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

第一次工業革命：是以蒸汽時代（手工作坊生產制造模式）為代表。

第二次工業革命：是以電氣時代（人工流水線生產制造模式）為代表。

第三次工業革命：以數控和可編程控制技術（自動化流水線）為代表。

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

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

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

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

“工業  4.0”的戰略目標就是讓生產制造行業逐步實現四化：智能適應化、機電控制模塊化、互

聯移動實用化、PLM管理一體化。

“工業 4.0”具體的應用技術可以描述如下：

自動化控制系統、通信技術、WEB2.0、云計算和大數據、M2M技術、軟件技術、物聯網、設

計技術等。

二、“智慧工廠1.0”

我國工業控制自動化行業為了響應“工業 4.0”的發展，提出了以“數字、綠色”為主旋律的“智慧

工廠 1.0”的概念，所謂的“智慧工廠”就是把大量的現場數據轉化為可執行的信息，通過自動化與信

息化的融合，使裝備制造電子化、數字化、網絡化，進而達到智能化，由常規工業資源驅動轉變為

工業信息驅動，以期提高我國工業生產效率并實現可持續發展。

“智慧工廠 1.0”的系統框架就是數字化工廠。數字化工廠的核心就是自動化控制系統.

具體的工廠模型如下：

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

其中 Level 1層是現場層、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。

現場總線層——衡器行業在自身的工廠內有各類制造設備，例如各類加工中心及過程處理設備；衡器制造行業在用戶的工廠內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——即“遠程采集監視控制系統”。該系統可以自動告訴管理者，現場操作人員是不是在工作，工作得如何。現場控制層的  HMI人機界面顯示的信息，通過自動網絡傳輸到維修或管理人員處，實時了解現場設備的狀況。

MES、EAM系統——MES系統即“制造執行系統”；EAM系統即“企業資產管理系統”。MES系統是面向車間的計算機集成生產過程管理與實時信息采集。一個完整的物流系統，從毛坯供應到部件生產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。EAM系統主要包括完整的信息化物流系統的資產管理、備件管理等功能。

HCM、ERP系統——HCM系統即“生產計劃排程系統”，該系統根據營銷部門的客戶需求，通過生產監控和庫存監控，作出需求排序計劃，并通過軟件界面的電子文檔發布給制造和采購部門。

ERP系統即“企業資源計劃系統”，該系統是企業信息資源的最大的計劃管理平臺，包括企業策劃到營銷到研發設計到采購供應到生產、質量控制、產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。

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

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

“智慧工廠 1.0”系統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，即實現生產由集中向分散的轉變、實現產品由大規模趨同性生產向規模化定制生產轉變、實現由客戶導向到客戶全程參與的轉變。

三、工業 4.0的戰略與實施

在工業 4.0的戰略與實施中，不同的國家有不同的實施方針，具體介紹如下：

1．“美式戰略”概念

以  GE和羅克韋爾自動化為代表的  “美式戰略”共同把網絡的作用提升到未來制造業的核心層次，體現的是一種信息化驅動思維，強調數據、網絡和軟件分析。

（1）“全廠最優化”的縱橫向戰略

羅克韋爾自動化縱向鏈條的現場層、控制層、管理層之間相互協調,橫向鏈條的制造環境的所有組成部分協同工作,組成了縱向橫向融合的產業集成鏈。與思科合作，推出標準以太網   EtherNet/IP采用不同的網絡冗余協議，I/O網絡采用了  DLR環網的安全技術，采用以太網、TCP/IP和    CIP協議可與所有以太網設備融合。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、數據采集板（DAQ）或各類傳感器。

產品有 LabVIEW軟件及各種數據采集、信號處理、圖像采集及處理等產品。

（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互聯網下的   SDM系列軟件定義是針對智能機器、高端分析能力、提高生產效率。其最大的特點是簡化現場工程師的工作量，所有的高端疑難的數據分析由云計算完成，現場的操作維修有如傻瓜機的操作，這樣大大提高了現場的生產效率。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合作而建立的數據傳輸通訊  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一的  OPC接口程序，使得軟件應用開發者避免為了實現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，之后再將信息分發到各個目的地。主要應用于：數據采集技術、歷史數據訪問、報警和事件處理、數據冗余技術、遠程數據訪問等。

2．“歐式戰略”概念

以西門子、ABB為代表的“歐式戰略”更多地在強調制造業本身面臨的資源、效率和數字化創新乃至人才的挑戰，體現的是一種工業化驅動思維。

（1）全集成自動化（TIA）和“數字化企業平臺”

全集成自動化（TIA）和“數字化企業平臺”，使得西門子長久以來占據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”（IDS）具有國際領先水平。

SIMATICNET具有特色的以太網產品及部件如下：

網絡部件；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，工業屏蔽雙絞線和光纖；通訊處理器：SIMATIC PLC控制器上的工業以太網通訊外理器，PG/PC上的工業以太網通訊外理器。

（2）可編程繼電器邏輯控制系統（PLC Logic）的應用

最新推出的可編程繼電器邏輯控制系統的應用 ,使得單一的繼電器實現了邏輯控制軟件化，該公司的可編程繼電器邏輯控制系統（     PLC  Logic）有三大部分組成，除了常規的PLC-INTERFACE繼電器外，還集成了  PLC-V8C邏輯模塊及  LOGIC+軟件。該系統可插拔連接擴展到 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 4.0的工業化驅動提供了保證。

（3）產品生命周期管理軟件（PLM）及功能安全技術的應用

產品生命周期管理軟件（PLM）及功能安全技術由歐洲首先推出。其目的是提高生產效率，最大限度地降低產品生命周期內的危險因素，以期達到增加安全目的。有資料介紹利用產品生命周期管理軟件（PLM）進行虛擬生產規劃，可降低生產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控制技術，產品生產線上，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及安全系統軟件等部件動作互相關聯，組成了一個全新完整的功能安全集成物聯網控制系統。最新版安全聯鎖標準：EN ISO-14119用于替代在   2015年即將廢止的  EN-1088，新增了關于聯鎖及相關危險運動響應時間要求，確認系統安全等級控制系統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  4.0進程中必不可少的。

3．“中國戰略”概念

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

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

（1）智能通訊模塊：解決多種設備組網的通訊協議問題，提供系統數據傳輸解決方案。

（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、地磅行業在工業 4.0的作用地位與實施

電子衡器載荷傳遞機理的發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展階段的創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全球定位系統的應用促進了衡器系統技術的發展，也就順應著智慧工廠

1.0的物聯網技術的發展。

智慧工廠 1.0中的物聯網中的信息傳感層面，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字稱重傳感器的信息傳感層面。

當今衡器的觀念已經不僅僅指某個局部的計量稱重裝置，現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。

現代衡器中的各類基于智慧工廠 1.0的互聯網自動稱重控制系統與工業物聯網一脈相承。第一從物聯網感知層面上：數字傳感器及相應儀表在物聯網中應用；第二從物聯網設備層面上：主要有貿易商品的追溯系統、無人值守汽車衡系統、工業配料自動稱重系統、車載計量監控系統、基于遠程診斷的自動稱重控制系統、自動衡器數據管理及追溯系統、基于功能安全技術、現場總線技術的稱重控制系統、機器視覺自動檢測智能系統等。

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

1．衡器行業內部的“智慧工廠 1.0”的管理

作為生產制造設備供應商的衡器企業，本身應進行生產制造模式的變革。縱觀目前我國衡器行業的現狀，從規模化生產看，主要有兩類企業，一類是年生產能力為百萬到數千萬元產品的小批量定制型生產企業，另一類是具有一定生產規模的年生產能力達上億元到數十億元產品的較大或中型

生產企業。

對于小批量定制型生產企業來說，由于在公司內部不可能有大量的智能化制造設備，在生產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（即“遠程采集監視控制系統”）與具有條形碼識別功能的 MES生產執行系統。但公司信息系統架構是必須的，建立工廠信息流的計算

機業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務系統。

對于較大或中型生產企業特別是大批量生產的傳感器生產企業來說，應逐步分階段建立本文第2章“智慧工廠  1.0”中數字化工廠所需的各類系統，例如 SCADA系統、MES系統、EAM系統、HCM系統、ERP系統。上述各類系統的建立及正常運作，是實現數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

由于我國工業企業中使用衡器的廣大用戶同樣面臨著生產制造模式變革。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設備。其中也有兩條實施措施，第一，衡器系統設計時如何選用上游 OEM供應商的智能信息化技術產品來為衡器服務；第二衡器本身設備及系統設計時如何采用智能信息化技術來滿足用戶生產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的最大問題是：衡器行業內部的“智慧工廠1.0”的管理自動化是否成熟？現場生產數據能否傳到管理層？生產管理數據能否與企業管理無縫結合？目前衡器行業的大部分

企業在生產制造環節中，有相當一部分企業還是手工作坊或人工流水線式的生產模式，僅相當于世界工業革命的第二、甚至第一階段。第三階段的生產制造自動化僅在個別企業的個別工序中得以實現。而要做到數字化、網絡化管理談何容易。各企業應根據自身的條件量身定制逐步實現智慧工廠的可行計劃。

作為產品用戶的 OEM供應商的衡器企業，在“智慧工廠  1.0”的實施過程中，制造的產品選用上游 OEM供應商的智能化產品以及衡器系統設計過程中同樣需要考慮衡器用戶的生產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？是否有數字化、網絡化管理的需求？在不少衡器用戶中，特別是大中型國有企業已經認識到工業 4.0會帶來產品產量、質量與服務的質的飛越，實現“智慧工廠  1.0”的步伐較快。衡器企業如何來適應這些需求，是廣大衡器企業需要考慮的問題。我國近期工業機器人及智能化設備在各行各業的大量應用，就是最好的例證。

對于一些還不具備實現信息化的生產企業，當務之急是首先完善生產自動化，智能化。

五、結尾與展望

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

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

展望我國未來的工業發展遠景，對于制造行業來說應該是逐步實現“工業 4.0”及“智慧工廠  1.0”的數字化工廠，由資源驅動逐步向信息驅動轉變，實現創新驅動的生產制造模式的根本性變革。要實現上述“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的有識之士的共同不懈的努力，來推動上述四化的實現，以期跟上我國“工業 4.0”時代的發展步伐。