对工业4.0和智能制造的认识

 1.1  工业4.0概念

1.1.1  工业革命四个阶段

  “工业4.0”是基于工业发展的不同阶段作出的划分，其含义也是人类历史上的第四次工业革命。按照目前的共识，工业1.0是蒸汽机时代， 工业2.0是电气化时代，工业3.0是自动化时代，工业4.0则是智能化时代（如图1）。

  具体说明如下：

  工业1.0——机械化，以蒸汽机为标志，用蒸汽动力驱动机器取代人力，从此手工业从农业分离出来，正式进化为工业。其为18世纪60年代至19世纪中期的第一次工业革命。

  工业2.0——电气化，以电力的广泛应用为标志，用电力驱动机器取代蒸汽动力，从此零部件生产与产品装配实现分工，工业进入大规模生产时代。其为19世纪后半期至20世纪初的第二次工业革命。

  工业3.0——自动化，也有称为信息化，以可编程逻辑控制器（PLC）和计算机（PC）的应用为标志，从此机器不但接管了人的大部分体力劳动，同时也接管了一部分脑力劳动。其为20世纪后半期出现的第三次工业革命。

  工业4.0——智能化，是在自动化的基础上加上信息化，以数据流动带自动化技术，将工厂进行软硬件系统整合来达到智能制造。这将是以智能制造为主导的第四次工业革命。

  工业革命的不同阶段体现了工业化的演进变化，体现了劳动生产力的不断提高，使得人类的现代化能够飞快的进步。

  1.1.2  工业4.0的提出

  工业4.0这个概念最早出现在德国，“工业4.0”2011年在汉德威工业博览会上德国首次宣布工业4.0的概念，并由德国政府纳入《高技术战略2020》，2013年4月德国政府正式推出“工业4.0”战略。其核心目的是为了提高德国工业的竞争力，提升制造业的智能化水平，在新一轮工业革命中占领先机。 德国的工业4.0技术基础是网络实体系统及物联网，指利用物联信息系统将生产中的供应、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。 德国学术界和产业界认为，“工业4.0”概念即是以智能制造为主导的第四次工业革命，该战略旨在通过充分利用信息通讯技术和网络空间虚拟系统—信息物理系统（Cyber-Physical System）相结合的手段，将制造业向智能化转型。
  “工业4.0”项目主要分为四大主题：智能工厂、智能生产、智能物流、智能服务：一是智能工厂：重点研究智能化生产系统及过程，以及网络化分布式生产设施；实现物联网和数字监控的信息技术和服务，清晰掌握生产流程，提高生产的可控制性，确立高效率的生产计划和生产进度，以此构建一个绿色环保、高效节能、环境舒适的智能化工厂。智能工厂是软件操控加上智能设备来保证生产的高效率进行。
  二是智能生产：主要涉及整个企业的生产物流管理、人机互动以及3D技术在工业生产过程中的应用；生产过程广泛使用人工智能技术，采用一体化的智能系统，管理人员可以用网络系统来实现对生产的实时监控，实现工厂智能化的管理。
  三是智能物流：主要通过互联网、物联网、物流网，整合物流资源，提高资源的优化配置；根据客户的实际需求来灵活改变运输方式，应用条码、RFID（射频识别）、传感器、全球定位系统等先进的物联网技术，通过信息处理平台，实现货物运输过程的自动化运作和高效率优化管理。
  四是智能服务：是以客户为中心，促进企业向服务型制造业转型；智能产品加上状态感知数据与大数据处理，将会改变企业现有的销售模式，采取在线智能服务新模式，实现人员、产品、装备、系统的时时联通，达到有效及时的服务。
  在工业2.0（电气化）、3.0（自动化）时代，最大特点就是大规模生产、标准化生产，而在管理学上，基于劳动者的分工，以及职责、权力划分衍生出了典型的科层管理，在今天的企业里科层管理是一种最为普遍的组织形式。工业4.0时代，“规模、标准化和权力”将不再重要，甚至会被极大地改变，科层管理也将改变。
  使工厂变得智能只是实施自动化是不够的，智能工厂需要智能的自动化。智能制造包含机台、物料运送、机器人等硬件的自动化及信息流软件层面的整合，数据如何从制造现场到各系统间的信息交汇，机器由数据来支撑，如何透过数据驱动制造升级、达到营运最适化的目标，这才是第四工业革命—智能化。
  1.2  工业4.0与中国制造2025、美国工业互联网的异同

  在德国推出“工业4.0”后，世界上其他国家是不甘落后的，一些大国也提出了工业发展战略方针。
 

  1.2.1  中国制造2025

  “中国制造2025”是在新的国际国内环境下，中国政府立足于国际产业变革大势，作出的全面提升中国制造业发展质量和水平的重大战略部署。 2015年5月，我国国务院正式印发《中国制造2025》，部署全面推进实施制造强国战略。其根本目标在于改变中国制造业“大而不强”的局面，将信息技术与制造技术深度融合的数字化、智能化制造作为今后发展主线，以未来十年为发展周期，推动中国由制造业大国向制造业强国转型，使中国迈入制造强国行列。《中国制造2025》的基本方针：创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本”；实行五大工程：制造业创新中心建设工程、强化基础工程、智能制造工程、绿色制造工程和高端装备创新工程；重点十大领域：新一代信息技术产业、高档数控机床和机器人、航空航天装备、海洋工程装备及高技术船舶、先进轨道交通装备、节能与新能源汽车、电力装备、农机装备、新材料、生物医药及高性能医疗器械。

  《中国制造2025》指明了我国工业发展的重点领域和重大工程，其中新一代信息技术产业就包含了互联网和大数据，智能制造工程就是紧密围绕重点制造领域关键环节，开展新一代信息技术与制造装备融合的集成创新和工程应用，这些都与德国工业4.0相同的。

  中国制造2025和德国工业4.0差别，首先在于两地经济发展情况不同，基础也不一样，在制造业方面处于不同的阶段，德国“工业4.0”是在“工业3.0”的基础上进行的，而中国还处于“工业2.0”的后期阶段。因此两国在战略定位上是不一样的，德国的“工业4.0”提出实现智能化工厂和智能制造，由数字化向智能化迈进，德国要由制造强国向超级强国转变；“中国制造2025”提出创新驱动、绿色发展、结构优化、人才为本的发展战略，中国则要由制造大国向制造强国转变。

  1.2.2  美国的工业互联网

  美国的“工业互联网”概念最早由通用电气公司（GE）在2013年6月提出的。工业互联网是互联网和新一代信息技术在工业全领域、全产业链、全价值链中的融合集成应用，是实现工业智能化的综合信息基础设施。其本质是以机器、零部件、控制系统、信息系统、产品以及人之间的网络互联为基础，通过对工业数据的深度感知、传输交换、计算处理和高级分析，实现从单个机器到生产线、车间乃至整个工厂的智能决策和动态优化。

  简单来说，工业互联网就是互联网在机器设备上的延伸，可以实时获取机器设备上所产生的数据，并提供分析和决策平台，实现工业生产的智能化。因此，“工业互联网”与“工业4.0”应该是一致的，美国与德国都是制造业强国，已有工业3.0的基础而迈向工业4.0。

  智能制造一词中，美国人喜欢用Intelligent，德国人一贯用Smart，这是一个比较大的区别，尽管翻译成中文都可以翻译为“智能”。Intelligent是一个计算机方面很常用的术语，主要表示物理系统的智能化，强调机器的智能，是物的智能。德国人用Smart这个单词，表示为满足客户个性化生产需要，通过社会化协作，灵活化、聪明化、高效化的系统及多系统的协作运转来实现制造的智能化模式。
 

  1.2.3  万物互联 

  无论是“美国工业互联网”、“德国工业4.0”还是“中国制造2025”，都预示着信息技术与传统产业的跨界融合成为必然趋势，一个制造业向定制化、个性化、服务化方向转型的时代已经来临。在中国还有称之为两化融合，即信息化和工业化的结合，以信息化带动工业化、以工业化促进信息化，走新型工业化道路。总之，所要实现的是“万物互联”，即万物+互连网（现称互连网+ ）。

  万物互联，必须需要一个专门的通讯协议。这也是德国的工业4.0，美国的工业互联网，以及中国的两化融合、中国制造2025，这些名词背后的核心问题，大家在争这个通讯标准。美国的互联网世界第一，美国人希望从信息化层连接到自动化层；而德国的机械制造业最强，他更希望从自动化层升格到信息化层；中国制造业第一大国，互联网第二强国，所以两边都不跟，自己搞个互联网+，及中国制造2025。
  为了应对将物联网和智能服务引入制造业的还有日本的“科技工业联盟”、英国的“工业2050战略”等，都是类似的智能化制造战略。
   1.3  面临的挑战

  1.3.1  薄弱的基础难以一步跨入工业4.0

  工业革命是有阶段性的，工业4.0是在工业3.0的基础上发展的，不同地区、不同行业的现有工业水平参差不同，因此走向工业4.0的步骤有很大不同。我国的工业现代化程度低，大多数产业是处于工业2.0至工业3.0之间，与完全的自动化和部分的信息化的工业3.0阶段尚有不少距离，因此进入工业4.0的智能制造不是一朝一夕就能达到的。目前，我们还缺乏足够的技能来加快第四次工业革命的进程。工业4.0的涉及面不仅是制造手段、制造场所，而是工业制造产业的全过程，从产品设计、原材料采购、加工制造到销售服务都智能化处理。工业4.0的本质，就是通过数据流驾驭自动化技术，以大数据、云计算为基础，无论大企业或中小企业要从同质化规模化的经济转向异质化定制化的产业。对于产业结构改革，这是至关重要的作用。

  1.3.2  社会性的系统工程

  工业4.0驱动新一轮工业革命，核心特征是互联 ，市场更透明，世界更透明 。工业4.0和智能制造不是单个企业可以独立实现的，需要社会的信息化、互联网支撑，至少是有完整的产业供应链物联网支撑。企业需要等待时机，又要创造时机。
 

  所谓的系统应用、智能生产工艺和工业制造，并不是简单的一种生产过程，而是产品和机器的沟通交流，产品来告诉机器该怎么做。生产智能化在未来是可行的，将工厂、产品和智能服务通联起来，将是全球在新的制造业时代一件非常正常的事情。工业4.0是涉及诸多不同企业、部门和领域，以不同速度发展的渐进性过程，跨行业、跨部门的协作成为必然。如智能化设备之间连通需要有标准化通信语言，必须讲同一种语言，即通向数据终端的“接口”。
  1.3.3  摆脱传统的习惯

  对于传统产业已成习惯，利益相关者普遍不愿意改变。建立智能工厂，采取智能制造，股东要有巨大的新的投资，新工厂是否成功是担有很大风险；工业4.0会应用到人工智能、机器人和自动化系统，大量地减小企业员工节省劳动力，智能制造新技术使原有人才深感技能不足，深怕淘汰，如企业的IT部门就有冗余的威胁； 采用互连网络实现信息传输涉及新的“安全”问题，一方面人们所获取的数据必须可信的，另一方面他们必须具有安全防盗功能，可以免遭外部的窃取或损害，如黑客攻击、间谍。一个工业数据空间，有着统一的“接口”标准，并且允许几乎所有人对其进行访问，访问者可以通过该空间获取世界上所有工业的信息。谁来保证安全的数据转换，这需要有新的标准来实际有效地执行新的解决方案。

  1.3.4  智能制造技术实现有难度

  智能制造技术为生产商提供了巨大的竞争优势，但是它们不容易实现。智能制造技术必须有硬件与软件的结合，并且贯穿供产销全过程全系统，建设智能工厂没有现成的模式，根据行业、规模、技术特点、产品特色、定制化对象等不同，建设一个有个性化的智能工厂，这是项伟大的创举。投资者除了必要的资金外，公司需要一个专业的团队去做这件事情。在寻求专业知识时，重要的是要考虑那些有丰富经验的专家，帮助企业过渡到智能制造技术。这方面人才极其短缺，需要从实践中培养壮大。引入智能制造解决方案，可能因为条件不成熟或方案失误而造成损失，整体来说，必须从老板开始有决心花一段很长的时间去做好这件事情。

  印制电路板制造业的现状及需求

  2.1  我国制造业总体水平

  我国制造业现状是普遍2.0，先进3.0，设想4.0。其对应的含义如下。

  工业2.0是实现“电气化与自动化”生产：使用继电器、电气自动化来控制机械制造装备，但各生产环节和制造装备都是“信息孤岛”，生产管理系统与自动化系统信息不贯通，企业尚未使用ERP或MES系统进行生产信息化管理。我国大多数中小企业都处于此阶段。
  工业3.0是实现“信息化与自动化”生产：广泛应用电子与信息技术，使得制造过程的自动化控制程度大幅度提高。使用网络化的基于PC、PLC或单片机的生产制造装备，制造装备具有一定智能功能（如标识与维护、诊断与报警等），采用ERP和MES系统进行生产信息化管理，初步实现了企业内部的信息互联系统。这类企业在国内尚属先进的。

  工业4.0是实现“智能化”生产：利用信息通信技术将工厂中的所有信息基础设施（包括智能制造装备、物料、半成品和成品）高度互联互通，借助计算机软件工具实现产品数字仿真设计及快速实体化“虚拟”实现；借助生产管理软件实现产品全生命周期和全制造流程数字化管理，利用互联网、云计算、大数据实现供应链企业协同生产、产品远程维护智能服务等，形成高度灵活、大规模个性化的产品与服务新生产模式。这些只在个别企业的策划、试建之中。

  2.2  印制电路制造业水平

  按照工业四个阶段划分，世界PCB产业总体处于2.0与3.0之间，这也是中国PCB产业所处的工业化阶段。中国是世界最大PCB制造国，2018年产量已超过全球总产量的52%；全球共有电路板厂制造企业2000多家，在中国大陆就有约1200家，占到约60%；在世界PCB百强企业中中国大陆企业几乎占到一半。中国PCB产业水平是有代表性的。

  从大多数企业来看，经营管理方面还是人为为主，计算机与信息化为辅。如市场信息和订单来源基本上还是依靠销售人员的个人能力；经理们每天忙于开会商讨问题与布置工作，部门之间缺乏信息交流与沟通，缺乏以客观信息和事实数据作决策、决定。生产设备条件以单机为主、以半自动占多数；为提高自动化程度只是配置上下料机械装置，即使自动化的生产线在整个生产过程中也是孤立的，没有前后工序之间信息自动连接。生产过程中物流以人力为主，人力手推车占了大多数。若达到工业3.0阶段，企业经营管理应该采用ERP系统。ERP（Enterprise Resource Planning）系统是企业资源计划，包括财务管理、人力资源管理、营销与客户管理、物料供应管理、生产运作管理，几乎是整个企业信息系统的整合，由计算机网络实现数据信息收集、整合、优化和指导管理提升绩效。ERP系统是在早期的MRP（物料需求计划）及MRPII发展而来的，是计算机在企业管理应用的发展，但不少企业还是停留在计算机代替人工数据统计、制作报表阶段。

  若达到工业3.0阶段，企业生产过程实施应该采用MES（Manufacturing Execution System）系统。MES系统是制造企业生产过程执行系统，它为操作人员/管理人员提供生产计划的执行、跟踪以及所有资源（5M1E：人、机、料、法、测、环）与客户需求等的当前状态；能通过信息传递对从订单下达到产品完成的整个生产过程进行优化管理，有效地指导工厂的生产运作过程；当工厂发生实时事件时，MES能对此及时做出反应、报告，并用当前的准确数据对它们进行指导和处理。MES的实现是对生产现场的生产线PLC程控器、数据采集器、物料条形码、各种计量及检测仪器、机械手等设置了必要的信息接口，与企业中央控制计算机系统连接。PCB企业的设备虽在不断更新，但以提高产能为主，许多设备没有数字接口，都不具有联网、自动搜集与汇整生产资料的功能，因此无法实现MES。如以国内属于先进的胜宏科技公司（VTG）为例，VTG有4个PCB生产工厂，1号工厂建于2005年，基本上就是一个传统的PCB工厂，员工较多，每道工艺都由操作员去手动完成，通过配置自动上下料设备进行升级，工厂内全板电镀线和图形电镀线都是传统电镀线。2号工厂建于2007年，增加了自动化设备，减少了30%的劳动力。显然VTG的1号、2号工厂是在工业2.0与工业3.0阶段，这是我们大多数企业的现状。
  2.3  转型升级之需求

  线路板制造业建设智能工厂、实行智能制造，这是当前经济形势所逼，是企业转型升级必由之路。具体在以下几方面驱使：

  2.3.1  经济利益

  中国以改革开放吸引外国资本来中国投资建厂，其中就有许多外资与港台资在大陆建立PCB制造企业。期间，大陆本地资本也看好PCB市场，投资建立了许多PCB工厂。因此中国大陆成了世界最大的PCB制造地。中国对外资的吸引力，其中重要一点是经济成本较低，包括劳动力成本、原材料成本、能耗成本都较低。目前，已成全球制造业中心的中国人口红利在消失，劳动力成本在上升，尤其是华东、华南沿海地区劳动力成本更高；与国际市场的接轨，原材料成本、能耗成本等优势也有限。传统制造企业的获利能力变得越来越少，即使接到订单也利润微薄，那么就得思变。同时，美国和欧洲以及日本从曾经的PCB制造业霸主地位走向下坡路，全球PCB制造中心被中国以低成本取代。

  最近，西方国家为找回失落的制造业，就以工业4.0及智能制造为策略，夺回与中国制造业的竞争力。如为达到PCB制造低成本化，就从生产自动化、智能化着手，提高生产效率和效益。已有新建的美国PCB工厂，实现智能制造，认为其PCB成本已低于中国，可以与中国大陆企业竞争。为此，我们的PCB企业就得思变。
  2.3.2  生态环境

  PCB制造业原有污染物较多，在产业发展前期政府部门为招商引资放松了环境保护，是对生态环境起了负面影响。现在生态文明建设已是重点，PCB企业大搞清洁生产而环境面貌大变。当然实行清洁生产是需付出的，为了进一步优化生态文明建设，不是靠简单的搬迁、逃避所能解决的，采取智能制造才是有效措施。目前在华东、华南沿海地区，对PCB企业都实行用水、排废限制，若要扩建增产不允许增加用水排水量，就唯有技术改造清洁生产达到增产不增能耗与排废。已有迈向PCB智能制造的先行企业成为清洁生产的典型，几乎达到零排放，这是持续发展之路。  
 2.3.3  人力资源

  现在的制造业普通存在招工难情况，在华东、华南沿海地区尤为突出。究其原因一则是人口红利过时了，现在劳动力的主力应该是1980年代和1990年代的人，而那个时期是中国出生人口低潮时代；再则社会环境所至，制造业的工人处于社会的最底层了，既辛苦又收入少，年轻人都不愿到工厂干。社会上有议论IT行业的“996”现象，即早9点上班，晚9点下班，每周干6天。反对方认为这是对员工剥削，违反劳动法；赞同方认为这是为事业，艰苦奋斗才会换来幸福。IT行业存在“996”，还有许多人要加入，一则薪酬高，拼命干可以多挣钱；二则坐办公室面对电脑显得体面，自身对电脑有兴趣，“996”也就挤掉了些玩电子游戏的时间。在PCB工厂普遍存在“886”现象，即早8点上班，晚8点下班，每周干6天（甚至7天）。相比之下既工作时间长、辛苦、不感兴趣，又收入不高，那么招工难是必然的！
  2.3.4  市场竞争

  PCB产业趋于饱和状态，市场竞争激烈，如果工厂二、三年内不做出新的改变就会失去竞争力。竞争力体现在能否为客户提供高技术高品质、价格合理、交货快速、服务周到的产品（解决方案），提高竞争力的重要措施就是提高生产管理与技术手段，也就是信息化与自动化结合实现智能化生产。这是我们必须要做的，无情的市场是没有商量的余地。

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