智能制造時代自動化的使命

12月7日在弗戈“中國制造業(yè)2025企業(yè)家國際論壇”上，貝加萊工業(yè)自動化大中華區(qū)總裁肖維榮博士發(fā)表了“智能制造時代自動化的使命”演講，其中包括了從產(chǎn)業(yè)角度對制造業(yè)發(fā)展的深刻洞見，以及對自動化在新時代的使命認知，本文將其演講文檔中予以截取，并配合演講予以分享。

改革開放40年的發(fā)展過程

中國的改革開放40年發(fā)展，很多產(chǎn)業(yè)從無到有，經(jīng)歷了非常艱難的發(fā)展過程，中國取得的成績是有目共睹的，這是我們一代又一代的產(chǎn)業(yè)人共同推進的，同時也與我們的高效政府決策與大量產(chǎn)業(yè)政策支持緊密相關，再次，我們有巨大的市場，讓我們有機會試錯，迭代而能帶來高速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)門類齊全也使得科技可以在不同產(chǎn)業(yè)間的共享，這些給了我們均攤產(chǎn)業(yè)成本的機會，電商、支付等的高速發(fā)展使得IT基礎設施大量投資，進而為我們提供了便利的網(wǎng)絡條件，而這又進一步攤薄成本，使得我們在眾多領域未來更快的發(fā)展。

圖1-制造業(yè)發(fā)展的進步與不足

然而，我們也必須看到我們所面臨的挑戰(zhàn)，存在一些問題，我們不必妄自菲薄，但要有清晰認識，我們在自主創(chuàng)新方面仍然有待提高，依賴于傳統(tǒng)低勞動成本、模仿省略研發(fā)成本缺失去創(chuàng)新能力、犧牲環(huán)保的發(fā)展路徑也是不可持續(xù)的。國家也越發(fā)重視社保的投入與監(jiān)管，不斷加強知識產(chǎn)權的保護，以及在環(huán)保方面的力度，這些都使得我們原來那些依賴低價優(yōu)勢的企業(yè)必須要去轉(zhuǎn)型。人才是一個基礎話題，今天我們要發(fā)展人工智能、智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)都需要大量的高品質(zhì)人才，包括現(xiàn)場的高技能職業(yè)工人。

變革拐點的市場需求

對于制造業(yè)而言，必須圍繞客戶需求，包括對品質(zhì)、成本、個性化多方面的需求，今天，我們討論智能制造都是因為“個性化”生產(chǎn)下如何實現(xiàn)高成本效率變得更為迫切與顯著。

圖2—需求的變化與產(chǎn)業(yè)鏈內(nèi)的傳遞

需求是一個傳遞過程，從終端消費者到生產(chǎn)企業(yè)、再到機械制造商，再傳遞到自動化行業(yè)，而消費者的這種個性化需求，對于生產(chǎn)而言是很大的挑戰(zhàn)，而這需要產(chǎn)業(yè)鏈上的企業(yè)共同來面對，更為靈活的產(chǎn)線，需要支持工藝靈活切換的設備，而同時這些依賴于自動化、信息化、智能化技術的支撐。

自動化的使命就是通過跨界技術的融合，使得定制化生產(chǎn)，與標準化生產(chǎn)接近的成本。

推進全生命周期的數(shù)字化

在具體的執(zhí)行方面，肖維榮博士就數(shù)字化創(chuàng)新設計、工業(yè)應用技術軟件化、實現(xiàn)數(shù)字互聯(lián)、智能時代人才培養(yǎng)等闡述了自動化在智能時代的使命。

圖3-全生命周期數(shù)字化

數(shù)字化是推進智能制造的基礎，數(shù)字化涵蓋了產(chǎn)品與系統(tǒng)的設計、開發(fā)、測試驗證、運行與維護的整個生命周期（如圖3），數(shù)字化與創(chuàng)新緊密相關，所謂的創(chuàng)新，就是在整個生命周期的每個環(huán)節(jié)，我們都要尋求技術的升級，提高效率，包括產(chǎn)線設計與規(guī)劃、重構的效率，更為快速的開發(fā)應對變化的機器、面對變化的生產(chǎn)，如何實現(xiàn)高效的驗證進入小批量生產(chǎn)，運行中如何降低能耗、單位產(chǎn)品成本，通過維護方法創(chuàng)新，借助于新技術來計劃性的、可預測性的降低生產(chǎn)宕機、提升連續(xù)性。

創(chuàng)新的機器開發(fā)—基于模型的開發(fā)

數(shù)字化設計在于借助于建模來對物理的機器、產(chǎn)線進行仿真，因為在傳統(tǒng)物理的機器與產(chǎn)線上進行調(diào)試耗費大量的材料，并且問題并不容易被發(fā)現(xiàn)以及進行快速的調(diào)整，而借助于數(shù)字化的建模仿真平臺，可以對機械、控制進行仿真，可以在虛擬環(huán)境中改變變量來尋找最優(yōu)的控制模型與參數(shù)。

圖4-基于模型的設計

如圖4，仿真建模的優(yōu)勢非常多，它包括以下幾個方面：

虛擬調(diào)試：可以在不需要真實的機器狀態(tài)下進行控制參數(shù)的最優(yōu)化，可以實現(xiàn)測試驗證環(huán)節(jié)的大量成本節(jié)省，在很多機器的開發(fā)過程中，這個驗證環(huán)節(jié)是最耗費成本的，而通過數(shù)字化建模仿真可以帶來成本節(jié)省，還可以縮短研發(fā)周期。

自動代碼生成：通過MATLAB/Simulink、MapSim等軟件的接口，可以將其仿真的模型自動生成C、ST代碼直接下載到控制器，實現(xiàn)硬件在環(huán)測試，這樣就可以節(jié)省大量編程工作。

圖5-采用建模仿真開發(fā)岸橋防搖系統(tǒng)

肖維榮博士以港口集裝箱吊裝過程的建模仿真為例，通過對其物理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進行建模，可以仿真整個集裝箱吊裝過程，實現(xiàn)對集裝箱的搖擺和扭轉(zhuǎn)的抑制，可以快速定位，使得港口的集裝箱吊裝過程實現(xiàn)無人化，并縮短其過程，進而提高港口的吞吐能力，降低人工消耗。

模塊化機器開發(fā)響應生產(chǎn)的變化能力

為了更為快速的構建系統(tǒng)，原有的開發(fā)模式已經(jīng)不能響應快速的市場變化，對于機械制造業(yè)、工廠自動化而言，軟件將扮演越發(fā)重要的角色，通過軟件的復用與組件技術，我們可以將行業(yè)工藝知識封裝為一個個的APP，這些APP將提高機器與產(chǎn)線的開發(fā)效率，未來我們更多的工作將在“規(guī)劃”、“配置”而不是傳統(tǒng)的大量的編程調(diào)試。

圖6-模塊化軟件設計舉例：mappMOTION

貝加萊的mapp即是引領這一潮流的典型技術，它不僅提高開發(fā)效率，對于那些擁有自主知識產(chǎn)權的企業(yè)而言，軟件也是一種知識產(chǎn)權保護的容器。

如圖6的mappMOTION是mapp技術中對于運動控制的規(guī)劃，基本的機電對象如軸、軸組，以及專業(yè)的模塊如CNC、機器人，第三個部分就是客戶相關機器的操作運行如OEE、能耗、趨勢、報警等。這些復用模塊可以快速配置機器，應對變化。

圖7-印刷機控制的模塊化軟件設計

以卷筒紙印刷機為例，其色標檢測、套色控制、相位調(diào)整均可通過標準化的軟件封裝來實現(xiàn)機器的快速配置，針對不同的印刷材料的張力變化、色標類型、速度、加減速時間、的變化，智能的套色模塊可以智能的計算控制工藝曲線來實現(xiàn)高精度、高速的套色控制。

數(shù)字化協(xié)同的基礎—基于OPC UA TSN的互聯(lián)

圖8-OPC UA TSN構成了數(shù)字化連接的基礎標準與規(guī)范

OPC UA TSN技術是未來實現(xiàn)制造協(xié)同的關鍵，OPC UA主要來協(xié)同機器與機器、機器與管理系統(tǒng)乃至管理系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互，通過全局的語義互操作來實現(xiàn)數(shù)據(jù)在橫向、縱向與端到端的集成，這樣數(shù)字化的連接后，進一步要實現(xiàn)的智能化才有了基礎（如圖8）。

TSN則解決在異構網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)傳輸問題，對于現(xiàn)有的工業(yè)現(xiàn)場大量的現(xiàn)場總線使得數(shù)據(jù)的連接出現(xiàn)障礙，周期性與周期性數(shù)據(jù)無法銜接，而TSN則通過全新的機制來協(xié)同這些數(shù)據(jù)。

OPC UA TSN是整個工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）實現(xiàn)的基礎，它也使得制造得以協(xié)同，機器、機器人、MES/ERP等可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明以及全局的優(yōu)化，貝加萊是OPC UA TSN的積極推動者，在2017年SPS即發(fā)布TSN演示系統(tǒng)并即將投入批量化應用。

圖9-數(shù)字化連接到智能應用

如圖9，通過集成OPC UA TSN技術的控制器，貝加萊實現(xiàn)控制、數(shù)據(jù)連接、匯集，以及數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)、機器學習以及長周期大數(shù)據(jù)的分析，構建整個智能制造的數(shù)字化框架。

極致柔性制造提升成本效率

在跨界技術中尋找可以融入到自動化方案中的技術，自動化正在往軟件、通信方向延伸，而另一個方向則是機械，具體在于機電的融合方向，因為“軟件定義智能”，但機械卻有瓶頸，這是貝加萊之所以開發(fā)SuperTrak/ACOPOStrak的原因，通過柔性電驅(qū)輸送系統(tǒng)，控制工藝的柔性可以被“柔性”的執(zhí)行，不僅如此，新的輸送系統(tǒng)還可以大幅簡化機械系統(tǒng)的設計，提高產(chǎn)線的復用性，這些都為制造業(yè)的協(xié)同效率提升帶來幫助。

圖10-ACOPOStrak實現(xiàn)柔性制造

圖10的ACOPOStrak是全新機電設計變革的動力，它可以讓產(chǎn)線變得更為柔性，滿足個性化定制的需求，提升生產(chǎn)效率。

人才培養(yǎng)是長期戰(zhàn)略

人才是實現(xiàn)智能制造推進的戰(zhàn)略性保障力量，我們需要的不僅是研究型人才，我們也需要數(shù)字化時代發(fā)展所需的設計、工程應用、具體操作的人員，這些需要我們產(chǎn)業(yè)與學界的緊密合作，需要將產(chǎn)業(yè)對人才的需求、最新的前沿技術傳遞到學界，并使得學界可以緊密結合產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求進行人才的培養(yǎng)。

貝加萊的EC是一個完全按照“復合型人才”培養(yǎng)思想而建立的，他以嚴格的工程師思維訓練工程師，在機電工程、軟件工程、工業(yè)通信、項目管理多個方向進行綜合性的技能訓練（如圖11），并將其融合為解決一個個實際的機器全局開發(fā)項目的能力。通過EC的訓練，我們可以將工程師快速成為提供高回報的人力資源，也是貝加萊的競爭力。

圖11-智能時代的工程師能力訓練

肖維榮博士總結道“人才培養(yǎng)是一個企業(yè)發(fā)展持續(xù)競爭力的來源，建立產(chǎn)學合作也是為社會培養(yǎng)人才的渠道，自動化專業(yè)作為一個應用學科，這種結合是非常必要且回報豐厚的”。

自動化借助跨界技術融合解決客戶問題

肖維榮博士對自動化行業(yè)的使命概括為“借助于跨界技術融合來解決客戶的生產(chǎn)中的問題，在智能制造時代，我們要解決個性化生產(chǎn)的

高成本效率”，橫向技術，來自于IT技術領域的技術如建模仿真軟件、傳感器技術、通信技術、AI、云計算等都可以為自動化所用，我們無需自行開發(fā)，而是建立接口，這樣可以實現(xiàn)“經(jīng)濟性”的解決產(chǎn)業(yè)實際問題，讓定制化生產(chǎn)也能達到標準化的成本優(yōu)勢”。