未來的生產(chǎn)系統(tǒng)是什么樣子的？試圖展示未來工廠方向的德國智能工廠聯(lián)盟SmartFactoryKL，最近在創(chuàng)新日給出了可以實(shí)操的示范案例。
智能工廠聯(lián)盟是德國最典型的產(chǎn)學(xué)研聯(lián)盟機(jī)構(gòu)，它是由德國人工智能學(xué)院創(chuàng)新工廠系統(tǒng)和德國凱澤斯勞滕大學(xué)機(jī)床控制所支撐。早在2016年被德國經(jīng)濟(jì)部指定為中小企業(yè)數(shù)字化中心聯(lián)盟，旨在推動(dòng)中小企業(yè)的數(shù)字化發(fā)展。在這個(gè)過程中，這個(gè)聯(lián)盟似乎發(fā)現(xiàn)了工業(yè)4.0的臃腫之處和對中小企業(yè)的負(fù)擔(dān)。于是他們在2019年重新修正了工業(yè)4.0概念，將其收縮成“自主產(chǎn)線L4”PL4（Production Level 4）。這里的“4”還真是個(gè)一語雙關(guān)的數(shù)字，它既模糊地呼應(yīng)了工業(yè)4.0的概念，甚至意味著工業(yè)4.0小心謹(jǐn)慎的進(jìn)化，同時(shí)也意味著這是自主生產(chǎn)的第四等級，就像自動(dòng)駕駛L4一樣，“人”仍然在系統(tǒng)中起到關(guān)鍵的監(jiān)管作用。
圖1 自主生產(chǎn)L4
這個(gè)曖昧術(shù)語的出現(xiàn)，似乎也意味著德國中小企業(yè)對工業(yè)4.0遲遲不能帶來真正實(shí)惠的一種厭倦情緒。于是工業(yè)4.0被推到了天際線，成為一個(gè)膜拜的燈塔，而更現(xiàn)實(shí)可落地的數(shù)字車間則顯得更加迫切。“自主產(chǎn)線4”這個(gè)可以自主生產(chǎn)的單元，從2020年就已經(jīng)有了示范，現(xiàn)在越來越強(qiáng)烈地要進(jìn)入工程化的階段。
這其中最重要的一個(gè)場景是，訂單能否快速分拆到不同地點(diǎn)去完成制造？這套全新的生產(chǎn)邏輯，就是德國人正試圖通過“共享生產(chǎn)”的生態(tài)系統(tǒng)模式，走向未來制造。
網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)帶來了靈活性，但也帶來了復(fù)雜性。新的系統(tǒng)架構(gòu)要求在軟件方面采用新的通信、協(xié)調(diào)和控制方式。而多年來，德國智能工廠聯(lián)盟一直致力于自主制造，讓生產(chǎn)單元之間實(shí)現(xiàn)能力協(xié)作，甚至可以跟外地工廠形成自主的產(chǎn)線切換。這正是“自主產(chǎn)線PL4”概念的核心。參加聯(lián)盟的20多個(gè)成員，目前正在處理自治要素之間的協(xié)調(diào)方式，而解決方法就是“多智能體系統(tǒng)“。這種方式，可以讓工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的使用者在跨部門跨工廠地使用，而正在生產(chǎn)的產(chǎn)品、位置、已經(jīng)執(zhí)行的工序和待完成的工序，都需要送達(dá)網(wǎng)上，路人皆知。
然而，到目前為止，這些信息大部分都存儲(chǔ)在產(chǎn)品本身中，例如，存儲(chǔ)在RFID芯片上。一方面它無法使得下游工序提前預(yù)知，另一方面它自身也可能受到熱磁等外界環(huán)境的影響。無疑，這是一種過時(shí)的做法?？梢詫φ盏氖?，去外地駕駛的司機(jī)，不必再帶上紙質(zhì)駕照，全新的電子駕照時(shí)代正在登上舞臺(tái)。
這也意味著統(tǒng)一的中央注冊表是必不可少的。它就像一個(gè)中央火車站的時(shí)間表，既可以在現(xiàn)場看到，也可以在任何一個(gè)手機(jī)上看到。這種產(chǎn)品注冊表，需要隨時(shí)訪問隨時(shí)交互，而最基礎(chǔ)的工作之一就是產(chǎn)品的編碼體系，這是一個(gè)龐大的連接過程。目前德國SF聯(lián)盟就像一個(gè)密碼總部，正在研究中央注冊表。即使各個(gè)制造單元都是封裝和獨(dú)立的，但都有同一套密碼本，可以根據(jù)定義的標(biāo)準(zhǔn)去協(xié)同工作。
那么它具體要解決的是什么？
那就是產(chǎn)能共享。本質(zhì)上則是協(xié)同制造。
如果有新訂購單過來，一般而言，工廠廠長要決策的第一件事情，就是購置新設(shè)備，早日啟動(dòng)新機(jī)器。然而，當(dāng)訂單過后，連日奔騰的機(jī)器就可能會(huì)突然停下來。產(chǎn)線閑置，等待下一個(gè)訂單的出現(xiàn)。這種脈沖式的訂單，如果不能持續(xù)形成，閑置的機(jī)器將成為一種重資產(chǎn)的懲罰。
那么是不是非得購買全新的設(shè)備？如何借助已經(jīng)存在的制造能力，從而形成一種柔性擴(kuò)張：這種柔性既可能是自己工廠完成，也可能是借助社會(huì)上其他的工廠。
答案早就有了，那就是共享生產(chǎn)。一家工廠，可以利用別人家閑置的機(jī)器，來實(shí)現(xiàn)自己的訂單。這種模式，聽起來像是無廠制造。芯片行業(yè)最重要的分工模式：無工廠的代工模式Fabless，就是最典型的例子。像高通、海思、蘋果這樣的芯片公司，并不需要自己的制造廠，它只需要自己做好設(shè)計(jì)，然后外部有一個(gè)像臺(tái)積電、中芯國際這樣的代工廠。實(shí)際上，下放訂單到其他工廠去生產(chǎn)，這是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)提供的最重要的商業(yè)模式之一。
在這樣的概念下引入了第三個(gè)參與方，擁有過剩產(chǎn)能或者閑暇時(shí)間的機(jī)器?？蛻粼谠诰€平臺(tái)上制定準(zhǔn)確的要求，例如金屬切割、焊接、組裝等，同時(shí)還指定質(zhì)量、加工時(shí)間、能耗等參數(shù)。根據(jù)這些要求，該平臺(tái)生成定價(jià)建議，以確定適合該工作的機(jī)器。
聽起來不錯(cuò)，但這件事情，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，其實(shí)很少發(fā)生，或者至少對于復(fù)雜的制造完全不能形成主流的模式。這不僅僅是因?yàn)樯虡I(yè)合作會(huì)有很多麻煩，最重要的障礙仍然是來自技術(shù)的不足，其次才是信心問題。“代工廠”在中國是一個(gè)略帶貶義的詞語，它很容易跟來料加工的低端制造混淆在一起。芯片代工模式走完了四十多年的旅程，才確立了芯片制造的規(guī)則和秩序。它要求芯片設(shè)計(jì)公司、工業(yè)軟件公司、設(shè)備供應(yīng)商與代工廠進(jìn)行最緊密的合作，這種緊密程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了財(cái)務(wù)上的聯(lián)系，大量的知識(shí)進(jìn)行密集的匯合，每家都需要成為一個(gè)奉獻(xiàn)者，才造就了芯片代工的現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)形態(tài)。如此緊密的生死聯(lián)盟，是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)松散的合作所斷然無法匹配的。
要解決工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)同制造，首先就需要解決機(jī)器的異地互操作問題。一個(gè)車間里機(jī)器的啟動(dòng)，不是像打開煤氣灶開關(guān)就可以點(diǎn)火，它有著復(fù)雜的機(jī)器調(diào)試過程。即使是一家工廠的一條產(chǎn)品線，當(dāng)更換產(chǎn)品型號的時(shí)候，也需要停機(jī)調(diào)試，更不要說跟外部工廠進(jìn)行合作。僅僅憑著訂單和機(jī)器的相似性，在絕大多數(shù)場合，都無法便捷地遠(yuǎn)程開啟一臺(tái)機(jī)器。
機(jī)器需要重新配置，按照新的工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，這是一個(gè)耗時(shí)費(fèi)力的過程，也是組織之間合作最容易出現(xiàn)摩擦的地方。要想能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程配置，最好的方法是：軟件定義配置。工藝參數(shù)在異地調(diào)試好之后，現(xiàn)場工程師直接下載使用，讓機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)起來。這聽起來就像一個(gè)U盤工廠，熱插拔就可以啟動(dòng)機(jī)器。這就需要一套足夠強(qiáng)大的機(jī)器互通互換性規(guī)則支持。
零部件的互換性，已經(jīng)在100多年前福特的流水線上得到了解決。沒有可互換性，就沒有流水線。但福特仍然是建立單一車型的基礎(chǔ)上。而隨后登上舞臺(tái)的通用汽車（從別克汽車改名而來），一開始就采用了跟福特完全不同的多品牌造車哲學(xué)。當(dāng)通用汽車開始將同一零部件，既用在雪佛蘭也用在龐蒂亞克上時(shí)，它的多品牌汽車的成本受到了令人驚嘆的遏制。兩種造車哲學(xué)開始分出高下，而可互換零件都是不動(dòng)聲色的功臣。
然而機(jī)器的互通互換性，卻是最近兩三年才開始有著強(qiáng)烈的呼聲。以前，有人為的障礙。例如西門子的控制系統(tǒng)所驅(qū)動(dòng)的機(jī)器，與施耐德電氣控制的機(jī)器，從來不能和平相處。準(zhǔn)確地說，是不想。信息化孤島的存在，有時(shí)候是因?yàn)閼卸?，信息化提供商沒有動(dòng)力去提供彼此的連接；而自動(dòng)化孤島的存在，則全部都是因?yàn)槔?。自?dòng)化以及設(shè)備商有著天生封閉的傾向，因?yàn)橹挥袑俨考拍軖旮嗟腻X。蘋果的手機(jī)充電線，不會(huì)也不愿意跟其他手機(jī)配件混用，因此用戶必須多花費(fèi)2倍的價(jià)錢，去買一條專屬線。同樣，厲害的傳感器公司從來不屑于標(biāo)準(zhǔn)化，封閉系統(tǒng)才是配件利潤的保障。像瑞士奇石樂這樣的傳感器公司，深諳此道。傳感器有獨(dú)門技術(shù)，用戶非買不可；其次就是配件備品，它的接頭、電纜全部都是專用，價(jià)格同樣昂貴離譜。很簡單，打十字結(jié)的草繩，如果綁在螃蟹身上，那就要按照螃蟹的單價(jià)去購買。非標(biāo)準(zhǔn)化的孤島，有時(shí)候是利潤的儲(chǔ)錢罐。
然而，定義機(jī)器的通訊框架和一致性語言并不容易。這兩年隨著IT與OT的融合，OPC UA的呼聲熱鬧起來，也有一些不錯(cuò)的應(yīng)用。OPC UA是一個(gè)從IT視角看工廠的最佳觀眾席。如果從推崇標(biāo)準(zhǔn)化的IT產(chǎn)業(yè)界的眼光來看，工廠里五花八門的自動(dòng)化通訊實(shí)在是太復(fù)雜了，也導(dǎo)致機(jī)器之間的交流諱莫如深。OPC UA希望用一套統(tǒng)一的通訊體系實(shí)現(xiàn)機(jī)器互聯(lián)，這深深贏得IT廠家的信心。自動(dòng)化廠商的心態(tài)開始發(fā)生改變，隨著自動(dòng)化與軟件的融合變得越來越深，利用軟件可以更好地提高硬件的價(jià)值。這讓自動(dòng)化廠商和設(shè)備廠商，都有了積極的心態(tài)。而智能制造所追求的，不僅僅是網(wǎng)絡(luò)層的互通，還包括工程層面的設(shè)備相通，無論是設(shè)備商還是自動(dòng)化廠商，都可以從數(shù)據(jù)互聯(lián)，進(jìn)而通過軟件發(fā)揮更大價(jià)值。這意味著，圍繞著通訊和數(shù)據(jù)而產(chǎn)生了跨廠商跨行業(yè)的利益。設(shè)備供應(yīng)商，已經(jīng)嗅到了這種美味。
于是機(jī)器的互聯(lián)互通，不僅僅從必要性，而且從自動(dòng)化廠商與設(shè)備廠商的意愿上，第一次成為了真正的行業(yè)共識(shí)。
這一切發(fā)生之后，共享制造才變得真實(shí)起來。二十年前工業(yè)以太網(wǎng)正在小幅度地蠶食現(xiàn)場總線的市場之時(shí)，工業(yè)以太網(wǎng)的擁躉者迫不及待地推出了“一網(wǎng)到底”的概念。這場所謂的工業(yè)通訊革命，后來被證明是一場鬧劇，它出生的太早，無法單獨(dú)以一己之力實(shí)現(xiàn)這事兒。只有到了今天，算力更強(qiáng)大、邊緣能做主、通訊更兼容，一網(wǎng)到底的事情才能真的發(fā)生。而且事實(shí)證明，一網(wǎng)到底的革命，無關(guān)通訊，而關(guān)乎機(jī)器。OPC UA框架下的互聯(lián)互通，看上去是解決通訊，實(shí)際在完成機(jī)器的語義框架。
德國制造界深諳此道，即使工業(yè)4.0的熱情正在散去，即使IT界想淹沒OT的野心早已經(jīng)變淡，產(chǎn)業(yè)界的步伐依然穩(wěn)健，它堅(jiān)定地走在為一臺(tái)臺(tái)機(jī)器建立語義模型的路上。這種思路，有時(shí)候會(huì)以“管理殼”的名義出現(xiàn)——給每一臺(tái)機(jī)器每一個(gè)部件加上一件“數(shù)字馬甲”；有的時(shí)候會(huì)以“數(shù)字孿生”的名義出現(xiàn)，為機(jī)器建立一套數(shù)字空間的實(shí)時(shí)互動(dòng)模型。但德國機(jī)械制造商協(xié)會(huì)VDMA則在一個(gè)行業(yè)一個(gè)行業(yè)地進(jìn)行梳理，從注塑機(jī)、包裝機(jī)，到壓縮機(jī)，為每個(gè)行業(yè)建立一套數(shù)字孿生的試衣間。不同的行業(yè)協(xié)會(huì)，紛紛加入。
圖2 德國機(jī)械制造商協(xié)會(huì)的雄心所在
德國機(jī)床界的熱心，更加值得關(guān)注。德國機(jī)床制造商協(xié)會(huì)VDW，早已啟動(dòng)在數(shù)字化時(shí)代，守住全球機(jī)床第一強(qiáng)國寶座的雄心。它選擇的路徑，不再是更好的床身結(jié)構(gòu)，或者更好的控制，而是機(jī)器更加互聯(lián)的語義模型。VDW在2018年，首次展示了德國機(jī)床的官方語言：Umati。這是一套基于OPC UA的IT系統(tǒng)，它為連接而來。如果說德國機(jī)床有一顆通用的芯——基本都是西門子控制系統(tǒng)的話，那么這次德國機(jī)床兵團(tuán)都擁有一個(gè)同樣的USB接口，相互插上就能連接，就能快捷地配置使用。VDW也邀請全球所有制造商協(xié)會(huì)和公司的加入。
中國機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會(huì)的機(jī)床通用語言標(biāo)準(zhǔn)NC-Link也在邀請和兼容之列。然而，二者最大的不同是，NC-Link就像是一根木樁一樣透徹，所見即是全部，而Umati則是一棵大樹，你看不見的根基才是它最大的生命力。更不用說，NC-Link在中國只得到了看上去貌合神離的機(jī)床廠家的支持，即使華為的極力助推恐怕也難以改變。
相比較，很多國內(nèi)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)語境下的“協(xié)同制造”，簡直就是小兒科。缺乏對機(jī)器的物理運(yùn)行機(jī)制的抽象和描繪，而癡迷于網(wǎng)絡(luò)的連接和5G的高速，那就是把浩瀚的產(chǎn)業(yè)升級工程，當(dāng)成了一個(gè)概念游戲。當(dāng)月亮在天空發(fā)生了缺失的時(shí)候，不同的觀察者采用了“天狗吃月亮”和“日食”的說法，就是詩人和科學(xué)家的區(qū)別。只求表象不求根基的浪漫主義精神，是不能作為智能制造的發(fā)展原則的。
在德國智能工廠聯(lián)盟的示范中，共享制造是由三處不同的地點(diǎn)聯(lián)合完成，協(xié)同制造一輛可定制化的卡車。合約制造角色就是凱澤斯勞滕大學(xué)的機(jī)床與控制部，它負(fù)責(zé)對拖車油箱上部的結(jié)構(gòu)進(jìn)行銑削。盡管三個(gè)地點(diǎn)的三臺(tái)機(jī)器都具備銑削功能，但一套程序裝上去，可以實(shí)現(xiàn)不同的質(zhì)量加工等級，加工速度也不一樣。這意味著，不同地點(diǎn)的機(jī)器，完全可以通過遠(yuǎn)程來實(shí)現(xiàn)自選配置。如果不需要很高的精度，就可以提供低價(jià)服務(wù)。反之，高價(jià)格就可以提供高精度。這意味著自主化的多智能體系，可以相互溝通，以確定哪一個(gè)是根據(jù)客戶規(guī)格生產(chǎn)產(chǎn)品的最佳選擇。
如果深究一步，這是一種即插即產(chǎn)（Plug&Produce）的思路。它的目標(biāo)是將制造系統(tǒng)分成多個(gè)過程模塊，這些模塊可以在生產(chǎn)繼續(xù)進(jìn)行時(shí)連接在一起。這樣，就可以在幾分鐘內(nèi)重新配置制造單元布局，而不是傳統(tǒng)方法中的幾天。從U盤機(jī)器，到U盤產(chǎn)線，U盤工廠也就呼之欲出了。在施耐德電氣武漢工廠，在上通五菱柳州寶駿基地的產(chǎn)線上，這種熱插拔工位正在積極的探索之中。但如何在更大范圍，確立機(jī)器互聯(lián)的秩序，卻很難是一兩家企業(yè)所能完成的。
值得注意的是，德國“自主產(chǎn)線4”的實(shí)踐，也加入了歐盟龐大的大數(shù)據(jù)中心計(jì)劃—Gaia-X，該項(xiàng)目旨在打通歐洲的數(shù)據(jù)大本營，實(shí)現(xiàn)歐盟內(nèi)部數(shù)據(jù)的安全流通。這意味著“自主產(chǎn)線4”正在認(rèn)真地思考解決跨越國界的制造問題。
基于熱插拔式產(chǎn)線，或者進(jìn)一步推進(jìn)到 U盤工廠，才是規(guī)?；鉀Q協(xié)同制造的關(guān)鍵。這背后需要對機(jī)器建模有著更加深刻的基礎(chǔ)層的探索，而合手的工具，都已經(jīng)備齊，無論是低代碼編程、61499的建模語言，或者OPC UA語義與通訊、面向?qū)ο蠓抡妫€是容器化的微服務(wù)和時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)。這些工具，并不會(huì)自動(dòng)形成顛覆性的力量；只有底層的語義連接和頭疼的機(jī)器建模，才是決定性的支柱。無論是多么優(yōu)秀的頭腦風(fēng)暴，都無法把概念之花演繹成樹苗；只有老老實(shí)實(shí)地把手和腳都插到了沉甸甸臟兮兮的泥土里，智能制造才會(huì)有著真正的根基。
工業(yè)4.0，曾經(jīng)如閃電一般，啟蒙了中國制造界的想象力。中國“智能制造”迅速接過了揮舞的大旗，隨后“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的建制番號強(qiáng)勢加入，而新編數(shù)字化轉(zhuǎn)型第三路大軍的高昂聲調(diào)，也開始響徹入耳。
當(dāng)然還有其他的插曲，一周前福布斯中國居然認(rèn)真地發(fā)布了《2021年福布斯中國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)》排行榜。它以令人驚愕的淺薄身段，迎合了中國工業(yè)按不下去的浮瓢。
相反，德國工業(yè)4.0則進(jìn)入了沉默的掃地僧角色，以更加謙卑的隱者姿態(tài)，如彗星般而來，如潤雨般落地。激情和口號不再，到處都是枯燥重復(fù)的工業(yè)驗(yàn)證和佶屈聱牙的物理模型。兩類不同的道路，即使無需認(rèn)真打量，也能看出細(xì)節(jié)之中大有不同。這其中，最令人印象深刻的，就是對制造升級敘事尺度的把握：一宏，一微，大有不同。這種差異，正是智能制造的真正玄機(jī)。
