23、探索 5G 赋能的智能工厂（工业 4.0）

探索 5G 赋能的智能工厂（工业 4.0）

1. 智能工厂与工业 4.0 概述

智能工厂是一种智能化的工厂，其生产或制造结构具有连接性和数字化的特点，依赖于连接到互联网的机器设备。数据存储在云端，用于监控和控制生产或制造过程，同时也用于决策和解决可能出现的问题。

工业 4.0 是当前制造业的发展趋势，它将计算、网络和物理过程集成（网络物理系统）、自动化以及物联网（IoT）相结合，打造出智能工厂。在智能工厂中，机器通过智能传感器和其他智能设备连接到云端，实现虚拟世界与物理世界的融合。

工业 4.0 是工业革命的新阶段，能够提高生产效率、降低成本。许多行业因其带来的众多益处，正纷纷寻求升级或转型为智能工厂。智能工厂可以看作是工业自动化的进一步发展，使得工厂中的自动化机器或设备能够通过互联网在全球任何地方进行监控和控制。

2. 工业革命的历史回顾

为了更好地理解工业 4.0，我们先来回顾一下工业革命的历史：
| 工业革命阶段 | 起始时间 | 主要特点 |
| ---- | ---- | ---- |
| 第一次工业革命（工业 1.0） | 约 1784 年 | 机器开始在工业中使用，由蒸汽提供动力 |
| 第二次工业革命（工业 2.0） | 约 1870 年 | 引入电力驱动工业机器，出现大规模生产，采用人工操作的装配线 |
| 第三次工业革命（工业 3.0） | 约 1969 年 | 工业过程引入自动化，开始使用传感器、执行器、控制器和机器人，减少人工干预 |
| 第四次工业革命（工业 4.0） | 约 2011 年 | 工业机器连接到互联网，可自主思考、决策和通信，实现远程访问 |

工业 4.0 通过信息和通信技术实现机器和工业过程的智能联网，机器、计算机和其他设备相互连接并通信，在很少或无需人工干预的情况下对工业或生产过程做出决策。它融合了物联网、云计算、大数据等技术，进一步提升了工业 3.0 中自动化机器和计算机的应用。

3. 工业 4.0 的关键技术

工业 4.0 以更先进的方式应用了多种现有技术，其关键技术包括：
- 物联网（IoT） ：指通过传感器收集数据并通过互联网相互通信的物理对象或设备网络。在制造业或其他生产行业中，工业物联网（IIoT）允许现场设备（传感器和执行器）在很少或无需人工干预的情况下相互通信。IIoT 是工业 4.0 的组成部分，可帮助制造商监控设备状态、性能和健康状况，安排预测性维护，进行远程故障排除，提高操作安全性。
- 机器人技术 ：机器人是经过编程的机器，能够在很少或无需人工干预的情况下执行一系列任务。它们可以根据输入做出决策并独立完成特定任务，是工业 4.0 的重要组成部分。
- 人工智能（AI） ：使计算机或机器人能够执行通常由人类完成的任务。借助 AI，机器可以学习、思考和行动，虽然目前还没有程序能完全匹配人类在各个领域的灵活性和能力，但在某些特定领域，机器可以像人类专家一样工作。AI 需要机器学习和数据分析等技术支持。机器学习是一种让计算机或机器从输入中学习而无需为每种情况进行明确编程的方法；数据分析则是分析原始数据以获取有意义信息或得出结论的科学，可用于优化流程和提高效率。当机器人技术与 AI 结合时，就产生了智能机器人，它可以模仿人类行为，如学习、推理、规划和解决问题。
- 云计算 ：将数据存储在互联网上，并在需要时访问存储的数据。来自各种设备的数据存储在远程服务器中，可通过互联网在全球任何地方访问。
- 网络安全 ：保护网络中的数据、服务器、计算机和其他设备免受恶意攻击的技术或实践。
- 增强现实（AR）和虚拟现实（VR） ：AR 通过实时将真实世界视图与计算机生成的元素相结合，提供交互式 3D 体验，可通过 AR 眼镜、平板电脑或智能手机实现。它能实时解释、操作和增强现实世界视图，为维护工程师提供有用信息。VR 则将用户置于 3D 计算机生成的环境中，用户可以在其中移动并与这些元素进行交互。工程师、设计师或客户可以使用 VR 头戴设备在不同光照条件下查看设施或产品，而无需制作原型。

4. 工业 4.0 的益处

工业 4.0 带来了诸多好处：
- 提高生产力 ：能够更快地生产更多产品，减少停机时间，从而增加产量。
- 提高效率 ：减少停机时间，使产品生产速度加快。
- 灵活性 ：生产规模可轻松扩大或缩小，也易于在生产线中引入新产品。
- 降低成本 ：通过自动化、物联网和其他集成技术降低生产或制造成本，但在初期设置阶段需要一定的投资。
- 增加收入 ：由于实施了自动化和其他工业 4.0 技术，许多情况下所需的员工数量减少，从而增加收入。
- 保障工人安全 ：生产线上的机器很少或无需人工干预，可通过互联网远程操作，保障工人安全。

5. 构建智能工厂的基本步骤

构建智能工厂可参考以下步骤：

graph LR
    A[明确需求和目标] --> B[从最具效益的区域开始]
    B --> C[培训员工掌握新技术]
    C --> D[招聘专业人才]
    D --> E[防范网络攻击]
    E --> F[投资新设备和工具]
    F --> G[持续更新智能工厂建设]
    G --> H[建立良好的无线连接]

• 明确需求和目标 ：确定建设智能工厂的原因，定义目标并进行优先级排序。智能工厂通常分阶段建设，了解需求和目标有助于在每个阶段适时投资合适的设备和工具。
• 从最具效益的区域开始 ：无需一次性在整个工厂实施智能工厂建设，可以逐步推进。
• 培训员工掌握新技术 ：智能工厂涉及员工可能不熟悉的新技术，因此需要让员工具备操作新设备和装置的技能。
• 招聘专业人才 ：除了培训现有员工，还可能需要引入专业人才，如数据分析师、具备网络和网络安全技能的 IT 专家、熟悉机器人基本操作和编程的机器人专家、PLC 程序员、HMI 程序员等。
• 防范网络攻击 ：智能工厂将设备连接到云端，容易受到网络攻击，需要采取必要的预防措施保护数据和设备安全。
• 投资新设备和工具 ：建设智能工厂需要新的设备，如智能传感器和其他智能设备，用于将机器数据传输到云端；还需要计算机和软件来有效存储、分析和管理数据。
• 持续更新智能工厂建设 ：不太可能一次性在整个工厂全面实施智能工厂建设，需要在一个区域完成后逐步扩展到其他区域。
• 建立良好的无线连接 ：无线连接是构建智能工厂的关键，像 5G 这样的优质无线网络能够实现快速可靠的数据交换，使依赖互联网连接的智能工厂成为现实。

6. 5G 赋能智能工厂的益处

在智能工厂中使用 5G 具有以下好处：
- 提升物联网连接能力 ：5G 能够连接更多的智能传感器和智能设备，增强物联网的容量，实现工厂的大规模连接。
- 支持 AR/VR 应用 ：使使用 AR/VR 头戴设备的员工能够在工厂车间自由移动并保持与专用 5G 网络的连接。5G 网络可以满足 AR/VR 有效运行所需的高速要求。
- 促进数据共享与决策 ：员工可以通过 5G 网络监控机器性能、分析生产过程，并在不同的智能工厂地点之间共享信息，以便进行合理的决策和规划。5G 网络能够高速分析大量数据。
- 优化机器人应用 ：目前许多工业机器人依赖有线网络连接，因为现有无线网络速度不足以支持其有效运行。5G 的出现使机器人能够无线连接，摆脱电缆限制，在智能工厂中得到更好的利用和最大化发挥作用，提升协作机器人的性能。
- 推动人工智能应用 ：5G 使智能工厂中的人工智能能够提供低速网络无法实现的更切实可行的功能。

总体而言，5G 连接使工业 4.0 的自动化和其他关键技术（如物联网、人工智能、机器人技术、云计算、AR/VR 等）能够有效运行，提高工厂的效率、生产力和产品质量，改善员工的工作条件。

7. 将 PLC 或机器数据连接到云端

在智能工厂中，将 PLC 数据传输到云端至关重要。这里介绍工业物联网（IIoT）网关，它是将 PLC 或机器数据传输到云端的关键组件。

IIoT 网关可以是硬件或软件，它能够集成各种设备（如传感器、执行器、PLC 等），收集数据并将其传输到云端或本地服务器。它就像一座桥梁，连接工业环境中的设备和云端，使人们可以通过连接互联网的 PC、平板电脑或智能手机上的仪表盘监控设备数据，并发送命令控制设备。

IIoT 网关了解物联网设备使用的不同协议（如蓝牙、Zigbee、MQTT、Wi-Fi、蜂窝网络等），并在数据源头附近处理关键数据，实现快速决策并减轻中央平台的负担，这就是边缘计算。

以下是一些不同制造商的 IIoT 网关及其型号：
| 制造商 | 型号 |
| ---- | ---- |
| 西门子 | SIMATIC IOT2020、SIMATIC IOT2040、SIMATIC2050 |
| 研华 | UNO - 125IG |
| 伟联科技 | EG602W、EG503W、EG602L |
| 索富通 | UAGATE SI、UAGATE MB、edgeGate |
| WLINK | WL - D80、G510 - LF4（兼容 5G） |

每个 IIoT 网关都有安装和配置的手册和指南，有些还有用户论坛可供学习。下图展示了 IIoT 网关如何将设备（传感器、执行器、PLC 等）连接到云端：

graph LR
    A[传感器、执行器、PLC 等设备] --> B[IIoT 网关]
    B --> C[云端]

8. 总结与展望

通过以上内容，我们对工业 4.0 有了基本的了解，包括其关键技术（物联网、人工智能、机器人技术、云计算、AR、VR 等）、益处、构建智能工厂的步骤以及 5G 赋能智能工厂的优势。同时，我们也了解了将 PLC 数据连接到云端所需的重要组件——IIoT 网关。

工业自动化是一个充满趣味且市场前景良好的领域，目前工业中的大多数机器都已实现自动化，因此对具备开发、维护和故障排除这些机器知识的专家需求始终存在。

为了更好地掌握工业自动化技能，建议下载必要的软件并按照说明进行安装和操作，利用部分章节中的模拟演示进行学习。如果条件允许，购买相关设备并按照说明进行连接和实践，以获得实际组件或设备的实践经验。此外，还可以通过在线学习、持续实践或参加专业培训中心的课程，进一步提升工业自动化技能，成为该领域的专家。希望大家在工业自动化和过程控制领域取得优异的成绩。

9. 知识测试

以下问题可用于检验对上述内容的理解，请在回答前确保已阅读并理解相关主题：
1. 第 _ _次工业革命通过使用由电力驱动的机器组成的装配线实现了大规模生产。
2. 在第 _次工业革命中，工业机器可以通过互联网相互通信、思考和决策，很少或无需人工干预。
3. 指的是通过传感器收集数据并通过互联网相互通信的物理对象或设备网络。
4. 借助 ，机器现在可以像人类一样学习、思考和行动。
5. 是一种让计算机或机器从输入中学习而无需为每种情况进行明确编程的方法。
6. 涉及将数据存储在互联网上，并在需要时访问存储的数据。
7. 是保护网络中的数据、服务器、计算机和其他设备免受恶意攻击的实践。
8. 是一种通过实时将真实世界视图与计算机生成的元素相结合，提供交互式 3D 体验的技术。
9. 是一种将用户置于 3D 计算机生成环境中的技术。
10. IIoT 是 ___的缩写。