1.1 智能时代的自动化需求

如果说在20年前终端消费者缺少及时表达自己对产品的喜好或诉求的渠道，如今的电子商务时代，终端消费者和产品供应链上各级制造商的距离缩短到了“如同纸张的薄度”。所有的沟通缝隙几乎都被填补，终端消费者的愿望不仅可以很快地传递到产品供应商处，而且这些愿望或诉求也是不断变化的。正是这些不断变化的消费需求在影响着制造业的发展。

1.1.1 新的消费需求改变制造业

我们过往习惯的产品批量常常是100万或者更大的数字，因为只有这样的批量才能使产品的成本降低至一个有竞争力水平的价格。而今，我们必须做出改变，制造业正承受着由消费者终端传递过来的越来越强的压力，这种压力最终导致如下现象：

（1）产品的生命周期越来越短

消费者对一种款式产品的喜好度下降得越来越快，同时，市场竞争也在不断地加剧，这就必然导致产品的生命周期变得越来越短。在这样的形势下，企业的技术竞争力就受到了越来越大的挑战。如何做到尽快研制下一代产品并不断地创新，对技术团队、公司的管理层甚至决策层来说都是一个很大的难题。在这样的情形下，生产让公司有利润并且让客户买得起的产品，是解决这个难题的核心。

（2）产品的技术越来越复杂

技术的发展与创新就意味着产品的技术与更多的学科关联，而且每一个学科的问题会变得更加深奥。对于一台机器的自动化方案来讲，实际上是一个“机电软一体化”的问题。首先对于一个自动化方案的配置，需要了解方案的需求，如机器的运动速度、加速度以及力矩等；其次是运动控制的精度以及其他要求。对于传动产品，诸如伺服驱动、减速器以及伺服电机的恰当配置需要考虑机器的传动方式、结构、尺寸以及转动惯量等参数。接下来，在设计控制方案的时候，如果要达到理想的运动控制效果，那么一个将机械和电气结合在一起的建模仿真就很有必要。如果控制对象是一台风力发电设备，那么所涉及的学科就更多了。

（3）产品单件批量成为“工业4.0”的一个重要特征

图1-3列出了单件批量的影响因素以及挑战。亨利·福特在宣讲他的标准化生产创举时曾经说过：“顾客可以选择他想要的任何一种颜色，只要它是黑色。”然而在今天，这句名言恐怕可以改成：“顾客可以选择他想要的任何一种颜色，只要他想得出来。”市场的竞争、客户需求的多样化导致了如今标准化产品制造的缩减，以及定制化产品制造的不断增加。单件批量率先出现在数字化胶印设备上，生产线上每一件产品都可以是不同的。而影响这种趋势的因素还来自于地域与文化的差异，尤其来自于新兴市场，如“金砖五国”的多样需求。比如苹果公司的iPhone手机，在欧洲一般黑色或者银色往往是首选，而在中国玫瑰金或者金色往往是热门的选择。这种单件批量的趋势正面临着来自两个方面的挑战：一方面，终端消费者虽然喜爱富有个性化的产品，但他们却同时梦想着产品价格如同大批量生产的一般；另一方面，单件批量意味着工厂要有柔性生产的条件和能力，而具备并实现这种能力却是一个时间和成本的问题。

1.1.2 制造业面临的压力与使命

笔者在撰写本书时，正是“中国制造2025”颁布之时以及中国第十三个五年计划公布之时。笔者认为这些目标以及规划的制定，其根本目的之一是引导中国的制造业进行转型升级，从而使中国制造业在世界的经济舞台上具备更强大的竞争力。而中国制造业要想成功地转型升级，首先要有战略意识和行动，从而摆脱整个制造业的“价格竞争”模式。我们从下面的一个例子中可以体会出一些道理。

某大型城市的大型国有企业，曾经是中国某机械制造领域的市场领导者。近十几年来，业绩一直在下滑。在中国加入WTO之后，该企业不是将优秀的国际竞争对手作为标杆，利用各种机遇，积累或获取资源，尽快建设技术研发团队，在产品以及技术上发挥长处，而是在以价格为主导的销售模式上下工夫。拼命压低采购成本是其采用的一贯策略。然而正是这样的措施反映了企业急功近利的短期行为，导致在这个市场上不可避免的战略倒退的后果。例如把某一年采购成本降低10%，并不意味着企业的总成本一定会下降，更不意味着在客户处的产品销售价格就一定保持不变。该企业能否实现战略突围，最小化企业的总成本而不是采购成本，一定是其战略选项之一，然而却一定不是其战略的唯一选项。

从笔者的角度看，其实中国的制造业已经从“价格低廉、质量差”逐步转向了“价格优势、性能弱势”。要走向战略优势，中国制造业自然还有很长的路要走。总结起来，中国的制造业面临如下压力：

（1）战略选项

长期的战略是增加企业的技术积累、提高技术竞争力，使企业的市场定位不仅在国内而且在国际上更有差异化。但实现这个目标需要时间。所谓“弯道超车”的做法之一是在海外市场收购有技术资源的公司。然而这种做法所带来的是人才的挑战，即企业是否有合适的团队来管理所收购的企业，以达到为己所用的目的。

短期战略是指企业如何在短期生存并发展的问题。比如对于长期战略的投入过多，企业很可能出现资金链断裂等问题，从而导致企业制定的宏伟规划半途而废。

所谓的战略选项，主要是解决“有所为，有所不为”的问题。实际上对于企业来讲，最困难的是在战略上搞明白什么“不为”。而对于要“有所为”的选项，重要的是如何“为”。

（2）成本竞争力

对于是在采购或生产成本上下工夫，还是在总所有成本（Total Cost of Ownership, TCO）的优化上下工夫这个问题，实际上很多企业需要进行认真的思考。

什么是总所有成本？总所有成本是在一定时间范围内所拥有的包括置业成本（Acquisition Cost）和每年总成本在内的总体成本。在某些情况下，这一总体成本是一个为获得可比较的现行开支而对三到五年时间范围内的成本进行平均的值。

极端地压低采购成本实际上不仅不专业，也是很危险的。由此产生的“跷跷板效应”会直接对产品的质量、售价以及市场的开拓产生负面影响，从而形成企业发展的死循环。这里不得不提的是，在客户与供应商的关系上，欧洲企业在供应链的战略管理中处理得专业且得当。而中国的企业在这方面需要改善的空间还很大。

成本竞争力是中国制造业转型升级的关键战略要点之一。这个问题我们在下一节再单独展开讨论。

1.1.3 成本效率的三大主题

对于企业的竞争力而言，单独讨论成本是不全面的。成本必须与效率结合在一起才能给出更加清晰的分析结果。这样就有了成本效率（Cost Efficiency）这个概念。

成本效率是指按“成本-效益”的观点来测定成本开支效果的一项质量指标。这项指标通常可用一定期间内的成本开支额与营业收入的比率，或成本开支额与平均资金占用额的比率，或成本开支额与利润的比率来反映。

对于制造业来讲，与成本效率紧密相关的三大主题分别是：保证客户的满意度、提高生产效率、节省资源，如图1-4所示。

1．保证客户满意度

价格、交货周期以及个性化需求这三个指标可以基本描述客户满意度，如图1-5所示。

要在以上三个指标上取得很好的分数，企业不仅需要有一个高效的学习型组织，而且必须具备整体的灵活性，单单具备技术的创新能力是不够的。当然，除去这三个指标外，还有包括售后服务在内的客户体验。这种客户体验实际上是测验产品的可兑现性（承诺的是否可以被体验到）。

2．提高生产效率

效率、效益和效能在这里表达的是相同的意思，不同的是其使用的场合或用途。对于效率，从不同的角度分析也有不同的定义。财务上最基本的定义如下：

如果把这个定义广义化，那么可以有

然而，当我们习惯于这样看待效率的时候，却忽略了影响竞争力的一个重要因素，即时间。

理论上对以上表达式的解释是：用最少的资源，占用最短的时间，制造出数量最多、质量最好、价格最有竞争力的产品，这是一个制造企业所追求的目标！

笔者无意在此全面展开关于效率的讨论，下面将从如何提高生产效率和缩短研发周期的两个重点方面进行一些探讨。

（1）提高可用性

所谓“可用性”是指生产设备的可用性。提高生产效率就意味着首先要缩短和消除停机的因素。图1-6示出了影响设备可用性的因素。

一旦发生工艺过程中断的情况，不仅生产过程停止，而且由于工艺参数的丢失或错乱一定会导致产品的报废，给企业带来损失。当“急停”按钮按下的时候，机器不是停止，而是在中断部分功能的时候保证设备连续，哪怕是低速运行，从而保证生产效率得到最大化。集成的安全技术是可以做到这一点的。当今几乎每台机器都必须集成安全技术，如缩短停机时间、减少材料浪费以及使用更少的文档，这对于用户和终端用户都会显现巨大的益处。提高设备的可用性，就意味着相对于其他方案提高了单位时间的产量。由此可见，开放的集成安全技术对于智慧工厂也是至关重要的。

生产设备的频繁启动或停机，不仅影响设备的运行效率，而且耗能。在线的物流出现停滞说明线上设备间的协调出现了问题。因此整个生产线上各设备协同运行，机器匀速运转、线上物流匀速且通畅，不仅可以保持较低的能耗，而且也是高生产效率的标志。同时，尽可能缩短物料处理的时间、从设计角度减少机器的尺寸、尽量使用轻巧结构的部件等，都是减少损耗、提高效能的重要措施。

投入并运行一条自动化生产线不是问题，问题是这条生产线的可用性或再用性是否能够得到完美的发挥。一条生产线上的产品配置或者产品类型发生改变时，生产线的调整时间需要多长，这个问题从设计阶段就应加以考虑。理想的生产线是当产品配置发生变化或切换产品时，应该实现在线切换（Change on the fly），或者使停机时间最短。要达到这个目的不仅软件需要模块化，其生产线上的各机械设备或者生产单元也必须是模块化的。具备机电软一体化模块特点的生产线，能方便地改变产品配置或者切换产品，即“柔性生产”。

在整个生产流程中，操作员是至关重要的一环。“机器智能化、操作简单化”，在设备出现故障时，有明晰的出错原因显示和操作指导，以及在安全技术的指导下实现人机合作等，都是与操作员有关的一些环节，需要在生产线设计和对操作员培训时重点考虑。总之，不能因为操作员的因素而导致生产效率的下降。

基于透明、标准化的网络通信技术，对远端的设备实施远程监控，并且对整个自动化系统实行单点的软件升级，是系统维护的一个发展趋势，也是一个重要手段。同时，通过状态监控（Condition Monitoring, ConMon）对设备进行实时监控，从而达到预防性维护管理，也成为越来越被重视的一个新手段，它能确保生产线的可用性。

（2）设计理念的革新

传统的设计方式是留有足够的设计余量，从样机开始一步一步地改进，直到样机达到了设计要求，通过了现场以及用户的验收，方能定型并逐步进入批量生产阶段。这个传统的方式不仅耗费时间，而且设计所留有的设计余量也会造成原材料的浪费，从而导致“大马拉小车”的现象。

二十多年前汽车行业就开始了“硬件在环”（Hardware In the Loop, HIL）的基于仿真的设计手段。近几年该设计逐步在其他制造业被采用，这无疑是设计方法上的创新。它不仅可以避免重复地制造样机，节约花费，而且可以大大缩短研发周期和产品上市时间（Time To Market）。另外，仿真手段的高精准度也使得极限设计成为可能。所谓极限设计，就是设计余量可以放到最小。不仅如此，仿真手段的优势还在于研发人员可以不断修改并反复试验，对不同的策略或方案进行比较，这是传统设计手段所不能及的。随着产品技术的复杂化，一个方案的设计往往是多学科的融合问题，而多学科的交叉与研究在仿真系统里可以得到集成与体现。在工业自动化领域，PLC（可编程逻辑控制器）、伺服或变频驱动、伺服电机等系统都能以模型的方式出现在仿真系统里。

Matlab/Simulink已经成为自动化方案在线设计的重要工具。早在2010年，贝加莱（简称B&R）公司就具备了这种自动化方案的设计手段。图1-7示出了仿真的潜在优势。

提高工程效率的另外一个途径是将已积累的技术重复利用，同时满足客户的个性化需求。这就是将系统进行模块化设计的思想。在未来的智能制造中，工业自动化将发挥着关键作用。而对于工业自动化而言，软件却是此关键中的核心。如果把一家机械制造商的所有产品进行分解，基本上有三个部分：基础技术部分、与机器流程或行业工艺有关的部分，以及特定的应用部分。如果前两部分可以构建成模块体系，那么对于提高工程化效率、提高软件的可靠性和竞争力将是十分有意义的。图1-8示出了软件的模块化架构，其中mapp是贝加莱公司于2014年德国纽伦堡电气自动化（SPS IPC DRIVES）展览会上首次推出的技术，它就是把机械流程和基础技术做成了模块化的架构。

3．节省资源

资源对于制造业来说包含四个元素：人力资源、时间、原材料以及能源。节省资源以降低成本，不仅是企业最基本的商业追求，也是企业家的社会责任。前三个元素实际上前面皆有涉及，下面就能源管理这个主题略作展开。

从设计的角度考虑如何节能，比如用永磁同步电机代替异步电机，用LED半导体照明代替普通照明，如何节省材料使设备的结构更加轻巧等，这对于节能来说是一个重点。然而，如何将能耗数字化、透明化，从而为持续节能提供决策依据，却是能源管理的一个问题。

所谓的能源消耗是指一个企业生产或工作过程中所耗费的有流量的媒介，比如电能、水、压缩空气以及燃气等。将这些媒介的消耗按时间地点进行统计并按要求做出各种类型的报表，从而对能源的消耗实现透明化和数字化管理，便是一个能源管理平台的基本功能。

使能源的消耗变得可测、可控，最终通过策略和规划的调整使能耗得到持续不断的优化，这就是ISO 50001标准的核心。

从工业自动化的角度来看，能源管理系统首先需要一个可以扩展的模块化平台，以便给企业留有空间，从能源管理模块可以容易地、低成本地扩展到过程数据采集（Process Data Acquisition, PDA）系统。其次就是可视化软件，其中包含报表的表达工具，它能方便地将测量数据以某种形式呈现出来。再次就是数据采集的硬件，包括CPU以及各类I/O。最后就是测量能源媒介的传感器类的硬件配备。图1-9示出了贝加莱公司的典型能源管理平台——APROL EnMon（Eneryy Monitoring）系统。