前言
2013年,德国“工业4.0”新制造概念在汉诺威工业博览会上被正式提出,很快便升级为德国的国家战略。2014年,美国通用电气、IBM等科技巨头成立工业互联网联盟,开发和制定全新的工业技术和标准,重新定义制造业。中国政府在2015年提出“中国制造2025”战略规划,明确了中国未来10至20年的制造强国战略的方向和途径。
无论是“工业4.0”、“工业互联网”亦或是“中国制造2025”,无不透露着世界大国对制造业的重视以及对工业技术升级的渴望,传统的工业强国迫切希望抢先一步抓住制造变革的机遇。但无论多么渴望和急迫,我们都必须遵从制造系统发展的规律。只有从制造系统的内在结构和本质出发,才有可能寻找到制造系统中隐藏着的下一轮变革的关键点。
1 制造系统结构与发展
1.1 制造系统PEC模型
一直以来,我们都是通过人、机、料、法、环5个要素(4M1E)来认识制造系统。但真正对制造系统的性质和能力起决定性作用的是其内部的结构和联系。因此我们必须寻找一种能够体现制造系统内部结构和联系的基本模型。
我们认为人体是由肌肉、骨骼、内脏和大脑等构成的,也可以认为人体是由运动系统、消化系统、循环系统和神经系统等构成。而后者对于系统性地认识人体的结构和运行机理更加有效。依据这样的逻辑,就能够得到制造系统PEC模型,如图1所示。所有类型的制造系统都在同一个框架和结构中运行,即制造系统由产品系统(Product system)、能量系统(Energy system)和控制系统(Control system)构成。需要说明一点,制造系统PEC模型是全文讨论的基础。下面我们将根据制造系统PEC模型简略地回顾一下3次工业革命的内涵。
图1 制造系统PEC模型
1.2 制造系统的发展历程
1785年,伟大的工业革命拉开了序幕,人类开始从落寞低沉的农耕时代走进大气磅礴的工业时代。澎湃的机器动力取代弱小的人工动力,成为制造系统最重要的能量来源。由于蒸汽机的使用为工业生产提供了源源不断的强劲动力,生产总量急速增加,大规模生产模式得以实现。由此可见,蒸汽机解决了PEC模型中的能量系统的能量体量问题。
19世纪中期,随着各种电器的发明和应用,以及与之配套的各种电力设施的完善,人类快速地步入了电气化时代。先进的电气动力取代落后的蒸汽动力,逐渐成为能量系统的主体。电气动力系统最大的优势在于其极为优秀的可控性。其输出的能量可以直接用于改变产品系统的结构状态,即零件加工和原料生产。这直接引发了产品系统爆发式发展,产品系统变得极为丰富和复杂。第二次工业革命解决了能量系统精准度的问题。
20世纪后半叶,随着电子计算机和通讯技术的迅猛发展,人类跨入了信息化时代。计算机控制技术的应用进一步提升了能量系统的精准度,使得高精度的零件加工和高纯度的原材料生产成为现实。尤其是通讯技术在工业领域中的应用,使得我们对制造过程的控制和协调的能力取得了极大的进展。制造系统的运行速度、成本和质量都得到了成倍的改进。毫无疑问,制造系统PEC模型中的控制系统的变革已经发生,制造系统已经开始从物理层面向信息层面蜕变。第三次工业革命将工业技术变革的领域延伸到了控制系统中。从3次工业革命的变革历程中,能够发现什么规律呢?