“用物联网(I o T)构筑智能制造业”
《I o T系列》第2部分
2014 年 1 月
制造业：IOT 和下一次工业革命
工业革命以来，上至国家，下至公司企业，制造业从来没有停止过变革。2012 年，世界经济论坛发表了一篇标题为《制造业的未来：推动经济增长的机遇》的研究报告。这份报告中称：“制造业对于国家的繁荣非常重要，仅制成品出口数据的差异就可以解释 128 个国家/地区收入变化的 70% 以上。”1《经济学人》在 2012 年称，人类已进入由制造业数字化支撑的第三次工业革命2。也有人将此称为“智能制造业”。
美国质量学会 (ASQ) 在 2013 年 12 月份做了一项调查。在接受调查的制造商中，只有 13% 表示自己的组织采用了智能制造技术。在这些声称实施了智能制造技术的组织中，有82% 表示效率有所提升，有 49% 表示产品缺陷减少，有 45% 表示客户满意度提高。3
物联网 (IoT) 的开发和采用是智能制造业的重要组成部分。虽然制造类企业在几十年前就开始运用传感器和计算机自动化，但是，那些传感器、可编程逻辑控制器 (PLC)、基于 PC 的控制器和管理系统与 IT 和运营系统严重脱节。这些系统采用分层的数据孤岛式架构，往往缺乏与内部系统的联系。制造类企业采用这些传统结构有着他们的原因，其中包括害怕出现重大安全问题。开放、高度互联的 IP 网络结构是 IoT 价值主张中的重要组成部分，这与传统结构有着很大不同。在制造和工业市场中，向 IoT 更具开放性的网络架构和数据共享方式过渡会遇到很多挑战，不过，IoT、大数据和 M2M 优化这些先进技术结合所带来的机遇更加不可限量。
IoT 描绘了这样一个系统：现实世界中的物品、这些物品中的传感器，以及连接到这些物品的传感器全都通过无线和有线网络连接联入互联网。物联网将来自这些无生命物体的数据“联”起来并共享这些数据。IoT 也能收集和传输来自与有生命物体（例如人、动物和植物）连接的传感器的数据。无论是工业设备，还是医疗设备和汽车等形形色色的日常物品，所有事物都能在 IoT 中“联”起来。IoT 可以与系统也可以与人共享这些数据。（要详细了解 IoT 的定义，请阅读本系列的第 1 部分“The IoT Primer”[IoT 初探]。）
一段时间以来，制造业在封闭的硬接线网络环境中为高价值生产设备配备了大量仪表。工业标准传感器、控制器和网络价格昂贵，针对现有设施开展升级项目并非易事。通过刺激半导体大批量制造，IoT 在消费端的发展带动了传感器、控制器和通信成本降低。然而，传统设备和标准的客户群巨大，这也限制了工业标准设备升级。随着具备 IP 通信功能和嵌入式控制功能的工业标准“智能”传感器成本的降低，这些解决方案不仅会在制造设备中全面普及，而且还会用于一些尚无大量自动化投资的新领域，例如辅助配套设备4 (BoP) 和供应链物流领域。通过从这些传感器收集数据，并将数据传递给工厂一线工人、工厂管理人员、软件系统和供应链中的诸多环节，制造公司将能从 IoT 中受益。
IoT 对制造业的价值何在？
德国消费品和工业产品制造商 Bosch 将支持 IoT 的系统即将带给制造业的一波潮流称为第四次工业革命 (Industry 4.0)。5 Bosch Software Innovations IoT 业务开发主管 Stefan Ferber 说：“第一次工业革命是发明机械代替人手；第二次工业革命是亨利·福特开创的大规模生产模式；第三次工业革命是电子设备和控制系统渗透到生产环节；第四次工业革命就是产品、系统和机器之间的端到端通信。”6
上述第四次工业革命基本概念正是 IoT 和智能制造业的精髓所在。机器实现互联后，制造商就能沿整条价值链建设智能网络，这些网络能彼此通信和自主控制，从而极大减少操作人员干预。在 Bosch、GE 和 Johnson Controls 描绘的 IoT 愿景中，机器能预测故障并自主触发维护流程，不用再依赖维修人员不可靠的监控。再举个例子，IoT 能针对生产中的意外变化（例如材料短缺或瓶颈）实现物流自主管理。通过运用技术，制造商能够打造动态、高效、自动的制造流程。IoT 能够实现人、流程和数据的互联，创造新价值：
? 人。互联传感器能够提供对工厂运营和供应链流程前所未有的可视性。制造业当前采用的流程只是价值特别高，其作用范围远不上互联传感器。在制造业中，IoT 能够通过需求点和跨公司边界（包括供应商、维护合作伙伴和分销链中）的适当设备，将人与适当信息“联”起来。现在，支持移动技术的新软件让工厂管理人员能随时随地获取设备效率、生产线效率、数据虚拟化工具和警报等诸多数据，而且成本远低于过去的定制系统。
? 流程。通过 IoT 第一阶段部署，制造商将能了解到可视性和供应方面存在的具体问题。制造商一开始可能会通过第三方托管的解决方案部署这些系统。随着 IoT 普及程度的提高，设备将与运营和业务软件流程“联”起来，帮助制造商加快信息流通、更迅速制定决策以及增强市场响应能力。机器到机器 (M2M) 通信会将自动化水平提高到新层次。例如，通用汽车公司利用传感器数据判断汽车喷漆环境湿度。如果系统认为环境不合适，就会将汽车送到制造流程中的其他区域，从而减少重新喷漆工作，最大程度提高工厂正常运行时间。单单这一项革新就为通用汽车公司节省了数百万美元。
? 数据。移动性和 IoT 将改变接入公司系统的设备的类型，这些新连接的设备又将产生新类型的数据。IoT 能够将现实世界中的物品（例如传感器、致动器、视频摄像头和 RFID 识读器）彼此之间或与互联网“联”起来。大数据处理和分析操作（无论是在内部还是在云中完成）都要收集和分析来自支持 IoT 的设备的数据。这些解决方案能够将数据转化为情报，帮助人和机器做出相关程度更高、更有价值的决策。
IoT 对您的企业意味着什么？IoT 制造业使用案例
IoT 对各行各业都有影响，其中对工业企业（例如制造业、公用事业和航空业）的影响是颠覆性的。能够传输数据的机器和设备（无论传输的数据量是大是小）的数量将呈指数级增长。智能制造公司将通过数据分析来制定更明智的决策和提高运营效率。IoT、大数据分析和IP 网络将帮助制造商延长资产寿命，同时优化效率并最大程度降低能耗。智能制造系统能够将生产领域和业务领域（如物料需求规划 [MRP]、制造资源规划 [MRPII] 和制造执行系统[MES]）“联”起来。在制造业中，IoT 在业务方面还有很多可能的用武之地。以下是 IoT 可以推动流程改进的几个例子：
? 工厂可视性。通过 IoT 数据和 IP 网络，工厂一线发生的情况能与企业系统和决策者“联”起来。IoT 将向决策者提供生产线信息，从而提高工厂效率。例如，工厂管理人员在车间中巡视的同时，也可以使用 IoT 和可视性工具了解每台机器的效率、可以随时随地查看生产情况，从而缩短做决策的时间，更快速地采取措施 GE 支持移动功能的 SCADA 应用就可以在平板电脑上显示性能数据和状态更新，而在过去，这些只能通过 PC 查看。
摆脱了控制室束缚之后，设施管理人员和生产人员不仅可以轻松获取实时信息而且还能高效协作。GE 智能平台自动化软件总经理 Mark Bernardo 说：“通过为工作人员提供移动技术支持，从出现问题到采取措施之间的间隔能极大缩短。生产线出现质量控制问题后，工作人员能迅速关闭生产线，避免制造更多废品。”7
不仅仅是制造企业，广泛的供应商和第三方服务、耗材及生产资料提供商都能从可视性中受益。基于可视性和远程监控能力的提高，IoT 能够帮助第三方供应商开创新服务和供应业务模式，推动他们广泛参与制造工厂直接运营和维护。如果能充分监控设备产出和维护状态，生产资料设备供应商现在就能参考基于生产的收入而非资本设备的销售量来确定业务模式。维护、维修和运营 (MRO) 业零件、服务和耗材提供商将使用 IoT 监控资源分布情况、处理液储罐液位、零件磨损情况和生产率。这样，制造商和供应商之间将建立起极其紧密的全新业务联系。
? 自动化。一直以来，工厂网络与本地和远程网络，以及工厂网络彼此之间都处于隔离状态。现在，我们可以通过 IoT 和 IP 网络将工厂里的一切“联”起来，实现跨多个位置、跨业务网络的连通性和信息共享。工厂里的机器和系统“联”起来之后，制造商就可以使用这些信息实现生产系统维护和优化流程的自动化，省去人工干预。举个例子来看，哈雷摩托车公司在宾夕法尼亚州约克县的摩托车工厂里采用了 IoT。这家公司安装了一种用于记录设备性能（例如喷漆室中风扇的转速）的软件。检测到有测量指标超出可接受范围时，这个软件就会自动对机器进行调整（例如调整风扇转速、温度或湿度）8。
? 能源管理。在很多行业中，能源成本往往是占比重第二大的运营成本。不过，许多公司缺乏具成本效益的计量系统、建模工具和/或性能优化及管理工具，无法在每次生产运营流程中优化能源使用，更不用说跨运营流程、跨设施或在整个供应链中实时优化能源使用了。借助 IoT 和环境自动控制功能（例如 HVAC 和电力控制），制造商可以从很多方面节省成本。互联能源解决方案能规避高峰用电费，推动节约型运营模式。有些支持 IoT 的 HVAC 系统还提供集成气象数据和预测分析，帮助制造商进行支出分析和制定能耗规划。GE 公司表示，一所 15MW 小型工业发电厂的能效只需提升 5%，每年就能节省超过 200,000 美元。
? 前瞻性维护。预防和视情监控理念已经得到了制造商的广泛认可，但很多制造商仍然还处于努力实施这些计划的阶段。随着传感器、无线连接和大数据处理工具成本的降低，收集设备实际性能数据和监控设备运行状况变得越来越便宜、越来越轻松。如果制造商要求设备在一定温度范围内工作，他们可以通过传感器主动监控温度是否超出范围，防止设备故障。另外，制造商也可以通过测量振动数据，检测不合规范的操作。设备故障会给企业（尤其是工业企业）造成经济损失。利用新类型传感器信息，IoT 可以最大程度降低设备故障率，帮助制造商提升设备综合效率 (OEE)、节省成本和有针对性地制定维护计划。
? 互联供应链。“准时化制造”已经不是新概念了，不过 IoT、分析和 IP 网络仍可以帮助制造商加深对可实时提供的供应链信息的理解。
将生产线和辅助配套设备与供应商“联”起来以后，各方就能洞察相互之间的依赖关系、物料流动和制造周期。支持 IoT 的系统可被配置用于位置跟踪、远程监控资产运行状况、报告流经供应链的零件和产品的情况等诸多功能。IoT 系统也可以从 ERP 系统收集资源交付信息和向ERP 系统反馈信息；向会计部门提供最新信息，便于他们结算。实时获取信息让制造商能够在问题爆发之前及早发现问题、降低库存成本，而且还有降低资本需求的潜在作用。
从何处着手：为在制造业采用 IoT 奠定基础
智能制造业至少有（但不限于）四大技术因素基础，它们是：
? 网络。思科研究指出，生产车间里真正连入网络的设备只有 4%。许多制造商过去一直使用的是专有网络。智能制造环境需要以 IP 为中心的标准化网络，让工厂内的所有设备都能与运营和企业业务系统通信。有了标准 IP 网络，与供应商和客户连通和协作将变得更加轻松，这也将进一步推动供应链可视性。制造商需要稳健的网络来应付工厂中的 RF 挑战和恶劣环境条件，并保证可靠传输警报和实时处理数据流。例如，通用汽车公司实施了工厂车间控制网络(PFCN)，这是一种基于标准的网络架构，除了能让所有工厂网络设计实现标准化，还促成了一
支负责监控全球网络运营和故障排除任务的工程团队的诞生。在 PFCN 的帮助下，通用汽车公司的停机时间降低了约 70%9。
? 安全。IT 安全问题是建设智能工厂过程中最常被提到的障碍。运营经理必须确保解决方案中融合了安全保障措施，包括硬件加密、实体建筑物安全、数据传输网络安全等安全程序。此网络还必须能够实现远程安全访问系统。设计安全解决方案和网络解决方案时，还必须考虑要能适应普通网络中一般不会出现的恶劣环境条件（例如恶劣温度和湿度条件）。身份验证结构也要相应地更新，为“事物”和人提供支持。
? 软件系统。当今的 IoT 数据与我们在操作系统时看到的数据不同。IoT 要从各种各样的传感器收集大量数据。软件系统和模型必须要能将从现实世界中收集的信息转换成人和机器切实可用的情报。举个例子来说，Toyota 使用了 Rockwell 公司提供的软件在工厂中实现了实时纠错。故障排除和纠错能力提高以后，阿拉巴马州 Toyota 工厂的返工率和废品率都降到了最低，这每年帮他们节省的成本高达 550,000 美元。10
? 大数据和分析。虽然制造商生成大数据的历史已有多年，但公司存储、分析和有效运用这些数据的能力却极其有限。新型大数据处理工具具备数据流实时分析功能，这不仅能极大地推动实时解决问题的能力，而且还能显著节省成本。大数据和分析将成为预测、前瞻性维护和自动化等领域的基础。Conagra Mills 为客户提供 800种不同的面粉产品。它使用预测工具和服务来预测价格、产能要求和客户需求。此举让这家公司做出的决策更能保证利润、产能利用率提高了 5%，从而实现了收入最大化。11
总结
我们的前路在何方？IoT 将颠覆产品发明、制造、运输和销售的方式。领先的制造商正在想办法让产品和服务能够不断完善、生命力永存。这不仅需要在设计产品时使用全新的方法，而且也需要有新型工厂和系统为制造流程提供支持。利用 IoT、IP 网络和分析，制造商能够提高效率、保护工人安全和筑造新业务模式。IoT 将帮助制造商提高资源利用效率、安全性和资产回报率。掌握这一新发展动力后，制造商也就掌握了创收和节省成本的无限新机遇。
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关于 Lopez Research
Lopez Research 成立于 2008 年，是专门研究企业移动性、物联网和情景感知服务的市场调研和战略咨询公司。此公司调研工作的主题是“适时体验”，也就是能随时按需提供恰当信息的应用设计、服务和体验。此公司的使命是理解这些技术的发展趋势、提供高瞻远瞩的思维领导力，协助企业和技术供应商客户构建市场致胜战略。Lopez Research 结合使用调研和预测分析这两种方法，深入剖析未来发展趋势。对于如何通过采用技术赢取业务领导地位，这家公司为客户和读者给出了答案。https://www.doczj.com/doc/176474146.html,
尾注
1 https://www.doczj.com/doc/176474146.html,/docs/WEF_MOB_FutureManufacturing_Report_2012.pdf
2 https://www.doczj.com/doc/176474146.html,/node/21553017
3 https://www.doczj.com/doc/176474146.html,/releases/2013/12/prweb11430148.htm
4 系统中的“辅助配套设备”是指除主系统自身之外的其他组件，包括
鼓风机、压缩机、泵及其他必要（但非主要）组件。
5 https://www.doczj.com/doc/176474146.html,/solutions/manufacturing/industry-4-0/industry-4-0.html
6“The Internet of Things business index: A quiet revolution gathers pace”（《物联网商业指数：一场正在加速的宁静变革》）
7 https://www.doczj.com/doc/176474146.html,/article/2013/12/united-airlines-and-ge-make-room-mobility
8 https://www.doczj.com/doc/176474146.html,/news/articles/SB10001424127887324059704578472671425572966
9 https://www.doczj.com/doc/176474146.html,/web/strategy/docs/manufacturing/Cisco-AutoCaseStudy-GM.pdf
10 https://www.doczj.com/doc/176474146.html,/blog/how-will-internet-things-help-manufacturing
11 https://www.doczj.com/doc/176474146.html,/smarterplanet/us/en/leadership/conagra/