科學瞎想系列之一〇三 工業4.0背景下的工業產品發展趨勢

• 2019 年 12 月 17 日
• 筆記

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所謂工業4.0（Industry4.0）最早是由德國提出的一個概念，2013年德國漢諾威工業博覽會上德國正式推出工業4.0規劃，其主要目的是為了提高德國工業的競爭力，在新一輪工業革命中佔領先機。其核心是旨在提升製造業的智慧化水平，利用資訊化技術促進產業變革。這個概念提出後，各國紛紛效仿，提出了各自的工業提升規劃，中國叫「中國製造2025」，美國叫「工業互聯網」。。。雖然名稱不同，但核心內容大同小異，都是利用資訊技術提升各自國家工業製造的智慧化水平，實現工業進程的再一次大變革。從目前國際上對這次工業革命的理解和具體內容看，「工業4.0」這個提法獲得了國際上更廣泛的認同，在涉及這次工業革命相關內容時，更願意使用「工業4.0」這個概念，因為它的含義更加豐富和貼切。

之所以叫工業4.0，是延續前三次工業革命排序而來的，與前三次工業革命一樣，每次工業革命都有其標誌性的成果和時代象徵，第一次工業革命帶來了「蒸汽機時代」；第二次工業革命帶來了「電氣化時代」；第三次工業革命帶來了「電腦和資訊化時代」，那麼這工業4.0又將會給人類帶來哪些革命性成果呢？對此人們充分發揮想像，給出了各種解讀。近年來，大數據、雲計算、5G、物聯網、人工智慧、互聯網+、區塊鏈。。。各種新鮮辭彙、新概念層出不窮，這些新的設想都賦予了工業4.0的內含，其核心就是運用上述資訊新技術實現萬物互聯，使原為呆板被動的萬物智慧起來，因此，可以稱未來工業4.0的時代為「萬物互聯的智慧時代」。

我們目前所處的時代，已經實現了人際互聯，通過人手一部手機或電腦終端作為人際間的智慧介面將人與人互聯起來，人們可以通過一部手機實現一鍵下單，隨手網購不必到實體店；隨手點外賣不必親自下館子。我們可以稱之為「消費品物聯網」。工業4.0時代，要打造的是「工業物聯網」，使整個世界智慧起來，要實現這些除了需要一些新興的高科技產業創新、研發，搭建起智慧的工業物聯網路平台之外，傳統產業及其產品也必須進行相應的技術研發升級，和人手一部手機一樣給傳統的工業產品裝上智慧的介面，使之能夠與智慧的網路平台聯接起來，這樣才能使萬物長出智慧的翅膀，整個世界才能智慧起來。

傳統的工業產品，大多是只需給它輸入能量，它就能按照預先設計的功能為我們作功，而它的工作流程、運行方式、運行狀態以及其健康狀況等方面，都需要人為參與。一旦其健康狀況出現問題，無法預判，直至發生故障停機，再由人到現場進行維修處理。也就是說，傳統的工業產品通常只有能量介面，並無智慧介面，所有的運行、控制、狀態監測、評估、維護等方面均需人為參與。工業物聯網就是將這些工業品通過各自的智慧介面聯接起來，實現運行、監測、控制、維護的無人化和智慧化。

所謂「智慧化」主要體現在三個方面：一是智慧感知；二是智慧決策；三是智慧執行。以我們從事的電機產品為例，電機是有著一百多年歷史的傳統工業產品，一百多年的設計、生產和應用實踐，其理論和技術已非常成熟。對於這樣一種典型的傳統工業產品，在工業4.0背景下，如何實現對電機的智慧感知、智慧決策和智慧執行是擺在電機從業者面前的一個新課題。

首先，智慧感知就是為電機裝上各種高精度的智慧感測器，以實時獲取電機運行過程中的各種狀態資訊，並將這些狀態資訊通過無線或有線網路實時傳送給上一級的智慧決策裝置。這裡存在兩個方面的技術問題需要解決，一是智慧感測裝置的深入理論研究和產品研發；二是通訊技術的研究和研發。在感測方面，我們通常是用電壓、電流、溫度、流量、流速、振動、扭矩、轉速、位置等各種感測器來實現對電機運行過程中的電量和非電量參數的檢測感知，這類感測器都已有成熟的技術和產品，似乎沒有更多需要研究和開發的內容，其實不然，這些常規的感測器只能用來檢測電機的運行狀態資訊，而不能提供或不能準確全面提供電機的健康狀況、預期壽命等方面的資訊，更難以實現對絕緣健康狀況進行在線檢測。對一個龐大複雜的工業傳動系統，除了應實時了解系統的運行狀態，及時了解掌握系統各設備的健康狀況，故障隱患的預判顯得更加重要，這就要求我們深入研究設備的故障機理、故障隱患的顯著特徵提取，開發出對故障隱患更加敏感的專門感測裝置。以電機為例，電機的絕緣故障是常見故障，也是最致命的故障。反映電機的絕緣故障隱患最顯著的特徵往往是絕緣漏電流的大小、波形、相位等資訊。傳統的電流感測裝置通常是檢測電機的主迴路電流，這個電流值往往很大，從數安培到數千安培，而漏電流的量級往往是毫安甚至是微安級的，要想從如此大量級主電流中識別出毫安、微安級的漏電流資訊顯然是不現實的，因此就需要研發一種對極小漏電流敏感而對大量級的主電流不敏感的專門感測裝置。下圖即為該感測裝置的實例。

將電機每相繞組的首末端同時引出，並穿入同一個電流互感器，這樣檢測到的電流就僅為該相繞組的漏電流，而屏蔽掉了大量級的主電流。電機的每相繞組與機殼之間都可看作是一個電容，該電容兩極板之間即為繞組的絕緣結構。通過該絕緣結構的漏電流可分為電容電流和絕緣電阻漏電流兩部分，因此漏電流的波形和相位等資訊就反映了絕緣結構內部的局部放電、絕緣電阻等健康狀況。運用這些漏電流的資訊，通過大數據、專家系統等分析手段即可實現對電機絕緣健康狀況進行分析和評估、預判，給出故障隱患的預警訊號。

再舉一例，電機繞組的直流電阻往往能夠反映電機的匝間故障和繞組實時溫度等資訊，而繞組的直流電阻通常是不能在線實時監測到的，通過下圖所示的在線檢測裝置即可實現對繞組直流電阻的在線實時檢測。

在繞組主迴路中串聯一個雙嚮導通的可控電力電子器件，通過控制該器件的通斷在電機正常運行時定時注入一個微小的直流電流訊號，同時檢測繞組電壓的直流響應訊號，就可在線得到繞組直流電阻的實時資訊，通過上層分析軟體分析這些訊號即可得到繞組的匝間故障和繞組溫度。用這種方法檢測繞組溫度進行溫度保護要比用溫度感測器檢測要準確及時得多。

以上實例主要是想說明，作為電機這樣一種典型的傳統工業產品，要想適應工業4.0的大背景，需要與時俱進，積極擁抱工業4.0時代，進一步研發出智慧的感測裝置。除了智慧感知，還要將感知到的資訊傳送出去，因此還需要在通訊技術方面進行深入的研究和開發。關於通訊這裡不再贅述。由此可見在工業4.0的大背景下，傳統的電機行業從業者，特別是技術人員肩上的擔子很重，需要不斷更新知識充實自己，才能不被時代淘汰。

說完智慧感知再說說智慧決策。智慧決策就是將智慧感知所獲得的各種資訊，通過海量的大數據、雲計算、專家系統等進行分析、處理、判斷、評估，形成各種操作指令和故障預警。這需要深入研究各種基礎理論，搭建各種數學模型、研究各種演算法並形成軟體，關於智慧決策包括兩個層面的內容。一是系統級的智慧決策平台，這是新興高科技公司及科研單位的事情，不多贅述；二是設備級的智慧決策系統，需將設備感知到的資訊運用專業知識和專家系統、經驗數據進行分析處理，形成設備級的操作指令和上傳報告。這些同樣需要傳統行業進行創新和研發。

最後再說智慧執行，電機就是工業系統中最常見的執行裝置，智慧執行同樣包括兩個層次，一是上層系統，通過系統智慧決策，對下層的執行機構發出的各種科學的執行指令組合；二是各執行機構和設備接到執行指令後如何科學合理地用最佳的控制策略和控制演算法，以最經濟的資源配置，最小的代價完成上層下達的執行指令。這就涉及到電機的各種控制策略控制演算法的研究及控制裝置的產品研發。

從歷次製程革命的歷史看，每次工業革命都會催生一些新興產業的崛起，同樣也會淘汰掉大批不適應新的工業體系的傳統產業，只有傳統產業及其產品的與時俱進，技術不斷的創新轉型升級，才能確保不被淘汰，即將到來的工業4.0時代，智慧感知、智慧決策、智慧執行就是傳統工業產品的未來發展方向，只有牢牢把握這個方向，不斷創新升級自己的產品才能跟上時代的發展步伐。面對撲面而來的工業4.0匆匆的腳步，傳統製造業您準備好了嗎？