談印制電路工廠的智能制造(一)
——基本概念和需求

龔永林

本刊主編

1 對工業4.0和智能制造的認識

1.1 工業4.0概念

1.1.1 工業革命四個階段

“工業4.0”是基于工業發展的不同階段作出的劃分，其含義也是人類歷史上的第四次工業革命。按照目前的共識，工業1.0是蒸汽機時代， 工業2.0是電氣化時代，工業3.0是自動化時代，工業4.0則是智能化時代（如圖1）。

具體說明如下。

工業1.0——機械化，以蒸汽機為標志，用蒸汽動力驅動機器取代人力，從此手工業從農業分離出來，正式進化為工業。其為18世紀60年代至19世紀中期的第一次工業革命。

圖1 工業革命階段的劃分

工業2.0——電氣化，以電力的廣泛應用為標志，用電力驅動機器取代蒸汽動力，從此零部件生產與產品裝配實現分工，工業進入大規模生產時代。其為19世紀后半期至20世紀初的第二次工業革命。

工業3.0——自動化，也有稱為信息化，以可編程邏輯控制器（PLC）和計算機（PC）的應用為標志，從此機器不但接管了人的大部分體力勞動，同時也接管了一部分腦力勞動。其為20世紀后半期出現的第三次工業革命。

工業4.0——智能化，是在自動化的基礎上加上信息化，以數據流動帶自動化技術，將工廠進行軟硬件系統整合來達到智能制造。這將是以智能制造為主導的第四次工業革命。

工業革命的不同階段體現了工業化的演進變化，體現了勞動生產力的不斷提高，使得人類的現代化能夠飛快的進步。

1.1.2 工業4.0的提出

工業4.0這個概念最早出現在德國，“工業4.0”2011年在漢德威工業博覽會上德國首次宣布工業4.0的概念，并由德國政府納入《高技術戰略2020》，2013年4月德國政府正式推出“工業4.0”戰略。其核心目的是為了提高德國工業的競爭力，提升制造業的智能化水平，在新一輪工業革命中占領先機。 德國的工業4.0技術基礎是網絡實體系統及物聯網，指利用物聯信息系統將生產中的供應、制造、銷售信息數據化、智慧化，最后達到快速，有效，個性化的產品供應。 德國學術界和產業界認為，“工業4.0”概念即是以智能制造為主導的第四次工業革命，該戰略旨在通過充分利用信息通訊技術和網絡空間虛擬系統—信息物理系統（Cyber-Physical System）相結合的手段，將制造業向智能化轉型。

“工業4.0”項目主要分為四大主題：智能工廠、智能生產、智能物流、智能服務：

一是智能工廠：重點研究智能化生產系統及過程，以及網絡化分布式生產設施；實現物聯網和數字監控的信息技術和服務，清晰掌握生產流程，提高生產的可控制性，確立高效率的生產計劃和生產進度，以此構建一個綠色環保、高效節能、環境舒適的智能化工廠。智能工廠是軟件操控加上智能設備來保證生產的高效率進行。

二是智能生產：主要涉及整個企業的生產物流管理、人機互動以及3D技術在工業生產過程中的應用；生產過程廣泛使用人工智能技術，采用一體化的智能系統，管理人員可以用網絡系統來實現對生產的實時監控，實現工廠智能化的管理。

三是智能物流：主要通過互聯網、物聯網、物流網，整合物流資源，提高資源的優化配置；根據客戶的實際需求來靈活改變運輸方式，應用條碼、RFID（射頻識別）、傳感器、全球定位系統等先進的物聯網技術，通過信息處理平臺，實現貨物運輸過程的自動化運作和高效率優化管理。

四是智能服務：是以客戶為中心，促進企業向服務型制造業轉型；智能產品加上狀態感知數據與大數據處理，將會改變企業現有的銷售模式，采取在線智能服務新模式，實現人員、產品、裝備、系統的時時聯通，達到有效及時的服務。

在工業2.0（電氣化）、3.0（自動化）時代，最大特點就是大規模生產、標準化生產，而在管理學上，基于勞動者的分工，以及職責、權力劃分衍生出了典型的科層管理，在今天的企業里科層管理是一種最為普遍的組織形式。工業4.0時代，“規模、標準化和權力”將不再重要，甚至會被極大地改變，科層管理也將改變。

使工廠變得智能只是實施自動化是不夠的，智能工廠需要智能的自動化。智能制造包含機臺、物料運送、機器人等硬件的自動化及信息流軟件層面的整合，數據如何從制造現場到各系統間的信息交匯，機器由數據來支撐，如何透過數據驅動制造升級、達到營運最適化的目標，這才是第四工業革命—智能化。

1.2 工業4.0與中國制造2025、美國工業互聯網的異同

在德國推出“工業4.0”后，世界上其他國家是不甘落后的，一些大國也提出了工業發展戰略方針。

1.2.1 中國制造2025

“中國制造2025”是在新的國際國內環境下，中國政府立足于國際產業變革大勢，作出的全面提升中國制造業發展質量和水平的重大戰略部署。 2015年5月，我國國務院正式印發《中國制造2025》，部署全面推進實施制造強國戰略。其根本目標在于改變中國制造業“大而不強”的局面，將信息技術與制造技術深度融合的數字化、智能化制造作為今后發展主線，以未來十年為發展周期，推動中國由制造業大國向制造業強國轉型，使中國邁入制造強國行列?！吨袊圃?025》的基本方針：創新驅動、質量為先、綠色發展、結構優化、人才為本”；實行五大工程：制造業創新中心建設工程、強化基礎工程、智能制造工程、綠色制造工程和高端裝備創新工程；重點十大領域：新一代信息技術產業、高檔數控機床和機器人、航空航天裝備、海洋工程裝備及高技術船舶、先進軌道交通裝備、節能與新能源汽車、電力裝備、農機裝備、新材料、生物醫藥及高性能醫療器械。

《中國制造2025》指明了我國工業發展的重點領域和重大工程，其中新一代信息技術產業就包含了互聯網和大數據，智能制造工程就是緊密圍繞重點制造領域關鍵環節，開展新一代信息技術與制造裝備融合的集成創新和工程應用，這些都與德國工業4.0相同的。

中國制造2025和德國工業4.0差別，首先在于兩地經濟發展情況不同，基礎也不一樣，在制造業方面處于不同的階段，德國“工業4.0”是在“工業3.0”的基礎上進行的，而中國還處于“工業2.0”的后期階段。因此兩國在戰略定位上是不一樣的，德國的“工業4.0”提出實現智能化工廠和智能制造，由數字化向智能化邁進，德國要由制造強國向超級強國轉變；“中國制造2025”提出創新驅動、綠色發展、結構優化、人才為本的發展戰略，中國則要由制造大國向制造強國轉變。

1.2.2 美國的工業互聯網

美國的“工業互聯網”概念最早由通用電氣公司（GE）在2013年6月提出的。工業互聯網是互聯網和新一代信息技術在工業全領域、全產業鏈、全價值鏈中的融合集成應用，是實現工業智能化的綜合信息基礎設施。其本質是以機器、零部件、控制系統、信息系統、產品以及人之間的網絡互聯為基礎，通過對工業數據的深度感知、傳輸交換、計算處理和高級分析，實現從單個機器到生產線、車間乃至整個工廠的智能決策和動態優化。

簡單來說，工業互聯網就是互聯網在機器設備上的延伸，可以實時獲取機器設備上所產生的數據，并提供分析和決策平臺，實現工業生產的智能化。因此，“工業互聯網”與“工業4.0”應該是一致的，美國與德國都是制造業強國，已有工業3.0的基礎而邁向工業4.0。

1.2.3 萬物互聯

無論是“美國工業互聯網”、“德國工業4.0”還是“中國制造2025”，都預示著信息技術與傳統產業的跨界融合成為必然趨勢，一個制造業向定制化、個性化、服務化方向轉型的時代已經來臨。在中國還有稱之為兩化融合，即信息化和工業化的結合，以信息化帶動工業化、以工業化促進信息化，走新型工業化道路?？傊?，所要實現的是“萬物互聯”，即萬物+互連網（現稱互連網+ ）。

萬物互聯，必須需要一個專門的通訊協議。這也是德國的工業4.0，美國的工業互聯網，以及中國的兩化融合、中國制造2025，這些名詞背后的核心問題，大家在爭這個通訊標準。美國的互聯網世界第一，美國人希望從信息化層連接到自動化層；而德國的機械制造業最強，他更希望從自動化層升格到信息化層；中國制造業第一大國，互聯網第二強國，所以兩邊都不跟，自己搞個互聯網+，及中國制造2025。

為了應對將物聯網和智能服務引入制造業的還有日本的“科技工業聯盟”、英國的“工業2050戰略”等，都是類似的智能化制造戰略。

1.3 面臨的挑戰

1.3.1 薄弱的基礎難以一步跨入工業4.0

工業革命是有階段性的，工業4.0是在工業3.0的基礎上發展的，不同地區、不同行業的現有工業水平參差不同，因此走向工業4.0的步驟有很大不同。我國的工業現代化程度低，大多數產業是處于工業2.0至工業3.0之間，與完全的自動化和部分的信息化的工業3.0階段尚有不少距離，因此進入工業4.0的智能制造不是一朝一夕就能達到的。目前，我們還缺乏足夠的技能來加快第四次工業革命的進程。工業4.0的涉及面不僅是制造手段、制造場所，而是工業制造產業的全過程，從產品設計、原材料采購、加工制造到銷售服務都智能化處理。工業4.0的本質，就是通過數據流駕馭自動化技術，以大數據、云計算為基礎，無論大企業或中小企業要從同質化規?；慕洕D向異質化定制化的產業。對于產業結構改革，這是至關重要的作用。

五要著力搞好協調配合。水利財務工作涉及水利各個領域，貫穿各個環節，必須加強協調，形成合力。要建立與各有關部門的溝通協調機制，形成相互理解、相互支持的工作氛圍，爭取更多有利于水利改革發展的政策措施。要加強內部上下級之間和部門之間的溝通配合，建立工作信息通報和反饋機制，密切配合，良性互動，切實提高工作水平。

1.3.2 社會性的系統工程

工業4.0驅動新一輪工業革命，核心特征是互聯 ，市場更透明，世界更透明 。工業4.0和智能制造不是單個企業可以獨立實現的，需要社會的信息化、互聯網支撐，至少是有完整的產業供應鏈物聯網支撐。企業需要等待時機，又要創造時機。

所謂的系統應用、智能生產工藝和工業制造，并不是簡單的一種生產過程，而是產品和機器的溝通交流，產品來告訴機器該怎么做。生產智能化在未來是可行的，將工廠、產品和智能服務通聯起來，將是全球在新的制造業時代一件非常正常的事情。工業4.0是涉及諸多不同企業、部門和領域，以不同速度發展的漸進性過程，跨行業、跨部門的協作成為必然。如智能化設備之間連通需要有標準化通信語言，必須講同一種語言，即通向數據終端的“接口”。

1.3.3 擺脫傳統的習慣

對于傳統產業已成習慣，利益相關者普遍不愿意改變。建立智能工廠，采取智能制造，股東要有巨大的新的投資，新工廠是否成功是擔有很大風險；工業4.0會應用到人工智能、機器人和自動化系統，大量地減小企業員工節省勞動力，智能制造新技術使原有人才深感技能不足，深怕淘汰，如企業的IT部門就有冗余的威脅； 采用互連網絡實現信息傳輸涉及新的“安全”問題，一方面人們所獲取的數據必須可信的，另一方面他們必須具有安全防盜功能，可以免遭外部的竊取或損害，如黑客攻擊、間諜。一個工業數據空間，有著統一的“接口”標準，并且允許幾乎所有人對其進行訪問，訪問者可以通過該空間獲取世界上所有工業的信息。誰來保證安全的數據轉換，這需要有新的標準來實際有效地執行新的解決方案。

1.3.4 智能制造技術實現有難度

智能制造技術為生產商提供了巨大的競爭優勢，但是它們不容易實現。智能制造技術必須有硬件與軟件的結合，并且貫穿供產銷全過程全系統，建設智能工廠沒有現成的模式，根據行業、規模、技術特點、產品特色、定制化對象等不同，建設一個有個性化的智能工廠，這是項偉大的創舉。投資者除了必要的資金外，公司需要一個專業的團隊去做這件事情。在尋求專業知識時，重要的是要考慮那些有豐富經驗的專家，幫助企業過渡到智能制造技術。這方面人才極其短缺，需要從實踐中培養壯大。引入智能制造解決方案，可能因為條件不成熟或方案失誤而造成損失，整體來說，必須從老板開始有決心花一段很長的時間去做好這件事情。

2 印制電路板制造業的現狀及需求

2.1 我國制造業總體水平

我國制造業現狀是普遍2.0，先進3.0，設想4.0。其對應的含義如下。

工業2.0是實現“電氣化與自動化”生產：使用繼電器、電氣自動化來控制機械制造裝備，但各生產環節和制造裝備都是“信息孤島”，生產管理系統與自動化系統信息不貫通，企業尚未使用ERP或MES系統進行生產信息化管理。我國大多數中小企業都處于此階段。

工業3.0是實現“信息化與自動化”生產：廣泛應用電子與信息技術，使得制造過程的自動化控制程度大幅度提高。使用網絡化的基于PC、PLC或單片機的生產制造裝備，制造裝備具有一定智能功能（如標識與維護、診斷與報警等），采用ERP和MES系統進行生產信息化管理，初步實現了企業內部的信息互聯系統。這類企業在國內尚屬先進的。

工業4.0是實現“智能化”生產：利用信息通信技術將工廠中的所有信息基礎設施（包括智能制造裝備、物料、半成品和成品）高度互聯互通，借助計算機軟件工具實現產品數字仿真設計及快速實體化“虛擬”實現；借助生產管理軟件實現產品全生命周期和全制造流程數字化管理，利用互聯網、云計算、大數據實現供應鏈企業協同生產、產品遠程維護智能服務等，形成高度靈活、大規模個性化的產品與服務新生產模式。這些只在個別企業的策劃、試建之中。

2.2 印制電路制造業水平

按照工業四個階段劃分，世界PCB產業總體處于2.0與3.0之間，這也是中國PCB產業所處的工業化階段。中國是世界最大PCB制造國，2018年產量已超過全球總產量的52%；全球共有PCB制造企業2000多家，在中國大陸就有約1200家，占到約60%；在世界PCB百強企業中中國大陸企業幾乎占到一半。中國PCB產業水平是有代表性的。

從大多數企業來看，經營管理方面還是人為為主，計算機與信息化為輔。如市場信息和訂單來源基本上還是依靠銷售人員的個人能力；經理們每天忙于開會商討問題與布置工作，部門之間缺乏信息交流與溝通，缺乏以客觀信息和事實數據作決策、決定。生產設備條件以單機為主、以半自動占多數；為提高自動化程度只是配置上下料機械裝置，即使自動化的生產線在整個生產過程中也是孤立的，沒有前后工序之間信息自動連接。生產過程中物流以人力為主，人力手推車占了大多數。若達到工業3.0階段，企業經營管理應該采用ERP系統。ERP（Enterprise Resource Planning）系統是企業資源計劃，包括財務管理、人力資源管理、營銷與客戶管理、物料供應管理、生產運作管理，幾乎是整個企業信息系統的整合，由計算機網絡實現數據信息收集、整合、優化和指導管理提升績效。ERP系統是在早期的MRP（物料需求計劃）及MRPII發展而來的，是計算機在企業管理應用的發展，但不少企業還是停留在計算機代替人工數據統計、制作報表階段。

若達到工業3.0階段，企業生產過程實施應該采用MES（Manufacturing Execution System）系統。MES系統是制造企業生產過程執行系統，它為操作人員/管理人員提供生產計劃的執行、跟蹤以及所有資源（5M1E：人、機、料、法、測、環）與客戶需求等的當前狀態；能通過信息傳遞對從訂單下達到產品完成的整個生產過程進行優化管理，有效地指導工廠的生產運作過程；當工廠發生實時事件時，MES能對此及時做出反應、報告，并用當前的準確數據對它們進行指導和處理。MES的實現是對生產現場的生產線PLC程控器、數據采集器、物料條形碼、各種計量及檢測儀器、機械手等設置了必要的信息接口，與企業中央控制計算機系統連接。PCB企業的設備雖在不斷更新，但以提高產能為主，許多設備沒有數字接口，都不具有聯網、自動搜集與匯整生產資料的功能，因此無法實現MES。如以國內屬于先進的勝宏科技公司（VTG）為例，VTG有4個PCB生產工廠，1號工廠建于2005年，基本上就是一個傳統的PCB工廠，員工較多，每道工藝都由操作員去手動完成，通過配置自動上下料設備進行升級，工廠內全板電鍍線和圖形電鍍線都是傳統電鍍線。2號工廠建于2007年，增加了自動化設備，減少了30%的勞動力。顯然VTG的1號、2號工廠是在工業2.0與工業3.0階段，這是我們大多數企業的現狀。

2.3 轉型升級之需求

印制電路制造業建設智能工廠、實行智能制造，這是當前經濟形勢所逼，是企業轉型升級必由之路。具體在以下幾方面驅使：

2.3.1 經濟利益

中國以改革開放吸引外國資本來中國投資建廠，其中就有許多外資與港臺資在大陸建立PCB制造企業。期間，大陸本地資本也看好PCB市場，投資建立了許多PCB工廠。因此中國大陸成了世界最大的PCB制造地。中國對外資的吸引力，其中重要一點是經濟成本較低，包括勞動力成本、原材料成本、能耗成本都較低。目前，已成全球制造業中心的中國人口紅利在消失，勞動力成本在上升，尤其是華東、華南沿海地區勞動力成本更高；與國際市場的接軌，原材料成本、能耗成本等優勢也有限。傳統制造企業的獲利能力變得越來越少，即使接到訂單也利潤微薄，那么就得思變。同時，美國和歐洲以及日本從曾經的PCB制造業霸主地位走向下坡路，全球PCB制造中心被中國以低成本取代。最近，西方國家為找回失落的制造業，就以工業4.0及智能制造為策略，奪回與中國制造業的競爭力。如為達到PCB制造低成本化，就從生產自動化、智能化著手，提高生產效率和效益。已有新建的美國PCB工廠，實現智能制造，認為其PCB成本已低于中國，可以與中國大陸企業競爭。為此，我們的PCB企業就得思變。

2.3.2 生態環境

PCB制造業原有污染物較多，在產業發展前期政府部門為招商引資放松了環境保護，是對生態環境起了負面影響?，F在生態文明建設已是重點，PCB企業大搞清潔生產而環境面貌大變。當然實行清潔生產是需付出的，為了進一步優化生態文明建設，不是靠簡單的搬遷、逃避所能解決的，采取智能制造才是有效措施。目前在華東、華南沿海地區，對PCB企業都實行用水、排廢限制，若要擴建增產不允許增加用水排水量，就唯有技術改造清潔生產達到增產不增能耗與排廢。已有邁向PCB智能制造的先行企業成為清潔生產的典型，幾乎達到零排放，這是持續發展之路。

2.3.3 人力資源

現在的制造業普通存在招工難情況，在華東、華南沿海地區尤為突出。究其原因一則是人口紅利過時了，現在勞動力的主力應該是1980年代和1990年代的人，而那個時期是中國出生人口低潮時代；再則社會環境所至，制造業的工人處于社會的最底層了，既辛苦又收入少，年輕人都不愿到工廠干。社會上有議論IT行業的“996”現象，即早9點上班，晚9點下班，每周干6天。反對方認為這是對員工剝削，違反勞動法；贊同方認為這是為事業，艱苦奮斗才會換來幸福。IT行業存在“996”，還有許多人要加入，一則薪酬高，拼命干可以多掙錢；二則坐辦公室面對電腦顯得體面，自身對電腦有興趣，“996”也就擠掉了些玩電子游戲的時間。在PCB工廠普遍存在“886”現象，即早8點上班，晚8點下班，每周干6天（甚至7天）。相比之下既工作時間長、辛苦、不感興趣，又收入不高，那么招工難是必然的！

2.3.4 市場競爭

PCB產業趨于飽和狀態，市場競爭激烈，如果工廠二、三年內不做出新的改變就會失去競爭力。競爭力體現在能否為客戶提供高技術高品質、價格合理、交貨快速、服務周到的產品（解決方案），提高競爭力的重要措施就是提高生產管理與技術手段，也就是信息化與自動化結合實現智能化生產。這是我們必須要做的，無情的市場是沒有商量的余地。