“智能工厂”是描述工业 4.0项目的另一专业术语。这些项目看起来是已经替代了CIM和CAM，但CIM和CAM却并没有因此而被弃用。尽管这些主题受到了媒体的广泛关注，但却没有什么新内容。我们从上世纪70年代中期就开启了向自动化制造发展的征程。真正获得发展的是速度越来越快、价格越来越便宜的计算机，以及越来越复杂、集成程度越来越高的网络连接。同时，无线通讯的成本也在大幅降低，但劳动力和材料成本却不断增加。这些因素都促使自动化风潮再次席卷而来，并且有可能实现无人看管、对环境不会产生不良影响的工厂，从而真正实现“精益环保”。
战略与规划
多年来，一直未改变的是实现智能工厂的战略性规划。虽然在自动化方面的投资是很简单，但在集成这些自动化“孤岛”方面的投资却并不简单。对这种集成的战略性规划是智能工厂要面临的主要问题。其间，网络连接取得了巨大的进步，已经成为了新型智能工厂中最关键的要素。在I-Connect007发布的免费电子书《印制电路制造中的自动化与高阶制程》中详细介绍了这些要素。
图1所示为规划智能工厂的6个阶段。大多数要素是目前的设备及新的自动化“孤岛”。这些箭头有着重要意义，表示信息流动的方向，这些信息是智能工厂中新的重要组成部分。
图1：首要任务就是针对智能工厂的整体状况和运营方式制定策略
表1列出了制定智能工厂战略时的更多详情。所需时间是大约值，具体取决于给这项工作所分配的资源。
智能工厂的计算机架构是人们熟悉的4级架构（图2）。特殊的架构是1995年界定的欧洲ISA-95标准架构。与早期架构的唯一区别在于第4层可能是云。
智能工厂另一个必要特征就是以互动的方式来采用众多传感器和物联网设备所产生的数据。管理环境和技术环境的数据所有权和数据结构由多个要素组成（图2）。这些活动都很简单直观，但可交付结果对于项目取得成功是不可或缺的。
图2：ISA-95架构仍然是实施工业 4.0自动化首选层级结构
实施工业 4.0的过程中，数字孪生模型的使用变得越来越普遍。这些产品、制程或服务的虚拟预测模型构成了工程、制造、交付和可持续性的预测模型。
虚拟世界和现实世界的结合使人们能够通过分析数据和监控系统来阻止问题的发生。因此可以预防停机故障，同时还可以提供新机遇，具备使用仿真方式来规划未来的能力。由物联网和系统网络（IoS）提供模型和仿真，物联网和系统网络遵循已规划好的未来联网系统所定义的数据结构和数据所有权。
在这一部分，我会介绍北美和欧洲地区近期在智能工厂的一些实施中使用的协议。
PLC，如西门子和Allen Bradley公司生产的这类产品，有广泛的联网能力。PLC至少可使用6个到8个开放但专有的消息传输协议，其中Modbus TCP最受欢迎且安装基数最大。他们可用于自动化协议中（见图3）。
另一家设备制造商——德国的 Atotech GmbH公司——在计算机中使用类似于PLC的软件作为他们的控制网络[1]。这些系统使用PROFIBUS在以太网上通信，并计划添加EtherCAT。它们的协议包括使用SECS/GEM或OPC/OPC-UA的智能工厂网络。
Atotech公司利用智能工厂环境来提升效率和良率，与此同时还能够在不降低质量的前提下最大程度地减少拥有总成本，使用的方法包括：
1. 通过改善后的工艺控制和对生产数据的智能使用，对自动化技术进行扩展，其中包括自动清洗周期和加料系统等。
2. 对改善后的性能、减少化学品用量、提高良率、电镀使用的铜/铁镀液控制器和化学镀铜镀液控制器进行工艺化学分析。
3. 提供行业通信接口（PROFINET、OPC、SECS/GEM），将金属化加工生产线、去污生产线和电镀制程连接到客户的MES系统上，从而实现智能制造系统。
4. 可通过收集制程和生产数据来最大程度地减少停机时间实现未来的解决方案，且可以通过创建和分析预测模型来预防未来及意料之外的机器故障。
将已有设备和自动化孤岛连接起来的第3种方法就是用Seica公司生产的ShoeBox，这是一种安装在盒子里的小Raspberry Pi计算机及可以连接至任何可用数据源（包括端口、传感器和开关等）的数字I/O接口。盒子内安装了软件，可作为CFX客户端，因此，任何设备都可以成为连接到其他PLC的CFX网络或ModBus TCP的一部分。ShoeBox监控器能和两个无线通道及一个电力线信道进行通信（见图4）。Raspberry Pi 4有着独特的技术规范要求：计算机和信用卡一般大且价格低于40美元。
图4：Seica公司生产的ShoeBox网络连接器基于广受欢迎的Raspberry-Pi计算机（A）Raspberry-Pi计算机包含有40引脚的GPIO，（B）可使其连接至（C）最旧的非工业 4.0设备[3]。（来源：Seico）
具有ShoeBox工业监控功能的监控器可连接设备、传感器、电力线和其他控制信号，并可以和主机通过无线电、电力线和以太网进行双向信息传输通信。表2列出了其特性。
Mentor, a Siemens Business公司，研发出了一种机器对机器（M2M）的特有以太网控制器，可将旧的设备及其他表面贴装设备与智能制造连接在一起（图5）。
PLC使用的协议和消息（使用七级ISO通信标准）就像我们现代交通使用的州际高速公路系统一样。上面行驶着很多辆不同种类的汽车，比如小轿车、大客车等，但自行车、行人和拖拉机禁止出现在这种公路上。只要采用这个网络，就必须遵循一套标准规则才能完成传输。就像这种运输网络一样，不同的协议有提前定义的不同消息，但不一定使用了你能够读懂的语言。M2M之间传输的消息需要用每台设备都能读懂的同一种标准语言来编写，即使这些设备是来自不同的供应商。
图5：西门子可为电子组装设备提供PLC和特有以太网M2M的连通性（来源：西门子）
关于如何缩短智能工厂自动化协议的开发时长，其中一种方式就是利用现有的协议。电子产品制造业已经建立了的3种协议：
1. IPC-2591互联工厂数字交换（CFX）标准和IPC-9852 HERMES标准
2. Mentor/ Siemens开放式制造语言（OML）
3. SEMI的SECS/GEM-SEMI设备通信标准/通用设备模型
复制现有的单个或多个标准的PCB制造智能工厂协议，可以缩短开发时间。
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