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从荒野逐鹿到智能制造

Sun, 05 Jan 2020 00:00:00 +0000

到底什么是智能制造？智能制造又是怎么一步步发展起来的？智能制造能给我们带来什么？着眼于物资和信息这两条主线，我们从茹毛饮血的原始社会，一直扯到即将到来的智能制造时代。

物资，在这里指人类制造或者使用的各种产品。信息，人与人之间、人与物之间、物与物之间传达的有意义的信号。

荒野逐鹿

在遥远的采集时代，祖先们过着四处游荡靠采集和捕猎过活的日子。这样的生活一直持续到农业时代，祖先们不得不定居下来，照料自己的农作物和家畜。采集时代的祖先们过着居无定所的日子，可见他们的物资并不会太丰富，否则整天的搬家一定会让他们痛苦无比。祖先可能只有一件鹿皮衣服，几块打磨过的锋利石头和上次打猎后吃剩的半只兔子。

远古的祖先们当然也需要信息的交流，只是这些交流比较简单，甚至不需要成体系的语言，简单地几种发音就可以了。例如，嗷嗷大叫一声表示看到了野兽出没，嘿嘿几下表示看到了一窝鸟蛋。

物物交换

或许是祖先们打猎愈发熟练，或许是他们开展了农业种植，渐渐地他们的物资有了富余。一天，祖先老王家打猎多打了一只兔子，而老李家恰好多做了一把石锤。于是，经过一番交流，他们俩将兔子和石锤交换了。

这样，本该因吃不完而腐烂浪费的兔子和闲置的石锤都排上了用场。信息的交流和物资的交换带来了价值，虽然整个过程中并没有生产新的东西。

货币产生

又过了几千几万年，先人们拥有的物资变得更加丰富了。繁多的物资使得简单的物物交换无法满足人们的需要，于是出现了货币。早期的货币是通常是贝壳或者其他物件。以货币为媒介，极大地方便了物资的协调过程。

有人的兽皮衣服做的特别好，于是他成了方圆几里内的裁缝，有需要衣服的人便可以带着货币到他家去。裁缝估量下他的身高，给他做一件衣服。而他，则可以专心打猎，将多打的猎物换成货币。

其实可以把货币看做是一种信息，一种承载着承诺的信息，这种承诺是说，通过这些货币将来还能兑换到等价值的物资。有了货币这种信息的加入，物资了之间的协调变得更加顺畅。

商业产生

即便有了货币，生产者与消费者之间直接的买卖操作还是存在诸多不便。老张想买一把镰头，可是认识的人中却没有人会做；老刘想卖掉自己的镰头，却不知要卖给谁。可能他们的共同好友老李知道后，便撮合了这桩生意，还得到了两人的答谢。渐渐地，老李开始专门从事买卖撮合工作，收取其中的好处，于是成了商人。

商人的出现使得买卖双方无需直接见面，促进了信息的交流，降低了物资交换的门坎。但这也带来了问题，买房和卖方不能直接见面，怎么保证卖方的商品能恰好满足买方的需求？为了解决这个问题，制鞋的工匠会制造大小不同的鞋子，供应给商人，而顾客则到商人那里选择适合自己的哪一款。

即便是最精明的商人也无法预测哪款鞋子能卖多少只，因此进货时要留有余量，于是产生了库存问题。有一些款式供不应求，也总有很多款式囤积在仓库卖不出去。

商人并没有创造物资，但是却极大地促进了物资的合理利用，并在整个过程中带来了价值，商人也便能在其中分得一羹。

工业时代

在商人充当媒介的情况下，为了保证买方和卖方顺畅的交流，渐渐出现了一些约定俗成的规范。例如，从东市买来的镰刀头不用太费劲就可以装到西市买来的镰刀木把上，因为它们接口处的直径是相仿的。

如果说以上的这种约定俗成算是标准化的雏形的话，那工业时代的流水线将这种标准化发挥到了极致。每一颗螺丝都有固定的型号，每一次组装都有固定的流程。也正因为流水线的出现，人类的生产效率急剧提升。福特的第一条流水线让汽车开始走进了千家万户。

当然，即便社会生产发展到这个阶段，非流水线的定做产品依然存在。只是它们因为成本高昂而成了奢侈的象征。

智能制造

如今，同一版本同一型号的手机，几乎是一模一样的。当我们说去选购商品，其实是在有限的型号中选择我们需要的那一款。可是，人的需求千变万化，为什么偏偏要归结到几个固定的型号上去呢？每个人不应该根据自己的需求，定义自己的产品么？可是，这又怎么做得到呢？

当物质急剧匮乏时，物资相互之间的配合显得不是那么重要。而当物资变得极为丰富时，只要能让它们能被利用的稍微合理些，就能产生巨大的价值。例如，如果卖方能够实时知道市场需要的商品的确切数量，库存问题不就解决了，这会避免巨大的资源浪费。而且，如果买卖双方之间的信息足够通畅，负责进行信息协调的商人似乎也没有存在的必要了。可这，这又怎么做的到呢？

当问出以上的两个问题，大家似乎也有了答案，答案就是智能制造。

信息化让我们渐渐地有能力解决以上问题，也让我们渐渐地回到了遥远的过去，回到了买卖双方直接交流、物资协调更为便利的古代，毕竟，那时展露的才是我们需求的本质。愈发丰富的物资让着它们变得不可能，而高速发展的信息化又渐渐地使它们变得可能。

智能制造，它意味着在产品生命周期内对整个价值创造链的组织和控制再进一步，即意味着从创意、订单到研发、生产、终端客户产品交付，再到废物循环利用，包括与之紧密联系的各服务行业，在各个阶段都能更好满足日益个性化的客户需求。所有参与价值创造的相关实体形成网络，获得随时从数据中创造最大价值流的能力，从而实现所有相关信息的实时共享。以此为基础，通过人、物和系统的连接，实现企业价值网络的动态建立、实时优化和自组织，根据不同的标准，对成本、效率和能耗进行优化。 ——《工业4.0战略实施计划》

在物资贫瘠的时代，人类的主要工作是创造更多的物资；而当物资充盈的时候，人类终于有精力来满足每个人个性化的需求。

在物资贫瘠的时代，物资之间的协调很简单；而当物资极度丰富时，这一切变得困难至极，但只要能对协调的过程进行些许的优化，就可能释放巨大的价值。

从荒野逐鹿的时代梳理过来，我们发现，智能制造并非天方夜谭，是人类生产力提升而将步入的必然阶段。在这新的阶段中，依赖信息化，人们的个性化需求开始得到满足，物资之间的利用变得更为合理。在逐步解决了物资贫瘠的问题之后，我们开始利用信息来优化物资的流转过程。

智能制造，未来已来。

单片机与PLC的异同

Sun, 17 Feb 2019 00:00:00 +0000

许多人在接触到单片机（MCU）和可编程逻辑控制器（PLC）时，都会感到疑惑。疑惑主要有两点：

工业环境中，很多控制逻辑用MCU都可以很容易的实现，为何要用PLC？
其实MCU与PLC两者都是可编程的控制器件，有什么不同？

此文便在于解答大家的疑惑。

1 工业环境为何都用PLC

接触过工业生产的工程师可能会发现，其实大多数工业生产的控制要求，使用MCU都可以做到。

但同时又会发现，MCU在工业环境中极少被应用，取而代之的是PLC。那为什么在廉价的MCU可以实现功能的地方，要使用昂贵的PLC呢？

1.1 可靠性方面

工业现场要求设备达到工业级。我们一般购买的单片机及其他元器件一般为商业级。加之自己开发后测试等水平达不到，所以可靠性很难保证，例如防电磁干扰等，要知道工业环境中电磁干扰是非常多的，如继电器的通断、电机的起停，这都可能导致单片机的重启、通讯的失误。

而PLC等设备满足工业级要求，在抗干扰方面、输入输出点可靠性方面更为优越，并采用可靠的组态方式，因此可靠性更高，而且通信方面有很多工业控制设备采用光纤以抗干扰。

1.2 易用性方面

采用单片机实现，通信等系统架构太过麻烦，例如一个工业车间的几十个单片机工作小站可靠通信就很难实现。同时代码的增加也进一步降低了可靠性。在简单并且不关键的部位可采用单片机实现部分功能。

而PLC等设备可采用整体式或者积木式，各个组件可以按需选用，并便于组态实现。各个工作站之间采用规范的总线通讯，这都是模块内置的，只需配置无需编写代码，可靠简单。

工业设备的可靠性是极为关键的，关系到人身安全、连续工作的时间、生产的质量等，这时候生产设备的成本是相对次要的，可靠性才是首要的。因此单片机虽然便宜，但用单片机作为工业设备控制器是舍本逐末的。

当然，也并不是说单片机在工业环境中就完全没有应用。例如，目前有采用Arduino进行工业环境和设备运行情况监测的应用，但不涉及关键生产过程的控制。相信以后也会有更多的单片机应用到工业环境中，但也不会作为核心的控制器。

2 MCU与PLC到底有何异同?

那究竟是何种原因导致了PLC和MCU的不同呢？假设，你要用一款MCU完成工业现场的核心控制任务，那应该怎么做？

首先，工业环境下，受周围交流电机启停等的影响，电压会有较大的波动。为了应对这种恶劣的环境，必须为MCU设计相应的电源模块，是的电压剧烈变动时不会引发MCU的工作异常。

同时，在工业环境下，传感器的输出多采用4~~20mA、0~~10V的形式，这与MCU常用的0~~3.3V或者0~~5V的AD模块不相符合，因此需要针对工业环境设计传感信号接收模块。

并且，工业环境的输出很多是用来控制继电器（经过继电器隔离后，再去控制电机等的启停），而MCU的输出只能控制微型继电器，无法驱动常用的工业继电器，因此，要在MCU外围设计具有大驱动能力的IO接口。

同时，为了保证工业环境下通讯的可靠：

有很多工业数据总线协议。为了能保证MCU与外界正常通讯，需要封装模块来支持这些协议；
为了能够控制变频器，需要设计相应的变频器控制模块；为了能保证一定的防尘、防水级别，需要设计外壳满足相应的防护等级；
为了保证编程的简单性，可能需要设计一套便于工业使用的控制语言……

当以上这些工作都完成的时候，一个PLC就诞生了！

所以，PLC就是在MCU基础上，针对工业环境专门设计的产物。PLC的内部就是一款MCU。

到这里，PLC与MCU的异同，大家也应该明了了。