未来制造新蓝图——“工业4.0”战略深度揭秘_

2019-06-19 14:09

  德国所提出的工业4.0被认为是未来工业革命的先行愿景。通过数字化和信息的互联互通,推动智能生产成为一种技术标准,实现对生产流程的自主监控,将使生产对市场和客户的需求做出快速调整。

  工业4.0为我们展现了一幅全新的工业蓝图:在一个智能、网络化的世界里,物联网和务联网(服务互联网技术)将渗透到所有的关键领域,创造新价值的过程逐步发生改变,产业链分工将重组,传统的行业界限将消失,并会产生各种新的活动领域和合作形式。

  德国行业专家表示,德国错失了发展信息和通讯技术的机会。默克尔指出,目前90%的创新在欧洲之外产生,欧洲不能错失下一代工业改革。默克尔同时对德国的制造业能否及时与现代的信息和通讯技术实现对接,保障德国制造业在世界上的领先地位表示担忧。有专家认为,中国在传统工业上与世界先进制造业还存在差距,但在信息通信技术方面有更好的基础,工业4.0为中国提供了更好的赶超机会。

工业蓝图

  德国联邦工业协会(BDI)主席乌尔里希格里洛指出,德国在信息和通讯技术等未来技术核心领域有些落后,欧洲企业占全球通信和信息技术市场份额不到10%,德国错失了成为该领域世界领头羊的机会。未来如果德国的工业和制造业不能弥补这一缺陷,实现制造业与信息互联技术的对接,德国工业的领先地位将可能面临危机。

  德国工业4.0的本质是什么?

  工业4.0,其实就是实现智能工厂。第一次工业革命始于18世纪后半期由蒸汽机实现工厂的机械化;第二次工业革命始于19世纪后半期用电力来实现大规模化批量生产;第三次工业革命始于20世纪后半期通过电气和信息技术实现制造业的自动化。

  工业4.0将在前三次工业革命的基础上进一步进化,基于信息物理系统(CyberPhysicalSystem)实现新的制造方式。信息物理系统是指通过传感网紧密连接现实世界,将网络空间的高级计算能力有效运用于现实世界中,从而在生产制造过程中,与设计、开发、生产有关的所有数据将通过传感器采集并进行分析,形成可自律操作的智能生产系统。

  工业4.0报告中描述的动态配置的生产方式主要是指从事作业的机器人(工作站)能够通过网络实时访问所有有关信息,并根据信息内容,自主切换生产方式以及更换生产材料,从而调整成为最匹配模式的生产作业。动态配置的生产方式能够实现为每个客户、每个产品进行不同的设计、零部件构成、产品订单、生产计划、生产制造、物流配送,杜绝整个链条中的浪费环节。

  与传统生产方式不同,动态配置的生产方式在生产之前或者生产过程中,都能够随时变更最初的设计方案。

  例如,目前的汽车生产主要是按照事先设计好的工艺流程进行的生产线生产方式。尽管也存在一些混流生产方式,但是生产过程中,一定要在由众多机械组成的生产线上进行,所以不会实现产品设计的多样化。管理这些生产线的MES(制造执行管理系统)原本应该带给生产线更多的灵活性,但是受到构成生产线的众多机械的硬件制约,无法发挥出更多的功能,作用极为有限。

  同时,在不同生产线上操作的工人分布于各个车间,他们都不会掌握整个生产流程,所以也只能发挥出在某项固定工作上的作用。这样一来,很难实时满足客户的需求。工业4.0描绘的智能工厂中,固定的生产线概念消失了,采取了可以动态、有机地重新构成的模块化生产方式。

工业蓝图

  例如,生产模块可以视为一个信息物理系统,正在进行装配的汽车能够自律在生产模块间穿梭,接受所需的装配作业。其中,如果生产、零部件供给环节出现瓶颈,能够及时调度其他车型的生产资源或者零部件,继续进行生产。也就是为每个车型自律性选择适合的生产模块,进行动态的装配作业。在这种动态配置的生产方式下,可以发挥出MES原本的综合管理功能,能够动态管理设计、装配、测试等整个生产流程,既保证了生产设备的运转效率,又可以使生产种类实现多样化。

  工业4.0背后的战略意图

  实际上,工业4.0体现出德国对美国的危机感和极高的竞争意识。CPU、操作系统、软件以及云计算等网络平台几乎都由美国掌控。近两年来,Google开始进军机器人领域,研发自动驾驶汽车;Amazon进入手机终端业务,开始实施无人驾驶飞机配送商品美国互联网巨头正在从信息领域加速进入物理业务领域。

  显而易见,这一趋势对制造业的破坏性影响只是时间问题,因此,德国产生了前所未有的危机感。

  德国的工业4.0战略详尽描绘了信息物理系统(CyberPhysicalSystem)概念,希望通过信息物理系统开创新的制造方式,实现智能工厂。信息物理系统是指通过传感网紧密连接现实世界,将网络空间的高级计算能力有效运用于现实世界中,从而在生产制造过程中,与设计、开发、生产有关的所有数据将通过传感器采集并进行分析,形成可自律操作的智能生产系统。

  从某种意义上说,工业4.0是德国希望阻止信息技术不断融入制造业之后带来的支配地位。一旦制造业各个环节都被云计算接管,那么制造业还是制造业吗?所以,工业4.0希望用信息物理系统升级智能工厂中的生产设备,使生产设备因信息物理系统而获得智能,使工厂成为一个实现自律分散型系统的智能工厂。那时,云计算不过是制造业中的一个使用对象,不会成为掌控生产制造的中枢所在。

  近年来,从中国机械产业的高速增长中,德国看到的更多是德国制造自身的危机。数据显示,德国以16%的份额占据2013年全球机械出口首位,中国以11%的份额,略低于美国位于全球第三。同时,在全球设备制造业的32个子行业中,中国已经在7个子行业中取得了领先地位。更有甚者,美国波士顿咨询公司的一篇相关分析报告曾提出警告:欧洲机械制造商必须意识到,竞争环境已经改变,必须对越发明显的威胁做出反应,否则他们将被来自中国的咄咄逼人的挑战者打倒。

工业蓝图

  2014年6月24日,德国机械设备制造业联合会(VDMA)在日本东京举行发布会,介绍了德国机械制造行业的情况。VDMA拥有120多年的历史,涵盖机床工业联合会、机器人工业联合会等38个工业联合会,是德国横跨各个机械产业的庞大社团组织。VDMA也是搭建工业4.0平台,实施德国工业4.0战略的重要牵头组织之一。

  据日本媒体报道,当天,VDMA主席菲斯特格(ReinholdFestge)旗帜鲜明地指出:日本和德国的机械制造企业,应该为确保长期发展和经济上的成功进行深入合作,尤其在有交叉的一些产品领域,两国应该携手面对中国的挑战。从中,德国对中国制造业的防备之心已显而易见。

  工业4.0与两化深度融合

  德国工业4.0战略的作用方式是建立一种全新的工业生产方式。一是信息物理融合系统(CPS)助力智能生产,提高工业生产效率。二是去中心化思维,使生产模式从集中型向分散型转变。三是网络交流,实现面向个性需求的柔性制造。四是实时监测与自动控制,降低能耗水平。

  制造业的数字化、虚拟化正在彻底改变人们制造产品的方式,制造强国纷纷掀起再工业化浪潮,进一步凸显了全球工业制造激烈竞争态势。美国的通用电气(GE)于2012年秋季提出了工业互联网(IndustrialInternet)概念,将产业设备与IT融合结合起来,目标是通过高功能设备、低成本传感器、互联网、大数据收集及分析技术等的组合,大幅提高现有产业的效率并创造新产业。日本的各企业也在推进M2M和大数据应用。

  德国工业4.0战略与多国推进的工业战略有异曲同工之处,工业4.0战略将深刻变革工业生产方式和重塑先进制造业竞争格局。我国两化融合已取得较大进展,但随着国际产业竞争大环境的变化以及新一代信息技术的应用和渗透,两化深度融合仍面临不少挑战,如何借鉴先进制造大国的新理念,优化和调整产业融合发展思路,不断提升先进制造业的国家竞争力显得尤为重要。

  我国经济进入新常态后,新一代信息技术加速与传统产业融合,新技术、新产品、新业态、新模式不断涌现,生产的网络化、智能化、绿色化特征日趋明显。

  新一轮科技革命和产业变革呼唤加快推进信息化与工业化深度融合。以制造业数字化、网络化、智能化为标志的智能制造,是两化深度融合切入点和主攻方向,这已经成为业界的普遍共识和企业的主动行动。

  工业和信息化部提出发展智能制造的主要任务是,深入推进两化融合企业管理体系贯标,全面提升制造业产品、装备、生产、管理和服务的智能化水平,实现两个IT(工业技术和信息技术)融合和倍增发展,促进产业结构向中高端迈进。

  去年,中德两国政府共同发布《中德合作行动纲要》,其中提出由中国工业和信息化部、科技部和德国联邦经济和能源部、联邦教研部组织建立工业4.0对话。工业和信息化部部长苗圩指出,德国工业4.0战略与中国两化深度融合战略具有异曲同工之处,应进一步加强两国在智能制造领域示范项目、标准制订、人才培训方面的交流与合作,大力推进中德工业创新和发展,实现双赢。

  工业4.0的难点在哪里?

  工业4.0和智能工厂意味着我们处于一个需要变革的阶段,工厂互联程度比以往更高,能够适应最新的传感器技术,并且在高度安全的环境中快速处理大数据。在此种环境下,不允许发生单点故障的情况。系统要能够智能地进行自调节,并在所有情况下保持高精度工作性能。因此,需要进行大量的数据监测、电源跟踪,以便降低发热、提升整合度。

  工业4.0旨在通过信息通讯技术和信息物理系统相结合,推动制造业向智能化转型。智能制造、智能工厂、智能产品都是其核心的应用热点。

  在工业4.0愿景中,不仅生产线和生产设备更加智能化,被生产和加工的产品本身也将参与到被生产的制造的流程中,变得智能。处于如此高度智能化、自动化的环境中,任何的恶意入侵、破坏、攻击以及信息篡改都回给生产环境、设备、产品和人员带来不可预估的损失。因此,工业环境下的安全和安防是工业自动化的关键组成部分,也是其应用的难点。另外,大量的生产线、生产设备和生产部件实现互联,如何实现彼此间高效地沟通,节省能耗,是另一大难点。

  对PLC供应商来说,采用能够应对未来更高分辨率、易于扩展的数据转换器是个方向。16位分辨率在现阶段几乎成为必要条件,然而未来几年内,可能会需要更高的分辨率,因此应当将引脚兼容的系列产品纳入考虑范围。尽可能多的在系统中进行认证。如果您认为目前没有安全功能的需求,则无需现在加入,但要做好准备,以便在未来某天需求陡增时能够迅速应对。

  许多人认为要想降低方案尺寸,需要依靠数字技术。这在PLC领域是不正确的,因为数字芯片在PLC模块中只占据不到四分之一的电路板空间。问题的根源是模拟IC和分立元件所占据的空间,这些器件并非像数字芯片那样易于改变尺寸。在Maxim,我们对该问题有很好的认识,并已经着手寻求将多种分立功能集成至单颗IC的方法,从而为系统设计人员提供尺寸、功耗和成本方面的显著优势。例如:Maxim的微型PLC技术演示平台展示了模拟整合如何能够实现PLC尺寸缩小10倍、功耗降低50%、数字I/O速度加快70倍。Maxim的智能整合方式以及自身专有的工业技术确保上述性能得以实现。

  在2014德国IT峰会上,与德国电信股份有限公司共同推出一款用于保护网络化生产的安全解决方案。英飞凌首席执行官ReinhardPloss博士现场向德国总理默克尔演示了工业4.0代表的智能生产流程,涉及下单,生产,运输方案和交货,我们的安全芯片对下单的人、用于下单的平板电脑、连接一切信息的路由器和生产线本身等各个环节进行身份认证,以确保整个生产过程的安全性。

  德国工业4.0如何评价?

  工业化时代,行业标准就是制空权。对于一片空白的领域,掌握了标准也就制定了游戏规则,后来者只能疲于奔命地追赶。我国4G通信现在为TD还是FDD的争吵付出了昂贵的代价,就是因为没有提前控制标准。高端制造业是德国近现代长盛不衰的稳固保障,在这个逆水行舟的时代,想要不被淘汰,就必须抢占制高点。

  德国的人力成本相比第三世界国家太昂贵了,工人的工资牢牢钳住了德国制造的成本,这也是工会的成就。最近闹得沸沸扬扬的德铁罢工已经让德国老百姓苦不堪言了,就是为了涨工资和减工时。但是德国目前尚有技术优势,其他国家的廉价劳动力在缺乏技术的情况下暂时不会冲击德国高端产业。但是一旦等到这些国家拥有了成熟的技术,德国造的优势便荡然无存。

  这样的事情是真实发生过的,相机行业在50年代本是德国造的天下,但是20年之内就被日本相机彻底打垮,众多公司不得不被迫转战更精密的光学仪器市场。日本尚且如此,如果是中国这样庞大的制造输出能力拥有了近似甚至同等的技术水平,那么德国市场将会承受什么样的打击自然可想而知。

  工业4.0其实并不存在太高的技术壁垒,与其说是革命,不如说是整合。将无数已经成熟的小模块整合成为一个大模块。在芯片设计中,模块化的一个重要元素便是接口。在工业体系中,这个接口就是工业标准。

  工业标准的统一大大降低了产品从一级生产到下一级生产的成本。比如甲长生产的螺丝恰好可以被乙厂的螺丝刀拧进丙厂生产的螺母,那么这颗螺丝的每一个尺寸都需要完全符合标准。这样乙厂就不用准备各种型号的螺丝刀,而丙厂也不需要提供不同尺寸的螺母。

  工业4.0的出现将实现很多人类梦寐以求的幻想,设想你买了一套房子,然后房子的设计图马上就被传入你的电脑,你可以在电脑前按照自己的设想装修并置配家具,然后用不了多久,3D打印机器人就会进入你的房间进行装修,而你选择的家具已经被快递到了装修好的房子中。整个过程涉及移动通信、物业公司、装修公司、网络购物、物流、电子商务,而整个过程中几乎不需要消耗大量的人工成本就能将信息或实体进行传递并配置。

  现在的设计雏形有所谓的SmartFactory(智能工厂),智能工厂的本质是通过信息系统来控制产品的生产。降低成本的同时大幅度的提高生产效率和精度。除去这些老生常谈的点之外,智能工厂最关键的就是可以:提高生产的灵活性。

  企业如何应对工业4.0?

  随着移动互联浪潮到来、工业4.0的展开,全球企业间的较量进入了一个新的境界。移动互联的力量已经为人们所逐渐认识,它改变生活、生产面貌的速度仍时时超乎想象。许多传统行业在它面前面临生死抉择。而未来10年,工业4.0将通过网络技术来决定生产制造过程,实现实时自动化管理。它会为众多制造业创造更多增值和盈利的机会。传统产业的洗牌已在所难免。

  西北工业大学的研究人员李曙光指出,基于3D打印技术和互联网平台的全球云制造将体现出更廉价、更快捷并且更绿色环保的优势,这将极为可能取代现有的中国制造模式。

  央企的危机感不是没有。中国石化即表示,不转型,不创新,早晚变恐龙。中国石化规模确实非常大,财富500强排第3。但作为传统制造业,如果跟不上时代,就会变成恐龙而灭绝。看看诺基亚,还有柯达,都是大公司,没几年就倒了。今天不找新路,明天一定没出路。

  为全面迎接第三次工业革命,我国的产业政策思路和措施应当适时调整。首先,要充分调动科研结构和企业的积极性,特别是重视通过高技术人才创业,加快先进制造技术的突破。其次,要改变目前产业政策重研发、轻工艺重实验室、轻车间的做法,遴选设备先进、现场管理工作扎实的工厂进行重点建设和投资,将这些现代工厂建设成为中国先进制造技术突破、应用的场所,建设成为先进制造技术和先进现场管理方法持续改善的现场实验室,从而最终以点带面地推进中国制造水平的整体提升。最后,要加快针对第三次工业革命的高效能运算、工程数据库等科技基础设施的建设,加强对企业突破和应用现代制造技术的公共服务和保障能力。

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