我们离工业4.0有多远

标签:转型制造业工业4.0智能工厂

访客:28721  发表于:2015-03-03 10:13:14

    刚刚过去的2014年,

  在我国制造业面临转型升级的背景下,

  业界对于工业4.0的讨论不绝于耳,

  再加上西门子、SAP等德国工业4.0的重要参与者推波助澜,

  一时间仿佛中国的工业4.0时代马上就要到来。

  然而,相比工业4.0示范工厂生产线上只有屈指可数的几个工人,

  我国很多工厂却还在采用半自动化的生产方式。

  那么,我们到底要用怎样的心态来对待工业4.0?

  在 2014年10月第三轮中德政府磋商后发表的《中德合作行动纲要:共塑创新》中,工业4.0是其中一个合作内容。这一纲要的发布,进一步引发了国内业界对于工业4.0新一轮的热议。

  工业发展的选择

  工业4.0是德国政府提出的愿景,以保持德国制造业的全球领先地位。工业4.0描绘了制造业的未来愿景,提出继蒸汽机应用、规模化生产和电子信息技术应用等三次工业革命后,人类将迎来以信息物理系统(CPS)为基础,以生产高度数字化、网络化、机器自组织为标志的第四次工业革命。

  工业4.0之所以在我国引起广泛关注,是因为在人工成本上升、原材料价格波动、信息技术对产业影响不断深入等的背景下,我国制造业正面临转型。而且工业4.0的很多理念,与我国提出的“两化”融合战略不谋而合。

  “工业4.0是行业大趋势,可能也是工业发展的惟一选择。”SAP全球高级副总裁、全球研发网络和快速增长战略市场总裁柯曼认为,“中国不仅是工业4.0或物联网发展的受益者,更是重要的推动者。”这一方面是因为中国本身是个工业大国,正处在工业转型升级的关键时刻,而工业4.0有助于中国工业提高效率、降低生产成本、提高生产的灵活性以满足消费者的个性化需求;另一方面,是因为中国拥有大量高科技公司,以及潜力巨大的移动互联网和电子商务产业,为工业4.0的落地提供了技术基础。

  SAP大中华区总裁纪秉盟认为,仅仅解放生产力还远远不够,工业4.0要解决中国制造业面临的更深层次的问题。中国制造企业的角色将逐渐向服务提供商转变,不仅出售设备,还需提供包括维保在内的全套服务。因此,服务创新将是制造企业的下一个战略高地。而工业 4.0并不局限于生产线,它还与物联网技术紧密联系,为中国制造企业攀登战略高地创造全新机遇。

  据了解,为了推动工业4.0从概念走向工程实践,同济大学中德工程学院与德国企业菲尼克斯电气于去年10月共同建成了国内首个工业4.0实验室。

  不仅是智能工厂

  德国费斯托(Festo)工厂哈雷摩托车生产中心借助SAP智慧工厂解决方案实现了混线生产,使得个性化定制的摩托车生产周期从21天缩减到6个小时。如果客户白天下单,晚上就能收到个性十足的哈雷摩托车了。

  这是工业4.0的一个典型案例,也是工业4.0的核心——智能工厂的一个体现。所谓智能工厂,是指工厂在整个生产过程中所需的每个部件都可以通过传感器与生产设备互联,这就使得同一条生产线可以同时生产完全不一样的产品。而在以往,通常同一条生产线只能生产一个型号的产品。

  纪秉盟认为,小批量、多批次、差异化生产将是未来制造业的趋势。SAP 位于波茨坦的创新中心的开放式集成工厂对这样的生产模式进行了充分展示:通过融合世界一流的制造技术与IT系统,车间的同一生产线能够生产任意订单、任意数量的不同产品,不仅摆脱了对于生产线控制员的依赖,同时还能灵活处理订单更改、产品组合和流程调整等工作。

  业界很多人认为,智能工厂就是工业4.0。这种看法有点偏颇。作为德国工业4.0的重要参与者,SAP和西门子都不那么认为。如果我们观察一下工业产业的变化就可以理解这一点。

  近日,京东商城创始人、董事局主席兼首席执行官刘强东公开表示,冰箱应该完全免费,而通过背后的数据和服务赚钱。比如用户的冰箱里没有饮料了,冰箱会在屏幕上推送京东的购买信息,一键购买。京东还为此成立了专门的智能硬件公司。

  如此可见,制造业已经不再是以往的制造业,工业也不再是以往的工业。工业4.0时代,我们要采用与以往完全不同的心态,以及生产和运营模式。预测性维护、智能化物流也被认为是工业4.0的重要特征。

  和以往要基于设备、产品的运行时间定期维护不一样的是,在工业4.0时代,维护人员根据传感器回传的设备运行信息,并对这些信息进行分析后,预先掌握设备性能状态,从而更加灵活、高效地对设备、产品进行有针对性的维护、保养。据悉,SAP已经在欧洲帮助风力发电企业降低维护、保养成本,节省资源,提高风力发电机组的性能和工作绩效。纪秉盟认为,通过采用能够报告自身性能的智能设备,制造商可以收集海量数据,然后利用 诸如SAP HANA这样的分析工具来分析这些数据,建立一个预测性维护服务平台。从长远来看,制造商的角色将逐渐向服务提供商转变,不仅出售机器,还提供全套服务和使用模式。这样,客户就只管使用产品,而无需担心产品维护。

  柯曼认为物流智能化可以分对内物流和对外物流两类来看。对内物流举例来说,物流公司可以根据货轮运载的集装箱上安装的传感器传送的地理位置等信息预测货轮到港时间,合理安排货车进港时间,从而减少货车等待时间,缓解码头的拥堵状态。吞吐能力达到1.4万吨、可容纳5500辆卡车的德国汉堡港已经做了示范。此前,为了合理安排每天进出港口的5500辆货车,汉堡港要做很多协调、调度工作。现在汉堡港通过与轮船进行信息交互,根据货船的到港时间或者货轮上装载的货物特性来为货车进出港的时间排序。这样,货车平均在港口停留30分钟即可完成作业,大大缓解了港口交通拥堵的状态。汉堡港口未来还希望连通所有运输领域,从水路到公路一直到铁路。对外物流举例来说,整车生产厂家可以预测整车生产还需要多长时间,从而合理安排货运,减少货车的等待时间。

  夯实信息化基础

  国家新材料产业发展战略咨询委员会副主任邵立勤近日在一次公开的会议发表言论称,欧美已经开始工业4.0革命,而中国还在为淘宝买卖廉价次品而沾沾自喜,这样即将到来的工业革命很可能会把中国抛弃掉。这一言论引起了业界的热议。

  工业4.0看起来很美,但是确实似乎离我们有点远。记者在近年的采访过程中走访不少工厂发现,尽管我国不乏非常先进的工业企业,但是很多工厂的自动化程度都比较低,信息化应用水平还比较低。甚至可以说,有些工业企业可能还处于工业2.0时代。

  中国工程院院士、中国互联网协会理事长邬贺铨在2014年举办的中国国际工业博览会上坦言,我国的工厂差别很大,在落实工业4.0过程中的关键难点是在于,目前有些工厂实现内部数据共享都很难,更别说要在企业之间打通信息孤岛了。

  现在说拥抱工业4.0是否为时过早?

  事实并非如此。现实正在驱动中国工业转型变革。波士顿咨询集团 (Boston Consulting Group)最近进行的一项研究发现,过去十年中国劳动力的工资涨幅超过4倍,再加上人民币升值,使得中国的制造成本直逼美国。低廉的劳动力成本不能再作为中国制造在全球市场上的优势标签,中国制造企业要最大化利用资源,将生产变得更加高效;要尽可能地缩短产品上市时间,对市场的响应更加快速,从而快速满足不断变化的客户需求;还要快速实现各环节的灵活变动,将生产变得更加柔性。

  拥抱被普遍认为是工业发展方向的工业4.0无疑是一条可行之路。拷贝了德国工业4.0示范工厂——德国安贝格电子工厂的西门子成都工厂为未来中国制造的变革方向提供了一个良好的参考。数据显示,通过数字化的工厂规划,可以减少产品上市时间至少30%;通过优化规划质量,可以降低制造成本13%。

  来自西门子的资料称,数字化企业平台是实现数字制造的载体,它可以实现从产品设计、生产规划、生产工程,到生产执行和服务的全生命周期的高效运行。西门子成都工厂所应用的数字化企业平台涵盖五个层面:第一层企业层,主要指由PLM软件和ERP系统构建的企业顶层结构,用于提供统一的生产数据、工艺路线、设计清单等;第二层管理层,主要包括MES(制造执行系统)等生产管理软件,用于对重要的数据流和生产管理进行控制;第三层操作层,主要包含西门子集散数据系统(DCS)数据采集与监视控制(SCADA)系统设备状态管理系统,用于监控生产过程、设备状态;第四层现场控制层,主要包含西门子可编程逻辑控制器(PLC);第五层,设备控制层。第四层和第五层为上层的MES等系统提供各种数据并进行交换。

  但是,对于多数传统制造企业来说,信息化水平要达到西门子成都工厂那样的水平并不容易。SAP中国研究院院长李瑞成近日撰文称,实现工业4.0并不是短期内可以一蹴而就的,这是一个长期、渐进的过程。在此过程中,软件是重中之重。目前,基本的技术和现有制造体系的核心价值等均需要调整才能适应工业4.0的具体要求。

  如此可见,对于我国生产制造来说,当前向智能制造、工业4.0迈进的很重要的一点,就是在信息化方面参考西门子成都工厂的五层架构查缺补漏,最终建成一个完善的数字化企业平台。

  中国电子信息产业发展研究院院长罗文在《工业4.0中国启示录》一文中指出,德国工业4.0战略与我国提出的“两化”深度融合有很多相通之处,我国应该把“两化”深度融合作为主要着力点。

  从某种角度来看,工业4.0是由新技术驱动的,因此在迈向工业4.0的过程中,新技术的引入至关重要。

  注重标准和平台建设

  工业4.0强调由集中式控制向分散式增强型控制模式的转变,从而建立一个高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式,这需要大量的新技术作为支撑。柯曼认为,大数据、云计算和移动互联等将技术在工业4.0中大有作为:在海量终端实现互联后,需要大数据技术对海量结构化数据进行存储和分析处理;而云计算则是将不同利益相关者通过同一套数据进行互联的最好途径;移动互联技术可以将具有可预见特性的维修信息推送到终端,还可以帮助用户通过移动终端实时了解工厂的运行情况,而不一定在工厂的控制中心。

  柯曼补充说,工业4.0要获得成功,需要满足以下7个因素:解决网络安全问题,制定相关安全政策;在数据传输等方面制定国际统一标准;要为社交所带来的影响做好准备,并积累相关技能和人才;应对好复杂性带来的挑战;完善工业领域带宽基础架构;法律框架与监管体制调整;以开放的心态面对信息交流和互动。

  李瑞成比喻,未来的制造业将和服务行业一样,建立在互联网这一“共同的底盘”之上,人与人、人与机器、机器与机器之间将对话协同,工厂生产由高度自动化转向智能生产。

  “共同的底盘”使得横向和纵向的数据集成变得更加重要。如何才能真正实现集成?被广泛认可和采用的规则和标准就显得尤为重要。

  事实上,为了保障工业4.0的顺利实现,德国把标准化排在工业4.0八项行动中的首位,同时建议在工业4.0平台下成立一个工作小组,专门处理标准化和参考架构的问题。2013年12月,德国电气电子和信息技术协会发表了德国首个工业4.0标准化路线图。

  《中德合作行动纲要:共塑创新》指出,工业4.0在世界范围内的成功取决于国际通行的规则与标准。中德两国将在标准问题上紧密合作,并将工业4.0议题纳入中德标准化合作委员会。双方将继续加强中德标准化合作委员会框架下的现有合作,致力于开展更具系统性和战略性的合作。

  为此,罗文建议,我国在推进“两化”深度融合的具体实践中,也应高度重视发挥标准化工作在产业发展中的引领作用,及时制定、出台“两化”深度融合标准化路线图,引导企业推进信息化建设。同时,还要着力实现标准的国际化,使得中国制定的标准得到国际上的广泛采用,以夺取未来产业竞争的制高点和话语权。

  柯曼透露,已经全方位参与中国工业4.0建设的SAP非常重视这一点,SAP中国研究院作为中国物联网协会的主要成员将参与中国相关的行业标准的制定工作。

  从国家层面来看,罗文还建议要超前部署、建设国家信息物理系统网络平台。信息物理系统将改变人类与物理世界的交互方式,物质生产力、信息生产力,实现能源、材料和信息三种资源高度融合,将使未来产业发生真正革命性的变革,对未来世界产生深远影响。他指出,美、德等世界工业强国都高度重视信息物理空间构建,加强战略前瞻部署,并取得积极研究进展。中国要决胜未来的竞争,必须在构建信息物理系统网络平台上先行一步:一方面,在国家新的信息化发展战略中加强对CPS的总体布局,研究制定CPS建设的战略目标、重点任务、发展路径和政策举措。同时,在制造业发展、智慧城市建设、国家网络和信息安全等工作中加强前瞻部署和应用推广。另一方面,可借鉴美国组建“国家制造创新网络中心”的做法,组建一批国家信息物理系统网络平台,负责承担基础理论研究,组织力量研发突破CPS软件、传感器、移动终端设备等工具和装备,推动重点行业企业的开发应用。

  事实上,业界还有一个说法,就是我国相比其他国家更容易将工业4.0落地。这是因为我国政府的推动力比其他国家更大。

  链接 工业互联网与工业4.0

  美国并没有明确提工业4.0,但是对应地提出了工业互联网。美国还在2014年4月成立了工业互联网联盟。工业互联网是指开放、全球化的网络,将人、数据和机器连接起来。

  通用电气公司在《工业互联网:打破智慧与机器的边界》中指出,用于构筑工业互联网的高度互联的工业运营网络结合了两大颠覆性革命的最新成果:其一是源自工业革命的无数机器、设施、车队和网络,其二是互联网革命带来的计算、信息和通信系统等方面最近取得的迅猛进展。工业互联网“打开了一片新天地,生产力得以提升、效率提升、浪费减少,并且员工的工作体验得到改善”,这有望为全球经济带来10万亿美元到15万亿美元的产值。

  工业互联网和工业4.0相比,更加注重软件、网络和大数据,希望促进物理世界和数字世界的融合,实际上是希望做到通信、控制和计算的集合,营造一个CPS的环境(信息物理系统)。

  链接 工业发展的四个阶段

  第一阶段:工业1.0。18世纪60年代至19世纪中期,通过水力和蒸汽机实现的工厂机械化可称为工业1.0。这次工业革命的结果是机械生产代替了手工劳动,经济社会从以农业、手工业为基础转型到了以工业和机械制造带动经济发展的模式。

  第二阶段:工业2.0。19世纪后半期至20世纪初,在劳动分工的基础上采用电力驱动产品的大规模生产可称为工业2.0。这次工业革命,通过零部件生产与产品装配的成功分离,开创了产品批量生产的新模式。

  第三阶段:工业3.0。始于20世纪70年代并一直延续到现在,电子与信息技术的广泛应用,使得制造过程不断实现自动化,可称为工业3.0。自此,机器能够逐步替代人类作业,不仅接管了相当比例的体力劳动,还接管了一些脑力劳动。

  第四阶段:工业4.0。德国学术界和产业界认为,未来10年,基于信息物理系统(Cyber-Physical System,CPS)的智能化,将使人类步入以智能制造为主导的第四次工业革命。产品全生命周期和全制造流程的数字化,以及基于信息通信技术的模块集成,将形成一个高度灵活、个性化、数字化的产品与服务的生产模式。

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