如何玩转“工业4.0”?(组图)_0

2019-06-10 11:29

  2013年初,以3D打印技术为潮流的制造业革命,被普遍认为是第三次工业革命的重要标志。第三次工业革命的标志性特征是电子信息化时代的数字化生产,是由大规模生产转向大规模定制的整体转型。正当人们还在为方兴未艾的3D打印技术而兴奋时,似乎突然冒出来的工业4.0概念就已甚嚣尘上了。

  不久的将来,我们吃的药是根据每个人的基因来配方的;我们的早餐可以根据个人的口味和营养需求来调配生产;工厂生产线可以按照工人希望的时间开工,无需担心下午3点没法去接孩子;生产车间里是机器告诉机器下一步做什么,而非中心控制台的技术员在操作。

  德国人工智能研究所首席执行官兼科学总监沃夫冈瓦尔斯特(Wolfgang Wahlster)教授告诉《第一财经日报》记者,这些现在的愿景都将通过工业4.0的技术和生产方式在不久的将来成为实现。

  自从2013年汉诺威工业展上,德国向世人第一次演示了智能工厂(Smart Factory)的模拟生产过程之后,德国工业4.0就成为了产业界和经济界的热门话题。而且,一场机器与机器对话的工业革命,正在德国各地悄悄兴起。那么到底什么是工业4.0?为什么这个听上去非常抽象的名词,关联到的却是一场改变人类生产方式的革命?

工业4.0

工业4.0

工业4.0

  到底什么是德国工业4.0?

  瓦尔斯特说:德国工业4.0是德国政府推行的新一代智能工厂计划,以物联网(Cyber-PhysicalSystem)为基础。这意味着网络进入工厂大生产,是一个崭新的工业制造逻辑和方式。过去是以中心控制指挥系统,每一分钟对机器发出指令。现在我们有了完全不同的生产结构,按照商品所附带的信息,由这些信息告诉机器需要什么样的生产过程,以制造出符合客户要求的产品。所以,工业4.0是第四次工业革命,因为这是向符合个体化需求的大生产方式转变。

  瓦尔斯特是最早提出工业4.0概念的人士之一。他在德国中部小城凯泽斯劳滕(Kaiserslauten)的智能工厂里,向远道而来打探虚实的本报记者解释:所谓物联网系统,就是通过网络、实体物件之间的相互连接,而且应用相同的语言,进行沟通并相互理解。运用到工业生产中,最重要的是产品和机器之间的信息互联和沟通,由产品上的信息告诉机器设备去做什么。

  目前德国和国际制造业主要和普遍采用的是嵌入式系统,这是一种将机械或电气部件完全嵌入到受控器件内部,为特定应用设计的专用计算机系统。德国嵌入式系统在全球的市场巨大,每年获得的市场效益高达200亿欧元,到2020年翻番。而工业4.0正是在嵌入式系统技术基础上的革新,并逐步过渡到智能生产。

  记者同时了解到,所谓的德国工业4.0,事实上是德国政府2012年发布的10项未来高科技战略计划中的一个内容,是一项由政府投资2亿欧元,针对如何保证德国制造业傲立世界顶尖地位的产业革命计划,即在10~15年的时间里,通过物联网系统完成大生产,最大程度地实现生产全自动化、个性化、弹性化、自我优化和提高生产资源效率,降低生产成本的全新生产方式,以实现革命性、大幅度提高生产力的最终目标。根据德国国家科学与工程院的研究,估计企业的生产效率可以通过工业4.0提高30%。其次,实现资源的最佳利用,以保护环境,因为能源和原材料的使用越高效,对环境的污染就越少。

德国制造

  德国工业4.0计划,目前正由德国人工智能研究所的智能工厂与众多和信息技术、机器人技术、激光感应技术相关企业合作,进行技术试验。其中部分研究成果已开始在德国的大企业,如博世、西门子、巴斯夫的个别产品生产流水线上进行尝试性实施。

  智能工厂究竟有多智能?

  坐落在大概只有足球迷才知道的德国中部小镇凯泽斯劳滕,神秘的智能工厂给记者的第一印象是非常卡通。不超过200平方米的厂房里摆放了两排小型机器。其中罩在玻璃中的,正是那台曾在汉诺威工业展上初露神姿的智能名片盒的流水线。

  德国人工智能研究所研究部副总监、在智能工厂做研究工作已经4年的多米尼克高瑞奇(DominicGorecky)博士向记者完整展示了用智能技术制作个人名片盒的整个生产过程。

  第一步通过无线电射频技术(RFID)从电脑采集和储存个人信息及产品信息,建立一个产品个体身份,这些信息将在生产流水线的各个环节被射频感应器阅读获得,然后向制造设备发出满足该产品的信息指令;第二步将有了个人身份的名片盒的底盘部分放入生产流水线;第三步,在具有身份的底盘进入装配程序之后,被扫描到的射频码会告知流水线上的机器人先在底盘放一个夹子,然后套上客户指定颜色的封盖;第四步在名片盒的封盖上建立一个包含了名片上个人信息的二维码,也就是将名片信息数码化,用智能手机扫描二维码,这些信息就可以被该手机获得并通过互联网进行实时传播;最后对产品进行质量检测,保证该产品是根据具体客户而生产,产品完全符合该客户的个人要求。

  多米尼克向记者解释,智能生产除了由机器对机器进行对话发指令之外,还有一个非常重要的部分就是灵活性和模块化。在智能流水线上,安装着不同性能的组件模块,每一个组件都符合具体客户在电子和机械两个方面的需求标准,并可根据实际需要添加或拆卸,以便随时按照客户的具体要求来对产品进行调整。

  记者在现场看到,在这个名片盒的生产过程中,除了人工将零配件装入流水线之外,所有程序都是通过设备与设备之间的数据阅读,由机器人自动完成。整个生产过程,涉及的技术包括二维码、射频码、机器人软件程序及数据分析等。

  在德国联邦贸易与投资署出版的一本关于德国工业4.0的宣传册上,记者进一步了解到,物联网在工业生产上的运用催生了智能工厂。而智能工厂的信息传递途径是通过建立于云计算基础上的具有安全保障的网络系统进行的。智能工厂代表了一场产业革命,不仅是创新意义上的,也是在节约生产时间、成本等方面卓有成效、最大程度提高生产力的革命,由此给市场创造出更新更大的机会。

  德国国家科学和工程院院长、工业4.0工作集团主席卡格曼(Henning Kagermann)在柏林接受《第一财经日报》记者采访时介绍:目前那些为制造业生产设备的企业和技术,比如通快集团(Trumpf)的激光技术、西门子生产的机械设备等,那些使用这些设备、以工业4.0模式生产产品的企业和公司,还有那些为自动化生产企业提供感应技术和机器人及信息通信技术的企业,如德国电信等,都从不同方面和角度,参与到推进工业4.0的进程中。以西门子和博世为例,这些企业的产业系统基础好,也有很高端的产品。比如博世建设智能系统的能力和技术都很强,他们擅长将所有的知识融合起来,创造最合适的生产环境。

  为了更加直观和具体地了解实际生产中工业4.0的推广运用情况,记者经过5个小时、3次换乘的曲折火车旅程,从凯泽斯劳滕来到了更鲜为人知的阿尔卑斯山脚小镇布莱夏赫(Blaichach)。给当地提供3000多个就业岗位的博世伊门斯塔特工厂(Bosch Immenstadt Plant)依山而建。作为德国大型龙头企业之一的博世,是实践德国工业4.0的先驱,其洪堡工厂柴油发动机喷油器装配流水线有效应用工业4.0技术原则,通过安装射频码,实现机器与机器的对话,更大程度实现自动化,早在今年夏季就已见诸报端。此次本报记者探访的伊门斯塔特工厂,主要以生产汽车刹车系统和汽车燃油供给系统零配件为主,其生产流水线也正在向更加智能化的方向进发。

  看博世如何实践4.0

  专门负责4.0推进工作的阿德寇莱克(Arnd Kolleck)博士告诉本报记者,伊门斯塔特工厂实施工业4.0计划包括5个内容:智能化原材料输送、国际生产网络系统、流水线操作状况监控和支持系统、远程技术支持和高效设备管理系统。

  记者首先被带到了整洁敞亮的汽车刹车系统生产车间。作为全球第一大汽车技术供应商之一,博世的汽车刹车系统(ABSESP)在市场上有相当的实力。

  现在你们看到的原材料输送系统是高自动化的。包括登记注册、下订单、确认和追踪等程序都通过射频技术(RFID)的运用达到高度自动化。生产程序的精简进一步有效提高了生产力。寇莱克介绍说。

  记者看到,现场每一个装有原材料的盒子上都贴有射频码,也就是这盒零部件的身份证。射频码会自动连接到货车车牌号和一个独一无二的产品号。在之后的上线生产中,这些含有信息的射频身份证,通过射频识别,在整个生产流程中提供生产步骤信息。装有零部件的盒子从货车上卸载后,就被输送到生产区域。盒中的零部件用完后,又在特定环节通过盒子上的射频码识别进入网络系统,然后自动向供应商提出新的订货要求。这种高自动化原材料输送系统,可以增加可视化,从而减少库存,降低消耗,提高效率。

  在之后的环节中,记者对国际生产网络管理系统(InternationalProductionNetwork,IPN)最感兴趣,认为最能体现大数据和互联网在工业生产中的运用。记者看到整个车间中有3条生产线在紧张工作中。寇莱克告诉记者,这是通过同一网络管理系统进行管理的生产线,目前在全球8个国家设立了20条生产线,中国苏州的博世工厂也有一条。这个国际生产管理系统通过大量的数据收集和分析,实时保证所有生产线持续不断地标准化生产。

  每天,全球20条生产线的生产情况都通过网络上传到系统,生产线总管发布分析系统上的信息给操作和技术人员,比如存在什么问题,哪条生产线的速度减慢了,哪里出现了故障。然后根据了解到的这些信息,来计划安排每天的工作,布置任务,解决各个环节上可能出现的问题,并保证生产线上产品的质量。按照寇莱克的说法,生产线每一秒的速度变化,都关乎几百万欧元的利润。

  再来看一下生产流水线上的故障情况如何处理。首先,流水线的具体表现及有关数据的分析都通过生产系统自动跟踪,如果出现故障或问题,流水线操作员便会接到系统信息,使用iPad或者其他连接系统网络的设备,在系统上进行标准化的纠错。利用这种技术进行操作,一般都不会影响到整条线的正常工作。

  但如果现场操作员不能解决问题的话,进一步的解决方法还可以动用视频等现代传播和通信手段,比如智能手机,通过互联网由更高级的专员技术人士来进行远程指导,这可以充分利用散布在全球的博世专家资源。

  最后还要提到的是设备维修和管理的智能化。以博世伊门斯塔特工厂另一重要产品汽车供油系统零配件为例。因生产此零配件的材料是高强度塑料,生产过程中需要极端高温,因此对生产设备的损伤非常严重,需要经常维护和更换。博世为了最大程度地延长设备寿命,最有效地使用该设备,减少不必要的投资,给每一个设备安装上射频码,利用生产执行系统(ManufacturingExecutionSystem),将每一个相关机械设备的数据信息进行储存和显示。这些信息包括了该设备的运作情况、寿命、维护保养时间表等,这样就可以根据需要,一边保养,一边更换,一边生产,有秩序有节奏地迅速完成设备的维护和更换,由此最大程度地提高效益,降低投入。

  竞争力、商业价值及中国

  任何一次工业革命,实现生产力跨越的目的毫无疑问都是为了更大程度地解放劳动力,获取更广阔的市场。工业4.0也不例外,在国际市场竞争异乎寻常激烈的今天,以制造业为支柱,出口依赖性很强的德国经济,显然是希望借助生产方式的改变和新市场的开拓来实现经济增长的飞跃。

  工业4.0的物联网技术,通过软件系统、网络信息系统方面的基础设施来实现,不仅仅是改善和提高生产力,从而力争保持制造业老大哥的地位不变,也必定会带来新的商业模式和新的蓬勃商机。

  德国是一个机器和技术出口国,推广与工业4.0相关的各种技术,出口工业用软件已经在德国机械出口中起到了越来越举足轻重的作用。瓦尔斯特告诉《第一财经日报》记者。

  承担着推广和宣传德国、促进外贸、吸引外资任务的德国联邦贸易与投资署,在让世界了解工业4.0方面已经开展了不少工作。他们以德国,智能解决方案,更智能商业为题的活动在世界各地展开。该署服务主管阿辛姆哈特西(AchimHartig)在柏林接受本报记者采访时说:工业4.0的核心挑战是行业间的高度合作和融合。

  当记者提到中国对智能工业发展兴趣浓厚,工业4.0目前是不是已经在中德投资贸易方面成为重要内容时,哈特西表示,这只是时间问题。工业4.0首先要在德国国内得到实践和发展,使制造业和信息网络通信业得以更好地融合。与此同时,德中之间在学术课题研究等方面的合作一直非常频繁。一旦德中两国在工业和信息技术方面的合作进一步深化,那么其力量将会非常强大。

  你准备好了吗?

  可以这么认为,工业4.0对人类最大的贡献,就在于其智能辅助系统可以把工人从单调和程序化的工作中解放出来,使其能够将精力集中在创新和增值业务上来。从长远看,灵活的工作组织形式使工人们能够更好地整合自己的工作、私人生活和职业生涯发展,为工作和生活找到一个更好的平衡点。

  被誉为汽车界的苹果的特斯拉就是一个典型案例,其成功在一定程度上与工业4.0的理念不谋而合。它对自己的核心定位不是电动车,而是一个大型可移动的智能终端,具有全新的人机交互方式,通过互联网终端把汽车做成了一个包含硬件、软件、内容和服务的体验工具。它的成功不仅仅是电池技术的突破,更得益于将互联网思维融入了汽车制造。

  工业4.0时代将带来具有颠覆性的想象空间。美国自动缝纫机技术公司断言:别看美国每年从中国、越南等国家进口大约1000亿美元的服装和缝制品,我们研制的自动技术,看起来能使剪裁和缝纫的成本低于中国。

  工业4.0虽是舶来的概念,但与我国经济转型升级、制造业转型升级的基本趋势一致,特别是与工业化、信息化两化融合高度契合。今年10月,中德两国签订了《中德合作行动纲要》,中国希望在工业4.0方面和德国加强合作。高端装备制造国产化和自动化,囊括车联网和智能安防网络等智慧产业,这些都将成为未来发展的重点方向。面对这一浪潮,我国的企业界必须行动起来了。

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