工業(yè)4.0：數(shù)字化魔方助力制造業(yè)轉(zhuǎn)型

　　世界范圍內(nèi)制造業(yè)再次崛起。無(wú)論是德國(guó)近年來(lái)提出的“工業(yè)4.0”，還是的“十二五”規(guī)劃，都強(qiáng)調(diào)了“工業(yè)化”和“信息化”融合的重要性，數(shù)字化是制造業(yè)未來(lái)發(fā)展的必然方向。而整個(gè)生產(chǎn)流程的數(shù)字化無(wú)疑是實(shí)現(xiàn)兩化融合的必經(jīng)之路。
    基于信息物理融合系統(tǒng)的工業(yè)4.0概念誕生之初，西門子再度嗅到了新一輪工業(yè)的氣息。瞄準(zhǔn)物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、工業(yè)以太網(wǎng)等技術(shù)，西門子集成了目前全球最先進(jìn)的生產(chǎn)管理系統(tǒng)，以及生產(chǎn)過(guò)程軟件和硬件，如西門子制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)軟件Simatic IT、西門子產(chǎn)品生命周期管理(PLM)軟件、工業(yè)工程設(shè)計(jì)軟件(Comos)、全集成自動(dòng)化(TIA)、全集成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(IDS)，等等。
    對(duì)于正在進(jìn)行制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的而言，西門子的數(shù)字化企業(yè)無(wú)疑提供了很好的參考樣本。分享它們“厚積薄發(fā)”帶來(lái)的收益時(shí)，企業(yè)，或許能從西門子通往工業(yè)4.0的路線圖中解讀出更多信息。
     行業(yè)趨勢(shì)
    “數(shù)字化”概念和技術(shù)引領(lǐng)制造業(yè)變革
     數(shù)字制造意味著生產(chǎn)單元和流程都擁有自己在虛擬生產(chǎn)世界里的“數(shù)字拷貝”，制造企業(yè)將能夠大幅提高生產(chǎn)力。
    日前，第十六屆國(guó)際工業(yè)博覽會(huì)在上海舉行，共有2000家展商參展，攜帶其最新研發(fā)的設(shè)備與觀眾見(jiàn)面。面對(duì)經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的變化為全球制造業(yè)帶來(lái)巨大的轉(zhuǎn)型挑戰(zhàn)，整個(gè)工業(yè)領(lǐng)域也正在經(jīng)歷一場(chǎng)制造業(yè)的大變革，“數(shù)字化”概念和技術(shù)成為最熱的名詞。
    這一變革，在展館演繹得淋漓盡致。
    記者在西門子展臺(tái)看到：他們打造“數(shù)字制造”產(chǎn)品版圖，圍繞“數(shù)字化企業(yè)平臺(tái)”、“全集成自動(dòng)化(TIA)”、“全集成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(IDS)”、“過(guò)程自動(dòng)化”、“能源效率”和“服務(wù)”幾大主題，涵蓋工業(yè)軟件、數(shù)字化硬件，以及數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的服務(wù)幾大類別的產(chǎn)品及解決方案。
    而與西門子展臺(tái)一步之遙的ABB公司展臺(tái)，則展示了包括雙臂機(jī)器人、小型機(jī)器人IRB1200、中壓傳動(dòng)產(chǎn)品ACS580MV、“i-家”無(wú)線智能家居系統(tǒng)等在內(nèi)的智能產(chǎn)品。
    在解釋數(shù)字制造為制造企業(yè)帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)時(shí)，西門子()有限公司執(zhí)行裁、數(shù)字化工廠集團(tuán)總經(jīng)理王海濱表示：“數(shù)字制造意味著生產(chǎn)單元和流程都擁有自己在虛擬生產(chǎn)世界里的‘?dāng)?shù)字拷貝’。因此，企業(yè)可以對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行模擬和計(jì)算，令虛擬的生產(chǎn)世界與現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)世界相融合。制造企業(yè)將能夠大幅提高生產(chǎn)力、縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，并提升生產(chǎn)柔性。”
    事實(shí)上，近年來(lái)，發(fā)達(dá)不斷調(diào)整經(jīng)濟(jì)發(fā)展，重振制造業(yè)。
    美國(guó)正在向他們的工業(yè)生產(chǎn)效率和質(zhì)量進(jìn)行大幅度的投資，來(lái)確保社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的繁榮，他們把這樣的做法稱為“美國(guó)制造業(yè)的復(fù)興”。
    在歐洲，來(lái)自德國(guó)產(chǎn)業(yè)界、和學(xué)術(shù)界的產(chǎn)官學(xué)專家于2013年4月首次發(fā)布了《實(shí)施“工業(yè)4.0”建議書》。德國(guó)“工業(yè)4.0”是德國(guó)確定的面向2020年的，體現(xiàn)了以其創(chuàng)新制造技術(shù)方面的優(yōu)勢(shì)開(kāi)拓新型工業(yè)化的目標(biāo)，是為進(jìn)一步抵御歐洲主權(quán)債務(wù)危機(jī)對(duì)該國(guó)的沖擊、增強(qiáng)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力以及有效面對(duì)消費(fèi)者偏好個(gè)性化和多元化的市場(chǎng)需求而提出的工業(yè)升級(jí)計(jì)劃，是對(duì)“工業(yè)1.0”(機(jī)械制造設(shè)備的引入)、“工業(yè)2.0”(電氣化的應(yīng)用)和“工業(yè)3.0”(信息化的發(fā)展)的延伸。
    “工業(yè)4.0”通過(guò)深度應(yīng)用信息通信技術(shù)(ICT)和網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)等手段，以智能工廠和智能生產(chǎn)為重點(diǎn)進(jìn)行工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域新一代關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)和創(chuàng)新，使生產(chǎn)成本大幅下降和生產(chǎn)效率大幅提高，促進(jìn)產(chǎn)品功能多樣性、個(gè)性化和產(chǎn)品性能大幅提升。
    對(duì)此，工業(yè)和信息化前長(zhǎng)李毅中表示，“工業(yè)4.0”是第三次工業(yè)的具體化，它的內(nèi)容是用物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)，把制造業(yè)的物理生命單元聯(lián)系起來(lái)，然后與傳感器、終端系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、通訊設(shè)施結(jié)合起來(lái)，這就使制造業(yè)的物理生理單元、機(jī)器、機(jī)床具有計(jì)算、設(shè)計(jì)、通訊精準(zhǔn)控制、遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)和自制自動(dòng)等功能，從而將制造者、機(jī)器、物料、環(huán)境以及用戶緊密地聯(lián)系起來(lái)，實(shí)時(shí)聯(lián)通相互連接。
    變革之術(shù)
    工業(yè)4.0真正到來(lái)可能需要20年
    制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)在于，更加注重產(chǎn)品全生命周期的管理。過(guò)去推出一款新車，可能需要七八年時(shí)間，現(xiàn)在兩三年就夠了。
    西門子在今年5月發(fā)布“2020公司愿景”，提出了公司未來(lái)將專注于電氣化、自動(dòng)化和數(shù)字化。
    在工業(yè)4.0時(shí)代，虛擬世界將與現(xiàn)實(shí)世界高度融合。通過(guò)計(jì)算、自主控制和聯(lián)網(wǎng)，人、機(jī)器和信息互相聯(lián)接，融為一體?，F(xiàn)有的技術(shù)和創(chuàng)新將被全整合到一個(gè)數(shù)字化企業(yè)平臺(tái)中。生產(chǎn)還未開(kāi)始，產(chǎn)品流程和生產(chǎn)流程中的所有環(huán)節(jié)便可以并行模擬進(jìn)行。這一雛形夢(mèng)想，目前在西門子工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品成都生產(chǎn)研發(fā)基地(SEWC)有最新探索。
    在西門子成都工廠研發(fā)生產(chǎn)一件新產(chǎn)品，它都會(huì)擁有自己的數(shù)據(jù)信息。這些數(shù)據(jù)信息在研發(fā)、生產(chǎn)、物流的各個(gè)環(huán)節(jié)中被不斷豐富，實(shí)時(shí)保存在一個(gè)數(shù)據(jù)平臺(tái)中。而這座工廠的運(yùn)行，都是基于這些數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，ERP、PLM(產(chǎn)品全生命周期管理系統(tǒng))、MES(制造執(zhí)行系統(tǒng))、控制系統(tǒng)及供應(yīng)鏈管理，全實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫的信息互聯(lián)，從而造就出了一幅透明工廠的畫面。
    比如，在縮短產(chǎn)品上市時(shí)間方面，SEWC通過(guò)數(shù)字化的方式，對(duì)設(shè)計(jì)出來(lái)的產(chǎn)品進(jìn)行模擬和仿真，這樣就去了做樣機(jī)的時(shí)間。而當(dāng)設(shè)計(jì)人員對(duì)設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行修改時(shí)，也可以通過(guò)共同的數(shù)據(jù)庫(kù)，把修改的內(nèi)容直接傳送到生產(chǎn)線，從而節(jié)了制造過(guò)程中的修改時(shí)間，使得產(chǎn)品能夠盡快上市。
    同時(shí)，SEWC還通過(guò)高度的數(shù)字化和自動(dòng)化來(lái)提高生產(chǎn)效率。在傳統(tǒng)的工廠里面，每天要由負(fù)責(zé)生產(chǎn)計(jì)劃的人下發(fā)生產(chǎn)工單，再由班組長(zhǎng)將生產(chǎn)任務(wù)分配到每個(gè)工人頭上。而SEWC則略了這些步驟，直接將生產(chǎn)工單在觸摸屏上顯示。
    而在質(zhì)量檢測(cè)環(huán)節(jié)，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)之前的工序進(jìn)行核對(duì)，從而獲得產(chǎn)品的質(zhì)量情況。
    我們可以描繪下SEWC通過(guò)“數(shù)字和物理世界的無(wú)縫銜接”的場(chǎng)景：如果你是一家汽車生產(chǎn)商的負(fù)責(zé)人，你認(rèn)為最理想的生產(chǎn)狀況是怎樣的?例如，你收到了生產(chǎn)200輛卡車和200輛轎車的訂單，你是先生產(chǎn)200輛卡車，還是將大卡車與小轎車混合交替生產(chǎn)?
    如果先生產(chǎn)200輛卡車，則會(huì)產(chǎn)生大量的待售品，占用更多的現(xiàn)金流。理想的生產(chǎn)狀況是進(jìn)行靈活的小批量、多批次生產(chǎn)，使生產(chǎn)得以均勻、連續(xù)，這樣產(chǎn)生的庫(kù)存待售品才最優(yōu)，而且生產(chǎn)過(guò)程的原材料消耗會(huì)更少，現(xiàn)金流也更為順暢。
    對(duì)此，王海濱表示，“制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)在于，更加注重產(chǎn)品全生命周期的管理。過(guò)去推出一款新車，可能需要七八年時(shí)間，現(xiàn)在兩三年就夠了。這就是未來(lái)的趨勢(shì)，核心在于，怎么加快產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、上市、服務(wù)時(shí)間，如何縮短整個(gè)過(guò)程耗費(fèi)的時(shí)間。”
    當(dāng)然，這場(chǎng)變革將是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程，工業(yè)4.0的真正到來(lái)可能需要20年左右的時(shí)間。他將這一“漸進(jìn)的過(guò)程”稱作“工業(yè)3.X”。
    “工業(yè)3.X”范本應(yīng)用在許多領(lǐng)域
    比如生產(chǎn)一支筆，利用產(chǎn)品生命周期管理(PLM)軟件，從研發(fā)到制造基于同一個(gè)數(shù)據(jù)平臺(tái)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力費(fèi)錢的工藝都可以下來(lái)。
    目前，西門子已經(jīng)將“工業(yè)3.X”的范本應(yīng)用在的許多領(lǐng)域。
    以華潤(rùn)水泥(封開(kāi))公司的節(jié)能增效解決方案為例：水泥原料中約80%的成分是石灰石，分布于石灰?guī)r礦豐富的山區(qū)。華潤(rùn)水泥(封開(kāi))有限公司的石灰石礦場(chǎng)位于距離生產(chǎn)基地63公里的山區(qū)，若使用汽車運(yùn)輸原料，其成本約為11.3萬(wàn)元/天，這將帶來(lái)巨大的運(yùn)輸及能耗成本。經(jīng)過(guò)周密規(guī)劃，華潤(rùn)封開(kāi)水泥在石灰石礦場(chǎng)和生產(chǎn)基地之間了一條運(yùn)輸皮帶廊。
    皮帶廊全程規(guī)劃為52公里(一期40公里已建成運(yùn)行)，相當(dāng)于北京三環(huán)路的全長(zhǎng)，通過(guò)衛(wèi)星也清晰可見(jiàn)，年運(yùn)輸能力達(dá)到1000萬(wàn)噸，堪稱水泥行業(yè)世界之最。
    要讓40公里的皮帶廊帶著5000多噸的物料運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)，需控制不同節(jié)點(diǎn)的電機(jī)同步運(yùn)行。為了保障穩(wěn)定運(yùn)輸，皮帶廊被分為3大段，均采用Simatic PCS7控制系統(tǒng)，皮帶上不同節(jié)點(diǎn)裝有張力傳感器，控制系統(tǒng)根據(jù)張力反饋，通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)各分電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以讓皮帶在15分鐘內(nèi)快速啟動(dòng)。
    石灰石從礦場(chǎng)運(yùn)輸?shù)綇S區(qū)只需短短兩個(gè)小時(shí)。在西門子技術(shù)的協(xié)助下，皮帶廊低成本高效運(yùn)轉(zhuǎn)，與汽車運(yùn)輸相比，每年節(jié)約費(fèi)用1.79億元，節(jié)約燃油1.4萬(wàn)噸，減排二氧化碳4.2萬(wàn)噸，成為華潤(rùn)封開(kāi)水泥的驕傲。
    亞洲最大的紙漿和紙張制造商之一的亞洲紙漿紙業(yè)集團(tuán)(APP)，在浙江寧波市的造紙廠是另一個(gè)范本―借助全集成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，能源消耗和二氧化碳排放量大減。由此，該造紙廠每條生產(chǎn)線年均節(jié)數(shù)千萬(wàn)元的開(kāi)支，年均停機(jī)時(shí)間被保持在最低的12.5小時(shí)。
    此外，汽車生產(chǎn)設(shè)備制造商柯馬(上海)工程有限公司采用西門子的產(chǎn)品生命周期軟件，借助虛擬仿真技術(shù)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的缺陷及問(wèn)題，在投產(chǎn)前就加以校正，使得設(shè)計(jì)與規(guī)劃實(shí)現(xiàn)“所見(jiàn)即所得”(生產(chǎn)線模擬的精準(zhǔn)度為98%)，把產(chǎn)品上市時(shí)間縮短了20%―30%。
    西門子()有限公司工業(yè)業(yè)務(wù)領(lǐng)域驅(qū)動(dòng)技術(shù)集團(tuán)總經(jīng)理林斌這樣描述這種變化：“比如生產(chǎn)一支筆，傳統(tǒng)做法是先出一張圖紙，然后調(diào)整機(jī)床參數(shù)去開(kāi)模做出樣品，圖紙返回研發(fā)門經(jīng)過(guò)比對(duì)修改，才能進(jìn)入生產(chǎn)線。但利用產(chǎn)品生命周期管理(PLM)軟件，從研發(fā)到制造基于同一個(gè)數(shù)據(jù)平臺(tái)，在設(shè)計(jì)時(shí)就可以將這支筆的特點(diǎn)、長(zhǎng)度、直徑等參數(shù)，直接與下游加工機(jī)器的數(shù)據(jù)同步，通過(guò)仿真就可以將設(shè)計(jì)定型，直接上線生產(chǎn)，完全不需要紙質(zhì)圖紙。傳統(tǒng)制造節(jié)奏改變了，費(fèi)時(shí)費(fèi)力費(fèi)錢的工藝都可以下來(lái)。”
   問(wèn)道前路
    發(fā)改委宏觀經(jīng)濟(jì)研究院研究員王海峰
    要有更加靈活的制造和生產(chǎn)
    隨著工業(yè)4.0理念的不斷深入，一場(chǎng)新的工業(yè)即將席卷全球，如何幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)更高的效率和生產(chǎn)力，更短的產(chǎn)品上市時(shí)間，以及更大的靈活性。
    發(fā)改委宏觀經(jīng)濟(jì)研究院研究員王海峰博士表示，的工業(yè)界在過(guò)去幾十年當(dāng)中取得的巨大進(jìn)展，在取得的這些進(jìn)步是非常鼓舞人心的，也是令全球矚目的。現(xiàn)在工業(yè)已經(jīng)發(fā)展到了一個(gè)新階段，制造的產(chǎn)品越來(lái)越先進(jìn)，像高鐵、計(jì)算機(jī)、先進(jìn)機(jī)械、汽車、飛機(jī)和宇宙飛船，對(duì)于的制造業(yè)和工業(yè)來(lái)說(shuō)一切皆有可能，都有能力去制造。
    在王海峰看來(lái)，一個(gè)不可忽略的是，過(guò)去工業(yè)界的結(jié)構(gòu)是非常清晰的，各個(gè)公司可以通過(guò)規(guī)模效應(yīng)來(lái)降低成本，并且可以在每一個(gè)生產(chǎn)流程去推動(dòng)生產(chǎn)力的提高，但是這樣的時(shí)代已經(jīng)一去不復(fù)返了。隨著全球化的進(jìn)一步加速，資源變得更加稀缺，而國(guó)際價(jià)值鏈在不斷地被催生。在這樣全球競(jìng)爭(zhēng)的環(huán)境下，我們必須要有更加靈活的制造和生產(chǎn)。
    西門子股份公司管理成員、工業(yè)領(lǐng)域首席執(zhí)行官魯思沃教授持相同觀點(diǎn)。他表示，今天我們不光要強(qiáng)調(diào)員工的生產(chǎn)效率，同時(shí)整個(gè)企業(yè)在資源和能源上也要更加高效。我們今天不僅僅要提高生產(chǎn)速度，還要縮短產(chǎn)品上市的時(shí)間。當(dāng)一個(gè)產(chǎn)品新的創(chuàng)意產(chǎn)生到消費(fèi)者能夠用上產(chǎn)品，這個(gè)時(shí)間要不斷縮短，雖然產(chǎn)品本身在變得越來(lái)越復(fù)雜、產(chǎn)品的版本也越來(lái)越多。
    “今天我們要滿足客戶更加復(fù)雜的需求，現(xiàn)在客戶可以在線對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行配置和定制，并且要一鍵點(diǎn)擊就能夠完成一站式的交付?！濒斔嘉终f(shuō)，這使得制造業(yè)面臨著前所未有的快速變化，在這樣新的世界當(dāng)中過(guò)去的方法或秘訣不再能夠帶來(lái)持久的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)了。
    魯思沃提醒說(shuō)，開(kāi)啟數(shù)字制造時(shí)代，企業(yè)需要在硬件和軟件上都有所準(zhǔn)備。基礎(chǔ)自動(dòng)化條件應(yīng)該要具備。如果車間里機(jī)械設(shè)備都還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，設(shè)備和設(shè)備之間也沒(méi)有用自動(dòng)化連接起來(lái)，也不存在覆蓋全廠的通訊網(wǎng)絡(luò)，那么自動(dòng)化改造很難實(shí)現(xiàn)。

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