德国工厂实践“互联网化”:第四次工业革命开端
张海平 张海平

德国工厂实践“互联网化”:第四次工业革命开端

有人说信息产业将会颠覆传统工业,i黑马认为“颠覆”这个形容词并不准确。信息产业将会和传统工业相融合,最终产生第四次工业革命的到来,而这一切已经在德国发生。

有人说信息产业将会颠覆传统工业,i黑马认为“颠覆”这个形容词并不准确。信息产业将会和传统工业相融合,最终产生第四次工业革命的到来,而这一切已经在德国发生。


如果有人说“工厂会解决当前全球面临的问题”,您可能会觉得这是在说大话。但现在真有一个国家正在努力实现这一宏伟概念,这个国家就是德国。

现在,德国政府提出了高技术战略“工业4.0”,并开始推进这个产官学一体项目。如果用一个词来概括这个概念,那就是“互联工厂”。就是通过互联网等通信网络将工厂与工厂内外的事物和服务连接起来,创造前所未有的价值、构建新的商业模式,甚至还能解决很多社会问题。本文将简述从工业革命1.0到工业革命4.0,并结合在 2013 汉诺威工业博览会上所了解到的一些关于第四次工业革命的探讨。

受中国液压气动密封件工业协会委托,笔者观摩参与了德国汉诺威 2013 工业博览会。这次汉诺威博览会的热议话题是“第四次工业革命”。

“第四次工业革命”(Industrie 4.0)最早是在 2011 年汉诺威博览会上,由三位大学教授提出来的。

制造业在德国的国民经济中(创造的价值)占26%。作为提升传统制造业的战略发展方向,112页的实施建议由项目研究组在2012年10月2日提交给德国联邦政府此项目牵头的教育科研部(BMBF)、经济部(BMWi)和内政部(BMI)。已拨款2亿欧元(约16亿人民币)作为第一步的研发经费。

这是一场有组织的革命。德国的机械设备制造协会(VDMA)、电子工业中央联盟(ZVEI)和信息通讯新媒体协会(BITKOM)有史以来第一次搭建了一个联合工作平台,2013年4月开始工作,任务之一就是协调已有的和要开始的研究项目。

在德国,工业革命是如此认定划分的:

第一次,机械化。从18世纪末开始,蒸汽机逐步取代人力。

当时,机器采用集中动力驱动,动力从上空的动力轴通过皮带传给机器。

机械制造,之前已开始有分工,但直到采用新动力方式,才开始如今天的形态。

机床制造,作为一个行业,最早从英国开始。“Made in Germany”就是当年英国人在德国人造的机床上贴的(作为劣质品的)警告标志。

第二次,流水线生产。始于1913年美国人福特采用流水线制造汽车,规格化生产,成本大大下降,价格从850US$降到370US$。但同时也大大地放弃了个性化。

机器和流水线开始逐步由电驱动,更易控制。

第三次,自动化。始于1974年。当时在德国一个小地方(Neuhausen im Enzkreis)的一个小企业(Klaschka GmbH)研发出了由集成电路制成的PLC(可编程逻辑控制器)。控制逻辑,相对继电器组成的控制器,可以更方便更灵活地更换修改,迈出了微处理器控制工业应用的第一步。但当时正值冷战,没有人想到这个小东西会对工业生产带来如此大的变化,以致值得称之为革命。以后,硬件水平、集成度不断提高,采用了C语言和更高级的编程语言,不仅可以描述简单的与或逻辑关系,还可以描述各种复杂的控制策略(PID、自适应、自学习等等),现在已被广泛使用,几乎无处不在。

一个典型的例子是汽车工业。在上世纪八十年代末,美国麻省理工学院完成的一项耗资500万US$的调研报告“改变了世界的机器”说,日本汽车工业之所以能在20年里抢占世界三分之一市场,除了“苗条”(零库存)工厂外,最重要的一点是因为广泛实现了装配自动化,机器人辅助的装配大幅度地提高了质量与生产率,因此,今后美国和欧洲的汽车工业很难与之竞争。但是,德国的汽车工业挺住了,其中一个原因就是,德国的机器人中都装有PLC,程序可以灵活地不断更换改进。

而第四次工业革命的目标则是工厂智能化,Intelligente Fabrik(Smart Factory)。

中心:让网络技术进入制造业。

背景:今后制造业将面临的形势——紧缺的资源、能源转变、员工年龄结构改变、全球化。

技术基础:网络和空间分布系统、顺畅的通讯,宽带速度达7000Mbit/s。

特点:灵活易变、高资源效率、考虑人类工程学、以及使企业与顾客、业务伙伴最紧密地结合。

设想的变革大致在以下几个方面。

1) 生产工艺与信息技术融合

目前所说的数字化工厂,首先强调的是生产计划数字化和大量使用各种计算机辅助技术:CAD、CAM、CIM、PPS(生产计划控制系统)、PDM、DMU(数字试验模型)、PLM(产品生命周期管理),等等,较多地是基于一个相对固定、由上而下的生产集中控制系统。而新的革命强调的则是分散,降低集中控制度,增加生产设备的自主控制,把分散的自主的智能化的制造设备,通过网络的形式紧密地联接在一起,具有更开放,更积极通讯的系统结构,更具动态性和灵活性,从而能发掘出更多优化的可能,估计可以提高生产效率 30%。其中,CPS 将起一个核心的作用。

CPS——Cyber-Physical System,网络实体融合控制系统是一个由传感器、控制电脑、执行器以及网络组合的控制系统。

目前在某些领域,例如航空、汽车、化工生产、基础建设、能源、健康、制造、交通控制、娱乐和消费性电子产品等等,已出现了类似于 CPS 的电子组合控制系统,但这些系统目前通常都是嵌入式系统,比较强调其运算控制能力,CPS 则更强调实体装置和电脑网络的连结。

CPS 是借用技术手段实现人的控制在时间、空间等方面的延伸,本质就是人、机、物的融合。所以,也被称为人机物融合系统。

2)产品个性化

生产高度灵活的工厂可以迎合顾客对产品个性化、多样化、不断改变的要求,可以通过现代化的手段,以大批量生产的成本,制造批产量 1 的产品。从某种意义上说,回到了第一次工业革命之前。顾客与工厂频繁交流沟通,不仅在订合同前,而且在下订单后、设计、加工、装配、调试阶段。因此,顾客甚至可以在产品生产过程中改动他的订单细节。

力士乐泵厂,虽说年产 100 万台以上,但十几个大类,每类有十几个规格,每个规格的变量功能有十几种,不同的限压、恒功率值等等要设定。因此,最终产品好几万种,每批量并不很多。灵活多变的管理是极其重要的。

3)生产人性化

通过工厂智能化,更多的员工可以有灵活的工作时间,因此工作更安心了。

利用网络,生产可以分散,从而可以分散能量供应。

利用网络,员工可以就近,甚至在家里上班。他们问道,如果大量员工每天长途开车上班,到厂里再花很大力气节能减排,又有多大实际意义呢?

图 1 为一个设想的工厂,一个设想的网络化工厂。

A. 所有加工设备、待加工部件(运输小车)、装料机器手都装有 CPS,都具有无线上网功能。

B. 待加工部件不通过中央控制器,直接与加工设备联系确定,到哪台设备进行哪些加工。工件控制工厂。

C. 负责下道工序的加工设备直接调用待加工件,独立自主的运输小车根据地下铺设的感应线路,把工件送给装料机器手。

D. 所有后续工序需要的产品信息,包括生产销售文件都由各工件自己携带。

E. 如果出现差错,或顾客的特别要求与现有的 CAM 数据不符,研发部的工程师会立刻得到报警。补充改进措施会立刻在一个虚拟的试验环境下检查,然后发给工件。德国应用技术研究院的制造设备与生产技术研究所(IPK)与柏林工大的机床与工厂管理研究所合作,自 2008 年起就建立了一个名为 Sopro(生产自我组织)的示范性车间,以笔记本电脑模拟产品,自我安排加工,起中心领导作用。在 Kaiserlautern 市的人工智能研究中心已经建立了一个示范工厂(图 2),20 个企业参与了工厂的运营。

图 2 一个示范工厂

德国 Wittenstein 公司在斯图加特市内新建了一个所谓“住宅区工厂”,机床、生产工具和半成品都已联网,产品细节在最后一分钟还可以更改。制造的精密齿轮被用于方程式 I 的赛车、航空与航天等设备中。

力士乐公司推出了开放核心(图 3),即工程师可以用各种高级编程语言,通过各种编程工具,从各类硬件的各种操作系统出发,调用核心的控制功能,完成各种应用。演示模型是一个平板电脑,通过无线网络(W-LAN),控制一个六自由度的平台,随平板电脑摆动。

图 3 力士乐推出的开放核心

图 4 为力士乐设想的将来的工厂,全自动车间,技师带着平板电脑,利用无线网络,与各设备联络,了解情况,调整状况。

“第四次工业革命”在 2013 汉诺威工业博览会上也被广泛地讨论了。较普遍的意见是:

1)德国在机械制造、自动化及信息技术方面已经很强大,德国经济就是依靠 know-how(技能)、高质量和首创的产品生存,所以,有最好的前提条件,在第四次工业革命中起领导作用,以保持并扩大德国制造业的传统核心和国际领先地位。

2)第四次工业革命不会是一个从今天到明天,一下子抛弃全部已有设备的突变,而是一个渐进的过程(2020-2030年)。前几次工业革命中,每个阶段也都延续几十年。因为,在进行实质性的工程技术改造之前,首先需要的是,在参与者的脑子里发生改变,要进行跨技术领域的思考。现在,经济界、法律界、工会都已参与进来。

3)很重要的是要注重实效,不断改进、不停创新。

4)最终要赢得的是商业伙伴和员工。如果做不到这点的话,所有闭门思考出来的方案都是没有用的。


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