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工业4.0技术催生下一场生产革命

2019-07-11 10:54 出处:未知 人气: 评论(

  第一次工业革命是水和蒸汽动力带来的机械化。第二次工业革命是电力的使用使大规模生产成为可能。第三次工业革命是电子工程和IT技术的采用,以及它们带来的生产自动化。工业4.0是第四次工业革命。相对来说,这一次变革仍然处于起步阶段。依靠高级的软件和能够通信的机器设备,工业4.0将使工业生产进一步优化。

  工业4.0的关键是智能工厂。智能工厂是一种高能效的工厂,它基于高科技的、适应性强的、符合人体工程学的生产线。智能工厂的目标是整合客户和业务合作伙伴,同时也能够制造和组装定制产品。

  而且,未来的智能工厂将很可能在生产效率和安全性方面具有更大的自主决策能力。工业4.0更多的是依靠机器进行工作并解释数据,而不是依靠人类的智慧。当然,人的因素仍然制造工艺是核心,但人更多地是起到控制、编程和维护的作用,而不是在车间进行作业。

  工业4.0的核心技术是什么?

  目前是一个工业4.0时代,也是所谓第四次工业革命,按照马克思指出的那样,工业革命不仅仅是生产力的快速提升,同时还是生产关系的改变。那我们所处的时代真正的核心驱动力是什么?

工业4.0技术革命

  大约250年前,英国发生了第一次工业革命。当时英国因为工人工资比较高,资本家发动了各种技术革新,期望解决工人工资较高的问题,其中机械化的纺织机就是最为典型的代表。机械化的应用,促进了机械化技术在其他领域的广泛应用,从而导致了全社会掀起了一股机械化改造传统生产的浪潮。

  在第一次工业革命之后100年,又开始了第二次工业革命,也就是所谓工业2.0,这一次是以电气化为代表的技术广泛应用为特征。伴随着的是管理的革命。生产车间的流水线应用,大大促进了大规模生产制造的发展,并且产生了一个新的阶层(工业1.0产生了工人阶级)专业管理层。按照哈佛商业历史学家钱德勒在《规模与范围》中的定义,英国是个人资本主义,德国和美国都是管理资本主义,也就是说英国比较重视个人及家庭对工厂的控制,而德国和美国广泛的雇佣专业管理人员来对工厂进行管理,这是它们之间的差别,同时也是英国在工业2.0时代落后的一个重要原因。

  在其后发生的工业3.0,距今不过50年。工业3.0时代是一个信息技术广泛应用的时代,在这期间,美国等传统的工业强国积极发展新型电子工业和互联网产业,相对弱化了传统的机械制造等工业,这期间中国制造随之逐步崛起。

  从工业1.0、2.0和3.0的发展历史来看,技术创新毫无疑问扮演了非常重要的角色。即便进入了工业4.0时代,技术创新仍然会扮演核心驱动的角色。其中有三大技术特征--高度自动化、高度信息化和高度网络化,并简称为三个高度。

  这些技术计实际载体也正改变着我们的生活。比如基于电机驱动系统工业机器人,电动汽车,高铁,高精度机床等。电机驱动系统是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术等多学科而形成的高新技术,电机驱动系统的应用情况,也代表着一个国家工业自动化水平的重要标志。

  电机驱动系统的发展也离不开测试技术的发展。电机驱动系统是由电机和控制器组成,要实现更加完整测试电机运行系统的性能,那不仅要对电机进行稳态测量,而且也要对电机驱动系统的动态性能进行分析,传统测功机已经很难满足测试条件。致远电子在电机驱动系统测试技术上实现技术创新,可对电机驱动系统的稳态性能和动态性能同时测量,让国内电机测试技术进入动态时代。

  德国人创建了新的生产环境,包括新的管理、流程、模型等,还提供新的智能生产装备和新的技术手段。将推动德国的机器人、制造成套装备、IT 技术、控制技术、信息技术等核心产业的变革,并加入到工业4.0 体系内。

  1.信息物理系统(CPS)

  CPS形式网络通过(无线)传感和驱动,能够应对不断变化的环境,甚至预测物理系统过程的变化。

  2.云计算

  云计算让储存在本地的应用程序或者服务连接到物联网变得可能。

  3.大数据分析

  大数据是指大到那些典型的数据库软件工具无法收集、储存、管理和分析的数据集。大数据分析方法让工业智能化变得可能,比如说机器学习。

  4.(IT)系统安全

  数据、数据的传播以及所有其它工业系统、机器设备和原件都需要被充分保护,免于遭受网络攻击。

  5.增材制造/3D打印

  增材制造(Additive Manufacturing,AM)技术是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术,相对于传统的材料去除-切削加工技术,是一种自下而上的制造方法。

  6.增强现实(HMI)

  使用增强现实眼镜的工人可以通过远程接受指令来正确装配零件或者协助调试。

  7.机器人/人形机器人(HMI)

  新技术使交互更安全,比如让机器人去人类无法达到的地方执行任务,这些机器人往往被设计成人类的样子。

  自动化技术朝着工业4.0发展

  德国的工业4.0概念是建立在德国在自动化装备全球领先的优势地位上,几乎所有国内的大型自动化工业企业,以及上千的中小企业也将加入到这一体系里去。西门子、菲尼克斯电气、倍福、施耐德电气、库卡等都在朝这一方向努力。

  西门子(Siemens):凭借全集成自动化(TIA)和数字化企业平台,西门子长久以来占据着信息技术集成领域的领导地位。西门子公司还将与德国弗劳恩霍夫研究院以及大众汽车公司,通过利用产品生命周期管理软件(PLM)进行虚拟生产规划,可降低生产线上机器人的能耗高达50%。

  菲尼克斯电气(Phoenix Contact):全面投入Profinet 工业以太网的开发,目前形成了全面的基于Profinet 工业以太网的竞争力。

  倍福(Beckhoff):与传感器、视觉系统及机械厂商一起参与科技自动化-系统化工程与极速控制-标准加工设备能效提升两个项目的实施。

  施耐德电气(Schneider Electric):推出的EcoStruxure 能效管理平台,除了实现了对电力、工业、建筑楼宇、数据中心和安防5 大领域的技术和专业经验的整合,EcoStruxure 与其子系统更强调软件带来的灵活性。

  罗克韦尔自动化(Rockwell Automation):通过与思科密切合作,推进标准以太网EtherNet/IP 快速发展。Ethernet/IP 是未经修改的以太网标准,可以和现在所有的标准以太网设备透明衔接,使得产业融合成为可能。值得关注的是:2014 年4 月全球最大的工业展会汉诺威工业博览会上,西门子展示的新一代汽车生产线吸引了很多人。从表面来看只是机器人对生产线上的车体进行组装,任何一个汽车工厂都有这样的组装线。不过,制造的思路却完全不同。在该生产线上,车体与机器人一边对话一边进行组装。其工作原理为在车体内嵌入IC 标签,记录汽车型号、必要零部件以及组装顺序等信息。车体接近机器人时会发出需要5 扇门等指示。机器人会按照指示进行作业。

  与德国的工业4.0 相比,其他工业化国家虽然未普遍使用这一术语,但尽可能降低生产操作成本、提高灵活性和加快创新周期也是这些国家的共同目标。

  美国:在美国,GE 主导的工业互联网革命同样如火如荼,已经成为美国制造业回归的一项重要内容。

  与工业4.0 的基本理念相似,它同样倡导将人、数据和机器连接起来,形成开放而全球化的工业网络,但其内涵已经超越制造过程以及制造业本身,跨越产品生命周期的整个价值链,涵盖航空、能源、交通、医疗等更多工业领域(九大平台)。

  相比于西门子的工业4.0,GE 的工业互联网方案更加注重软件、网络、大数据等对于工业领域的服务方式的颠覆 与德国强调的硬制造不同,软服务恰恰是软件和互联网经济发达的美国经济较为擅长的。

  根据GE 的预测,在美国,工业互联网能够使生产率每年提高1%-1.5%,那么未来20 年,它将使美国人的平均收入比当前水平提高25%-40%;如果世界其他地区能确保实现美国生产率增长的一半,那么工业互联网在此期间会为全球GDP 增加10 万亿-15 万亿美元 相当于再创一个美国经济。

  日本:一是采用小生产线的企业增多,本田公司通过采取新技术减少喷漆次数、减少热处理工序等措施把生产线缩短了40%,并通过改变车身结构设计把焊接生产线由18 道工序减少为9 道,建成了世界最短的高端车型生产线。二是采用小型设备的企业增多,日本电装公司对铝压铸件的生产设备、工艺进行改革,使得铸造线生产成本降低了30%,设备面积减少80%,能源消费量降低50%。三是通过机器人、无人搬运机、无人工厂、细胞生产方式等突破成本瓶颈,佳能公司从细胞生产方式到机械细胞方式,再到世界首个数码照相机无人工厂,大幅度地提高了成本竞争力。

  此外政府加大了开发力度,加大对3D 打印机等尖端技术的财政投入。2014 年,经济产业省继续把3D 打印机列为优先政策扶持对象,计划当年投资45 亿日元,实施名为以3D 造型技术为核心的产品制造革命的大规模研究开发项目,开发世界最高水平的金属粉末造型用3D 打印机。

  制造的转变与未来发展路径

  德国和美国政府已经拨出专项资金,用于战略研究和工业4.0的实现。德国拨款2.22亿美元用于德国联邦教育与研究部(BMBF)的RES-COM等项目。同样,美国已经推出了Smart Manufacturing Leadership Coalition等研究项目。

工业4.0技术革命

  包括英国在内的其他国家也对工业4.0表现出很大的的热情。GAMBICA和CLPA等制造商和贸易机构已经对此表示支持。虽然这些国家还未宣布推出重大举措,但它们肯定已经对工业4.0作出了有力支持。

  令人高兴的是,与工业4.0相关的许多技术已经出现。但是,要采用这些技术,企业需要花费巨额资金,尤其是那些希望抢先采用这些技术的公司。

  对于大多数公司来说,向工业4.0的转变将是一个渐进的演变,而非一种迅速的革命。未来几年,旧系统对制造业来说仍然是必要的。

  作为世界上最大的工厂,中国在制造领域发挥着巨大的作用。在中国经济需要转型升级的当下,中国的制造业正在从中国制造向中国创造迈进。

  但是,面对发达经济体如火如荼的再工业化运动,以及东盟国家、印度及拉美国家试图超过中国的阻碍。这样的形势之下,保持增长,同时促进产业升级,对于中国制造业领域来说,仍然是最大的挑战。

  鲁思沃博士建议,通过发展技术创新,促进绿色制造,转型为以服务为基础的制造业,中国就能沿着全新的道路走向以高技术含量、优异的产品质量、低能源消耗以及高经济效率和充分利用人力资源优势为特征的工业化。同时,他认为,提高生产力、加快产品上市、灵活的生产模式以及提高资源效率,是从中国制造转向中国创造的关键因素。

  为了实现这一转变,需要先进的技术和高效的生产体系。因此,制造企业应该逐步转向信息化、数字化和智能化,从而将生产水平提升到一个新的高度,为引领制造业未来做好准备。

  而数字化的企业平台,就是企业实现全生命周期两化融合的途径。西门子(中国)有限公司执行副总裁、工业业务领域总裁吴和乐博士向记者介绍,数字化企业平台是实现数字制造的载体。它可以实现包括产品设计、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,以最小的资源消耗获取最高的生产效率。

  该平台的实现需要企业以数字化技术为基础,在物联网、云计算、大数据、工业以太网等技术的强力支持下,集成目前最先进的生产管理系统及软件和硬件,如产品生命周期管理(PLM)软件和制造执行系统(MES)软件以及控制和驱动技术等。

  在提升资源效率层面,制造业企业首先需要考虑设备层面的资源效率提升方案,例如高效电机、变频器等进行设备层面的节能。同时,企业需要将眼光放远,关注能够使全生命周期资源效率提升的整体解决方案。

  所谓整体解决方案,指将现有的技术和创新全部整合到一个数字化企业平台中,从企业层面到设备层面给出基于成本设计及基于节能和资源设计的完整资源方案。产品开发流程和生产流程中的所有环节在生产开始之前就已在虚拟环境达到了最优化。产品设计和生产任务配置所消耗的时间、人力、设备和原材料资源会得到大幅缩减,生产流程也会大大改进。

  工业4.0给人类社会的影响

  工业4.0将带来五大机遇。一是可以通过使用新的数字化技术来提升效率和生产力,以重获竞争优势并实现跨越式发展;二是可利用中国顶尖的互联网生态系统来实现完全数字化的价值链,并提供全新的产品和业务模式;三是可把握日益扩大的中产阶层对个性化定制产品的需求,并升级制造业部门以实现大规模定制化生产;四是满足客户对生命周期加快的期望值,提升供应链的速度和灵活性;五是通过更好地理解和满足客户需求来提升其满意度。总体来看,他认为工业4.0给中国带来的收益主要体现在企业的生产效率提升上。

  未来5至10年间,越来越多的本土公司会遵循工业4.0时代的要求发展,这将提升国内制造业的整体生产效率。转换成本(不包括材料成本)的提升幅度为15%~25%。如果将材料成本考虑在内,那么能实现5%~8%的提升幅度。据计算,制造业累计产品销售成本约85万亿元,这意味着中国工业总体生产效率有4万亿~6万亿元的提升潜力。值得注意的是,各行业的改善程度会参差不齐,工业元件生产商可能实现最高的生产效率提升幅度(20%~35%),而预计汽车公司的提升幅度只有10%~20%。

  针对中国在落实工业4.0技术方面存在的四大挑战,即:不同行业和企业网络内部制造业的成熟程度及工业4.0的准备度差异极大;其他发达国家落实工业4.0技术后竞争压力会进一步加剧;工业4.0需要跨部门乃至公司上下的通力协作;工业4.0相关议题需要企业发展全新的能力,杜伟建议企业可以分别采取以下四大应对措施。

  一是因为成熟度不同需要制定有针对性的战略,各企业实施工作的起点也不尽相同;二是中国可利用其快速行动的优势来发展竞争力,并在工业4.0大潮中实现跨跃式发展;三是需由上而下推动变革,并推动流程、企业文化和思维方式的转型;四是中国政府和企业必须密切合作,对专家和员工的教育培训进行持续性投入。

  波士顿咨询公司推出的新报告《工业4.0:未来生产力与制造业发展前景》指出,零部件、机器和人员之间的互联互通性日益加强,由此生产系统的速度和效率分别能提升30%和25%,同时大规模定制也将实现快速发展。

  报告认为,在中国,工业4.0带来的收益主要体现在生产效率提升上。未来5-10年间,越来越多的本土公司会遵循工业4.0时代的要求发展,这将提升国内制造业的整体生产效率。转换成本(不包括材料成本)的提升幅度为15-25%。如果将材料成本考虑在内,那么能实现5-8%的提升幅度。据计算,制造业累计产品销售成本约85万亿元,这意味着中国工业总体生产效率有4万亿元-6万亿元的提升潜力。各行业的改善程度会参差不齐。

  报告强调,工业4.0将对劳动力产生重大影响,大力改变产业工人完成工作的方式,对工人的技能需求却有重大变化。未来会出现更多就业机会,同时淘汰一些过时的岗位。生产企业将越来越多地使用机器人和其他一些先进技术来辅助人工。这就意味着劳动强度大的常规工作岗位会不断减少,而更多的工作岗位需要具备灵活应对、解决问题和提出定制化解决方案的能力。

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