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智能机器人将成为智慧工厂的主力军

2014年11月25日 10:59中国机床商务网点击:4844

  【中国机床商务网 市场分析】当德国将“淘宝们的克星”——“工业4.0”研究项目定为国家级战略并已经成果累累时,中国业界却正在欢呼和跟风“淘宝”的胜利。工业化时代,行业标准就是制空权。
  
  对于一片空白的领域,掌握了标准也就制定了游戏规则,后来者只能疲于奔命地追赶。我国4G通信现在为TD还是FDD的争吵付出了昂贵的代价,就是因为没有提前控制标准。高端制造业是德国近现代长盛不衰的稳固保障,在这个逆水行舟的时代,想要不被淘汰,就必须抢占制高点。
  
  德国小公司正在4.0工业革命领域不断开发并有些成绩已经令人震撼。亚洲制造业冠军联盟总干事罗百辉表示,包括3D打印、机器人、智能化生产、复合材料、物联网、医疗设备,其中有远程医疗的项目:将一个很小的设备注射到人体静脉,则可以在德国操作美国手术台上进行的心脏搭桥,不用动手术也不用麻醉,远程就可以实现。
  
  从英国人瓦特改良蒸汽机至今,人类已经经历了三次工业革命,三次的代表性技术分别是蒸汽动力、电力技术、信息科技。三次革命都彻底改变了人类社会的生产方式,现如今,日益成为主流的大数据、物联网、智能机器人等技术,即将开启人类历史的新纪元。
  
  发达国家不断调整经济发展战略
  
  美国正在向他们的工业生产效率和质量进行大幅度的投资,来确保社会和经济的繁荣,他们把这样的做法称为“美国制造业的复兴”。
  
  在欧洲,来自德国产业界、政府和学术界的产官学专家于2013年4月首次发布了《实施“工业4.0”战略建议书》。德国“工业4.0”战略是德国政府确定的面向2020年的国家战略,体现了以其创新制造技术方面的优势开拓新型工业化的目标,是为进一步抵御欧洲主权债务危机对该国的冲击、增强国际竞争力以及有效面对消费者偏好个性化和多元化的市场需求而提出的工业升级计划,是对“工业1.0”(机械制造设备的引入)、“工业2.0”(电气化的应用)和“工业3.0”(信息化的发展)的延伸。
  
  “工业4.0”战略通过深度应用信息通信技术(ICT)和网络物理系统等手段,以智能工厂和智能生产为重点进行工业技术领域新一代关键技术的研发和创新,使生产成本大幅下降和生产效率大幅提高,促进产品功能多样性、个性化和产品性能大幅提升。
  
  对此,工业和信息化部前部长李毅中表示,“工业4.0”战略是第三次工业革命的具体化,它的内容是用物联网服务互联网,把制造业的物理生命单元联系起来,然后与传感器、终端系统、智能控制系统、通讯设施结合起来,这就使制造业的物理生理单元、机器、机床具有计算、设计、通讯精准控制、远程协调和自制自动等功能,从而将制造者、机器、物料、环境以及用户紧密地联系起来,实时联通相互连接。
  
  机器人将成智慧工厂主力军
  
  “到2025年左右,路上80%以上车辆都是自动驾驶,偶尔的人工驾驶只是为了享受驾驶的乐趣,移动机器人将再一次改变人类生活。”21至22日,“2014中国智能产品与产业创新论坛”在济南高新区齐鲁软件园举办,中国人工智能学会理事长、中国工程院院士李德毅在发言中勾勒的行业前景引人入胜。他说,“我国自然资源要素的有限性,实体经济的基础性以及劳动力成本不断上升倒逼中国经济必须开始转型,而创新是经济转型的动力所在。”
  
  创新型国家必须依靠技术创新,技术创新发展的目标是促进经济增长,提高人民生活质量以及保障国家安全。发展自动化、发展机器人是大势所趋,是历史的必然,需要政府、研究机构和企业共同努力,深入研究解决技术问题,并着重在可靠性和产业化方面下工夫。
  
  “工业4.0的目的是建立智慧工厂,实现智能生产,具有认知能力且可与人合作的智能机器人将成为智慧工厂的主力军。”金模网CEO罗百辉认为,中国工业机器人产业具有市场需求巨大,应用领域广泛,制造产业链条价值链底端成为应用重点的特点,对机器人产业来说,成本和性能是主要瓶颈,应用工艺是主要抓手,类人化作业是未来的大趋势。在国家领导人十分关心,地方政府十分热情,资本市场十分火爆的情况下,中国机器人产业研究成果面临尴尬。
  
  本次论坛由中国人工智能学会智能产品与产业工作委员会主办,国家信息通信国际创新园协办,山东大学机器人研究中心及《机器人技术与应用》杂志社承办,论坛主题是“面向新工业革命的智能技术和机器人产业”。
  
  习近平总书记曾经在两院院士大会上指出,机器人是“制造业皇冠顶端的明珠”,其研发、制造、应用是衡量一个国家科技创新和高端制造业水平的重要标志。不仅要把我国机器人水平提高上去,而且要尽可能多地占领市场。要审时度势,全盘考虑,抓紧谋划,扎实推进。为了响应国家“创新驱动发展”的号召,中国人工智能学会近年来积极组织并举办过四次中国智慧城市技术与应用产品博览会,并组建了中国智能机器人联盟。
  
  工业4.0真正到来可能需要20年
  
  制造业的发展趋势在于,更加注重产品全生命周期的管理。过去推出一款新车,可能需要七八年时间,现在两三年就够了。
  
  西门子在今年5月发布“2020公司愿景”,提出了公司未来将专注于电气化、自动化和数字化。
  
  在工业4.0时代,虚拟世界将与现实世界高度融合。通过计算、自主控制和联网,人、机器和信息互相联接,融为一体。现有的技术和创新将被全部整合到一个数字化企业平台中。生产还未开始,产品开发流程和生产流程中的所有环节便可以并行模拟进行。这一雏形梦想,目前在西门子工业自动化产品成都生产研发基地(SEWC)有最新探索。
  
  在西门子成都工厂研发生产一件新产品,它都会拥有自己的数据信息。这些数据信息在研发、生产、物流的各个环节中被不断丰富,实时保存在一个数据平台中。而这座工厂的运行,都是基于这些数据基础,ERP、PLM(产品全生命周期管理系统)、MES(制造执行系统)、控制系统及供应链管理,全部实现了无缝的信息互联,从而造就出了一幅透明工厂的画面。
  
  比如,在缩短产品上市时间方面,SEWC通过数字化的方式,对设计出来的产品进行模拟和仿真,这样就省去了做样机的时间。而当设计人员对设计内容进行修改时,也可以通过共同的数据库,把修改的内容直接传送到生产线,从而节省了制造过程中的修改时间,使得产品能够尽快上市。
  
  同时,SEWC还通过高度的数字化和自动化来提高生产效率。在传统的工厂里面,每天要由负责生产计划的人下发生产工单,再由班组长将生产任务分配到每个工人头上。而SEWC则省略了这些步骤,直接将生产工单在触摸屏上显示。
  
  而在质量检测环节,系统会通过数据库对之前的工序进行核对,从而获得产品的质量情况。
  
  我们可以描绘下SEWC通过“数字和物理世界的无缝衔接”的场景:如果你是一家汽车生产商的负责人,你认为最理想的生产状况是怎样的?例如,你收到了生产200辆卡车和200辆轿车的订单,你是先生产200辆卡车,还是将大卡车与小轿车混合交替生产?
  
  如果先生产200辆卡车,则会产生大量的待售品,占用更多的现金流。理想的生产状况是进行灵活的小批量、多批次生产,使生产得以均匀、连续,这样产生的库存待售品才最优,而且生产过程的原材料消耗会更少,现金流也更为顺畅。
  
  制造业的发展趋势在于,更加注重产品全生命周期的管理。过去推出一款新车,可能需要七八年时间,现在两三年就够了。这就是未来的趋势,核心在于,怎么加快产品设计、生产、上市、服务时间,如何缩短整个过程耗费的时间。
  
  当然,这场变革将是一个渐进的过程,工业4.0的真正到来可能需要20年左右的时间。他将这一“渐进的过程”称作“工业3.X”。
  
  “工业3.X”范本应用在中国许多领域
  
  比如生产一支笔,利用产品生命周期管理(PLM)软件,从研发到制造基于同一个数据平台,费时费力费钱的工艺都可以省下来。目前,西门子已经将“工业3.X”的范本应用在中国的许多领域。
  
  以华润水泥(封开)公司的节能增效解决方案为例:水泥原料中约80%的成分是石灰石,分布于石灰岩矿丰富的山区。华润水泥(封开)有限公司的石灰石矿场位于距离生产基地63公里的山区,若使用汽车运输原料,其成本约为11.3万元/天,这将带来巨大的运输及能耗成本。经过周密规划,华润封开水泥在石灰石矿场和生产基地之间建设了一条运输皮带廊。
  
  皮带廊全程规划为52公里(一期40公里已建成运行),相当于北京三环路的全长,通过卫星也清晰可见,年运输能力达到1000万吨,堪称水泥行业世界之最。
  
  要让40公里的皮带廊带着5000多吨的物料运转起来,需控制不同节点的电机同步运行。为了保障稳定运输,皮带廊被分为3大段,均采用SimaticPCS7控制系统,皮带上不同节点装有张力传感器,控制系统根据张力反馈,通过变频器调节各部分电机的转速,可以让皮带在15分钟内快速启动。
  
  石灰石从矿场运输到厂区只需短短两个小时。在西门子技术的协助下,皮带廊低成本高效运转,与汽车运输相比,每年节约费用1.79亿元,节约燃油1.4万吨,减排二氧化碳4.2万吨,成为华润封开水泥的骄傲。
  
  亚洲最大的纸浆和纸张制造商之一的亚洲纸浆纸业集团(APP),在浙江省宁波市的造纸厂是另一个范本—借助全集成驱动系统,能源消耗和二氧化碳排放量大减。由此,该造纸厂每条生产线年均节省数千万元的开支,年均停机时间被保持在最低的12.5小时。
  
  此外,汽车生产设备制造商柯马(上海)工程有限公司采用西门子的产品生命周期软件,借助虚拟仿真技术发现设计中存在的缺陷及问题,在投产前就加以校正,使得设计与规划实现“所见即所得”(生产线模拟的精准度为98%),把产品上市时间缩短了20%—30%。
  
  西门子(中国)有限公司工业业务领域驱动技术集团总经理林斌这样描述这种变化:“比如生产一支笔,传统做法是先出一张图纸,然后调整机床参数去开模做出样品,图纸返回研发部门经过比对修改,才能进入生产线。但利用产品生命周期管理(PLM)软件,从研发到制造基于同一个数据平台,在设计时就可以将这支笔的特点、长度、直径等参数,直接与下游加工机器的数据同步,通过仿真就可以将设计定型,直接上线生产,完全不需要纸质图纸。传统制造节奏改变了,费时费力费钱的工艺都可以省下来。”
  
  要有更加灵活的制造和生产
  
  随着工业4.0理念的不断深入,一场新的工业革命即将席卷全球,如何帮助企业实现更高的效率和生产力,更短的产品上市时间,以及更大的灵活性。
  
  国家发改委宏观经济研究院研究员王海峰博士表示,中国的工业界在过去几十年当中取得的巨大进展,在中国取得的这些进步是非常鼓舞人心的,也是令全球瞩目的。现在中国工业已经发展到了一个新阶段,中国制造的产品越来越先进,像高铁、计算机、先进机械、汽车、飞机和宇宙飞船,对于中国的制造业和工业来说一切皆有可能,都有能力去制造。
  
  在王海峰看来,一个不可忽略的是,过去工业界的结构是非常清晰的,各个公司可以通过规模效应来降低成本,并且可以在每一个生产流程去推动生产力的提高,但是这样的时代已经一去不复返了。随着全球化的进一步加速,资源变得更加稀缺,而国际价值链在不断地被催生。在这样全球竞争的环境下,我们必须要有更加灵活的制造和生产。
  
  西门子股份公司管理委员会成员、工业领域首席执行官鲁思沃教授持相同观点。他表示,今天我们不光要强调员工的生产效率,同时整个企业在资源和能源上也要更加高效。我们今天不仅仅要提高生产速度,还要缩短产品上市的时间。当一个产品新的创意产生到消费者能够用上产品,这个时间要不断缩短,虽然产品本身在变得越来越复杂、产品的版本也越来越多。
  
  工业4.0进化过程
  

  工业革命1.0:18世纪末期始于英国的第一次工业革命,19世纪中叶结束。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以及机械制造带动经济发展的模式。
  
  工业革命2.0:第二次工业领域大变革发生在20世纪初期,形成生产线生产的阶段。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。20世纪70年代以后,随着电子工程和信息技术充实到工业过程之中,实现了生产的最优化和自动化。
  
  工业革命3.0:第三次工业革命始于第二次工业革命过程中发生的生产过程高度自动化。自此,机械能够逐步替代人类作业。
  
  工业革命4.0:未来10年,第四次工业革命将步入“分散化”生产的新时代。工业4.0通过决定生产制造过程等的网络技术,实现实时管理。
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