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中国“智”造的典范:德国智能工厂的建设路径

2016年01月21日 10:39中国机床商务网点击:5055

  【中国机床商务网 市场分析】进入21世纪以来,信息与通信技术取得了突破性进展。特别互联网技术的迅猛发展给社会和工业带来了深远的影响,2006年美国国家基金会(NSF)科学家HelenGill提出了信息物理融合系统(Cyber-PhysicalSystem,简称CPS)概念,将网络化的世界与智能化物理世界融合起来。信息物理融合系统是集成计算、通信与控制于一体的下一代智能系统,是计算进程和物理进程的统一体。CPS包含了无处不在的环境感知、嵌入式计算、网络通信和网络控制等系统工程,使物理系统智能化具有计算、通信、精确控制、远程协作和自适应功能。德国工业4.0将CPS运用到制造和物流的技术集成,通过与物联网及服务网的融合,进而产生了创新的工厂系统--智能工厂(SmartFactory)。
  
  在工业4.0时代,每个工厂企业都将建立“数字企业平台”,通过开放接口将虚拟环境与基础架构融为一体,从而形成生产制造模式变革为核心的网络物理融合生产系统(CPPS)。智能工厂系统完全不同于传统的工厂自动化系统。智能工厂采用面向服务的体系架构,它是人、机器与产品互联互通的一个智能网络。这一智能网络成为设计和制造智能工厂的理论基础。
  


中国“智”造的典范:德国智能工厂的建设路径(图片来源于百度图片)
 
  可以看出,CPS的通信网络系统采用了工业物联网技术;生产制造系统采用CPPS信息物理融合生产系统;传统的企业监控管理级成为了采用服务互联网提供的服务的安全可靠和可信的云网络。基于嵌入式Internet技术的P2M(产品对机器通信)以公共无线网络为接入手段,为客户提供产品到机器的通信解决方案,满足客户对生产过程监控、指挥调度、远程数据采集和测量、远程诊断等方面的信息化需求。P2M不是简单的数据在产品和机器之间的传输,它是生产制造之间的一种智能化、交互式通信,即使人们没有实时发信号,机器也会根据产品的信息主动进行通信,并根据所得到的数据经过大数据分析智能化地做出选择,对相关设备发出正确的指令。新型的工业控制以传统的自动控制金字塔为基础逐步实现智能化、远程化和实时化,通过IP网络支持以及泛在移动性的P2M通信提供了更佳的承载基础。按照EdwardA.Lee教授的定义:“信息物理生产制造系统(CPPS)是计算过程和物理过程的集成系统,利用嵌入式计算机和网络对物理过程进行监测和控制,并通过反馈环实现计算过程和物理过程的相互影响。”基于CPS系统的智能工厂是一种网络型嵌入式系统,它将打破PC机时代建立的传统自动化系统的体系架构,从而全面实现分布式智能。
  
  德国推进智能工厂动因
  
  除了技术背景,德国政府实施智能工厂的主要原因,还是想将互联网技术、信息和通信技术集成到传统的制造业,以维持其全球市场领导地位,并为推广CPS技术和产品建立和培育新的市场,成为智能制造技术的主要供应大国。
  
  从根本上说,德国作为世界上最重要的生产制造国家,面临着互联网时代制造领域升级转型的巨大挑战。目前IT行业对于传统制造业的大举进攻,对于传统制造领域技术开发的大量投资,使得德国政府不断提醒德国的企业家们必须抱有保持德国在制造行业领先地位的深刻危机意识。如果德国制造业不能及时进行创新性革命,总有一天Google、微软、苹果等会成为生产制造的新巨头。可以说,互联网技术发展对于产品乃至企业生命周期的影响,猛烈地冲击着德国制造强国的地位。所以德国必须通过新的创新、变革才能从制造强国提升为超级制造强国,从而保持它在机械制造领域的领先地位。而推动智能工厂和智能生产是实现这一目标的重要手段。
  
  德国大力推进智能工厂的原因,具体而言,第一个因素是互联网时代对于传统制造业的强烈冲击。最近十多年来技术特别是IT信息通信技术的迅猛发展,已成为所有行业和应用领域的重要创新驱动器。互联网技术已对人类社会的发展带来了深刻的影响。制造业若仍按照原来的设计制造生产和规划方法运行,已远远不能适应市场、客户和技术发展的需要。如何将互联网及IT技术应用于传统工业已成为当务之急。因此,如果德国想在全球装备制造领域继续保持领头羊的地位,不仅必须继续发扬一贯专注于创新和创造的精神,而且要通过工业4.0战略的实施,将互联网技术与传统行业有机结合在一起,对传统行业进行变革以符合新的营销理念、新的市场需求和新的技术发展的要求,再度提升其全球竞争力,成为互联网时代工业制造技术的供应者和领先者,并将这种系统工程推向全世界,保持其全球生产制造行业掌门领袖的地位。
  
  第二个因素是世界经济全球化对于产品生命周期的影响。由于互联网时代带来了世界经济的扁平化,带来了工业产业如何保持持续发展的新挑战,带来了由信息的开放性和传播的快速性造成的产品生命周期的根本性变化。所以制造工厂的设计和建造需要满足生产制造布局全球性、制造方式灵活性、产品生命周期缩短和企业发展持续性的需求。这些需求就是工业4.0战略在所有工业领域要解决的问题。而智能工厂的目的就是要产生一种新型的生产制造模式。从单纯生产产品的技术角度来讲,这种新型的生产制造模式要能适应产品生命周期的新变化。在过去十多年里,机械制造行业的专家们做了不少努力来提高生产效率,加大生产的灵活性,如机电一体化、管控一体化、CIMS、数字工厂、虚拟工厂等等,都没有很好地解决以上问题,在实践和发展中,人们慢慢认识到这些问题的解决并不是单单通过改造生产制造方式就可以实现的。这种变革需要融合产品研发、生产、市场、服务、运行及回收各阶段的动态管理。这恰恰是建设智能工厂的首要任务。
  
  第三个因素是推动智能制造以巩固德国在制造领域的领先地位。德国在推动工业4.0这一国策时将重点放在智能工厂上,这关系到德国如何继续占领传统工业领域的制高点,打造国家制造业竞争新优势。老牌工业强国德国期望通过以智能制造为主导的第四次工业革命来实现德国的工业制造由自动化向智能化和网络化方向升级的目的,实施智能工厂和智能生产两大战略,通过不同层面的智能化变革实现全局的智能化。
  
  德国强调第四次革命的重点是生产制造模式上的改变,这也与德国制造业在德国经济中有着举足轻重的地位分不开。德国拥有强大的设备和机床制造能力,推动智能工厂建设,可以全方位地提升德国工业界的整体实力,引发整个制造产业链(信息技术的引用、生产物流管理技术、自动化控制技术、机电一体化技术、工业科技产品的科研和开发、3D技术、复杂工业过程的管理技术、电子嵌入式系统技术等等)的颠覆性变化。同时这一项目也可以动员和吸引整个工业制造行业链上大量中小企业参与,举一纲而万目张,解一卷而众篇明,成为“全民项目”,使得中小企业都成为智能工厂生产技术的参与者、开发者、使用者和受益者,从而继续保持德国在整个产业链的领先地位。
  
  德国智能工厂架构体系
  
  工业4.0提倡的智能工厂是实现一种新型生产制造模式的载体。其核心是为了适应产品生命周期新的变化。它能够找到应付产品快速更新换代、产品种类多而批量少、价格竞争和成本压力、投资回报率时间缩短以及资源优化和能源效率的解决方法。其架构体系是按照RAMI4.0(工业4.0的参考架构模型)来设计的。
  
  RAMI4.0提出了从四个侧面来设计智能工厂,即生产制造流程、生产制造设备、管理软件和工程工艺(生产工艺、制造工艺、产品开发工艺及流程工艺)。同时RAMI4.0又将这四个侧面归纳为三个维度,即产业制造链、产品周期链和企业管理链,形成一个三维的工业4.0参考架构模型。按照这个模型,我们用生产制造周期、自适应生产制造自动化系统和互联网为导向的工厂管理系统三方面来构造智能工厂的基本特性及方法。
  
  实现智能工厂要分多步进行。
  
  智能工厂要掌握产品生命周期,制订灵活多样的生产制造周期。实际上,产品从诞生到消失的生命周期在市场上销售量需求有一定的规律。它要经历研发期、试用期、发展期、成熟期、饱和期到退出期。在不同的时期中市场对于产品的数量要求也是不同的。如在研发期、试用期所需要的产品数量是有限的,发展期、成熟期、饱和期所需要的产品数量由市场推广的力度及市场合理的定位来确定预测的范围,而在退出期则需要按回报率、更新换代的速度和开发新产品的投入力度来规划产品不同的生产数量和功能。
  
  S型曲线是典型的产品生命周期曲线,产品经过培育期、成长期、成熟期、衰退期,直至结束产品生命。这条S型曲线代表了以传统的方式来思考一个产品生命周期的各个阶段与企业在此产品上的收入(效益)的关系。
  
  而在产品生命周期的管理下,产品生命周期曲线可以被重新塑造,在产品生命周期的各个阶段都会产生相应的作用,从总体上为企业带来巨大的效益。同时极大地影响不同阶段对于产品的需求数量,当然对于生产制造的规模、回报率和研发周期的制定起了决定性的作用。
  
  这是产品管理的基本原则,所不同的是在过去的年代里,整个的产品生命周期比较长,一般可以按8年到10年计算,所以一般研发期、试用期的资本投入可以忽略不计。以开发机械结构产品为例,初期的研发费用、模具费用甚至加工机械设备的费用可以分摊在整个产品的数量上。比较长的产品生命周期产生巨大的销售量保证了初期投入及时地获得回报。而如今随着技术的快速发展和产业更新换代的加速,产品生命周期大大缩短。这种现象首先出现在民用产品上,使用周期从过去的三四年缩短到一二年,甚至更短。这种趋势也影响了工业产品的生命周期的长短。
  
  产品生命周期短、产品数量少同时数量要求的突变性,必然需要一种灵活多样的生产制造模式来快速响应这些变化。实现智能工厂的第一步就是要建立这样的具有自适应功能的生产制造模式。目前德国推动智能工厂的一项重要任务就是设计和规范按照市场对产品需求的不同时间段而实现不同生产方式的灵活多样的生产制造发展周期。
  
  智能工厂要满足产品制造周期的自适应生产制造模式。多工作方法的生产制造模式是智能工厂满足客户和产品特殊需求的基础,将客户和市场的需求及时地与生产制造模式有机地整合在一起,及时调整生产的方法来平衡成本与投资,降低成本,提高响应速度。提高产品的竞争能力是智能工厂的基本设计思想。要实现人工、半自动和全自动三位一体的生产制造模式,我们首先要考虑到这种混合生产制造模式的实施成本问题,生产方式切换时产生的停机时间问题,调试维护安装操作难度提高的问题,运行人员的技术水平培养问题,系统规划预算的复杂性问题等等。针对这些问题,必须解决:产品数量的响应性;生产规划的长期性;生产工艺的稳定性;技术发展的连续性;制造成本的竞争性;员工创新的主导性。这六个性能构成了智能工厂生产制造模型的特征。
  
  智能工厂必须具备将人工、半自动和全自动三位一体的适应性生产制造模式的控制系统的基本方法人工、半自动和全自动三位一体的适应性生产制造模式是构成生产价值链轴/生产管理轴的集合。针对产品的高柔性化生产和客户定制的发展趋势,建立高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式。
  
  在这种模式中,由于引入了各种新的技术特别是互联网技术,产生以生产制造为导向的交叉领域和创新理念,创造出新价值,传统的产业链将被重组。适应性的生产制造模式针对产品制造周期自适应生产制造模式提出了基本的设计规范,核心是将IT信息技术、工业以太网络技术与工业自动化技术有机结合起来。对所需的信息和应用信息要求数字化;保证产品在不同时刻或阶段需求量不同,对于生产峰值有及时的应对能力;应用互联网及IT技术将生产制造、生产工艺、生产控制和生产管理结合在一起;采用分散智能化装备组件使得生产模式功能扩展得更加方便;采用网络物理系统的概念达到数字工厂与实际对象的一致性。当然成本的优化、操作的方便性等等因素都在设计的大纲中体现出来。
  
  根据这些现实及未来发生的问题,研究智能工厂的路径图得以提出。智能工厂是信息化技术发展的产品,是在数字化工厂的基础上,利用物联网的技术和设备监控技术加强信息管理和服务。智能工厂规划、设计和运行专家们不仅要了解自己的产品即生产装备及技术,同时也应该清楚掌握产销流程、即时正确地采集生产线数据,以及合理编排生产计划与生产进度。为了提高生产过程的可控性、减少生产线上人工干预、在设计的过程中必须将生产管理、生产流程及生产效率统一于生产制造模式中,从而构建一个高效节能、绿色环保、环境舒适的现代化工厂。它主要采用的技术核心如下:A)采用数字工厂/虚拟工厂的技术;B)智能分散型机电控制一体化的功能模块;C)IT技术、互联网技术、应用实现三位一体化的适应性生产制造系统。
  
  智能工厂还须具备融合互联网技术的企业管理系统。为了实现“工业4.0”概念的智能工厂,在注重新的生产线高度自动化的同时,必须首先在制造的主要环节实现信息化控制与集成,以支撑生产过程管理与监控以及制造执行环节的信息主动获取和集成。为此,智能工厂必须以生产数据和控制数据的主动获取、应用和集成为主线,设计出智能制造过程管理与控制软件子系统(以下简称子系统),主要业务模块总体框架。
  
  该子系统主要分为三个层面:信息集成与服务层、智能制造车间管理层以及设备层。在智能工厂的企业管理层必须与互联网相结合。整个软件框架体系中,顶层信息集成与服务层通过云服务与其他工厂进行数据交互,实现制造服务化;生产制造管理层作为制造执行控制功能,对制造过程进行控制与数据分析,主要包括制造执行控制模块、库存与物流控制模块、多源过程数据获取与分析模块、设备通讯模块等关键业务功能以及系统基础支撑模块。各层间通过数据服务中心进行数据交互。智能工厂的IT设施建立在云计算网络基础上,云计算的本质是一种基于互联网的服务模式,它类似于远程数据中心。控制室可以理解为私有云,考虑到控制的可靠性要求非常高,为CPPS信息物理融合生产系统提供服务的Apps平台建立在工厂企业的私有云上。但是一些营运和生产管理,例如PLM、SCM、CRM、QMS、ERP、以及MES的一些功能可以通过云计算网络提供服务。这样可以降低创建和优化基础架构的成本,提升生产管理的智能化水平,高效地跨地域协同以及提高快速响应市场需求的能力。
  
  德国正加紧实践工业4.0和智能工厂
  
  实际上,工业4.0提出的智能工厂的概念,是与德国工业界遇到的最大瓶颈紧密地联系在一起的,无论所宣传的CPS系统将人、产品和机器用互联网连接在一起,还是用个性化生产来描述满足市场日益个性化的产品需求,其隐含着最大的目的是建立一个与互联网融合的智能化先进制造方式,提高效率,降低成本和加快反应速度。根据德国专家的分析,这个目标的实现至少要十多年,所以存在着现实与未来、方式与模式矛盾的问题。
  
  然而,在过去的几年里,德国大多数企业和工程人员也搞不清工业4.0到底要干什么,智能工厂到底应该如何来建造,基本上处于观望状态。从2015年开始,德国政府意识到这个问题,必须将实践与理论相结合,将概念转化为现实。德国副总理、经济部长Gabriel明确要求各企业公司必须加快研发步伐,尽快将研发成果应用到实践,成为可复制的样板工程,同时要尽快确定新业务的模式。所以,2015年5月,由德国经济部和教育研究部牵头重组了工业4.0平台,并着重于工业4.0标准化的制定工作。2015年11月,德国发布了工业4.0第二版,并将其确定为德国标准,上报到IEC委员会。同时,强调了实践的重要性。在很短时间内制定了工业4.0实施示范分布图,共记录了202个以工业4.0为导向的示范项目,人们可以通过网站直接阅读。
  
  值得一提的是,通过观察和分析,我们可以看到目前所有的项目并不是想象中的“智能工厂、数字工厂、自适应工厂”,更多的是技术改革,深度的自动化技术的应用。其目的不在于做秀给别人参观,而是用务实的创新精神来解决针对互联网时代中产品快速需求性、产品生命周期不断缩短、多品种小批量生产制造模式的问题,在实践中通过增加工艺流程和生产制造模式的灵活性,特别是通过互联网网络技术使业务流程的不同方面(如质量、时间、任务、稳健性、价格和生态友好)实现动态配置,加快对材料和供应链的持续调整。同时,这也意味着工程流程能够变得更加灵活,制造流程可以随时被改变,暂时性短缺(比如供应问题)能够快速弥补,并且在短时间内实现产量的大幅提高。
  
  而且,工业4.0建立产品数字化的标准,使得人们在设计、配置、排序、规划、制造和运行等阶段中纳入数字化产品的标准,进行及时的适应性的修改。通过生产制造方式的灵活性、研究开发的适应性和市场客户快速响应性,使得智能工厂的生产制造模式能够解决由于产品生命周期不断缩短造成的制造成本和响应速度的问题,提高资源利用率来得到足够获利能力。
  
  如果我们从这个新的思路出发重新认识智能工厂的真正含义和推进路径,无论是位于德国巴伐利亚州东部城市安贝格的西门子工厂还是宝马公司全生产线,尽管我们没有感受到许多新的技术,也没有非常震撼的感觉,但是解决产品的制造成本、提高生产制造的灵活性恰恰处于演变之中。同样,202个示范项目中的每个项目都对自动化提出了挑战。因为它可以给整个供应链带来自动化附加值,它的功能、高品质、经济回报还有生产效率都可以通过互联网的介入而进一步提升。
  
  综上所述,在当今互联网时代,面临美国提出的“第三次革命”“工业互联网”战略,德国没有随风而动,跟随美国人进行制造领域颠覆性的改变,而是按照自身国情、本国工业领域面临的挑战和瓶颈,提出了符合自己生产制造模式改进的策略,乃至上升为国家战略。德国没有将工业4.0战略仅仅限制在智能工厂、智能制造上,而是通过将互联网、物联网有效地运用到工业革命之中,进行生产制造模式的变革,并制定了长期的战略规划图,将现实与未来有机结合,将方式与模式的改变有机结合,走出德国自身的发展工业之路。
  
  中国创新性智能制造战略必须结合中国国情
  
  《中国制造2025》也为我国工业发展提出了纲领性的方针与政策。我们必须按照这个方针,找出我们工业目前发展碰到的瓶颈和挑战,一步一步地解决难点问题,而不是回避问题,人为转型。
  
  当今我国工业领域遇到许多瓶颈:产能过剩、经济下行压力大、资源浪费、环境污染等,但与此同时,创新性不够、产品质量不高仍然是我们最大的问题。目前提高质量的关键因素是实现生产制造自动化,特别是工厂制造自动化。只有质量提高了,我们才能提高效率,通过有效的管理手段来实现流程执行的最优化。因此,自动化技术的应用是实现“中国制造2025”的必要条件,而数字化技术是实现“中国制造2025”的充分条件。通过运用自动化技术达到产品质量的一致性,为经过生产管理做出决策提供最好的可靠的依据。如果生产过程中,人为的因素比重过大,导致产品质量不稳定,那么再好的管理方法、管理理念也无法解决质量问题。由于我国工业制造水平极不平衡,整体制造业格局并未完全适应目前数字化、智能化的改造需求,我们必须依照“工业2.0补课,工业3.0普及,工业4.0示范”策略,从实际出发,因地制宜,制定企业战略目标。具体做法是:作为产品生产商或制造产品设备商,要根据自身情况,从生产制造自动化、流程管理数字化、企业信息网络化到智能制造云端化,一步一步实现智能工厂的战略。
(来源:中国工业评论)

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