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德國工業4.0眼里“工業互聯網”與“智能制造”

2019-10-11 08:48 智造智庫

導讀:工業4.0在德國被認為是第四次工業革命,主要是指,在“智能工廠”利用“智能備”將“智能物料”生產成為“智能產品”,整個過程貫穿以“網絡協同”,從而提升生產效率,縮短生產周期,降低生產成本。

德國工業4.0眼里“工業互聯網”與“智能制造”

工業4.0在德國被認為是第四次工業革命,主要是指,在“智能工廠”利用“智能備”將“智能物料”生產成為“智能產品”,整個過程貫穿以“網絡協同”,從而提升生產效率,縮短生產周期,降低生產成本。它的典型特征是:融合性與革命性,是新一代信息技術與工業化深度融合的產物,是一種新的生產方式,推動傳統大規模批量生產向大規模定制生產轉變。

一、智能工廠

“工業4.0”其實就是基于信息物理系統實現智能工廠,最終實現的是制造模式的變革。

(一)智能工廠概念

“工業 4.0”從嵌入式系統向信息物理系統(CPS)進化,形成智能工廠。智能工廠作為未來第四次工業革命的代表,不斷向實現物體、數據以及服務等無縫連接的互聯網(物聯網、數據網和服務互聯網)的方向發展。

物聯網和服務互聯網分別位于智能工廠的三層信息技術基礎架構的底層和頂層。最頂層中,與生產計劃、物流、能耗和經營管理相關的ERP、SCM、CRM等,和產品設計、技術相關的PLM處在最上層,與服務互聯網緊緊相連。中間一層,通過CPS物理信息系統實現與生產設備和生產線控制、調度等相關功能。從智能物料供應,到智能產品的產出,貫通整個產品生命周期管理。最底層則通過物聯網技術實現控制、執行、傳感,實現智能生產(圖1)。

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圖1 智能工廠的三層信息技術基礎架構

(二)智能工廠的三項集成

集成意味著以計算機應用為核心,是信息技術在制造業應用發展的高級階段,支持制造過程的各個環節。高度集成化能夠極大地提高企業的生產效率、有效組織各方資源、鼓舞不同鏈條中的員工的生產積極性,將企業從不同個體變為具備超強凝聚力的團隊,使人員組織管理、任務分配、工作協調、信息交流、設計資料與資源共享等發生根本性變化。

“工業4.0”通過CPS,將生產設備、傳感器、嵌入式系統、生產管理系統等融合成一個智能網絡,使得設備與設備以及服務與服務之間能夠互聯,從而實現橫向、縱向和端對端的高度集成。

橫向集成是指網絡協同制造的企業間通過價值鏈以及信息網絡所實現的一種資源信息共享與資源整合,確保了各企業間的無縫合作,提供實時產品與服務的機制。橫向集成主要體現在網絡協同合作上,主要是指從企業的集成到企業間的集成,走向企業間產業鏈、企業集團甚至跨國集團這種基于企業業務管理系統的集成,產生新的價值鏈和商業模式的創新(圖2)。

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圖2 智能工廠的橫向集成

縱向集成是指基于智能工廠中的網絡化的制造體系,實現分散式生產,替代傳統的集中式中央控制的生產流程。縱向集成主要體現在工廠內的科學管理上,從側重于產品的設計和制造過程,走到了產品全生命周期的集成過程,建立有效的縱向的生產體系(圖3)。

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圖3 智能工廠的縱向集成

端對端集成是指貫穿整個價值鏈的工程化信息系統集成,以保障大規模個性化定制的實施。端對端集成以價值鏈為導向,實現端到端的生產流程,實現信息世界和物理世界的有效整合。端對端集成是從工藝流程角度來審視智能制造,主要體現在并行制造上,將由單元技術產品通過集成平臺,形成企業的集成平臺系統,并朝著工廠綜合能力平臺發展(圖4)。

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圖4 智能工廠的端到端的集成

智能工廠的三項集成,從多年來以信息共享為集成的重點,走到了過程集成的階段,并不斷向智能發展的集成階段邁進。“工業4.0”推動在現有高端水平上的縱向、橫向以及端到端的,包括企業內部、企業與網絡協同合作企業之間以及企業和顧客之間的全方位的整合。

從過去集成化思想在制造業中發展歷程以及給制造業帶來的效果評價來看,制造業已然越來越離不開以先進技術為支持的全方位整合。可以說,基于全方位整合的集成化思維是制造業新思維之一。而且,制造業今后的發展也必將以“借勢借力、整合資源”的全方位整合為基本思路。

二、智能設備

在未來的智能工廠,每個生產環節清晰可見、高度透明,整個車間有序且高效地運轉。“工業4.0”中,自動化設備在原有的控制功能基礎上,附加一定新功能,就可以實現產品生命周期管理、安全性、可追蹤性與節能性等智能化要求。這些為生產設備添加的新功能是指通過為生產線配置眾多傳感器,讓設備具有感知能力,將所感知的信息通過無線網絡傳送到云計算數據中心,通過大數據分析決策進一步使得自動化設備具有自律管理的智能功能,從而實現設備智能化。

“工業4.0”中,在生產線、生產設備中配備的傳感器,能夠實時抓取數據,然后經過無線通信連接互聯網,傳輸數據,對生產本身進行實時的監控。設備傳感和控制層的數據與企業信息系統融合形成了信息物理系統(CPS),使得生產大數據傳到云計算數據中心進行存儲、分析,形成決策并反過來指導設備運轉。設備的智能化直接決定了“工業4.0”所要求的智能生產水平。

生產效率是制造企業首先會考慮的問題。在具體生產流程方面,“工業4.0”對企業的意義在于,它能夠將各種生產資源,包括生產設備、工廠工人、業務管理系統和生產設施形成一個閉環網絡,進而通過物聯網和系統服務應用,實現貫穿整個智能產品和系統的價值鏈網絡的橫向、縱向的鏈接和端對端的數字化集成,從而提高生產效率, 最終實現智能工廠。通過智能工廠制造系統在分散價值網絡上的橫向連接,就可以在產品開發、生產、銷售、物流、服務的過程中,借助軟件和網絡的監測、交流溝通,根據最新情況,靈活、實時地調整生產工藝,而不再是完全遵照幾個月或者幾年前的計劃。

“工業4.0”通過CPS系統將不同設備通過數據交互連接到一起,讓工廠內部、外部構成一個整體。而這種“一體化”其實是為了實現生產制造的“分散化”。“工業4.0”中,生產模式將從“由集中式中央控制向分散式增強控制”轉變,“分散化”后的生產將變得比流水線的自動化方式更加靈活。

流水線作業的主要特點是:物料通過流水線傳送,操作工人在工位上不動,不斷地簡單重復一個固定的動作。好處是可以避免操作工人在車間內來回走動、更換工具等勞動環節,從而顯著地提升工作效率(圖5)。

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圖5 生產生產場景圖及演變過程

隨著PLC(Programmable Logic Controller,可編程邏輯控制器)的出現和普及,自動化技術得到了重大突破。PLC使得一些邏輯關聯復雜的操作可以由設備自動完成。同時,數控機床技術的發展,使得零部件能夠在機床上按照圖紙完成若干復雜的加工工作。此外,采用機械手等工業機器人技術,也使得替代操作工人的簡單重復的固定作業成為可能。

所以,在流水線上,經過分解的、由標準化動作組成的操作很容易被自動化的機器來完成。也就是,流水線很容易實現自動化。過去30多年是全球化發展最快的一段時期,發達國家通過產業轉移將大量勞動密集型產業轉移到勞動力成本較低的發展中國家。對于大量勞動密集型產業來說,自動化水平較高的流水線的綜合成本往往要高于自動化水平較低的生產線。

但是,自動化流水線也有其弊端。不能靈活地生產,不能滿足個性化定制,而且重復性低、相對復雜、感知能力要求強的操作更適合人工來做。

更好地滿足個性化需求,提高生產線的柔性是制造業長期追求的目標。

“工業4.0”報告中描述的動態配置的生產方式主要是指從事作業的機器人(工作站)能夠通過網絡實時訪問所有有關信息,并根據信息內容,自主切換生產方式以及更換生產材料,從而調整成為最匹配模式的生產作業。動態配置的生產方式能夠實現為每個客戶、每個產品進行不同的設計、零部件構成、產品訂單、生產計劃、生產制造、物流配送,杜絕整個鏈條中的浪費環節。與傳統生產方式不同,動態配置的生產方式在生產之前,或者生產過程中,都能夠隨時變更最初的設計方案。

例如,目前的汽車生產主要是按照事先設計好的工藝流程進行的生產線生產方式。盡管也存在一些混流生產方式,但是生產過程中,一定要在由眾多機械組成的生產線上進行,所以不會實現產品設計的多樣化。管理這些生產線的MES(制造執行管理系統)原本應該帶給生產線更多的靈活性,但是受到構成生產線的眾多機械的硬件制約,無法發揮出更多的功能,作用極為有限(圖6)。

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圖6 傳統汽車生產中嚴格按照順序的生產流程

同時,在不同生產線上操作的工人分布于各個車間,他們都不會掌握整個生產流程,所以也只能發揮出在某項固定工作上的作用。這樣一來,很難實時滿足客戶的需求。

“工業4.0”描繪的智能工廠中,固定的生產線概念消失了,采取了可以動態、有機地重新構成的模塊化生產方式。

例如,生產模塊可以視為一個“信息物理系統”,正在進行裝配的汽車能夠自律在生產模塊間穿梭,接受所需的裝配作業。其中,如果生產、零部件供給環節出現瓶頸,能夠及時調度其他車型的生產資源或者零部件,繼續進行生產。也就是,為每個車型自律性選擇適合的生產模塊,進行動態的裝配作業。在這種動態配置的生產方式下,可以發揮出MES原本的綜合管理功能,能夠動態管理設計、裝配、測試等整個生產流程,既保證了生產設備的運轉效率,又可以使生產種類實現多樣化(圖7)。

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圖7 動態配置的生產流程

三、智能物料

“工業4.0”時代,在智能工廠中,CRM(Customer Relationship Management,客戶關系管理)、PDM(Product Data Management,產品數據管理)、SCM(Supply chain management,供應鏈管理)等軟件管理系統可能都將互聯。屆時,接到顧客訂單后的一瞬間,工廠就會立即自動地向原材料或零部件供應商采購原材料或零部件。

原材料或零部件到貨后,將被賦予數據,“這是給某某客戶生產的某某產品的某某工藝中的原材料或零部件”,使“原材料或零部件”帶有信息。帶有信息的原材料或零部件也就意味著擁有自己的用途或目的地,成為了“智能物料”。如果,在生產過程中,當原材料或零部件一旦被錯誤配送到其他生產線,它就會通過與生產設備開展“對話”,返回屬于自己的正確的生產線;如果,生產機器之間的原材料不夠用,同樣,生產機器也可以向訂單系統進行“交涉”,來增加原材料或零部件數量(圖8)。

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圖8 帶有二維碼的智能物料(作者拍攝于索菲亞家具定制工廠)

最終,即便是原材料或零部件嵌入到產品內之后,由于它還保存著路徑流程信息,將會很容易實現追蹤溯源(圖9)。

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圖9 帶有二維碼的智能零部件

據媒體報道,SAP全球高級副總裁、全球研發網絡總裁柯曼先生在2014中國信息產業經濟年會上做了主題為“SAP中國的工業4.0和物聯網之道”的演講。柯曼認為,在“工業4.0”里,所有的事情都變得數字化了。

每個產品都有自己獨立的ID,企業可以突破地理空間的限制,實現遠程操作與服務。建立在大數據預測的基礎上,企業能夠根據預測結果,為客戶量身提供更為延后或者提前的服務,進一步降低風險和成本。在生產的過程中,企業也能夠實現更好的能源管理和彈性生產。

四、智能產品

越來越多的事實表明,信息技術特別是互聯網技術的發展和應用正以前所未有的廣度和深度,加快推進制造業生產方式、制造模式的深刻變革。隨之而來的是,產品本身屬性的變化(圖10)。

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圖10 產品的智能化

當前的汽車或許不再是一個“機械”,是一個由傳感器、天線、接收器、顯示儀等等眾多的電子零部件組成的“電子產品”(圖11)。

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圖11 產品智能化演進過程

隨著互聯網,尤其是移動互聯網的發展,汽車開始與更多的外圍設備、外圍系統互動,傳遞信息、共享信息。通過與智能交通系統(ITS)聯網,可以實時獲取交通信息、道路以及加油站信息等;通過接收衛星導航,實現豐富的定位信息服務;通過智能手機、平板電腦等外圍設備實現更加具有擴展性的應用。汽車已經從一個“電子產品”進一步變身為一個“網絡網絡”。未來的汽車能否與網絡互聯,可能成為汽車市場競爭中的決定性因素。

可以說,信息技術在國民經濟和社會發展中發揮著越來越重要作用。傳統的通信系統、飛機控制系統、汽車電子、家電、武器裝備、電子玩具等以嵌入式系統為代表的物理產品在社會生活的各個領域廣泛存在。而它們隨著計算、網絡和控制技術的發展,以及未來制造業需求的提高,都不斷地從物理產品演變成為“電子產品”或者“網絡產品”(圖12)。

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圖12 產品意義的變化

五、網絡協同

通過互通互聯,云計算、大數據這些新的互聯網技術,和以前的自動化的技術結合在一起,生產工序實現縱向系統上的融合,生產設備和設備之間,工人與設備之間的合作,把整個工廠內部的聯結起來,形成信息物理系統,互相之間可以合作、可以響應,能夠開展個性化的生產制造,可以調整產品的生產率,還可以調整利用資源的多少、大小,采用最節約資源的方式。

“工業4.0”的智能制造,重點研究智能化生產系統及過程,以及網絡化分布式生產設施的實現,其核心就是在整個工業生產過程中的應用中,通過信息物理系統(CPS),利用物聯網的技術、軟件技術和通信技術,加強信息管理和服務,提高生產過程的可控性,從而實現研發、生產、制造工藝及工業控制等全方位的信息覆蓋,全面控制各種信息,確保各個生產制造環節都能處于最優狀態。從而引導制造業向智能化轉型。

【工廠內的協同】

對于一個制造業企業來說,其內部的信息是以制造為核心的,包括生產管理、物流管理、質量管理、設備管理、人員及工時管理等和生產相關的各個要素。傳統的制造管理是以單個車間/工廠為管理單位,管理的重點是生產,管理的范圍是制造業內部。

但是,隨著信息技術的進步,很多制造型企業在發展的不同時期,根據管理的不同時期的需求,不斷地開發了不同的系統,并在企業內部逐步使用,如庫存管理系統、生產管理系統、質量管理系統、產品生命周期管理系統、供應量管理系統系統等等。不同的系統來實現不同的功能,有些系統采用自主開發或不同供應商的系統所組成。隨著企業的發展,要求不同的生產元素管理之間的協同性,以避免制造過程中的信息孤島,因此對各個系統之間的接口和兼容性的需求越來越高,即各個系統之間的內部協同越來越重要。

例如,對于采用兩套各自獨立的系統來管理生產和庫存的話,生產實施之前,生產管理系統需要掌控某項生產計劃的實施以及物料資源的供應,而如果庫存管理系統和生產管理系統相對獨立,就無法實現協同,生產所需要的物料信息不能反饋給庫存系統,庫存系統也不能得到生產所需要物料的需求信息。在生產完成之后,生產系統匯總生產結果與實際的物料使用信息,但是由于生產管理系統與庫存管理系統采用的是不同的獨立系統,庫存管理系統并不能實時得到物料使用信息,致使實際庫存情況和系統的結果不能保持一致。為了彌補信息的斷層,不得不從庫存管理系統和生產管理系統之間進行數據信息的手工導入和導出,經常進行周期性的人工盤點,才能做到使用情況與庫存信息的匹配。

隨著對于制造的敏捷性及精益制造的要求不斷提高,靠人工導入導出信息已經不能滿足制造業信息化的需求,這就要求在不同系統之間進行網絡協同,做到實時的信息傳遞與共享。

【工廠間的協同】

未來制造業中,每個工廠是獨立運作的模式,每個工廠都有獨立運行的生產管理系統,或者采用一套生產管理系統來管理所有的工廠的操作。但是隨著企業的發展,企業設置有不同的生產基地及多個工廠,工廠之間往往需要互相調度,合理地利用人力、設備、物料等資源,企業中每個工廠之間的信息的流量越來越多,實時性的要求越來越高,同時每個工廠的數據量和執行的速度的要求也越來越高。這就要求不同工廠之間能夠做到網絡協同,確保實時的信息傳遞與共享(圖13)。

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圖13 工廠與工廠之間的網絡協同

在全球化與互聯網時代,協同不僅僅是組織內部的協作,而且往往要涉及到產業鏈上、下游組織之間的協作。一方面,通過網絡協同,消費者與制造業企業共同進行產品設計與研發,滿足個性化定制需求;另一方面,通過網絡協同,配置原材料、資本、設備等生產資源,組織動態的生產制造。縮短產品研發周期,滿足差異化市場需求。

“工業4.0”中的橫向集成代表生產系統的結合,這是一個全產業鏈的集成。以往的工廠生產中,產品或零部件生產只是一個獨立過程,之間沒有任何聯系,沒有進一步的邏輯控制。外部的網絡協同制造使得一個工廠根據自己的生產能力和生產檔期,只生產某一個產品的一部分,外部的物流、外部工廠的生產,包括銷售等整個的全產業鏈能夠聯系起來。這樣一來,就實現了價值鏈上的橫向產業融合。

全球化分工使得各項生產要素加速流動,市場趨勢變化和產品個性化需求對工廠的生產響應時間和柔性化生產能力提出了更高的要求。“工業4.0”時代,生產智能化通過基于信息化的機械、知識、管理和技能等多種要素的有機結合,從著手生產制造之前,就按照交貨期、生產數量、優先級、工廠現有資源(人員、設備、物料)的有限生產能力,自動制訂出科學的生產計劃。從而,提高生產效率,實現生產成本的大幅下降,同時實現產品多樣性、縮短新產品開發周期,從而最終實現工廠運營的全面優化變革。

生產智能化和工業互聯網實際上就是“工業4.0”時代的重要標志之一——在智能工廠,利用智能設備,將智能物料生產成智能產品,整個過程貫穿以網絡協同(圖14)。

德國工業4.0眼里“工業互聯網”與“智能制造”

圖14 智能制造與工業互聯網的關系


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