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工业4.0:数字化魔方助力制造业转型

来源:南方日报(广州) 编者: 发布时间:2014-11-25

  

  世界范围内制造业再次崛起。无论是德国政府近年来提出的“工业4.0”战略,还是中国政府的“十二五”规划,都强调了“工业化”和“信息化”融合的重要性,数字化是制造业未来发展的必然方向。而整个生产流程的数字化无疑是实现两化融合的必经之路。

  基于信息物理融合系统的工业4.0概念诞生之初,西门子再度嗅到了新一轮工业革命的气息。瞄准物联网、云计算、大数据、工业以太网等技术,西门子集成了目前全球最先进的生产管理系统,以及生产过程软件和硬件,如西门子制造执行系统(MES)软件Simatic IT、西门子产品生命周期管理(PLM)软件、工业工程设计软件(Comos)、全集成自动化(TIA)、全集成驱动系统(IDS),等等。
  对于正在进行制造业转型升级的中国而言,西门子的数字化企业无疑提供了很好的参考样本。分享它们“厚积薄发”带来的收益时,中国企业,或许能从西门子通往工业4.0的路线图中解读出更多信息。
  势
  行业趋势
  “数字化”概念和技术引领制造业变革
  数字制造意味着生产单元和流程都拥有自己在虚拟生产世界里的“数字拷贝”,制造企业将能够大幅提高生产力。
  日前,第十六届中国国际工业博览会在上海举行,共有2000家展商参展,携带其最新研发的设备与观众见面。面对经济和技术的变化为全球制造业带来巨大的转型挑战,整个工业领域也正在经历一场制造业的大变革,“数字化”概念和技术成为最热的名词。
  这一变革,在展馆演绎得淋漓尽致。
  记者在西门子展台看到:他们打造“数字制造”产品版图,围绕“数字化企业平台”、“全集成自动化(TIA)”、“全集成驱动系统(IDS)”、“过程自动化”、“能源效率”和“服务”几大主题,涵盖工业软件、数字化硬件,以及数据驱动的服务几大类别的产品及解决方案。
  而与西门子展台一步之遥的ABB公司展台,则展示了包括双臂机器人、小型机器人IRB1200、中压传动产品ACS580MV、“i-家”无线智能家居系统等在内的智能产品。
  在解释数字制造为制造企业带来的优势时,西门子(中国)有限公司执行副总裁、数字化工厂集团总经理王海滨表示:“数字制造意味着生产单元和流程都拥有自己在虚拟生产世界里的‘数字拷贝’。因此,企业可以对生产进行模拟和计算,令虚拟的生产世界与现实的生产世界相融合。制造企业将能够大幅提高生产力、缩短产品上市时间,并提升生产柔性。”
  事实上,近年来,发达国家不断调整经济发展战略,重振制造业。
  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。
     变
  变革之术
  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。
  对此,王海滨表示,“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Simatic PCS7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。”
         道
  问道前路
  国家发改委宏观经济研究院研究员王海峰
  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。
  “今天我们要满足客户更加复杂的需求,现在客户可以在线对产品进行配置和定制,并且要一键点击就能够完成一站式的交付。”鲁思沃说,这使得制造业面临着前所未有的快速变化,在这样新的世界当中过去的方法或秘诀不再能够带来持久的竞争优势了。
  鲁思沃提醒说,开启数字制造时代,企业需要在硬件和软件上都有所准备。基础自动化条件应该要具备。如果车间里机械设备都还没有实现自动化,设备和设备之间也没有用自动化连接起来,也不存在覆盖全厂的通讯网络,那么自动化改造很难实现。
  原标题:数字化魔方助力制造业转型


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