《智能工厂_德国推进工业4_0战略的第一步_下_》由会员分享，可在线阅读，更多相关《智能工厂_德国推进工业4_0战略的第一步_下_（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、50AUTOMATION PANORAMA 2014.2Column专 栏德国推进工业4.0战略的第一步（下）2 智能工厂是实现工业4.0战略的关键，互联网自 动化技术的应用是实现智能工厂的基础2.1 智能工厂作为实施工业4.0战略关键的原因德国在推动工业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，是最具竞争力的国家之一，推动智能工厂这个项目，可以全方位地提升德国工业界的整体实力，对于整个制造产业链（信息技术、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
2、术和电子嵌入式系统技术等）产生颠覆性的变化。同样这个项目也可以动员和吸引大量工业制造产业链上中的小企业参与，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，继续保持德国在整个产业链的领先地位。更主要是最近十多年来技术的发展，市场的变化改变了市场及客户的各种消费及应用理念，如目前为了迎合大众客户的需求，一切的营销都围绕在两个方面进行。一个是移动，从固定电话到移动电话，台式PC到移动平板，人机操作平台到移动操作，有线控制到远程遥控等；另一个是所谓的“免费”，所有的网站为了吸引更多的客户，建立庞大的客户群，初期大多采用免费的服务方
3、法，通过掌握大量的客户资源来达到长期赢利的目的。这些新型的营销手段给传统的工业领域的行业营销模式带来了极大的冲击。尤为迫切的是IT信息通信技术的迅速发展，已成为所有行业和应用领域的重要创新驱动器。互联网技术的广泛应用影响了人类生活的各个方面。制造工业发展按照原来的设计制造生产和规划方法已远远不能适应市场、客户以及技术发展的需要。如何将互联网及IT技术用于传统工业和制造工业已成为当务之急。传统行业的改革必须符合新的营销理念新的市场需求和新的技术发展。因此，如果德国想在全球制造装备领域继续保持着领头羊的地位，必须继续发扬一贯专注于创新和创造的精神，通过工业4.0战略的实施，通过传统行业的变革，以符
4、合新的营销理念、新的市场需求和新的技术发展，从而快速推动德国国内制造业的发展，再次提升它的全球竞争力，成为新一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。成为全球生产制造行业的掌门领袖。这也就是为什么当美国的格里夫高唱第三次工业革命时，德国没有人云亦云，而是针对自己的国情、自己的战略、自己技术的特点制定了符合自己国家科技发展方向的工业4.0战略。2.2 现代制造业面临的技术瓶颈及解决方法那么当今工业制造业到底面临着怎样的挑战？这与世界经济发展的特点有关，世界经济的发展给工业领域的发展带来了根本性的变化，产生了对生产制造布局的全球性，制造方式的灵活性，产品生命周期的缩短和企业发展
5、持续性的需求。这些需求是工业4.0战略在所有工业领域要解决的问题。而在智能工厂，特别是生产制造领域就是要产生一种新型的生产制造模式，从单纯的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，能够应付产品快速更新换代；产品种类多而批量少；能够面对价格的竞争和成本的压力；能够面对投资回菲尼克斯电气（南京）研发工程中心有限公司 杜品圣工厂智能现代制造2期ok.indd 502014-2-14 23:09:06512014.2 AUTOMATION PANORAMA报时间；实现资源的优化和提升能源效率。在过去的十多年，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
6、灵活性，如机电一体化、管控一体化、CIMS、数字工厂和虚拟工厂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能单单通过改造生产制造方式就可以实现。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。现代生产制造工厂如图1所示。图1 现代生产制造工厂2.2.1 掌握产品生命周期而制订的灵活多样的生产制造周期根据以上的分析，实现智能工厂要分多步进行，其第一步就是要掌握产品生命周期而制订灵活多样的生产制造发展周期。实际上，产品从诞生到消失的生命周期在市场上的销售量需求有一定规律。它经历了研发期、试用期、发展期、成熟期、
7、饱和期和退出期。在不同时期，市场对于产品的数量需求也是不同的。如在研发期和试用期所需要的产品数量是有限的，而发展期、成熟期和饱和期所需要的产品数量是由市场推广的力度及市场合理的定位来确定，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。见图2的描述；图2 产品生产周期对于产品需求数量的影响图2所示的是产品管理的基本原则，所不同的是在过去的年代里，整个产品生命周期比较长，一般可以按8年10年计算，所以一般研发期与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产品的数量上。比较长的产品生命周
8、期产生巨大的销售量，保证了初期投入及时地回报。而如今随着技术的快速发展，产业更新换代的加速，使得产品生命周期大大缩短，这种现象首先出现在民用产品上，所有的民用产品，无论是家用电器、电子产品、IT产品、PC产品的使用周期也从过去的三四年缩短到一两年，甚至更短。这种趋势也影响了工业产品生命周期的长短。产品生命周期短，产品数量少，同时数量要求的突变性需要一种灵活多样的生产制造模式来快速响应生产产品数量的变化。作为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，如图3所示。所以目前德国在推动智能工厂，其中一个重要任务是设计和规范按照市场对产品需求的不同而实现不同的生产方式，从而形成灵
9、活多样的生产制造发展周期。 图3 针对不同产品市场需求的适应性生产制造模式2.2.2 人工、半自动和全自动三位一体的适应性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，及时地调整生产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，首先要考虑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。针对这些问题人们提出了解
10、决问题的六个方向： 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，全面地系统化地确定这种新的生产制造模式的设计思路。2.2.3 人工、半自动和全自动三位一体的适应性生产制造模式的基本方法和体系架构智能工厂的核心由以下三大维度来实现： 实现工厂制造和业务规划流程价值链； 工厂生产管理价值链即从产品设计和开发、生产规划、生产工程、生产实施到服务的五个阶段； 工厂自动化控制系统 （从现场层、控制层、管理层到决策层）。产品数量 时 间产品生命周期 变化率 自动化程度n 时间 人工 半自动
11、 全自动 2期ok.indd 512014-2-14 23:09:0652AUTOMATION PANORAMA 2014.2Column专 栏现代制造人工、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上面的六大特证，提出了基本的设计规范书，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地结合起来：
12、 对所需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地应对能力； 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“Cyber-Physical Systems”网络物理系统的概念达到数字工厂与实际对象的一致性； 成本的优化，操作的方便性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，德国的技术专家们提出了研究智慧工厂的路径图。德国的专家们首先一致认为智能工厂是信息化技术发展的结果，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
13、工厂的规划、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，及时正确地采集生产线数据，以及合理的生产计划编排与生产进度，提高生产过程的可控性，减少生产线上人工的干预，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的、绿色环保的、环境舒适的现代化工厂。（1） 采用网络物理系统CPS方法（数字工厂/虚拟工厂的技术）来设计三位一体化的生产制造的模型如前所述，智能工厂首先要解决的是生产制造的全球性，制造方式的灵活性，产品生命周期的缩短和企业发展的持续性，带给生产制造工业挑战的问题，其采用的方法之一就是建立三位一体化适应性生产
14、制造模型。这种三位一体的适应性生产制造系统在设计的初期非常复杂，它要了解工艺，要预测新模式的实现可行性，场地扩展的长期性，生产功能扩展的方便和可能性，模式的性价比和优化以及设计模型与实际对象的一致性等，这些任务是传统的工厂制造设计不可能完成的。同时，这种方案的制定需要无数次的认证、实验和测试才能实现，所以必须采用数字仿真的技术，实际早在九十年代时，德国就在推动数字工厂的技术，而后又采用所谓虚拟工厂理念的仿真技术来设计工厂，以减少初期工厂设计的成本和加快建厂的时间。但是这种方法一直没有得到很好的实现，其原因之一在于当时的IT技术、计算机技术、信息技术还不能支撑这一设计模式，所建立的工厂模型与直接
15、的模型相差很大，实践的应用价值不大。而工业战略4.0中明确地提出互联网技术，信息技术运用到制造工业中，在实现智能工厂中推出了所谓“Cyber-Physical Systems（CPS）”的慨念，这个概念目前在学术领域里讨论的非常多，理解不一，有不同的解释。实际上CPS的理念贯穿到整个工业革命的实施之中，从定义上来理解，CPS是一个协调和管理数字计算和物理过程和资源之间的相互关系，整合于全球和公共互联网网络进行通信的系统中。它的方法可以运用于各行各业，比如：分布式能源发配电系统的智能电网；交通车辆驾驶与交通系统互相联网的车联网；人体健康加上远程监控联网的医联网；运用互联网实现分散、灵活、自适应的
16、生产制造系统的工业4.0战略（也可以称为工联网）。 简单一句话，CPS就是互联网技术运用于各行各业的代名词， 其核心就是通过应用信息通讯技术和利用互联网的网络空间，将虚拟系统信息与物理系统相结合的手段，完成各行各业的产业升级。因此，三位一体的适应性生产制造模式的基本方法和体系架构中首先采用了Cyber-Physical Systems（CPS）的概念，实现两大任务：生产制造系统的数字化和虚拟化（数字工厂）；数字虚拟工厂与实际的对象结合起来（网络物理系统）。 从以上分析也给了我们一个启示，目前德国推动的智能工厂概念不是突然产生的想法，不是一个所谓的“革命”，而是德国在科学发展道路中多年的技术积累、技术沉淀和技术研究的自然结果，是多年研究的数字化工厂，工业仿真技术的继续发展和提高，是一种技术的演变，是适应社会对技术发展需求的一个响应和变革。在实现设计三位一体化生产制造的工厂模型中，德国恰恰加强了仿真技术即数字工厂技术的应用，按照可持续发展和面向服务的业务开始实践，从适应性、灵活性、自适应性和学习特
