工業4.0：數字化魔方助力制造業轉型
http://www.debgrams.com 2014-11-25 10:54 來源：南方日報
世界范圍內制造業再次崛起。無論是德國政府近年來提出的“工業4.0”戰略，還是中國政府的“十二五”規劃，都強調了“工業化”和“信息化”融合的重要性，數字化是制造業未來發展的必然方向。而整個生產流程的數字化無疑是實現兩化融合的必經之路。
基于信息物理融合系統的工業4.0概念誕生之初，西門子再度嗅到了新一輪工業革命的氣息。瞄準物聯網、云計算、大數據、工業以太網等技術，西門子集成了目前全球最先進的生產管理系統，以及生產過程軟件和硬件，如西門子制造執行系統(MES)軟件Simatic IT、西門子產品生命周期管理(PLM)軟件、工業工程設計軟件(Comos)、全集成自動化(TIA)、全集成驅動系統(IDS)，等等。
對于正在進行制造業轉型升級的中國而言，西門子的數字化企業無疑提供了很好的參考樣本。分享它們“厚積薄發”帶來的收益時，中國企業，或許能從西門子通往工業4.0的路線圖中解讀出更多信息。
勢
行業趨勢
“數字化”概念和技術引領制造業變革
數字制造意味著生產單元和流程都擁有自己在虛擬生產世界里的“數字拷貝”，制造企業將能夠大幅提高生產力。
日前，第十六屆中國國際工業博覽會在上海舉行，共有2000家展商參展，攜帶其最新研發的設備與觀眾見面。面對經濟和技術的變化為全球制造業帶來巨大的轉型挑戰，整個工業領域也正在經歷一場制造業的大變革，“數字化”概念和技術成為最熱的名詞。
這一變革，在展館演繹得淋漓盡致。
記者在西門子展臺看到：他們打造“數字制造”產品版圖，圍繞“數字化企業平臺”、“全集成自動化(TIA)”、“全集成驅動系統(IDS)”、“過程自動化”、“能源效率”和“服務”幾大主題，涵蓋工業軟件、數字化硬件，以及數據驅動的服務幾大類別的產品及解決方案。
而與西門子展臺一步之遙的ABB公司展臺，則展示了包括雙臂機器人、小型機器人IRB1200、中壓傳動產品ACS580MV、“i-家”無線智能家居系統等在內的智能產品。
在解釋數字制造為制造企業帶來的優勢時，西門子(中國)有限公司執行副總裁、數字化工廠集團總經理王海濱表示：“數字制造意味著生產單元和流程都擁有自己在虛擬生產世界里的‘數字拷貝’。因此，企業可以對生產進行模擬和計算，令虛擬的生產世界與現實的生產世界相融合。制造企業將能夠大幅提高生產力、縮短產品上市時間，并提升生產柔性。”
事實上，近年來，發達國家不斷調整經濟發展戰略，重振制造業。
美國正在向他們的工業生產效率和質量進行大幅度的投資，來確保社會和經濟的繁榮，他們把這樣的做法稱為“美國制造業的復興”。
在歐洲，來自德國產業界、政府和學術界的產官學專家于2013年4月首次發布了《實施“工業4.0”戰略建議書》。德國“工業4.0”戰略是德國政府確定的面向2020年的國家戰略，體現了以其創新制造技術方面的優勢開拓新型工業化的目標，是為進一步抵御歐洲主權債務危機對該國的沖擊、增強國際競爭力以及有效面對消費者偏好個性化和多元化的市場需求而提出的工業升級計劃，是對“工業1.0”(機械制造設備的引入)、“工業2.0”(電氣化的應用)和“工業3.0”(信息化的發展)的延伸。
“工業4.0”戰略通過深度應用信息通信技術(ICT)和網絡物理系統等手段，以智能工廠和智能生產為重點進行工業技術領域新一代關鍵技術的研發和創新，使生產成本大幅下降和生產效率大幅提高，促進產品功能多樣性、個性化和產品性能大幅提升。
對此，工業和信息化部前部長李毅中表示，“工業4.0”戰略是第三次工業革命的具體化，它的內容是用物聯網服務互聯網，把制造業的物理生命單元聯系起來，然后與傳感器、終端系統、智能控制系統、通訊設施結合起來，這就使制造業的物理生理單元、機器、機床具有計算、設計、通訊精準控制、遠程協調和自制自動等功能，從而將制造者、機器、物料、環境以及用戶緊密地聯系起來，實時聯通相互連接。
術
變革之術
工業4.0真正到來可能需要20年
制造業的發展趨勢在于，更加注重產品全生命周期的管理。過去推出一款新車，可能需要七八年時間，現在兩三年就夠了。
西門子在今年5月發布“2020公司愿景”，提出了公司未來將專注于電氣化、自動化和數字化。
在工業4.0時代，虛擬世界將與現實世界高度融合。通過計算、自主控制和聯網，人、機器和信息互相聯接，融為一體?，F有的技術和創新將被全部整合到一個數字化企業平臺中。生產還未開始，產品開發流程和生產流程中的所有環節便可以并行模擬進行。這一雛形夢想，目前在西門子工業自動化產品成都生產研發基地(SEWC)有最新探索。
在西門子成都工廠研發生產一件新產品，它都會擁有自己的數據信息。這些數據信息在研發、生產、物流的各個環節中被不斷豐富，實時保存在一個數據平臺中。而這座工廠的運行，都是基于這些數據基礎，ERP、PLM(產品全生命周期管理系統)、MES(制造執行系統)、控制系統及供應鏈管理，全部實現了無縫的信息互聯，從而造就出了一幅透明工廠的畫面。
比如，在縮短產品上市時間方面，SEWC通過數字化的方式，對設計出來的產品進行模擬和仿真，這樣就省去了做樣機的時間。而當設計人員對設計內容進行修改時，也可以通過共同的數據庫，把修改的內容直接傳送到生產線，從而節省了制造過程中的修改時間，使得產品能夠盡快上市。
同時，SEWC還通過高度的數字化和自動化來提高生產效率。在傳統的工廠里面，每天要由負責生產計劃的人下發生產工單，再由班組長將生產任務分配到每個工人頭上。而SEWC則省略了這些步驟，直接將生產工單在觸摸屏上顯示。
而在質量檢測環節，系統會通過數據庫對之前的工序進行核對，從而獲得產品的質量情況。
我們可以描繪下SEWC通過“數字和物理世界的無縫銜接”的場景：如果你是一家汽車生產商的負責人，你認為最理想的生產狀況是怎樣的?例如，你收到了生產200輛卡車和200輛轎車的訂單，你是先生產200輛卡車，還是將大卡車與小轎車混合交替生產?
如果先生產200輛卡車，則會產生大量的待售品，占用更多的現金流。理想的生產狀況是進行靈活的小批量、多批次生產，使生產得以均勻、連續，這樣產生的庫存待售品才最優，而且生產過程的原材料消耗會更少，現金流也更為順暢。
對此，王海濱表示，“制造業的發展趨勢在于，更加注重產品全生命周期的管理。過去推出一款新車，可能需要七八年時間，現在兩三年就夠了。這就是未來的趨勢，核心在于，怎么加快產品設計、生產、上市、服務時間，如何縮短整個過程耗費的時間。”
當然，這場變革將是一個漸進的過程，工業4.0的真正到來可能需要20年左右的時間。他將這一“漸進的過程”稱作“工業3.X”。
“工業3.X”范本應用在中國許多領域
比如生產一支筆，利用產品生命周期管理(PLM)軟件，從研發到制造基于同一個數據平臺，費時費力費錢的工藝都可以省下來。
目前，西門子已經將“工業3.X”的范本應用在中國的許多領域。
以華潤水泥(封開)公司的節能增效解決方案為例：水泥原料中約80%的成分是石灰石，分布于石灰巖礦豐富的山區。華潤水泥(封開)有限公司的石灰石礦場位于距離生產基地63公里的山區，若使用汽車運輸原料，其成本約為11.3萬元/天，這將帶來巨大的運輸及能耗成本。經過周密規劃，華潤封開水泥在石灰石礦場和生產基地之間建設了一條運輸皮帶廊。
皮帶廊全程規劃為52公里(一期40公里已建成運行)，相當于北京三環路的全長，通過衛星也清晰可見，年運輸能力達到1000萬噸，堪稱水泥行業世界之最。
要讓40公里的皮帶廊帶著5000多噸的物料運轉起來，需控制不同節點的電機同步運行。為了保障穩定運輸，皮帶廊被分為3大段，均采用Simatic PCS7控制系統，皮帶上不同節點裝有張力傳感器，控制系統根據張力反饋，通過變頻器調節各部分電機的轉速，可以讓皮帶在15分鐘內快速啟動。
石灰石從礦場運輸到廠區只需短短兩個小時。在西門子技術的協助下，皮帶廊低成本高效運轉，與汽車運輸相比，每年節約費用1.79億元，節約燃油1.4萬噸，減排二氧化碳4.2萬噸，成為華潤封開水泥的驕傲。
亞洲最大的紙漿和紙張制造商之一的亞洲紙漿紙業集團(APP)，在浙江省寧波市的造紙廠是另一個范本—借助全集成驅動系統，能源消耗和二氧化碳排放量大減。由此，該造紙廠每條生產線年均節省數千萬元的開支，年均停機時間被保持在最低的12.5小時。
此外，汽車生產設備制造商柯馬(上海)工程有限公司采用西門子的產品生命周期軟件，借助虛擬仿真技術發現設計中存在的缺陷及問題，在投產前就加以校正，使得設計與規劃實現“所見即所得”(生產線模擬的精準度為98%)，把產品上市時間縮短了20%—30%。
西門子(中國)有限公司工業業務領域驅動技術集團總經理林斌這樣描述這種變化：“比如生產一支筆，傳統做法是先出一張圖紙，然后調整機床參數去開模做出樣品，圖紙返回研發部門經過比對修改，才能進入生產線。但利用產品生命周期管理(PLM)軟件，從研發到制造基于同一個數據平臺，在設計時就可以將這支筆的特點、長度、直徑等參數，直接與下游加工機器的數據同步，通過仿真就可以將設計定型，直接上線生產，完全不需要紙質圖紙。傳統制造節奏改變了，費時費力費錢的工藝都可以省下來。”
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問道前路
國家發改委宏觀經濟研究院研究員王海峰
要有更加靈活的制造和生產
隨著工業4.0理念的不斷深入，一場新的工業革命即將席卷全球，如何幫助企業實現更高的效率和生產力，更短的產品上市時間，以及更大的靈活性。
國家發改委宏觀經濟研究院研究員王海峰博士表示，中國的工業界在過去幾十年當中取得的巨大進展，在中國取得的這些進步是非常鼓舞人心的，也是令全球矚目的。現在中國工業已經發展到了一個新階段，中國制造的產品越來越先進，像高鐵、計算機、先進機械、汽車、飛機和宇宙飛船，對于中國的制造業和工業來說一切皆有可能，都有能力去制造。
在王海峰看來，一個不可忽略的是，過去工業界的結構是非常清晰的，各個公司可以通過規模效應來降低成本，并且可以在每一個生產流程去推動生產力的提高，但是這樣的時代已經一去不復返了。隨著全球化的進一步加速，資源變得更加稀缺，而國際價值鏈在不斷地被催生。在這樣全球競爭的環境下，我們必須要有更加靈活的制造和生產。
西門子股份公司管理委員會成員、工業領域首席執行官魯思沃教授持相同觀點。他表示，今天我們不光要強調員工的生產效率，同時整個企業在資源和能源上也要更加高效。我們今天不僅僅要提高生產速度，還要縮短產品上市的時間。當一個產品新的創意產生到消費者能夠用上產品，這個時間要不斷縮短，雖然產品本身在變得越來越復雜、產品的版本也越來越多。
“今天我們要滿足客戶更加復雜的需求，現在客戶可以在線對產品進行配置和定制，并且要一鍵點擊就能夠完成一站式的交付。”魯思沃說，這使得制造業面臨著前所未有的快速變化，在這樣新的世界當中過去的方法或秘訣不再能夠帶來持久的競爭優勢了。
魯思沃提醒說，開啟數字制造時代，企業需要在硬件和軟件上都有所準備?；A自動化條件應該要具備。如果車間里機械設備都還沒有實現自動化，設備和設備之間也沒有用自動化連接起來，也不存在覆蓋全廠的通訊網絡，那么自動化改造很難實現。
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