德國工業(yè)4.0又稱第四次工業(yè)革命，是指通過充分利用信息通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)空間虛擬系統(tǒng)——信息物理系統(tǒng)相結(jié)合的手段，將制造業(yè)和智能化轉(zhuǎn)型。德國工業(yè)已經(jīng)經(jīng)歷了三次工業(yè)革命，第一次工業(yè)革命發(fā)生在1 8世紀(jì)末，主要是通過水力和蒸汽機(jī)實現(xiàn)工廠機(jī)械化；第二次工業(yè)革命發(fā)生在20世紀(jì)初，主要為電力的廣泛應(yīng)用、內(nèi)燃機(jī)和新交通工具的制造，新通信手段的發(fā)明和化學(xué)工業(yè)的建立；第三次工業(yè)革命從20世紀(jì)70年代至今，主要為基于PLC的生產(chǎn)工藝自動化，以原子能、計算機(jī)和空間技術(shù)的廣泛應(yīng)用為主要標(biāo)志的信息控制技術(shù)革命。
工業(yè)的強大本屆展會共吸引來自全球65個國家和地區(qū)的約5 000家展商參加。工業(yè)展共分為7個主題展，分別為：工業(yè)自動化、能源、移動技術(shù)、數(shù)控化工廠、工業(yè)供應(yīng)、工業(yè)綠色技術(shù)以及科研與技術(shù)，展示了建設(shè)智能工廠的未來趨勢。德國總理默克爾在4月6日的開幕式上說： “未來智能工廠能夠自行運轉(zhuǎn)，零件與機(jī)器可以相互交流，這令跨行業(yè)合作成為必然。”
西門子在3 500m2藍(lán)寶石般半月形的展臺里展示了西門子工業(yè)企業(yè)的全部產(chǎn)品線，從產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)規(guī)劃、生產(chǎn)工程、生產(chǎn)實施和服務(wù)五個階段展示了智能制造的理念；同時還展出了一條工業(yè)4.0下的汽車生產(chǎn)線。為便于讀者理解，筆者結(jié)合展會和參觀到的數(shù)字化工廠將智能制造分為四個部分，分別為數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計、虛擬規(guī)劃、智能化生產(chǎn)和全生命周期的服務(wù)集成。
數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計
西門子展示了一款極具創(chuàng)新的日產(chǎn)ZEOD RC賽車。ZEOD(ZeroEmission On Demand Racing Car，零排放定制賽車)標(biāo)志著電力驅(qū)動裝置與內(nèi)燃機(jī)之間的選擇性互操作。這款世界上速度最快的電動賽車，將在2014年6,9的法國勒芒24 h耐力賽上首度出戰(zhàn)，憑借先進(jìn)的電動技術(shù)，以百公里加速時間2．5 S、超過300 km／h的速度馳騁賽場。英國賽車運動工程公司——RML集團(tuán)在開發(fā)過程中使用了西門子的集成化Nx軟件包。該軟件包適用于CAD、CAE和CAM開發(fā)系統(tǒng)。
據(jù)悉，德國達(dá)姆斯塔特工業(yè)大學(xué)的學(xué)生們與DART賽車團(tuán)隊共同開發(fā)制造的即將參加《大學(xué)生方程式汽車大賽》的電動賽車theta20 l 3，也是依靠NX CAD／CAE／CAM系統(tǒng)完成了設(shè)計階段的全部工作。這套系統(tǒng)的優(yōu)勢在于為包括幾乎所有零件在內(nèi)的整個賽車提供了一套三維主設(shè)計模型，使得設(shè)計過程大大加快，為成功制造實際賽車奠定了堅實的基礎(chǔ)。這個案例出色地證明了最大限度優(yōu)化設(shè)計效率對創(chuàng)新生產(chǎn)的重要作用。
在數(shù)字化制造下，設(shè)計和制造都基于同一個數(shù)據(jù)平臺，研發(fā)和生產(chǎn)幾乎同步，改變了傳統(tǒng)制造的節(jié)奏。在歐洲最先進(jìn)的現(xiàn)代化工廠——工業(yè)4．0的雛形——西門子安貝格電子工廠參觀時，副總經(jīng)理李永利告訴記者，數(shù)字化設(shè)計和生產(chǎn)已實現(xiàn)了緊密的結(jié)合，這使安貝格工廠的產(chǎn)品殘次品率從原先的500多／1 000 000下降到現(xiàn)在的1211 000 000。
虛擬規(guī)劃
使用工業(yè)軟件即可實現(xiàn)在電腦屏幕上開發(fā)整座工廠及具體每一臺機(jī)器設(shè)備，通過徹底仿真優(yōu)化生產(chǎn)過程。這種方法可以幫助客戶節(jié)約時間和資源，降低能源成本，同時提高工廠的盈利能力。取得成功的關(guān)鍵在于將西門子的生命周期管理軟件集成到西門子的自動化系統(tǒng)，縮短產(chǎn)品上市時間達(dá)50％，同時提高產(chǎn)品質(zhì)量。西門子展示了一個使用了名為Comos Walk—inside 3D可視化軟件的工廠平臺，觀眾可走進(jìn)虛擬化的制造工廠，查看工廠的整體布局，甚至查看每臺機(jī)床擺放的位置。
智能化生產(chǎn)
智能化是一個過程，是工業(yè)化和信息化不斷融合的過程，而未來智能工廠能夠自行運轉(zhuǎn)，零件與機(jī)器可以相互交流，跨行業(yè)合作成為必然。西門子展示了制造工程、制造執(zhí)行軟件和集成，筆者在此統(tǒng)一稱為智能化生產(chǎn)。
(1)制造工程。隨著使用的硬件和軟件不斷增多，帶來的挑戰(zhàn)與日俱增，保證各個系統(tǒng)之間實現(xiàn)無縫通信與協(xié)作的難度也越來越高。西門子TIA博途軟件平臺帶來了工程領(lǐng)域的革命性進(jìn)步，實現(xiàn)了各項自動化任務(wù)的全面集成和統(tǒng)一，同時還可優(yōu)化工作流程，降低工程成本達(dá)30％。展臺上的工程區(qū)重點展示了一臺生產(chǎn)線末端包裝機(jī)，顯示出所有自動化部件在全集成自動化軟件TIA基礎(chǔ)上是如何實現(xiàn)完美協(xié)同互動的。西門子公關(guān)專員Peter Jefimiec先生表示，TIA是一個具有高開放性的數(shù)據(jù)平臺，是一個理念，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的無縫連接，組態(tài)便捷。
(2)全集成驅(qū)動系統(tǒng)(IDS)。2013年，西門子在中國提出了全集成驅(qū)動的概念，IDS的核心元素是動力總成的三位一體：即橫向沿著能量流由耦合器和變速箱直到電動機(jī)和逆變器的集成，縱向在自動化層次上于工業(yè)制造工藝控制結(jié)構(gòu)的集成以及生命周期集成。因此，橫向集成會改善機(jī)器的生產(chǎn)率和生產(chǎn)質(zhì)量，以此為基礎(chǔ)，西門子可提供全面的變速箱、耦合器、電動機(jī)以及逆變器的產(chǎn)品組合。同時，IDS把動力總成和部件集成到西門子工業(yè)的TIA架構(gòu)中，明顯降低了工程時間。通過橫向和縱向平面使得IDS概念跨過另一個集成平面——整個機(jī)器和產(chǎn)品的生命周期管理所有部件的技術(shù)數(shù)據(jù)都能在規(guī)劃、設(shè)計和投產(chǎn)等相應(yīng)工業(yè)軟件中共享。通過集成的軟件和服務(wù)，這個集成生命周期不但可使投產(chǎn)更快及提高可靠性，而且降低維護(hù)成本。展臺現(xiàn)場一臺采用上行傳送技術(shù)(高層碼垛系統(tǒng))的存儲與檢索設(shè)備很好地詮釋了IDS這一概念，這樣的系統(tǒng)在工廠的物流體系和生產(chǎn)線中發(fā)揮著重要作用。
機(jī)床的領(lǐng)先制造商DMG通過使用全集成驅(qū)動系統(tǒng)為在工業(yè)4．0框架下的集成制造工藝奠定了基礎(chǔ)。CAD／CAM系統(tǒng)和SinumerikCNC系統(tǒng)之間的無縫數(shù)據(jù)交換使得通過虛擬模型生成現(xiàn)實機(jī)械的時間節(jié)省了80％；此外，在網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)中，DMG可以通過基于指標(biāo)的優(yōu)化對生產(chǎn)規(guī)劃及通過產(chǎn)品開發(fā)讓啟動生產(chǎn)的速度提升了50％=自動化CAM設(shè)置則讓DMG研發(fā)流程的效率提升40％。
(3)未來的汽車生產(chǎn)線。我們可以想像未來的汽車組裝生產(chǎn)線是什么特點：數(shù)據(jù)信息、機(jī)器人和高柔性。
歐洲最先進(jìn)的安貝格電子工廠1 995年每天的數(shù)據(jù)信息是5000條，而2013年則達(dá)到每天5 000萬條。在整車組裝線的每個零部件都有一個身份信息，什么材料，哪臺機(jī)器生產(chǎn)的，安裝尺寸和安裝位置及作用，經(jīng)過掃描后，機(jī)器人就會按設(shè)定的程序抓取部件并安裝在車體上，這樣的生產(chǎn)線更適合不同車型的柔性生產(chǎn)。西門子在現(xiàn)場展示了一條實際應(yīng)用的轎車生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線所有的控制系統(tǒng)均為西門子公司產(chǎn)，配備了3臺庫卡和西門子合作生產(chǎn)的機(jī)器人。該生產(chǎn)線的最大亮點就是這三臺機(jī)器人之間可以互相聯(lián)絡(luò)，如果第三臺機(jī)器人感覺節(jié)奏太快，它就會告訴前兩臺機(jī)器人： “親，你們慢點，我快跟不上了。”
(4)數(shù)字化工廠。西門子安貝格電子工廠是歐洲乃至全世界最先進(jìn)的數(shù)字化工廠，副總經(jīng)理李永利將在我們頭腦當(dāng)中多年的虛擬工廠帶到了現(xiàn)實世界。安貝格工廠有1萬m2的生產(chǎn)車間，主要生產(chǎn)印刷電路板。走進(jìn)車間，看不到一般國內(nèi)工廠忙碌的工人身影，為數(shù)不多的工人在有條不紊地工作。當(dāng)生產(chǎn)線上檢測到不合格的零件時會將其自動送出，檢測工位的工人經(jīng)復(fù)檢和修復(fù)后再送進(jìn)生產(chǎn)線。“自動線的最大好處是降低產(chǎn)品的廢品率，”李永利表示， “作為全球最好的制造工人——德國工人的出錯率大概在(300～500)／1 000 000，如果把這一出錯率降低到12／1 000 000，就必須靠機(jī)器來保證。”安貝格工廠75％的生產(chǎn)過程是由機(jī)器來完成的，包括物料配送、數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)整理等。為了更準(zhǔn)確地收集到生產(chǎn)過程中的各種數(shù)據(jù)，安貝格工廠超過3億個元器件都有自己的身份識別，這些基礎(chǔ)信息包括哪條生產(chǎn)線生產(chǎn)的、什么材質(zhì)等，工廠所有的設(shè)備都有掃描器和讀碼器，經(jīng)過記錄和讀取數(shù)據(jù)，機(jī)器就會制定相應(yīng)的執(zhí)行動作和環(huán)境。當(dāng)原材料出現(xiàn)問題時，就通過研發(fā)系統(tǒng)輸入指令，指令下發(fā)到工廠控制層，所有生產(chǎn)線都能識別到，當(dāng)掃描到有問題的零件時就會自動中止該零件進(jìn)入下道工序。當(dāng)出現(xiàn)小批量的零件而不需要成線時，工廠也盡可能地將工人的操作動作固定在機(jī)器中，記者看到，當(dāng)一個安裝件出現(xiàn)在工人面前時，工人面前的電腦會顯示要安裝的部件，比如4個螺釘，只有4個螺釘全部安裝完畢，電腦屏幕才顯示進(jìn)入下道工序。西門子已經(jīng)在成都成立全新的數(shù)字化工廠，讀者如果想體驗世界上最先進(jìn)的工廠理念，不妨去西門子成都電子工廠參觀。全生命周期的服務(wù)集成高效維護(hù)可以提高工廠可用性，并在工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮至關(guān)重要的作用。但服務(wù)的作用遠(yuǎn)不止于此。西門子可為工業(yè)領(lǐng)域客戶提供包括規(guī)劃、安裝、運營以及升級改造在內(nèi)的全方位服務(wù)，涵蓋產(chǎn)品、系統(tǒng)以及應(yīng)用，貫穿工廠的整個生命周期，以減少工廠停機(jī)時間、節(jié)約資源。
(1)PLM。實際上，西門子的全生命周期管理軟件PLM涵蓋了產(chǎn)品的規(guī)劃、設(shè)計直至制造和維護(hù)的全過程，比如更快的設(shè)計、仿真和制造的軟件NX，更高效的用西門子的PLM軟件，顯著提高了生產(chǎn)效率。
(2)信息安全性。工業(yè)領(lǐng)域的客戶目前正面臨著前所未有的全新挑戰(zhàn)，包括更廣泛的網(wǎng)絡(luò)威脅和攻擊�？蛻敉ǔＨ狈τ行�(yīng)對信息安全事件的必要資源，且無從獲得全球范圍內(nèi)的安全威脅情報以便采取前瞻性的防御措施。掌握不斷變化的政府法規(guī)、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、最佳案例，以及其他風(fēng)險信息，這些在做出明智的商業(yè)決策的過程中都必不可少。
西門子工業(yè)業(yè)務(wù)領(lǐng)域與IntelSecurity邁克菲公司計劃深化雙方的合作伙伴關(guān)系，以加強和擴(kuò)充工業(yè)信息安全產(chǎn)品線，聯(lián)手幫助工業(yè)客戶抵御不斷加劇的全球網(wǎng)絡(luò)安全威脅。雙方將充分利用各自強大的信息安全產(chǎn)品組合優(yōu)勢，并在始于2011年的合作關(guān)系基礎(chǔ)上進(jìn)一步加強和深化合作。
與邁克菲合作將與西門子的安全服務(wù)形成互補，借助于新一代防火墻、安全信息與事件管理(SIEM)、終端安全、作為托管安全服務(wù)一部分的全球安全威脅情報，以及其他專業(yè)性的服務(wù)，這些產(chǎn)品和解決方案將使工廠層面的信息安全管理變得更加直觀和可控，同時降低知識產(chǎn)權(quán)被盜取的風(fēng)險。
中國與制造業(yè)未來
新的工業(yè)革命即將來臨，各國政府都已做好了準(zhǔn)備，中國提出了“工業(yè)化信息化融合”，美國提出了“設(shè)計創(chuàng)新和數(shù)字制造”，英國提出了“領(lǐng)先的技術(shù)網(wǎng)絡(luò)和創(chuàng)新中心”、荷蘭提出了“發(fā)展高端技術(shù)戰(zhàn)略”以及德國提出了“工業(yè)4．0”戰(zhàn)略，作為工業(yè)最發(fā)達(dá)的德國，其第四次工業(yè)革命戰(zhàn)略引起了世界的最廣泛的關(guān)注。
工博會期間，西門子邀請幾百人的中國客戶團(tuán)隊到德國參觀訪問，并舉行盛大的“中國日”活動，讓中國客戶體驗先進(jìn)的工業(yè)4．0理念。西門子工業(yè)業(yè)務(wù)領(lǐng)域首席執(zhí)行官魯斯沃博士表示： “第四次工業(yè)革命是一個漸進(jìn)的過程。工業(yè)4．0的真正到來可能需要20年左右的時間，在此期間，變化將不斷
出現(xiàn)和遞進(jìn)。”魯斯沃認(rèn)為目前就正處在一個可稱之為工業(yè)3．x的階段。它是建立在強大的生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)和數(shù)字化企業(yè)平臺基礎(chǔ)上的。簡言之，虛擬世界和現(xiàn)實世界中的生產(chǎn)通過完全的數(shù)字化相互融合，目的就是令整個生產(chǎn)價值鏈的數(shù)據(jù)做到無縫交流。
魯斯沃認(rèn)為，工業(yè)4．0時代完全到來時，會有以下三個主要元素：
第一個元素是生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)、數(shù)字化企業(yè)平臺、產(chǎn)品生命周期管理和自動化系統(tǒng)的集成。它們的集成將帶來一個強大的制造運行管理系統(tǒng)。第二個元素是虛擬世界和現(xiàn)實世界中生產(chǎn)的融合。這是基于一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型完成的。制造商可因此大大縮短產(chǎn)品的生命周期。
第三個元素則是信息物理融合系統(tǒng)。這也是增加生產(chǎn)靈活性，縮短產(chǎn)品上市時間的關(guān)鍵�；ヂ�(lián)的機(jī)器可以通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)彼此交流，并靈活地集成于現(xiàn)有的生產(chǎn)過程中。這些元素令未來的工廠能夠更加靈活和及時地優(yōu)化及控制其生產(chǎn)過程。“在工業(yè)4．0的進(jìn)程中，中國毫無疑問是西門子最重要的市場之一。我們的目標(biāo)就是令中國的工業(yè)客戶站在世界的前沿，并屹立不倒。我們不僅僅希望我們的客戶在今天的市場領(lǐng)先，還希望他們在未來工業(yè)4．0的時代里一馬當(dāng)先。”魯斯沃說。
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本文標(biāo)題：智能制造及未來
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