工業4.0:智能化工廠與生產

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“工業4.0”是由德國聯盟教研部與聯邦經濟技能部聯手推動的戰略性項目,被看作是提振德國制作業的有力催化劑,也被以為將是全球制作業未來開展的方向。繼蒸汽機的發明、大規模出產和自動化之后,這一趨勢被稱為“第四次工業革新”——“工業4.0”(Industry 4.0)。事實上,工業4.0這一詞早在2011年的漢諾威工業飽覽會中就現已被提出,它包含了智能工廠、工業網路系統、IT系統、出產鏈的自主操控?!肮I4.0”發起物與效勞串連,旨在物對物(M2M)的運作架構下,打通產、銷任督二脈,考究出產自動化、出產IT化,出產方法將由批次量產轉向接單后出產,履行智慧出產、綠色出產、都市出產的未來趨勢。本刊將此文介紹給讀者,以供參閱。

工廠經過“資訊物理系統(CPS)”來樹立一個完好的網路系統,這當中包含了相互連接的智能機械、倉儲系統、及高效的產品設備等,這些設備能夠獨當一面的運作,或許相互交流消息、相互操控,并且以嵌入式系統來監測出產環境。當指令經過CPS系統時,縱向需求經過工廠和公司的商業流程,橫向則連接了能夠實時辦理的衍生價值系統,這兩方面一起構建了嵌入式制作的系統網絡。從出產機臺的運動操控到整體工廠運作無不考究智能,未來的工廠工人,將不再僅僅單調的操作機器,而是將自己的經歷儲存到系統中,更有智能地與出產機器溝通互動?!爸悄苤谱鳌本褪恰肮I4.0”的一個縮影。

此外,“工業4.0”還將處理當今國際遇到的一些應戰,比方資源功率、城鎮化和人才結構調整等。工業4.0能夠繼續帶來掩蓋整個價值網絡的資源出產率和功率的增益。一起能夠將人口結構改動和社會要素考慮在內,并設定適宜的辦法來安排出產。智能輔佐系統能夠把工人從單調、程式化的作業中解放出來,使其能夠將精力會集在立異和增值業務上。在關于熟練工缺少的問題上,工業4.0答應高齡的工人延伸他們的作業生計,使他們能夠長期地堅持出產力。靈敏的作業安排方法使得工人們能夠更好地整合他們自己的作業,私家生活和繼續的作業生計開展將變得更有功率,能夠說,工業4.0為作業和生活找到了一個更好的平衡點。

  德國搶先推動“工業4.0”項目

為了在新工業革新中占領先機,德國聯盟教研部與聯邦經濟技能部正聯手推動《高技能戰略2020》斷定的十大未來項目之一——“工業4.0”項目,支撐工業技能范疇新一代要害技能的研制與立異。項目由德國聯邦教研部與聯邦經濟技能部聯手贊助,聯盟政府投入達2億歐元。在《高技能戰略2020》的方案舉動中,德國聯盟政府為未來項目“工業4.0”設立了雄心壯志的方針:德國要成為如今工業出產技能(即網絡物理交融式出產系統)的供應國和主導商場。

  “工業4.0”項意圖首要內容

“工業4.0”項意圖概念描繪了由會集式操控向渙散式增強型操控的根本方法改動,方針是樹立一個高度靈敏的個性化和數字化的產品與效勞的出產方法。在這種方法中,傳統的作業邊界將消失,并會發作各種新的活動范疇和協作方法。發明新價值的進程正在發作改動,工業鏈分工將被重組。

“工業4.0”項目將從兩個方向打開,一是“智能工廠”,要點研討智能化出產系統及進程,以及網絡化分布式出產設備的完結;二是“智能出產”,首要觸及整個企業的出產物流辦理、人機互動以及3D技能在工業出產進程中的運用等。該方案將特別重視吸引中小企業參加,力求使中小企業成為新一代智能化出產技能的運用者和受益者,一起也成為先進工業出產技能的發明者和供應者。

  “工業4.0”項意圖要點運用技能

跟著工業4.0年代的到來,許多沿襲多年、占有主導地位的工業自動化技能,正面對被篩選、被更新換代的命運,而一批曾經以為是高端的工業自動化技能,也跟著新年代的到來,快速的走入到了實踐的運用中去,成為新年代的寵兒:

一是以工業PC為根底的低本錢工控自動化將成為干流;

二是PLC進入第六代——微型化、網絡化、PC化和開放性;

三是DCS系統走向測控管一體化規劃;

四是操控系統向現場總線(FCS)方向開展;

五是儀器儀表向數字化、智能化、網絡化、微型化開展;

六是數控技能向智能化、開放性、網絡化、信息化開展;

七是工業操控網絡向有限和無限相結合的方向;

八是工業操控軟件向規范化、網絡化、智能化和開放性方向開展。

此外,為了完結工業制作到工業4.0的改動,德國還要完結一項兩層戰略。不只應該自始自終地把“信息和通訊科技”和“本身的傳統高科技戰略”進行整合,以努力成為智能制作科技的首要供貨商,尋求穩固本身在全球商場的領導地位。一起,還應發明并效勞于CPS科技和產品。

為了達到這個兩層要求,以下幾個工業4.0的特征應該被履行:

一是橫向集成需求經過價值網絡;

二是端到端的工程立體集成橫跨整個價值鏈;

三是筆直集成和網絡化的制作系統。

通向工業4.0之路要求德國在研制上投入巨大的精力,為了完結兩層戰略,所進行的研討首要有必要完結“制作系統的水平緩筆直集成”和“工程上端到端的集成”。此外,出于對工業4.0系統的要求和CPS科技繼續開展的意圖,在作業場所中新的社會根底設備應該得到更多重視。

  各界積極呼應“工業4.0”項目

德國電子電氣工業協會(ZVEI)猜測,工業4.0將使工業出產功率進步30%,德國人工智能研討中心履行長Wahlster也表明,工業4.0將會在一些高勞作本錢的區域十分具有競賽力。有鑒于此,德國機械設備制作業聯合會(VDMA)及德國信息技能、通訊、新媒體協會(BITKOM)也已參加,德國三大工業協會決議一起樹立一個名為“第四次工業革新渠道”辦事處,并于2013年4月在法蘭克福正式發動。三大協會一起樹立辦事處的首要方針在于,推動工業的開展、進步工業出產規范、開發新的商業方法和運營方法并付諸實踐。

德國企業界做出了積極地呼應。比方,西門子展現本身推動工業4.0的詳細舉動,其憑仗全集成自動化(TIA)和“數字化企業渠道”,長久以來占有著信息技能集成范疇的領導地位。在2013漢諾威工業飽覽會上,西門子展現了交融規劃、工程和出產工藝以及相關機電系統的全面處理方案。西門子展臺將突出展現西門子的最新技能成果,這包含以全集成自動化TIA v12版別、新一代操控器Sifmatic S7-1500、針對電氣傳動運用的“全集成驅動系統”(IDS)概念,以及以信息技能為根底的效勞,例如,狀況監控。別的,西門子公司還將與德國弗勞思霍夫研討院以及群眾轎車公司聯合展現,經過運用產品生命周期辦理軟件(PLM)進行虛擬出產規劃,可下降出產線上機器人的能耗高達50%。別的,西門子指出當時約7500名軟件工程師是其在ICT驅動制作業自動化立異上的最大本錢。

智能制作業工程范疇的全球化競賽變得更加劇烈,德國并不是僅有一個在制作業布置物聯網和作業效勞的國家。遠在大洋彼岸的美國在2011年6月正式發動包含工業機器人在內的“先進制作同伴方案”,2012年2月又出臺“先進制作業國家戰略方案”,提出經過加強研討和實驗(R&E)稅收減免、擴大和優化政府投資、建造“智能”制作技能渠道以加快智能制作的技能立異。日本亦提出經過加快開展協同式機器人、無人化工廠進步制作業的國際競賽力。

  “工業4.0”兩大主題
  智能工廠:智能工業開展新方向

“智能工廠”的概念最早是奇思2009年在美國提出,其間心是工業化-和信息化的高度交融。智能工廠是在數字化工廠的根底上,運用物聯網的技能和設備監控技能加強信息辦理和效勞;未來,將經過大數據與剖析渠道,將云核算中由大型工業機器發作的數據轉化為實時信息(云端智能工廠),并加上綠色智能的手法和智能系統等新興技能于一體,構建一個高效節能的、綠色環保的、環境舒適的人性化工廠?,F在智能工廠概念仍議論紛紛,其根本特征首要有制程管控可視化、系統監管全方位及制作綠色化三個層面。

一是制程管控可視化。因為智能工廠高度的整合性,在產品制程上,包含質料管控及流程,均可直接實時展現于操控者眼前,此外,系統機具的現況亦可實時掌握,削減因系統故障構成誤差。而制程中的相關數據均可保留在數據庫中,讓辦理者得以有完好信息進行后續規劃,也能夠依出產線系統的現況規劃機具的維護;可根據信息的整合樹立產品制作的智能組合。

二是系統監管全方位。經過物聯網概念、以傳感器做鏈接使制作設備具有感知才干,系統可進行辨認、剖析、推理、決議方案、以及操控功用;這類制作配備,能夠說是先進制作技能、信息技能和智能技能的深度結合。當然此類系統,絕對不只僅僅在KS內裝置一個軟件系統罷了,首要是透過系統渠道累積常識的才干,來樹立設備信息及反應的數據庫。從訂單開端,到產品制作完結、入庫的出產制程信息,都能夠在數據厙中一目了然,在遇到制程反常的狀況,操控者亦可更為迅速反應,以促進更有用的工廠運轉與出產。

三是在制作綠色化方面,除了在制作上運用環保資料、留心污染等問題,并與上下游廠商間,從資源、資料、規劃、制作、廢棄物回收到再運用處理,以構成綠色產品生命周期辦理的循環,更可透過綠色ICT的附加值運用,延伸至綠色供應鏈的協同辦理、綠色制程辦理與智慧環境監控等,幫忙上下游廠商與客戶之間一起發明契合環保的綠色產品。

  智能工廠的建造首要根據以下三大根底技能。

一是無線感測器。無線感測器將是完結智能工廠的重要利器。智慧感測是根本構成要素。儀器儀表的智慧化,首要是以微處理器和人工智能技能的開展與運用為主,包含運用神經網路、遺傳演算法、進化核算、混沌操控等智慧技能,使儀器儀表完結高速、高效、多功用、高機動靈敏等功用,如專家操控系統(expert control system;ECS)、模塊邏輯操控器(FLC—Fuzzy Logic controller)等都成為智能工廠相關技能的重視焦點。

二是操控系統網路化(云端智能工廠)。跟著智能工廠制作流程連接的嵌入式設備越來越多,經過云端架構布置操控系統,無疑已是當今最重要的趨勢之一。在工業自動化范疇,跟著運用和效勞向云端運算搬運,資料和運算方位的首要方法都現已被改動了,由此也給嵌入式設備范疇帶來顛覆性變革。如跟著嵌入式產品和許多工業自動化范疇的典型IT元件,如制作履行系統;(MEs)以及出產方案系統(PPS)的智慧化,以及連線程度日漸進步,云端運算將可供給更完好的系統和效勞。一旦完結連線,系統結構、操控辦法以及人機協作辦法等制作規矩,都會因為操控系統網路化而發作改動。此外。因為影像、語音信號等大數據高速率傳輸對網路頻寬的要求,對操控系統網路化,更構成嚴峻的應戰,并且網路上傳遞的資訊十分多樣化,哪些資料應該先傳(如設備故障消息),哪些資料能夠晚點傳(如電子郵件),都要靠操控系統的智慧才干,進行恰當的判別才干得以完結。

三是工業通訊無線化。工業無線網絡技能是物聯網技能范疇最活潑的干流開展方向,是影響未來制作業開展的革新性技能,其經過支撐設備間的交互與物聯,供給低本錢、高牢靠、高靈敏的新一代泛在制作信息系統和環境。跟著無線技能日益遍及,各家供貨商正在供給一系列軟硬體技能,幫忙在產品中增加通訊功用。這些技能援助的通訊規范包含藍牙、Wi-Fi、GPS、LTE以及WiMax。但是,因為工廠需求不像消費商場一樣的規范化,有必要因應出產需求,有更多彈性的選擇,最熱門的技能未必是最好的通訊規范和客戶需求的技能。

  智能出產:制作業的未來

能出產(Intelligent Manufacturing.IM),也稱智能制作,是一種由智能機器和人類專家一起組成的人機一體化智能系統,它在制作進程中能進行智能活動,比如剖析、推理、判別、構思和決議方案等。經過人與智能機器的協作同事,去擴大、延伸和部分地替代人類專家在制作進程中的腦力勞作。它把制作自動化的概念更新,擴展到柔性化、智能化和高度集成化。與傳統的制作比較,智能出產具有自安排和超柔性、自律才干、學習才干和自維護才干、人機一體化、虛擬完結等特征。

“智能制作”需求硬件,軟件以及咨詢系統的整合。那些具有“智慧制作”特點的出產線,不只擁有著為數眾多的操控器、傳感器,并且經過有線或無線傳感網架構進行串聯,將數據傳輸給上層的制作履行辦理系統MES,結合物聯網的系統架構,從而讓制作業進步到一個新的階段。

制作首要是效勞于產品的出產,現在跟著客戶個性化需求越來越多,產品出產也逐步出現出少量多樣等新特征,這就迫使制作廠商要進步出產線的速度與靈敏性,關于商場前端的改動需求能夠快速調整。例如當時一些轎車廠就能夠讓客戶在線指定轎車的色彩,快速調整出產線,快速交給產品。智能制作就是要為運用者帶來更多的便當。

近年來,由人工智能技能、機器人技能和數字化制作技能等相結合的智能制作技能,正引領新一輪的制作業變革。智能制作技能開端貫穿于規劃、出產、辦理和效勞等制作業的各個環節,智能制作技能的工業化及廣泛運用正催生智能制作業。歸納起來,當今國際制作業智能化開展出現兩大趨勢。

一是以3D打印為代表的“數字化”制作技能鋒芒畢露?!皵底只敝谱饕院怂銠C規劃方案為藍本,以特制粉末或液態金屬等先進資料為質料,以“3D打印機”為東西,經過在產品層級中增加資料直接把所需產品準確打印出來。這一技能有可能改動未來的產品的規劃、銷售和交給用戶的辦法,使大規模定制和簡略的規劃成為可能,使制作業完結隨時、隨地、按不同需求進行出產,并徹底改動自“福特年代”以來的傳統制作業形狀。

3D打印技能創始了一個全新的偏平式、協作性的全球手工業商場,而不是傳統意義上的層級式、自上而下的企業結構。一個由數百萬人組成的渙散式網絡替代了從批發到零售商在內的所有中間人,并且消除了傳統供應鏈中每一個階段性的交易本錢。這種“增加式出產”能夠大幅下降耐用品的出產本錢,從而使數以萬計的小型出產商對傳統上處于中心方位的大型出產者提出應戰。不過新的出產辦法現已發作了重大改動,傳統的出產制作業將面對一次長期的“洗牌”。

有猜測指出,未來模具制作作業、機床作業、玩具作業、輕工產品作業或許都可能被篩選出局,而替代他們的就是3D打印機。當然,這需求一個進程,首要是人們習慣和承受新事物的進程與工業本身完善生長的進程。不過10年、20年是分水嶺,一般新技能會變得十分老練起來,并被廣泛運用。

二是智能制作技能立異及運用貫穿制作業全進程。先進制作技能的加快交融使得制作業的規劃、出產、辦理、效勞各個環節日趨智能化,智能制作正引領新一輪的制作業革新,首要體現在以下四個方面。

(1)建模與仿真使產品規劃日趨智能化。建模與仿真廣泛運用于產品規劃、出產及供應鏈辦理的整個產品生命周期。建模與防真經過削減測驗和建模開銷下降風險,經過簡化規劃部分和制作部分之間的切換來緊縮新產品進入商場的時刻。

(2)以工業機器人為代表的智能制作配備在出產進程中運用日趨廣泛。近年來,工業機器人運用范疇不斷拓展,品種更加繁復,功用越來越強,自動化和智能化水平明顯進步。轎車、電子電器、工程機械等作業已大量運用工業機器人自動化出產線,工業機器人自動化出產線成套配備已成為自動化配備的干流及未來的開展方向。業界通常將工業機器人分為日系和歐系。

日系的首要代表有安川、OTC、松下、FANUc、不貳越、川崎等公司;歐系首要有德國KUKA、CLOOS,瑞典ABB,意大利COMAU,奧地利IGM公司等。工業機器人在制作業的運用規模越來越廣泛,其規范化、模塊化、網絡化和智能化程度越來越高,功用也越發強壯,正朝著成套技能和配備的方向開展。國際機器人聯合會主席榊原伸表明,曩昔4——5年間,國際機器人作業得到了長足的開展,作業平均增長率為8%——9%。據聯合會計算,近年來國際工業機器人作業的年總產值約250億美元。

(3)全球供應鏈辦理立異加快。經過運用企業資源規劃軟件和無線電頻率辨認技能(RFID)等信息技能,使得全球規模的供應鏈辦理更具功率,縮短了滿意客戶訂單的時刻,進步了出產功率。

(4)智能效勞業方法加快構成。先進制作企業經過嵌入式軟件,無線連接和在線效勞的啟用整合成新的“智能”效勞業方法,制作業與效勞業兩個部分之間的邊界日益含糊,交融越來越深入。消費者正在要求取得產品“體驗”,而非僅僅是一個產品,效勞供貨商如亞馬遜公司已進入了制作業范疇。

  制作企業怎么習慣“工業4.0”年代

通向工業4.0的路將會是一段革新性的進展?,F有的根底科技和經歷將不得不為了習慣制作工業中的特別設備而進行改動和革新,并且關于新地域和新商場的立異處理方案將不得不從頭探索。為此,企業需求對以下8個范疇進一步改善。

規范化和參閱架構

工業4.0將會觸及網絡技能的規劃并經過價值網絡集成幾家不同的公司。如果一攬子一起規范得以完結,這種協作同伴關系將成為可能,并且需求一個參照架構來為這些規范供給描繪并促進規范的完結。

雜亂系統的辦理

制作系統正在日益變得雜亂,恰當的方案、描繪和闡明模型能夠為這些雜亂系統供給辦理根底。工程師們應該為了開展這些模型而進行更多的辦法立異和東西運用。

一套綜合的工業根底寬帶設備

毋庸置疑,綜兼并高質量的通訊同絡是工業4.0的要害要求。無論是在德國國內,還是在德國與其他協作國家之間,寬帶網絡根底設備也因而需求進一步的、大規則的拓展。

安全和安保

安全和安保是智能制作系統成功的要害。保證設備和產品本身不會引起運用者的風險,也不會對環境構成污染十分重要。一起,設備和產品中包含的信息特別需求被維護,以避免這些信息被亂用或許在未被授權的情況下運用。這將對安全和安保的架構和特別辨認碼的集成調用發作更高的要求,一起相關的訓練和作業生計的繼續開展規劃也要得到加強。

作業的安排和規劃

在智慧工廠里,雇員的人物將會發作引人注意圖改動。越來越多的實時導向性操控將會讓作業界容、作業流程和作業環境發作改動。針對安排作業的社會科技的完結將會給工人供給承當重大職責和加強個人開展的時機。當上述內容成為實際,進行協作的作業規劃和作業生計的學習途徑關于發動參照模型課題將變尤為必要。

訓練和繼續性的作業開展

工業4.0將從根本上改動工人們的作業和作業訴求。實施合適的訓練戰略并用培育學習的辦法安排作業也因而而變得十分必要,能夠借此完結“活到老學到老”和根據作業地址的廣泛的個人開展。為了達到這項方針,模型課題和“最好的有用網絡”應該被進一步開發和進步,立體學習技能也應該投入研討。

規章準則

在工業4.0下樹立新的制作流程和水平的商業網絡架構時有必要恪守法令,罷了存在的立法也同樣需求在必要時考慮立異對法令帶來的影響。面對的應戰包含協作信息的維護、職責議題、辦理私家信息和交易限制等。這將不只對立法,也對其他代表商務行為的活動提出了要求——準則將作為一個包含面廣泛的適用東西而存在,其間的內容條款包含指導方針、規范合同和公司團體協議,或許如審計類型的自律行為。

資源功率

除高花費以外,僅是制作工業在原資料和能源上的消費便已滿足引起一系列關于環境與安全的探討。工業4.0將會使得從原資料變為產品的進程更加多產和高效。企業將會權衡“投資在智慧工廠中的額定資源”與“帶來的潛在節省”之間的利害,這對企業將十分必要。

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