智能制造及未來——西門子加速德國工業(yè)4.0的發(fā)展進程

《金屬加工》記者 趙宇龍

未來智能工廠能夠自行運轉(zhuǎn)，零件與機器可以相互交流，跨行業(yè)合作成為必然——德國總理默克爾

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18世紀(jì)末，主要是通過水力和蒸汽機實現(xiàn)工廠機械化；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。

德國政府在2013的諾威工業(yè)博覽會上正式提出工業(yè)4.0的概念，時隔1年之后，在2014年漢諾威工博會開幕之際，《金屬加工》記者受西門子公司邀請前往德國，親身體會西門子工業(yè)的強大生命力，感受西門子在加速工業(yè)4.0進程中所發(fā)出的巨大“推背力”。

德國總理默克爾在西門子展臺與工業(yè)業(yè)務(wù)領(lǐng)域CEO魯斯沃博士交流

ZEOD RC賽車

數(shù)字化展臺

本屆展會共吸引來自全球65個國家和地區(qū)的約5000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)，零件與機器可以相互交流，這令跨行業(yè)合作成為必然?！?/p>

西門子在3500m2藍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（Zero Emission 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月的法國勒芒24 h耐力賽上首度出戰(zhàn)，憑借先進的電動技術(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，德國達姆斯塔特工業(yè)大學(xué)的學(xué)生們與DART賽車團隊共同開發(fā)制造的即將參加《大學(xué)生方程式汽車大賽》的電動賽車theta2013，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/1000000下降到現(xiàn)在的12/1000000。

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，觀眾可走進虛擬化的制造工廠，查看工廠的整體布局，甚至查看每臺機床擺放的位置。

智能化生產(chǎn)

TIA平臺

IDS

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，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Sinumerik CNC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、機器人和高柔性。

歐洲最先進的安貝格電子工廠1995年每天的數(shù)據(jù)信息是5000條，而2013年則達到每天5000萬條。在整車組裝線的每個零部件都有一個身份信息，什么材料，哪臺機器生產(chǎn)的，安裝尺寸和安裝位置及作用，經(jīng)過掃描后，機器人就會按設(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)品，配備了3臺庫卡和西門子合作生產(chǎn)的機器人。該生產(chǎn)線的最大亮點就是這三臺機器人之間可以互相聯(lián)絡(luò)，如果第三臺機器人感覺節(jié)奏太快，它就會告訴前兩臺機器人：“親，你們慢點，我快跟不上了?！?/p>

未來汽車生產(chǎn)線

數(shù)字化工廠

（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)后再送進生產(chǎn)線?！白詣泳€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）/1000000，如果把這一出錯率降低到12/1000000，就必須靠機器來保證?！卑藏惛窆S75%的生產(chǎn)過程是由機器來完成的，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，更高效的制造和支持產(chǎn)品TECNOMATIX，更智能地創(chuàng)新和協(xié)同軟件TEANCENTER，加速設(shè)計和加快產(chǎn)品上市的SOLID EDGE等軟件。當(dāng)今社會制造卓越的產(chǎn)品正面臨前所未有的挑戰(zhàn)，產(chǎn)品的復(fù)雜性越來越高，制造工藝也越來越復(fù)雜。這種復(fù)雜性正在影響著消費者，與信息接收的容量相比，產(chǎn)品決策的步伐也在日益提速。為此，西門子在這兩年推出了新版的 “High-De fi nition PLM” (全息PLM)。HD-PLM的愿景，就是讓參與產(chǎn)品開發(fā)的所有人都能隨時隨地得到所需的各種信息，從而作出漂亮的決策。他們不必搜索信息，信息會主動找上門來。他們也不必詮釋收到的信息，直觀易懂的信息更能適應(yīng)個性化的使用要求。

比如，一汽集團采用西門子的PLM軟件，實現(xiàn)數(shù)控化制造來加強研發(fā)能力，提高了生產(chǎn)效率，使每一款車型節(jié)約超過300萬元；日產(chǎn)汽車使用西門子的PLM軟件，減少了50%工程工作量，并通過標(biāo)準(zhǔn)化、知識重用及數(shù)字驗證幫助日產(chǎn)提升了一倍的車輛開發(fā)能力；包括上海大眾、奇瑞、通用五菱、東風(fēng)汽車和華晨汽車等中國企業(yè)都在使用西門子的PLM軟件，顯著提高了生產(chǎn)效率。

西門子“中國日”活動

（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。客戶通常缺乏有效應(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Intel Security邁克菲公司計劃深化雙方的合作伙伴關(guān)系，以加強和擴充工業(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?！濒斔刮终J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。