“工業(yè)4.0”精彩案例

何懿文

一、德國(guó)安貝格西門(mén)子智能工廠

作為工業(yè)4.0概念的提出者，德國(guó)也是第一個(gè)實(shí)踐智能工廠的國(guó)家。位于德國(guó)巴伐利亞州東部城市安貝格的西門(mén)子工廠就是德國(guó)政府、企業(yè)、大學(xué)以及研究機(jī)構(gòu)合力研發(fā)全自動(dòng)、基于互聯(lián)網(wǎng)智能工廠的早期案例。占地10萬(wàn)平方米的廠房?jī)?nèi)，員工僅有1000名，近干個(gè)制造單元僅通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，大多數(shù)設(shè)備都在無(wú)人力操作狀態(tài)下進(jìn)行挑選和組裝。最令人驚嘆的是，在安貝格工廠中，每100萬(wàn)件產(chǎn)品中次品約為15件，可靠性達(dá)到99%，追溯性更是達(dá)到100%。這樣的智能工廠能夠讓產(chǎn)品完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，堪稱(chēng)智能工廠的典范。其中有很多值得學(xué)習(xí)和借鑒的地方。

數(shù)字化工廠概念：數(shù)字化工廠不是無(wú)人工廠，而是根據(jù)生產(chǎn)工藝的實(shí)際情況，在考慮投資成本的情況下，為人提供最佳支持。這一點(diǎn)在安貝格工廠得到了很好的體現(xiàn)。整個(gè)廠內(nèi)甚至沒(méi)有看到一臺(tái)六軸機(jī)器人，但求所需，無(wú)求多余。目前安貝格工廠仍有1200多名員工，一條生產(chǎn)線(xiàn)仍然有6-8名操作工人，同時(shí)有30-40人的技術(shù)人員進(jìn)行支撐，確保物料、設(shè)備、產(chǎn)品檢驗(yàn)等工作。

持續(xù)改進(jìn)的過(guò)程：安貝格工廠走到今天這樣出色，是持續(xù)改進(jìn)的結(jié)果，“質(zhì)量第一”仍然是其發(fā)展戰(zhàn)略的重中之重。歷經(jīng)25年，通過(guò)持續(xù)的改善，在員工沒(méi)有增加的情況下，產(chǎn)能提高到原來(lái)的8倍，質(zhì)量從上世紀(jì)90年代的560百萬(wàn)出錯(cuò)率，下降到2014年的11.5百萬(wàn)出錯(cuò)率，質(zhì)量水平達(dá)到了99.9989%?？梢?jiàn)質(zhì)量是企業(yè)的生命線(xiàn)，而數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的工廠也絕對(duì)不是一蹴而就的，需要對(duì)產(chǎn)品、工藝進(jìn)行持續(xù)的改進(jìn)。

數(shù)字雙胞胎概念：西門(mén)子認(rèn)為安貝格工廠的成功是數(shù)字化的成功，將工藝的規(guī)劃與工程化、生產(chǎn)系統(tǒng)的規(guī)劃與工程化、仿真優(yōu)化及驗(yàn)證全部實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，并且能夠達(dá)到實(shí)體與數(shù)字信息同步，達(dá)到設(shè)計(jì)、制造、調(diào)試信息一體化的聯(lián)動(dòng)，其中任何一個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)變化，都能在整個(gè)環(huán)節(jié)上同步進(jìn)行變更，強(qiáng)調(diào)的是集成的、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。

信息化系統(tǒng)與自動(dòng)化裝備的高度結(jié)合：安貝格工廠的生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化率達(dá)到75%，但更為關(guān)鍵的是物流的自動(dòng)化與信息的自動(dòng)化、生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化相匹配，真正達(dá)到了物流、信息流及仿真的完美統(tǒng)一。

模塊化設(shè)計(jì)：縮短為客戶(hù)提供服務(wù)的周期，為客戶(hù)提供更加便捷的服務(wù)。目前安貝格工廠為全球6萬(wàn)多家客戶(hù)提供產(chǎn)品，達(dá)到自接到訂單，最短可達(dá)到一天之內(nèi)為用戶(hù)提供產(chǎn)品，生產(chǎn)組織形式真正高效、靈活。其中，模塊化設(shè)計(jì)是其能夠靈活組織生產(chǎn)的重要保證，模塊化設(shè)計(jì)包含產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，也包含了生產(chǎn)設(shè)備、信息化軟件系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)與相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)。

另外，安貝格工廠的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)布局也很有特點(diǎn)，在場(chǎng)內(nèi)基本看不到地面排線(xiàn)等，據(jù)西門(mén)子的專(zhuān)家介紹，其排線(xiàn)系統(tǒng)與物流系統(tǒng)一樣，都放在了一樓，地面上設(shè)了多個(gè)能源供應(yīng)點(diǎn)，可以根據(jù)生產(chǎn)布局的需要隨時(shí)靈活調(diào)整。

綜上所述，數(shù)字化、模擬仿真、模塊化及相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，基于自己產(chǎn)品的物料清單和工藝清單的數(shù)字化，以及信息化與自動(dòng)化的高度融合是德國(guó)實(shí)現(xiàn)“工業(yè)4.0”的重要因素。對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝持續(xù)的改進(jìn)，并且不斷地將BOM與BOP進(jìn)行數(shù)字化后與自動(dòng)化裝備完美結(jié)合，才是不斷提高生產(chǎn)效率、改善產(chǎn)品質(zhì)量的王道。

二、施耐德電氣ECOStruxure能效管理平臺(tái)

全球能效管理專(zhuān)家施耐德電氣2010年推出EcoStruxure能效管理平臺(tái)，該平臺(tái)融合施耐德電氣在電力、工業(yè)、建筑樓宇、數(shù)據(jù)中心和安防5個(gè)領(lǐng)域的獨(dú)特技術(shù)和專(zhuān)業(yè)經(jīng)驗(yàn)，為需要尋求多個(gè)業(yè)務(wù)領(lǐng)域提高能源效率的客戶(hù)提供智能化的能源管理解決方案。

EcoStruxure的承諾主要基于兩個(gè)方面：首先，EcoStruxure是基于5個(gè)技術(shù)領(lǐng)域里有特定目的的應(yīng)用的最全面組合，而這五個(gè)領(lǐng)域是解決能源方程所必需的。（1）電力：為設(shè)施、工廠提供完整的電源管理解決方案，實(shí)現(xiàn)高效、安全、可靠的電力分配。（2）數(shù)據(jù)中心：APC by Schneider Electric為數(shù)據(jù)中心提供了備受贊譽(yù)的InfraStruxure架構(gòu)，該架構(gòu)采用了模塊化的、可擴(kuò)展的方法，不但可以?xún)?yōu)化關(guān)鍵電源和制冷服務(wù)，還可以改進(jìn)重復(fù)建設(shè)導(dǎo)致的低效。（3）工業(yè)：自動(dòng)化解決方案關(guān)注靈活性、可擴(kuò)展性、易使用性，面向最終用戶(hù)及原始設(shè)備制造商需求提供自動(dòng)化控制和管理控制平臺(tái)。（4）建筑樓宇：管理解決方案關(guān)注降低安裝和運(yùn)營(yíng)成本，并通過(guò)對(duì)溫度、照明以及百葉窗等的實(shí)時(shí)控制來(lái)提高最終用戶(hù)的舒適度。（5）安防：Pelco by SchneiderElectric提供的架構(gòu)擁有行業(yè)領(lǐng)先的視頻、門(mén)禁與安保技術(shù)，可以盡可能地降低計(jì)劃外的停機(jī)而導(dǎo)致的成本和效率損失，并提供全面的風(fēng)險(xiǎn)分析。其次，EcoStruxure能夠?qū)⒁陨衔宸N技術(shù)整合在開(kāi)放的、靈活的技術(shù)平臺(tái)上，（該系統(tǒng)需要用到IP和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)），并能夠連接特定應(yīng)用，設(shè)置不同級(jí)別。

除了實(shí)現(xiàn)了對(duì)電力、工業(yè)、建筑樓宇、數(shù)據(jù)中心和安防5大領(lǐng)域的技術(shù)和專(zhuān)業(yè)經(jīng)驗(yàn)的整合，EcoStruxure與其子系統(tǒng)更強(qiáng)調(diào)軟件帶來(lái)的靈活性。例如其為河北某鋼鐵集團(tuán)執(zhí)行的MES項(xiàng)目，施耐德電氣為其10個(gè)廠區(qū)所有車(chē)間提供了統(tǒng)一的能源信息管理平臺(tái)，可以采集80000個(gè)水、電、蒸汽數(shù)據(jù)，囊括1800個(gè)電表，100個(gè)MES用戶(hù)。項(xiàng)目實(shí)施下來(lái)?yè)?jù)估算該客戶(hù)每噸鋼的生產(chǎn)可節(jié)省100元的能源費(fèi)用。同時(shí)，為客戶(hù)提高了能源管理的可視化、可追溯及準(zhǔn)確性。

此外，施耐德電氣自2007年加入ODVA以來(lái)，工業(yè)以太網(wǎng)架構(gòu)相關(guān)產(chǎn)品和解決方案一方面會(huì)繼續(xù)保護(hù)已有的客戶(hù)在ModbusTCP協(xié)議上的投資，同時(shí)延續(xù)和支持CIP技術(shù)的服務(wù)和協(xié)議，尤其是EthernetIP協(xié)議。以論壇上一個(gè)互操作的demo為例，可以看到施耐德電氣的產(chǎn)品可以與其他品牌在整個(gè)系統(tǒng)中非常好地整合在一起。施耐德電氣可以提供整個(gè)基于以太網(wǎng)架構(gòu)的完整自動(dòng)化方案，但是并不局限客戶(hù)只可以采用施耐德電氣的自動(dòng)化產(chǎn)品，這樣可以給用戶(hù)更多的選擇。

施耐德電氣的發(fā)展方向是將以太網(wǎng)從信息和控制層面，向下延展到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層面，比如和一些電氣設(shè)備如變頻器、馬達(dá)保護(hù)單元、電能和其他能源介質(zhì)的測(cè)量?jī)x表和一些關(guān)鍵的資產(chǎn)和設(shè)備等。同時(shí)其核心控制器PAC系列也將實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)的封閉式背板總線(xiàn)技術(shù)向以開(kāi)放以太網(wǎng)技術(shù)過(guò)渡，實(shí)現(xiàn)“一網(wǎng)到底”的夢(mèng)想，向“以太網(wǎng)內(nèi)置”跨越。

三、美國(guó)通用公司的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”

由于制造業(yè)巨頭德國(guó)提出了“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略，大大刺激了處于世界高端技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)地位的美國(guó)。所以，由通用公司倡導(dǎo)的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”戰(zhàn)略在美國(guó)興起。進(jìn)而，AT&T、思科、通用電氣、IBM和英特爾幾家互聯(lián)網(wǎng)巨頭宣布成立美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟，正式進(jìn)入美國(guó)“工業(yè)4.0”時(shí)代。

美國(guó)通用公司提出的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”與德國(guó)的“工業(yè)4.0”類(lèi)似，即將智能設(shè)備、人和數(shù)據(jù)連接起來(lái)，并以智能的方式利用這些交換的數(shù)據(jù)。在通用看來(lái)，打造一個(gè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)必須具備三個(gè)要素：首先是智能機(jī)器，一是需要在機(jī)器上安裝很多的傳感器，傳感器的功能是收集各種數(shù)據(jù)，能讓企業(yè)了解和知道機(jī)器運(yùn)行的狀況。二是在收集到數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對(duì)機(jī)器進(jìn)行控制，使機(jī)器的運(yùn)行達(dá)到最優(yōu)化。通用在這方面做了很大投資，安裝大量傳感器，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行分析或讓機(jī)器智能化。第二個(gè)要素就是對(duì)于所收集回來(lái)的數(shù)據(jù)保存與處理分析的能力。在通用所出產(chǎn)的大型燃?xì)廨啓C(jī)上，安裝在葉片上的一個(gè)傳感器，一天所生成的數(shù)據(jù)就將達(dá)到500TB。可以想像一下，如果一臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)有20個(gè)傳感器，而這樣的設(shè)備全球有12000臺(tái)，其數(shù)據(jù)量會(huì)是怎樣的規(guī)模？為打造存儲(chǔ)和廣義海量數(shù)據(jù)的能力，通用公司通過(guò)購(gòu)買(mǎi)Pivotal公司10%股權(quán)的方式，在這方面加大投資力度。第三個(gè)要素則是數(shù)據(jù)人才方面，即培養(yǎng)大量的具有分析和數(shù)據(jù)挖掘能力的人才，尤其是那些具有很強(qiáng)的數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)、運(yùn)營(yíng)、研發(fā)實(shí)力的博士生，來(lái)培養(yǎng)這方面的人才。

2015年6月，通用電氣向所有企業(yè)開(kāi)放Predix操作系統(tǒng)，幫助各行業(yè)的企業(yè)創(chuàng)建和開(kāi)發(fā)自己的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。在軟件定義的時(shí)代下，Predix設(shè)備將可面向復(fù)雜的對(duì)象與龐大的數(shù)據(jù)，可確保傳感器、監(jiān)控、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間開(kāi)放、安全地通信，并可實(shí)現(xiàn)基于云的管理與服務(wù)。Predix是一個(gè)軟件平臺(tái)，負(fù)責(zé)將各種工業(yè)資產(chǎn)設(shè)備和供應(yīng)商相互連接并接入云端，并提供資產(chǎn)性能管理（APM）和運(yùn)營(yíng)優(yōu)化服務(wù)。GE的APM系統(tǒng)每天共監(jiān)控和分析來(lái)自1萬(wàn)億設(shè)備資產(chǎn)上的1000萬(wàn)個(gè)傳感器發(fā)回的5000萬(wàn)條數(shù)據(jù)，終極目標(biāo)是幫助客戶(hù)實(shí)現(xiàn)100%的無(wú)故障運(yùn)行。

為了實(shí)現(xiàn)該理想，通用電氣不斷擴(kuò)大其與英特爾和思科的合作關(guān)系，來(lái)不斷加強(qiáng)機(jī)器、系統(tǒng)、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的互聯(lián)，不斷實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備制造商之間產(chǎn)品、設(shè)備的互通互聯(lián)，使得更多設(shè)備通過(guò)Predix操作系統(tǒng)更容易地集成到他們現(xiàn)有的設(shè)施中去。思科和通用電氣已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種Predix-ready思科工業(yè)路由器，外部經(jīng)過(guò)強(qiáng)化處理，能夠經(jīng)受石油和燃?xì)庠O(shè)施的惡劣環(huán)境考驗(yàn)。在網(wǎng)絡(luò)連接性方面，GE還與軟銀、Verizon和沃達(dá)豐達(dá)成全球聯(lián)盟，為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接方案。GE還與AT&T合作通過(guò)AT&T的網(wǎng)絡(luò)將火車(chē)、貨輪和飛機(jī)引擎連入云端。

四、日本安川電機(jī)的工業(yè)機(jī)器人

日本工業(yè)機(jī)器人行業(yè)的巨頭主要有安川電機(jī)、不二越、發(fā)那科等，這幾大公司堪稱(chēng)日本機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的基石，其中安川電機(jī)的工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)數(shù)量居世界第一，該公司的MOTOMAN工業(yè)機(jī)器人是日本首個(gè)全電動(dòng)式工業(yè)機(jī)器人，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、電器制造等領(lǐng)域。安川的運(yùn)動(dòng)控制事業(yè)部通過(guò)豐富的Drive（驅(qū)動(dòng)）、Motion（運(yùn)動(dòng)）、Controller（控制）產(chǎn)品組合，為從一般工業(yè)機(jī)械到高精度機(jī)床機(jī)械，提供高性能、高生產(chǎn)率的解決方案。其中，變頻器占30%，伺服占70%。

安川電機(jī)成立于1915年，最初專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)電動(dòng)機(jī)。源于對(duì)電機(jī)產(chǎn)品的深入了解和“以獨(dú)特的技術(shù)，為社會(huì)和公共事業(yè)做貢獻(xiàn)”的理念，經(jīng)過(guò)100多年的專(zhuān)注研究和發(fā)展，安川電機(jī)如今在多個(gè)領(lǐng)域都首屈一指。截至2011年，安川電機(jī)生產(chǎn)的變頻器、交流伺服電機(jī)、機(jī)器人三項(xiàng)產(chǎn)品的全球市場(chǎng)份額均位于首位。

1977年安川電機(jī)運(yùn)用獨(dú)自的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)開(kāi)發(fā)生產(chǎn)出了日本第一臺(tái)全電氣化的工業(yè)用機(jī)器人一莫托曼1號(hào)。此后，相繼開(kāi)發(fā)了焊接、裝配、噴漆、搬運(yùn)等各種各樣的自動(dòng)化作用機(jī)器人，并一直引領(lǐng)著全球產(chǎn)業(yè)用機(jī)器人市場(chǎng)。截至2014年，安川電機(jī)的工業(yè)機(jī)器人全球累計(jì)出貨量突破30萬(wàn)臺(tái)。不僅全球份額領(lǐng)先，在中國(guó)，安川電機(jī)同樣以20%的高份額問(wèn)鼎工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域名副其實(shí)的“狀元”。

安川電機(jī)的足跡已遍布中國(guó)大地。作為第一個(gè)到中國(guó)設(shè)廠生產(chǎn)機(jī)器人的日本企業(yè)，安川電機(jī)甚至將首個(gè)海外機(jī)器人的生產(chǎn)基地設(shè)立在中國(guó)江蘇省常州市。在上海，上海安川電動(dòng)機(jī)器有限公司提供高品質(zhì)的變頻器和伺服電機(jī)，安川（中國(guó)）機(jī)器人有限公司則負(fù)責(zé)工業(yè)用機(jī)器人、控制系統(tǒng)的制造；在遼寧，安川電機(jī)（沈陽(yáng)）有限公司生產(chǎn)并銷(xiāo)售伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器；在北京，安川首鋼機(jī)器人有限公司則負(fù)責(zé)機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造、安裝及服務(wù)……安川電機(jī)的各個(gè)事業(yè)，在中國(guó)的土壤上遍地開(kāi)花。

沒(méi)有持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新，安川電機(jī)則無(wú)法保持在全球工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)地位。安川電機(jī)機(jī)器人專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量穩(wěn)定提升，2011年為2005年的一倍左右；在機(jī)器人核心部件控制器方面，1979～2009年安川電機(jī)專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量占比14%，僅次于發(fā)那科。作為技術(shù)創(chuàng)新的倡導(dǎo)者，安川不斷把用戶(hù)需求融合到技術(shù)及產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)當(dāng)中，公司秉承i3-Mechatronics，即Integrated（整合）、Intelligent（智能）、Innovated（創(chuàng)新）的企業(yè)理念，以機(jī)電一體化產(chǎn)品及前沿運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)活躍于全球工業(yè)領(lǐng)域的舞臺(tái)，為超高速、超精密控制做出貢獻(xiàn)。