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工业4.0_第四次工业革命_互联网+制造业大师--3A互联网+制造业顾问

工业4.0的起源:

  工业4.0是德国政府提出的一个高科技战略计划。该项目由德国联邦教育局及研究部和联邦经济技术部联合资助,投资预计达2亿欧元。旨在提升制造业的智能化水平,建立具有适应性、资源效率及人因工程学的智慧工厂,在商业流程及价值流程中整合客户及商业伙伴。其技术基础是网络实体系统及物联网。

  德国所谓的工业四代(Industry4.0)是指利用物联信息系统(Cyber—PhysicalSystem简称CPS)将生产中的供应,制造,销售信息数据化、智慧化,最后达到快速,有效,个人化的产品供应。

  工业4.0已经进入中德合作新时代,中德双方签署的《中德合作行动纲要》中,有关工业4.0合作的内容共有4条,第一条就明确提出工业生产的数字化就是“工业4.0”对于未来中德经济发展具有重大意义。双方认为,两国政府应为企业参与该进程提供政策支持。

工业4.0的背景:

  “工业4.0”研究项目由德国联邦教育局及教研部与联邦经济技术部联手资助,在德国工程院、弗劳恩霍夫协会、西门子公司等德国学术界和产业界的建议和推动下形成,并已上升为国家级战略。德国联邦政府投入达2亿欧元。

  德国政府提出“工业4.0”战略,并在2013年4月的汉诺威工业博览会上正式推出,其目的是为了提高德国工业的竞争力,在新一轮工业革命中占领先机。该战略已经得到德国科研机构和产业界的广泛认同,弗劳恩霍夫协会将在其下属6-7个生产领域的研究所引入工业4.0概念,西门子公司已经开始将这一概念引入其工业软件开发和生产控制系统。

  自2013年4月在汉诺威工业博览会上正式推出以来,工业4.0迅速成为德国的另一个标签,并在全球范围内引发了新一轮的工业转型竞赛。

工业4.0的发展历程:

  工业1.0:生产线流水工作模式。

  工业2.0:自动设备生产模式。

  工业3.0:协同制造生产模式,柔性化生产、精益化生产都是典型代表。

  工业4.0:个性化定制生产模式,也叫做互联网制造模式。

  与美国流行的第三次工业革命的说法不同,德国将制造业领域技术的渐进性进步描述为工业革命的四个阶段,即工业4.0的进化历程。

  1、工业1.0:18世纪60年代至19世纪中期,通过水力和蒸汽机实现的工厂机械化可称为工业1.0。这次工业革命的结果是机械生产代替了手工劳动,经济社会从以农业、手工业为基础转型到了以工业以及机械制造带动经济发展的模式。

  2、工业2.0:19世纪后半期至20世纪初,在劳动分工的基础上采用电力驱动产品的大规模生产可称为工业2.0。这次工业革命,通过零部件生产与产品装配的成功分离,开创了产品批量生产的新模式。

  3、工业3.0:始于20世纪70年代并一直延续到现在,电子与信息技术的广泛应用,使得制造过程不断实现自动化,可称为工业3.0。自此,机器能够逐步替代人类作业,不仅接管了相当比例的“体力劳动”,还接管了一些“脑力劳动”。

  4、工业4.0:德国学术界和产业界认为,未来10年,基于信息物理系统(Cyber-PhysicalSystem,CPS)的智能化,将使人类步入以智能制造为主导的第四次工业革命。产品全生命周期和全制造流程的数字化以及基于信息通信技术的模块集成,将形成一个高度灵活、个性化、数字化的产品与服务的生产模式。

工业4.0的内涵:

  “工业4.0”概念包含了由集中式控制向分散式增强型控制的基本模式转变,目标是建立一个高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式。在这种模式中,传统的行业界限将消失,并会产生各种新的活动领域和合作形式。创造新价值的过程正在发生改变,产业链分工将被重组。

  “工业4.0为德国提供了一个机会,使其进一步巩固其作为生产制造基地、生产设备供应商和IT业务解决方案供应商的地位。”德国工程院院长孔翰宁(Henning Kagermann)教授如此评价工业4.0。

  德国学术界和产业界认为,“工业4.0”概念即是以智能制造为主导的第四次工业革命,或革命性的生产方法。该战略旨在通过充分利用信息通讯技术和网络空间虚拟系统—信息物理系统(Cyber-Physical System)相结合的手段,将制造业向智能化转型。

工业4.0的三大主题:

  一是“智能工厂”,重点研究智能化生产系统及过程,以及网络化分布式生产设施的实现。

  二是“智能生产”,主要涉及整个企业的生产物流管理、人机互动以及3D技术在工业生产过程中的应用等。该计划将特别注重吸引中小企业参与,力图使中小企业成为新一代智能化生产技术的使用者和受益者,同时也成为先进工业生产技术的创造者和供应者。

  三是“智能物流”,主要通过互联网、物联网、物流网,整合物流资源,充分发挥现有物流资源供应方的效率,而需求方,则能够快速获得服务匹配,得到物流支持。

智能工厂:

  1、把机器作为底层。

  2、在安装传感器和执行器后。

  3、搭建一套应用系统以实现信息处理。

  4、形成一套网络世界与物理世界的交互系统(CyberPhysicalSystem)。

  5、最终实现机器与机器之间、机器与人之间的对话。

  6、这便构成工业4.0中的智能工厂。

工业4.0的目标:

  德国制造业是世界上最具竞争力的制造业之一,在全球制造装备领域拥有领头羊的地位。这在很大程度上源于德国专注于创新工业科技产品的科研和开发,以及对复杂工业过程的管理。德国拥有强大的设备和车间制造工业,在世界信息技术领域拥有很高的能力水平,在嵌入式系统和自动化工程方面也有很专业的技术,这些因素共同奠定了德国在制造工程工业上的领军地位。通过工业4.0战略的实施,将使德国成为新一代工业生产技术(即信息物理系统)的供应国和主导市场,会使德国在继续保持国内制造业发展的前提下再次提升它的全球竞争力。在社会根本上,德国完善的民主法制和知识产权保护,是保障德国制造业健康发展的坚实后盾,更是降低社会生产成本、提升效率的真正利器。

工业4.0面临的挑战:

  1、缺乏足够的技能来加快第四次工业革命的进程。

  2、企业的IT部门有冗余的威胁。

  3、利益相关者普遍不愿意改变。

工业4.0的关键点:

  工业4.0有一个关键点,就是“原材料(物质)”=“信息”。具体来讲,就是工厂内采购来的原材料,被“贴上”一个标签:这是给A客户生产的XX产品,XX项工艺中的原材料。准确来说,是智能工厂中使用了含有信息的“原材料”,实现了“原材料(物质)”=“信息”,制造业终将成为信息产业的一部分,所以工业4.0将成为最后一次工业革命。

工业4.0时代的商业模式:

  商业模式对制造业来说至关重要。那么,在工业4.0时代,未来制造业的商业模式是什么?就是以解决顾客问题为主。所以说,未来制造企业将不仅仅进行硬件的销售,而是通过提供售后服务和其他后续服务,来获取更多的附加价值,这就是软性制造。而带有“信息”功能的系统成为硬件产品新的核心,意味着个性化需求、批量定制制造将成为潮流。制造业的企业家们要在制造过程中尽可能多的增加产品附加价值,拓展更多、更丰富的服务,提出更好、更完善的解决方案,满足消费者的个性化需求,走软性制造+个性化定制道路。

工业4.0联盟:

  2014年11月4日,中国首套工业4.0流水线在第十六届中国国际工业博览会上亮相。

  由德国“工业4.0”研究机构、中国相关院所和中德两国企业组成的青岛中德“工业4.0”推动联盟,2015年2月9日在中国第十一个国家级经济新区——青岛西海岸新区成立,成为中国首个“工业4.0”联盟。

  青岛中德生态园管委主任赵士玉介绍说,青岛中德生态园作为中德两国共同建设的生态型、智能型、开放型利益共同体,中德工业4.0推动联盟在这里成立十分有意义。“工业4.0”是大数据、云计算、移动互联时代背景下,对企业进行智能化、工业化相结合的改进升级,是中国企业更好的提升和发展的一条重要途径。中德“工业4.0”联盟成立后,青岛西海岸新区将投入1亿元人民币对区域内部分企业进行试点,未来将逐步实现企业“工业4.0”升级。

工业4.0的发展现状:

  工业自动化是德国得以启动工业4.0的重要前提之一,主要是在机械制造和电气工程领域。目前在德国和国际制造业中广泛采用的“嵌入式系统”,正是将机械或电气部件完全嵌入到受控器件内部,是一种特定应用设计的专用计算机系统。数据显示,这种“嵌入式系统”每年获得的市场效益高达200亿欧元,而这个数字到2020年将提升至400亿欧元。

  有专家预计,不断推广的工业4.0将为德国的西门子、ABB、通快(Trumpf)等机械和电气设备生产商,以及菲尼克斯电气(Phoenix Contact)、浩亭(Harting)以及魏德米勒(Weidmuller)等中小企业带来大量订单。

  德国联邦贸易与投资署专家Jerome Hull在接受时代周报记者专访时表示,工业4.0是运用智能去创建更灵活的生产程序、支持制造业的革新以及更好地服务消费者,它代表着集中生产模式的转变。

  Jerome Hull介绍:所谓的系统应用、智能生产工艺和工业制造,并不是简单的一种生产过程,而是产品和机器的沟通交流,产品来告诉机器该怎么做。生产智能化在未来是可行的,将工厂、产品和智能服务通联起来,将是全球在新的制造业时代一件非常正常的事情。

  工业4.0是涉及诸多不同企业、部门和领域,以不同速度发展的渐进性过程,跨行业、跨部门的协作成为必然。同样是在2013年汉诺威工业博览会上,由德国机械设备制造业联合会(VDMA)、德国电气和电子工业联合会(ZVEI)以及德国信息技术、通讯、新媒体协会(BITKOM)三个专业协会共同建立的工业4.0平台正式成立。

工业4.0的标准制定:

  根据德国DE杂志对该问题的解释,“安全”在这里有两层含义:一方面,人们所获取的数据必须可信的,另一方面他们必须具有安全防盗功能,可以免遭外部的窃取或损害,如黑客攻击、间谍。

  “谁来保证安全的数据转换,这是主要的问题。包括政府、研究人员和企业在内的所有人员都同意,我们需要有新的标准来实际有效地执行新的解决方案。”Jerome Hull对时代周报记者说。

  标准化的缺失实际上是德国工业4.0项目推行过程中所遭遇的另一个困难。设备不仅必须会说话,而且必须讲同一种语言,即通向数据终端的“接口”。

  德国正致力成为这个标准的制定者和推广者。德国总理默克尔认为,德国可成为工业4.0标准的推动者,并在欧洲甚至全球推行这些标准。

  德国官方并没有透露这些标准的相关内容,但据悉,标准的制定工作正在紧锣密鼓地进行当中。近日,工业4.0平台刚刚发布了一个工业数据空间,访问者可以通过该空间获取世界上所有工业的信息。这个空间有着统一的“接口”标准,并且允许所有人对其进行访问。

  探索标准化的还有他人。事实是,为了应对去工业化、将物联网和智能服务引入制造业的国家并不止德国一个。尽管提法不同,但内容却类似,如美国的“先进制造业国家战略计划”、日本的“科技工业联盟”、英国的“工业2050战略”等。中国制造业顶层设计--中国制造2025也已经在今年上半年推出。

  2014年11月李克强总理访问德国期间,中德双方发表了《中德合作行动纲要:共塑创新》,宣布两国将开展工业4.0合作,该领域的合作有望成为中德未来产业合作的新方向。而借鉴德国工业4.0计划,是“中国制造2025”的既定方略。

  德国联邦贸易与投资署中国事务专家Christina Otte在接受时代周报记者书面采访时认为,中国工业转型在中国转变经济增长模式的过程中扮演着重要角色。中国政府试图重新去平衡经济发展,即减少以投资和出口为基础的增长,寻求更多的来自内需驱动的增长。为了实现这一目标,中国需要实现工业现代化。为了保持GDP在一个稳定的增长水平上,它需要从劳动密集型生产模式切换至高效的高科技生产模式。劳动力成本急剧上涨,并且在将来仍会继续扩大。中国将在不久的将来面临合格人才的短缺。从长期来看,只有那些进入高端制造业的企业才有机会留在市场里。这种由现代化所带来的压力将影响到中国几乎所有的行业,而工业自动化和新一代信息技术的集成是关键。

  “德国的工业4.0可以为中国提供一种未来工业发展的模式,帮助中国解决眼下所面临的一些挑战,如资源和能源效益、城市生产和人口变化等。”Christina Otte说。

  随着中国的加入,德国对工业4.0标准的制定或将加速。

数字化工厂、智能工厂以及智能制造之间到底是否可以互相替换,这些概念之间是否存在区别?

  一、数字化工厂

  对于数字化工厂,德国工程师协会的定义是:数字化工厂(DF)是由数字化模型、方法和工具构成的综合网络,包含仿真和3D/虚拟现实可视化,通过连续的没有中断的数据管理集成在一起。数字化工厂集成了产品、过程和工厂模型数据库,通过先进的可视化、仿真和文档管理,以提高产品的质量和生产过程所涉及的质量和动态性能。

  在国内,对于数字化工厂接受度最高的定义是:数字化工厂是在计算机虚拟环境中,对整个生产过程进行仿真、评估和优化,进一步扩展到整个产品生命周期的新型生产组织方式。是现代数字制造技术与计算机仿真技术相结合的产物,主要作为沟通产品设计和产品制造间的桥梁。从定义中可以得出一个结论,数字化工厂的本质是实现信息的集成。

  二、智能工厂

  智能工厂是在数字化工厂的基础上,利用物联网技术和监控技术加强信息管理服务,提高生产过程可控性、减少生产线人工干预,以及合理计划排程。同时,集初步智能手段和智能系统等新兴技术于一体,构建高效、节能、绿色、环保、舒适的人性化工厂。

  智能工厂已经具有了自主能力,可采集、分析、判断、规划;通过整体可视技术进行推理预测,利用仿真及多媒体技术,将实境扩增展示设计与制造过程。系统中各组成部分可自行组成最佳系统结构,具备协调、重组及扩充特性。系统已具备了自我学习、自行维护能力。因此,智能工厂实现了人与机器的相互协调合作,其本质是人机交互。

  三、智能制造

  智能工厂是在数字化工厂基础上的升级版,但是与智能制造还有很大差距。智能制造系统在制造过程中能进行智能活动,诸如分析、推理、判断、构思和决策等。通过人与智能机器的合作,去扩大、延伸和部分地取代技术专家在制造过程中的脑力劳动,把制造自动化扩展到柔性化、智能化和高度集成化。

  智能制造系统不只是人工智能系统,而是人机一体化智能系统,是混合智能。系统可独立承担分析、判断、决策等任务,突出人在制造系统中的核心地位,同时在智能机器配合下,更好发挥人的潜能。机器智能和人的智能集成在一起,互相配合,相得益彰。本质是人机一体化。

  国内很多企业都在炒作智能制造,但是绝大多数企业还处在部分使用应用软件的阶段,少数企业也只是实现了信息集成,也就是可以达到数字化工厂的水平;极少数企业,能够实现人机的有效交互,也就是达到智能工厂的水平。

工业4.0的解读:

  工业4.0在德国被认为是第四次工业革命,是德国政府2011年11月公布的《高技术战略2020》中的一项战略,旨在支持工业领域新一代革命性技术的研发与创新,保持德国的国际竞争力。2013年4月,德国机械及制造商协会、德国信息技术、通讯与新媒体协会、德国电子电气制造商协会合作设立了“工业4.0平台”,并向德国政府提交了平台工作组的最终报告《保障德国制造业的未来--关于实施工业4.0战略的建议》。报告提出:德国向工业4.0转变需要采取双重策略,即德国要成为智能制造技术的主要供应商和CPS(信息物理系统)技术及产品的领先市场。

  1、本质是基于“信息物理系统”实现“智能工厂”

  第一次工业革命始于18世纪后半期由蒸汽机实现工厂的机械化;第二次工业革命始于19世纪后半期用电力来实现大规模化批量生产;第三次工业革命始于20世纪后半期通过电气和信息技术实现制造业的自动化。第四次工业革命——工业4.0,其实就是实现“智能工厂”。工业4.0将在前三次工业革命的基础上进一步进化,基于信息物理系统(Cyber Physical System)实现新的制造方式。信息物理系统是指通过传感网紧密连接现实世界,将网络空间的高级计算能力有效运用于现实世界中,从而在生产制造过程中,与设计、开发、生产有关的所有数据将通过传感器采集并进行分析,形成可自律操作的智能生产系统。

  2、核心是动态配置的生产方式

  工业4.0报告中描述的动态配置的生产方式主要是指从事作业的机器人(工作站)能够通过网络实时访问所有有关信息,并根据信息内容,自主切换生产方式以及更换生产材料,从而调整成为最匹配模式的生产作业。动态配置的生产方式能够实现为每个客户、每个产品进行不同的设计、零部件构成、产品订单、生产计划、生产制造、物流配送,杜绝整个链条中的浪费环节。与传统生产方式不同,动态配置的生产方式在生产之前或者生产过程中,都能够随时变更最初的设计方案。

  例如,目前的汽车生产主要是按照事先设计好的工艺流程进行的生产线生产方式。尽管也存在一些混流生产方式,但是生产过程中,一定要在由众多机械组成的生产线上进行,所以不会实现产品设计的多样化。管理这些生产线的MES(制造执行管理系统)原本应该带给生产线更多的灵活性,但是受到构成生产线的众多机械的硬件制约,无法发挥出更多的功能,作用极为有限。同时,在不同生产线上操作的工人分布于各个车间,他们都不会掌握整个生产流程,所以也只能发挥出在某项固定工作上的作用。这样一来,很难实时满足客户的需求。工业4.0描绘的智能工厂中,固定的生产线概念消失了,采取了可以动态、有机地重新构成的模块化生产方式。

  例如,生产模块可以视为一个“信息物理系统”,正在进行装配的汽车能够自律在生产模块间穿梭,接受所需的装配作业。其中,如果生产、零部件供给环节出现瓶颈,能够及时调度其他车型的生产资源或者零部件,继续进行生产。也就是为每个车型自律性选择适合的生产模块,进行动态的装配作业。在这种动态配置的生产方式下,可以发挥出MES原本的综合管理功能,能够动态管理设计、装配、测试等整个生产流程,既保证了生产设备的运转效率,又可以使生产种类实现多样化。

  3、首要目标是工厂标准化

  德国工业影响力的一个侧面就是“标准化”。PLC编程语言的国际标准IEC61131-3(PLCopen)主要是来自德国企业;通信领域普及的CAN、Profibus以及EtherCAT也全都诞生于德国。

  工业4.0工作组认为,推行工业4.0需要在8个关键领域采取行动。其中第一个领域就是“标准化和参考架构”。标准化工作主要围绕智能工厂生态链上各个环节制定合作机制,确定哪些信息可被用来交换。为此,工业4.0将制定一揽子共同标准,使合作机制成为可能,并通过一系列标准(如成本、可用性和资源消耗)对生产流程进行优化。

  以往,我们听到的大多是“产品的标准化”,而德国工业4.0将推广“工厂的标准化”,借助智能工厂的标准化将制造业生产模式推广到国际市场,以标准化提高技术创新和模式创新的市场化效率,继续保持德国工业的世界领先地位。

  4、战略愿景与要点

  战略要点可以概括为:建设一个网络、研究两大主题、实现三项集成、实施八项计划。

  建设一个网络:信息物理系统网络。信息物理系统就是将物理设备连接到互联网上,让物理设备具有计算、通信、精确控制、远程协调和自治等五大功能,从而实现虚拟网络世界与现实物理世界的融合。CPS可以将资源、信息、物体以及人紧密联系在一起,从而创造物联网及相关服务,并将生产工厂转变为一个智能环境。这是实现工4.0的基础。

  研究两大主题:智能工厂和智能生产。“智能工厂”是未来智能基础设施的关键组成部分,重点研究智能化生产系统及过程以及网络化分布生产设施的实现。“智能生产”的侧重点在于将人机互动、智能物流管理、3D打印等先进技术应用于整个工业生产过程,从而形成高度灵活、个性化、网络化的产业链。生产流程智能化是实现工业4.0的关键。

  实现三项集成:横向集成、纵向集成与端对端的集成。工业4.0将无处不在的传感器、嵌入式终端系统、智能控制系统、通信设施通过CPS形成一个智能网络,使人与人、人与机器、机器与机器以及服务与服务之间能够互联,从而实现横向、纵向和端对端的高度集成。

  横向集成是企业之间通过价值链以及信息网络所实现的一种资源整合,是为了实现各企业间的无缝合作,提供实时产品与服务;纵向集成是基于未来智能工厂中网络化的制造体系,实现个性化定制生产,替代传统的固定式生产流程(如生产流水线);端对端集成是指贯穿整个价值链的工程化数字集成,是在所有终端数字化的前提下实现的基于价值链与不同公司之间的一种整合,这将最大限度地实现个性化定制。

  实施八项计划:工业4.0得以实现的基本保障。一是标准化和参考架构。需要开发出一套单一的共同标准,不同公司间的网络连接和集成才会成为可能。二是管理复杂系统。适当的计划和解释性模型可以为管理日趋复杂的产品和制造系统提供基础。三是一套综合的工业宽带基础设施。可靠、全面、高品质的通信网络是工业4.0的一个关键要求。四是安全和保障。在确保生产设施和产品本身不能对人和环境构成威胁的同时,要防止生产设施和产品滥用及未经授权的获取。五是工作的组织和设计。随着工作内容、流程和环境的变化,对管理工作提出了新的要求。六是培训和持续的职业发展。有必要通过建立终身学习和持续职业发展计划,帮助工人应对来自工作和技能的新要求。七是监管框架。创新带来的诸如企业数据、责任、个人数据以及贸易限制等新问题,需要包括准则、示范合同、协议、审计等适当手段加以监管。八是资源利用效率。需要考虑和权衡在原材料和能源上的大量消耗给环境和安全供应带来的诸多风险。

  总的来看,工业4.0战略的核心就是通过CPS网络实现人、设备与产品的实时连通、相互识别和有效交流,从而构建一个高度灵活的个性化和数字化的智能制造模式。在这种模式下,生产由集中向分散转变,规模效应不再是工业生产的关键因素;产品由趋同向个性转变,未来产品都将完全按照个人意愿进行生产,极端情况下将成为自动化、个性化的单件制造;用户由部分参与向全程参与转变,用户不仅出现在生产流程的两端,而且广泛、实时参与生产和价值创造的全过程。

  5、智能制造系统的构成

  智能制造系统架构通过生命周期、系统层级和智能功能三个维度构建完成,主要解决智能制造标准体系结构和框架的建模研究。

  生命周期是由设计、生产、物流、销售、服务等一系列相互联系的价值创造活动组成的链式集合。

  系统层级包括设备层、控制层、车间层、企业层和协同层,共五层。智能制造的系统层级体现了装备的智能化和互联网协议(IP)化,以及网络的扁平化趋势。

  在数字化工厂的五个层次中,既包括硬件设备,也包括软件系统。数字化工厂的每个层次都有独立的网络设备、网络连接方式、服务器和数据库。可以形成独立的感知、决策行动,层与层之间的通讯方式也不尽相同。工厂层次分为5层,分别是:

  (1)ERP层,主要是企业层级的应用,包括产品开发,企业管理等软件系统;

  (2)MES层,MES层是企业管理制造和产品生命周期的交叉点,负责具体的制造执行过程,工单生成和车间任务分配等。

  (3)通信层,通信层是负责对工厂内部设备之间互联的重要设备,主要的硬件设备包括工业以太网、现场总线、交换机及无线网络系统。通信层涉及到众多通信协议的整合。

  (4)工业控制层,与西门子的控制层类似,主要由SCADA、PLC和DCS构成,还包括人机交互界面(HMI),实现对底层设备实施逻辑控制。

  (5)设备执行层,主要包括工业机器人、智能机床、伺服系统、泵阀设备、3D打印、机器视觉、传感器等,都是重要的现场执行设备。

  智能功能包括资源要素、系统集成、互联互通、信息融合和新兴业态五层。

  (1)资源要素包括设计施工图纸、产品工艺文件、原材料、制造设备、生产车间和工厂等物理实体,也包括电力、燃气等能源。此外,人员也可视为资源的一个组成部分。

  (2)系统集成是指通过二维码、射频识别、软件等信息技术集成原材料、零部件、能源、设备等各种制造资源。由小到大实现从智能装备到智能生产单元、智能生产线、数字化车间、智能工厂乃至智能制造系统的集成。

  (3)互联互通是指通过有线、无线等通信技术,实现机器之间、机器与控制系统之间、企业之间的互联互通。

  (4)信息融合是指在系统集成和通信的基础上,利用云计算、大数据等新一代信息技术,在保障信息安全的前提下,实现信息协同共享。

  (5)新兴业态包括个性化定制、远程运维和工业云等服务型制造模式。

  6、工业4.0的核心是实现三项集成。

  第一,横向业务集成,整合业务合作伙伴、公司与公司之间、公司与用户之间的主体网络,横向业务集成中主要用到的工具包括CRM、SCM等;

  第二,纵向业务网络集成,主要是整合企业内部生产流程之间的信息沟通问题,包括机器设备、供应链系统、生产系统和运营系统等,主要运用的工具包括ERP、MES、dcs、SCADA、hmi等,重点在于实现智能制造的过程;

  第三,价值链端到端的数字化集成。在这个价值链上,产品从用户需求、创意、设计、制造运行到服务过程,形成对产品的全生命周期管理,主要的工具软件包括CAD、PDM和PLM等。

工业4.0在我国的应用前景杂谈:

  为了应对互联网的冲击,德国提出了工业4.0的概念,其核心是用互联网改造传统产业,让传统产业实现灵活生产、零库存和互联网营销,一句话,就是实现“云端制造”。目前,我们拥有坚实的工业基础,已经开始尝试探索把互联网和传统产业结合起来,为改革开放之后的经济腾飞插上了翅膀,我国的制造和运输等传统产业一定能飞上云端。

  工业4.0是解决了众多制造商通过互联网共享设计和制造数据,各自制造或者自定义3D打印制造,最后获取需要的产品的整个过程。SCM供应链和信息化是基础,互联网是通讯支持,3D打印是定制支持,其他的只是设备支持和工艺流程支持的层面。

  中国第一大服装企业(世界第四)做工业4.0的企业架构设计,要完成ERP、SCM、财务、生产、供应链、销售的全部革命,未来所有人都可以通过互联网和支付宝,直接定制自己需要的运动服,且运动服配套的所有穿戴式电子设备也会同时考虑进去,你可以选择选配还是预留。

  中国真正合格的物流专业尚不存在,何况是工业4.0专业,估计再过50年才可能出现。这年头有几个程序员同时懂得双机热备搭建和选型、PLC编程和OPC协议、VPN和网络安全、还要懂大型数据库和小型机操作系统、还要懂机械和设备动作、还要懂现场管理流程和人机协同配套作业的,大学教授懂这个的全国没几个,我们这个行业永远缺人,我们这种人通常都是世界50强的紧缺人才,但是基本上都是自己开公司单干,因为不愿意被公司束缚能力,咨询公司也牛不过我们,我们一个人顶他们一堆人,他们一堆人还存在不同专业的相互沟通问题,我们则早已融会贯通了,所以,学校的专业无法教你,靠自己吧。

  1、博士后也没法弄工业4.0,因为这个是多学科不是单一学科,因为没有工业4.0的单一专业,至少涉及管理、信息、制造、工程、财经、贸易、法律等多个学科和专业。

  2、工业4.0的理念,基础是互联网基础支持的协同定制制造,难在供应链管理(供应商、制造商、按照时间节拍协同工作等)、质量管理(统一精度管理、统一质量管理、统一材料管理等)、财务结算管理(里面包含金融和资金协调,毕竟最后大家要分成的)、统一售后(不同的厂家和供应商,后期定制的产品如果需要零配件维护,追溯和再订零配件是必须的,因此物联网RFID追述不可少)、以及法律(最后如果有质量问题,大家怎么追究和明确责任)、环保和回收以及逆向物流(谁制造谁负责回收,但是联合定制怎么拆分垃圾和回收?)

  3、短时间成立公司,能做的就是使用开源系统,改造自己的系统,用于自己企业的运作,我知道的OpenERP以及其他五六个开源ERP系统,可以满足工业4.0的基础信息系统,有关协同供应、协同制造、供应链、财务结算、售后服务、多种财务结算方式等的大部分要求,但是涉及到工艺、自动控制、相关工艺信息采集这里,还得自己定制,好在是开源的,想怎么改都行,国内ERP和闭源的商业ERP普遍没这个能力。

如何理解工业4.0?

  来自机械制造、自动技术和信息通信及软件开发等三个领域的十多家领头企业,作为三次工业革命的佼佼者,顺理成章地组成了第一梯队,成为德国工业4.0的研究者和践行者。

  智能工厂,高于自动生产德国工业4.0的定义是“以信息物理系统为基础的智能化生产”。那么,什么是“信息物理系统”?

  人体的结构,也许是最好的比拟。人体即由“物理”和“信息”两个系统组成,健壮的身体、灵巧的四肢、敏锐的感官,便相当于一个嵌入了无数传感器的“物理系统”,人的大脑和意识,赋予了人思考、社交和活动的能力,构成了一个完备的“信息系统”,控制和操纵肌体这一“物理系统”。

  用一句话概括,信息物理系统就是把物理设备连接到互联网上,让物理设备具有计算、通信、精确控制、远程协调和自我管理的功能,实现虚拟网络世界和现实物理世界的融合。

  拥有上述五大功能的物理设备,不仅有“思考”能力,还有“社交”能力,并通过“社交”和“思考”,实现自我调节和完善,这便是“智能化”的概念。与自动化生产不同的是,自动化是工人通过电脑程序控制机器,完成自动生产,是一种单向的指令。而智能化是一种多向“交流”,工人、机器、产品、原料、物流、用户等等与生产、供应和使用有关的各个环节之间,始终保持着双向的信息互换,使生产和服务实现最优化组合。网络世界,有赖信息安全生产、供应和使用等各个环节,要始终保持双向交流,那么问题来了,这样多节点的大数据交流、以及以此为基础的自动生产,信息安全如何保障?

  这个问题,便是德国工业4.0发展的“瓶颈”所在。美国国安局前工作人员斯诺登的披露,使世人对信息的安全性产生了极大的怀疑。德国拥有世界领先的制造技术,却没有世界一流的信息技术,没有安全的“信息系统”,就无法确保“物理系统”的可靠生产。

  另外,谷歌等公司的无所不在和信息滥用,使人们不得不多思考一个问题:在工业4.0的社会里,如果所有的产品始终与工厂保持着对话,其用户还能有隐私可保吗?

工业4.0有哪些特点?

  互联:工业4.0的核心是连接,要把设备、生产线、工厂、供应商、产品和客户紧密地联系在一起。

  数据:工业4.0连接和产品数据、设备数据、研发数据、工业链数据、运营数据、管理数据、销售数据、消费者数据。

  集成:工业4.0将无处不在的传感器、嵌入式中端系统、智能控制系统、通信设施通过CPS形成一个智能网络。通过这个智能网络,使人与人、人与机器、机器与机器、以及服务与服务之间,能够形成一个互联,从而实现横向、纵向和端到端的高度集成。

  创新:工业4.0的实施过程是制造业创新发展的过程,制造技术、产品、模式、业态、组织等方面的创新,将会层出不穷,从技术创新到产品创新,到模式创新,再到液态创新,最后到组织创新。

  转型:对于中国的传统制造业而言,转型实际上是从传统的工厂,从2.0、3.0的工厂转型到4.0的工厂,整个生产形态上,从大规模生产,转向个性化定制。实际上整个生产的过程更加柔性化、个性化、定制化。这是工业4.0一个非常重要的特征。

【解决方案】包括软件硬件:

  软件有工业物联网、工业网络安全、工业大数据、云计算平台、MES系统、虚拟现实、人工智能、知识工作自动化等;硬件是工业机器人(包括高端零部件)、传感器、RFID、3D打印、机器视觉、智能物流(AGV)、 PLC、数据采集器、工业交换机等。

  企业以数字化技术为基础,在物联网、云计算、大数据、工业以太网等技术的强力支持下,集成目前最先进的生产管理系统及软件和硬件,如产品生命周期管理(PLM)软件和制造执行系统(MES)软件以及控制和驱动技术等。

成功实施工业4.0的背景、问题、解决方案:

  事实上,工业4.0就没有标准答案,连德国人自己都没有。

  作为一个工厂,存在的目的只有两个,生产产品,然后卖出去。所以在工业企业中,通常会分为两个大的部门,一个是生产部门,一个是业务部门,前者通过MES(制造执行系统)管理,后者通过ERP(管理信息系统)来管理。

  ERP更倾向于财务信息的管理,而MES更倾向于生产过程的控制,简单的说,ERP主要告诉你客户需要生产多少个瓶子,哪天下单,哪天要货,而MES主要负责监控和管理生产这些瓶子的每一个步骤和工序如何实现。

  在中国工厂的很多车间里,各个生产设备之间、生产设备和控制器之间,都已经基本实现了连通。再牛逼一点的公司里,整个工厂已经通过制造执行系统(MES)连通起来,而业务部门全部通过ERP连通起来了。

  发现问题了吗?

  ERP和MES其实并没有连起来!

  所以当ERP给MES下达生产计划指令后,MES在生产过程中发生了与计划偏差的事项(比如设备坏了,原料不合格等等),MES会根据车间的实际情况进行调整。但是ERP是不知道的!所以它会继续按照原本的计划执行订单,时间久了,财务系统和工厂的实际情况就会出现非常大的偏差。

  至于为啥没连起来,两个原因,首先是ERP和MES的开发公司通常是两拨人,搞财务的和搞生产的合作,不但互相不懂对方的职业术语,鸡同鸭讲,而且互相看不上对方。另外,业务部门和生产部门在公司里通常是分开运营,各自的领导有各自喜欢的供应商(原因你懂的)。

  当然,人民群众的智慧是无穷的,他们是断然不会干等着两个系统的偏差越来越大的,既然系统不给力,咱人工上,咱们工人有力量。所以工厂车间通常会定期把MES的调整项做成一个表,交给业务部门,然后由业务部门手动在ERP中调整过来。

  ERP和MES的问题只是工厂内系统断层的一个问题缩影,事实上工厂里还有非常多的其他系统,设计、制造、采购、办公等等,这些系统都是一个个的信息孤岛,互相都不知道对方在干啥,干到哪一步了。其中一个部分出了特殊情况,其他部分都不知道,只有等到问题出现了,才能退回来,所有系统再一个个改。

  插一句,老罗的锤子手机之所以难产,就是因为在设计的时候,生产人员并没有实时了解情况,所以实际生产时发现原本的牛X设计会导致良品率很低,只能退回去重新设计。这样每一个产品都要改来改去,所以一个工业品从设计到上线量产,往往要用一两年的时间。

  当然,这种事也不是第一天存在的,以前因为在工业时代,产品的生命周期很长,笔者的老东家,西门子一个型号的变频器可以卖三十年,这样一两年的研发上线时间也就显得不那么长了,其余的问题,靠着人工沟通,虽然有错,倒也都相安无事。

  然而,可怕的狼终于还是来了。

  这两只狼,一只叫产能过剩,一只叫互联网。

  全球性的产能过剩,导致企业的竞争越来越激烈,以往一款产品卖三十年的做法已经不行了,你跑不快,有的是快的。老罗的锤子手机仅仅晚上线了几个月,就从一款万众期待的爆款,成为了臭大街的过时货,产品的生命周期大大缩短了。

  互联网时代的到来,撼动了工业时代的一大基础,信息不对称。工业时代里,因为生产厂家无法低成本的了解每一个客户的需求,所以往往采用一刀切的方法,就是把需求做多的性能组合到一起,成为一款产品。

  比如你想要一双适合你的脚的鞋子,鞋厂是无法知道你的脚多大的,所以只能测量很多人的脚之后,把最集中的尺码分成40号,41号,42号等等,但是如果你的脚偏肥或偏瘦,对不起,概不伺候。

  互联网改变了这个局面,人与人,人与厂商,可以低成本的实现连接,从而让每个人的个性需求被放大,人们越来越喜欢个性化的东西。但是个性化的东西需求量没有那么大,这就需要工业企业能够实现小批量的快速生产。

  这两只狼,逼迫着传统工业必须做一件事,一件工业社会最不爱做的事,就是快速、小批量、定制化的生产。

  这时,先得做点准备工作,就是工业3.0首先要进化为3.X,所谓工业3.X,其实就是先把ERP和MES等信息系统彻底打通,让工厂原本的所有信息孤岛实现连通。这个时候,就从完全的自动化和部分的信息化,进入了完全的自动化和完全的信息化,也就是工业3.0大圆满阶段。

  别小看这个过程,单就这一条,也许我们中国就需要十年甚至更长才能完成。

  好了,前面的都是现实问题,3.0大圆满之后,我们就要开始科幻烧脑之旅了,我们终于要冲击工业4.0了。这个过程中,3.0中以及完全的自动化和信息化要开始做一件事,就是结婚,生孩子。

  这个过程,德国叫工业4.0,美国叫工业互联网,我们工信部称之为两化融合,物联网的脑残粉们把它叫做万物互联。

  这里我要说一下,所有的物,如果需要互联沟通时,就有一个问题,说什么语言?说英语、德语、还是四川话?

  通讯协议是什么,这个是一个关键问题。你可能会说,为什么不用现在互联网的通讯方式,也就是TC/PIP协议,这是个技术问题,没法给你这种小白解释明白(其实我这个曾经的半桶水自动化工程师也不怎么太懂)。简单的来说,互联网的通讯方式,速度还是太慢,精准度还是不够,安全性还是不好。而工业生产中,对于速度、精度和安全性的要求,要远远高于你下载一部电影的要求。

  所以万物互联,必须需要一个专门的通讯协议。

  这也是德国的工业4.0,美国的工业互联网,及中国的两化融合中国制造2025,这些时髦的名词背后的核心问题,大家在争这个通讯标准。美国的互联网世界第一,所以美国人希望从信息化层降维到自动化层;而德国的机械制造业最强,所以他更希望从自动化层升格到信息化层;中国嘛,制造业第一大国,互联网第二强国,所以两边都不想跟,打算自己搞个互联网+,也叫中国制造2025。

  按照修真小说的习惯,每一个境界都要分成一个小境界,以突显差异和牛逼,我按照这个方法,把工业4.0也分成六重天。

  工业4.0第一重天,智能生产。

  之前我们说过,生产设备和管理信息系统也各自连接起来,并且设备和信息系统之间也连接起来了。你有没有觉得还缺点什么?没错,就是生产的原材料和生产设备还没有连接起来。

  这个时候,我们就需要一个东西,叫做RFID,射频识别技术。估计你听不懂,简单来说,这玩意儿就相当于一个二维码,可以自带一些信息,他比二维码牛叉的地方,在于他可以无线通讯。

  我还是来描述一个场景,百事可乐的生产车间里,生产线上连续过来了三个瓶子,每个瓶子都自带一个二维码,里面记录着这是为张三、李四和王二麻子定制的可乐。

  第一个瓶子走到灌装处时,通过二维码的无线通讯告诉中控室的控制器,说张三喜欢甜一点的,多放糖,然后控制器就告诉灌装机器手,“加二斤白糖!”(张三真倒霉……)。

  第二个瓶子过来,说李四是糖尿病,不要糖,控制器就告诉机器手,“这货不要糖!”

  第三个瓶子过来,说王二麻子要的是芬达,控制器就告诉灌可乐的机械手“你歇会”,再告诉灌芬达的机械手,“你上!”

  看到了,多品种、小批量、定制生产,每一灌可乐从你在网上下单的那一刻起,就是为你定制的,所有的特性,都是符合你的喜好的。

  这就是智能生产。

  工业4.0第二重天,智能产品。

  生产的过程智能化了,那么作为成品的工业产品,也同样可以智能化,这个不难理解,你们看到的什么智能手环、智能自行车、智能跑鞋等等智能硬件都是这个思路。就是把产品作为一个数据采集端,不断的采集用户的数据并上传到云端去,方便用户进行管理。

  德美工业4.0和工业互联网的核心分歧之一,就是先干智能工厂,还是先搞智能产品。德国希望前者,美国希望后者。至于中国,我们就搞加,还是加这个东西好,正加反加都行。

  工业4.0第三重天,生产服务化。

  刚才说了,智能产品会不断地采集用户的数据和状态,并上传给厂商,这个就使一种新的商业模式成为可能,向服务收费。我好多年前在西门子的时候,西门子就提出来向服务收费,当时我觉得这是德国佬拍脑袋想出来的傻×决定,但是现在我才明白这是若干年前就已经开始为工业4.0的生产服务化布局了。你对西门子的印象是什么?冰箱?你个糊涂蛋,西门子这些年已经悄然并购了多家著名软件公司,成为仅次于SAP的欧洲第二大软件公司了。

  这个服务是什么呢?比如西门子生产一台高铁的牵引电机,以往就是直接卖一台电机而已,现在这台电机在运行过程中,会不断的把数据传回给西门子的工厂,这样西门子就知道你的电机现在的运行状况,以及什么时候需要检修了。高铁厂商以往是怎么做的?一刀切,定一个时间,到时间了不管该不该修都去修一下,跟我们汽车保养没什么差别。现在西门子可以告诉你什么时候需要修什么时候需要养护,你要想知道,对不起,给钱。

  再举个例子,智能产品实现后,每一辆汽车都会不断地采集周边的数据,来决定自己的行驶路线,整个运输系统会完全服务化,任何人都不需要再买车,有一天也许自己开车会成为严重的违法行为,因为设备是智能的,而人确是不可控的。

  在这个阶段,所有的生产厂商都会向服务商转型。

  工业4.0第四重天,云工厂。

  当工厂的两化融合进一步深入的时候,一种新的商业模式就有要孕育而生了,这就是云工厂。

  工厂里的设备现在也是智能的了,他们也在不断地采集自己的数据上传到工业互联网上,此时我们就可以看到,哪些工厂的哪些生产线正在满负荷运转,哪些是有空闲的。那么这些存在空闲的工厂,就可以出卖自己的生产能力,为其他需要的人去进行生产。

  互联网行业为什么发展的这么快,就是因为创业者只需要专注于产品和模式创新,不需要自己去买一个服务器,而是直接租用云端的服务就行了。而目前工业的创业者,还是要不断地纠结于找OEM代工还是自建工厂中,这个极大地限制了工业领域的创新。当云工厂实现的时候,我预言中国的工业领域将出现一个比互联网大百倍以上的创新和创业浪潮,那个时候这个社会的一切都将被深刻的改变。

  工业4.0第五重天,跨界打击。

  互联网行业天天说降维打击传统行业,什么谷歌小米阿里巴巴乐视,可是我告诉你,当工业4.0进入第五重天时,工业企业的跨界打击将比这些互联网企业猛烈百倍。这个过程将从根本上撼动现代经济学和管理学的根基,重塑整个商业社会。

  举个例子,一个生产手表的厂商,这个表每天贴着你的身体,采集你身体的各项数据,这些数据对于手表厂商也许没啥用,但是对于保险公司就是个金库,这个时候,手表厂商摇身一变,就能成为最好的保险公司。

  当自动化和信息化深度融合的时候,跨界竞争将成为一种常态,所有的商业模式都将被重塑。

  工业4.0大圆满,黑客帝国。

  整个工业4.0过程,就是自动化和信息化不断融合的过程,也是用软件重新定义世界的过程。

  在未来,多元宇宙将在虚拟世界成为现实,一个现实的世界将对应无数个虚拟世界。改变现实世界,虚拟世界会改变;改变虚拟世界,现实世界也会改变。一切都在基于数据被精确的控制当中,人类的大部分体力劳动和脑力劳动都将被机器和人工智能所取代,所有当下的经济学原理都将不再试用。

  但是有一些东西是不会变的,我相信。

  人类的爱、责任、勇敢,对未来和自由的向往,以及永无止境的奋斗。

  生生不息。

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