在制造业领域,基于海量数据的分析方兴未艾,但它已经能帮助企业优化生产质量、节省能源并改进设备服务。在工业4.0的环境下,对不同数据源(生产设备和系统以及企业和客户管理系统等)进行收集和分析将成为未来企业进行实时决策的标准配备。

例如,半导体制造商Infineon(原西门子半导体)收集测试中的单片机数据,与生产流程早期晶片成型阶段的数据进行关联分析,从而降低了生产过程中的失误。此外, 公司还能辨认出一些典型模式,能在前期将残次品的芯片排除,从而改进了生产质量。

2.自动机器人

很多行业制造商已经广泛采用机器人完成复杂的生产任务,但今天的机器人技术则变得更加强大。它们变得更加灵活且智能。最终,这些机器人之间不但可以互通互联, 更可以安全地与人类一起工作,甚至从人类身上学习新的技能。这些新机器人不但在性能上远超今天的工业机器人,更大大降低了成本。

例如,欧洲机器人设备制造商Kuka提供生产的机器人就具备相互沟通的能力。这些机器人可以在一起合作,根据生产线上的工序调整自己的行动。这些机器人还搭载了先进的传感器和控制单元,能与人类进行紧密的合作。类似地,ABB公司也推出了双臂机器人YuMi,与工人并肩工作,专门用来进行产品组装(例如电子消费产品)。它们的计算机视觉系统和带缓冲垫的两臂,使得它们不但可以识别零件,还能保证与人进行安全的互动。

3.模拟技术

在工程设计领域,不少公司都采用了3D模拟技术来设计产品的结构和材料。未来,模拟技术将在工厂运营中扩展到更广的范围。人们可以用实时数据来模仿包括机器、产品和人在内的物理世界,将新产品放入虚拟的生产环境中。在进行实际生产前, 公司可以对这些新产品进行测试和优化,从而减少设备装配调试的时间并提高产品质量。

例如,西门子和一家机械工具生产商合作开发了一台虚拟机,它可以利用真实机器的数据对机器部件进行模拟。这个系统最多能减少设备准备时间达80%。

4.水平和垂直系统整合

今天大部分公司的IT系统并未完全整合。公司、供应商和客户常常相互割裂。企业内部,工程设计、生产和职能部门也往往各自为战。即便是工程设计这一环节,也没有几家公司能做到设计—制造—自动化的三位一体。但随着工业4.0的发展,公司、 部门和职能将成为更加紧密的整体,一条横跨公司的数据网络将让价值链真正实现自动化。

例如,Dassault Systèmes和BoostAeroSpace为欧洲航天和国防工业搭建了名为 AirDesign的合作平台。它为设计和制造的合作提供了共享空间,该平台搭建在私有云上,参与的合作伙伴可通过该平台对复杂的产品和生产数据进行交互。

5.工业物联网

目前,仅有少数制造型企业的传感器和设备进行了互联并应用了嵌入式计算技术。 这些产品的组织方式依旧是垂直的金字塔结构,系统中的传感器和分布装置的智能有限,控制者需要通过中心制造流程对系统进行控制。然而随着物联网时代的到来,越来越多的设备,甚至包括一些半成品,都将装备嵌入式计算技术,并通过标准技术实现互联。届时,身处不同地理位置的产品设备将能进行互动和沟通,并由中央处理器集中控制。物联网将实现决策的去中心化,互联设备能进行自动分析和决策,对环境变化进行实时反应。

博世集团旗下的一家驱动和控制设备供应商Rexroth公司推出一套半自动、去中心化生产流程的系统。通过射频识别码,不同位置的工作站可以感知每件产品需要进行的生产步骤,并自动执行生产。

6.网络安全

很多公司的管理和制造系统依旧是独立或封闭的。但随着工业4.0的到来,原先相互隔绝的设备将以统一协议相互连接,工业系统和生产线将连接成一体。届时,保护关键工业系统和生产线免受网络安全威胁的需求将大幅提高。安全可靠的网络通信以及身份辨别和接入管理系统将变得至关重要。

去年,欧洲几家大型工业设备制造商已经通过与网络安全公司合作或并购的形式加强了网络安全能力。

7.云计算

很多企业已经开始在企业和数据分析应用中使用基于云的软件。随着工业4.0的到来,越来越多与生产相关的任务需要更多的跨地域和跨公司的数据分享。与此同时, 云技术的性能也会不断增强,使反应速度达到几毫秒。机器数据和功能将逐渐迁移到云端,越来越多的生产系统数据服务也会应运而生。未来,检测和控制生产流程的系统也会搬到云端。一些制造执行系统供应商已经开始提供云端服务解决方案。

8.增材制造

目前一些企业已经开始采用增材制造技术(比如3D打印),但大多数都处于试验阶段或用于制造独立部件。在工业4.0时代,增材制造将会广泛地应用到小批量生产定制产品上,带来诸如复杂或超轻量的设计等结构优势,高性能、去中心化的增材制造系统将降低产品的物流成本和库存。

例如,飞机制造企业已经开始使用3D打印技术,通过新型设计来降低飞机的重量,节省钛等稀有材料的使用量。

9.增强现实技术

增强现实系统可以在很多方面协助工人生产,例如通过手持设备挑选仓库中的配件或发送维修指令。这些系统目前还处在实验阶段,但未来这些技术将为工人提供实时信息,帮助他们进行实时决策,改善生产流程。

例如,未来工人可以装备增强现实眼镜等设备。当他们检查一台设备时,计算机就将故障原因和维修指南发送到工人的眼镜上。

另一种应用是虚拟训练系统。西门子为Comos软件开发了一套发电站虚拟操作训练系统。该系统通过增强现实眼镜,构建一个仿真、基于数据的3D环境,培训发电站工作人员如何应对紧急状况。在这个虚拟世界中,操作人员可以通过点击网页互动界面与机器进行互动。他们也可以改变界面设置,并从中获取操作数据和维护指南

工业4.0的影响力

量化影响力:以德国为例

为了量化世界范围内工业4.0带来的潜在影响,我们以德国的制造业为研究对象,发现以下四个方面将从工业4.0中获益:

——生产率。 在未来5-10年,越来越多的公司将采用工业4.0技术。德国制造业产值将提升900亿至1,500亿欧元,按除原料成本以外的加工成本计算,生产率将提升15%-25%。即使加上原料成本,整体生产率也将提升5到8个百分点。各个行业的生产率提升水平略有不同。工业部件制造型企业的生产率提升幅度最大,为20%-30%;而汽车制造企业生产率则将提高10%-20%(参阅图3)。

下一波制造技术将影响制造型企业从设计到售后服务的整条价值链:

——在价值链上,生产流程将通过整合的IT系统得到优化。今天孤立的制造单元将被完全自动化、一体化的生产线取代。

——通过制造商和供应商的合作,产品、生产流程和自动化生产将在一个充分整合的流程中设计并完成。所需的实体原型数量将降至最低(参阅“配件制造商从制造柔性中获益”)。

随着制造商要求自己工厂的设备和机器具备更强的互联和互动功能,生产系统供应商必须提升其产品的信息化。这些改变极可能包含搭载于云端和嵌入设备中更强大的功能化模块。随着系统整体功能的增多和复杂程度的提升,决策分散化的需求将进一步提高。此外,拥有软件下载功能以及合作伙伴连接功能的在线接口,将大大增强设备设置的灵活性和适应性。同时,自动化架构也将根据不同的使用场景不断变化更新。供应商要对不同的情景做好准备,并对这些变化提供支持。

大部分工业自动化供应商和机械工具生产商已经具备了一定的软件开发能力,但还达不到工业4.0技术的要求。此外,这些传统供应商未来还要面临来自IT公司的竞争, 这些IT公司开始提供车间生产相关的应用程序和数据驱动型服务。

随着机器、产品、部件和人之间互联程度的提高,未来的数字工厂需要新的国际标准来定义这些组件之间的互动。目前这些标准的开发还处于初级阶段,并由传统的标准制定机构和一些新兴的技术联盟所主导。德国的Plattform Industrie 4.0是这方面的先行者,而2014年3月在美国建立的由互联网、IT和电信公司组成的工业互联网联盟(IIC) 是前者主要的竞争对手。相应地,德国制定了新的Dialogplattform Industrie 4.0平台来应对IIC的激烈竞争,其他几个标准化组织也磨拳擦掌,准备在该领域拔得头筹。战略性地选择加入这些机构,积极地参与标准制定将对生产系统供应商至关重要。

前路

不同国家和行业将以不同的节奏和方式迎接工业4.0。对于产品多样化程度较高的行业,比如汽车和食品饮料行业,工业4.0技术带来的巨大灵活性将大大提高它们的生产率。而那些对产品质量要求较高的行业,比如半导体和制药,数据分析技术将大大降低生产流程的出错率。

那些拥有高成本高技术劳动力的国家将利用更高的自动化程度和更丰富的高级技工储备在工业4.0竞争中抢先一步。但是一些拥有年轻且高素质劳动力的新兴市场国家也将拥有不错的发展机遇,甚至创造出全新的制造理念。

要想更主动地参与构建即将到来的转型,制造型企业和生产系统供应商必须积极果断地采用上述9大类技术创新。同时,基础设施的建设和对相关人才的培育也是迈向工业4.0时代的重中之重。

制造型企业要设定优先级,并升级劳动力

制造型企业必须确定生产流程中的优先任务并增强员工的能力,具体措施如下:

——识别改进的关键领域,比如柔性生产、速度、生产率和质量。其次,企业需要思考工业4.0包含的9项技术如何应用于对重点领域的改进。避免采用渐进式的方法,要综合利用9项技术,进行彻底的变革。

——分析工业4.0对劳动力的长期影响,对用人需求进行战略规划。采用职位转变、招聘和假期培训等方式,帮助员工发展必备的IT技能。

这些提升对现有行业有着深远的意义,而一些新兴领域也可采用工业4.0技术,通过工厂布局和生产流程等方面的创新来颠覆传统标准。

生产系统供应商必须积极利用技术

生产系统供应商需要了解如何在新的场景下应用新技术,从而为客户带来最大的价值。这些技术可以应用到不同的产品和服务中,比如增强互联嵌入系统可以增强系统的自动化程度,而新软件产品的开发则能让厂商实现全新的服务(如数据分析服务等)。 为了构建这些产品和服务,企业必须首先铺设相应的基础:

—— 确定使用哪种业务模式对产品和服务进行改进或推新;

——建立技术基础,例如数据分析工具;

——创建合适的组织架构和能力;

——在数字化领域结成重要合作关系;

——参与并影响技术标准的制定。

同时,系统开发商要开发基于情景的行业发展长期愿景,并根据可能性最大的情景制定自己的战略。

基础设施和教育必须同步

制造型企业和供应商在迎接工业4.0的同时,还必须调整其基础设施和教育培训。 这需要政府、行业协会和企业的共同努力:

——升级技术基础设施,例如固定和移动宽带服务。网络必须快速、安全和可靠,才能保证数据的实时传送。

——更新学校课程、培训和大学项目,鼓励相关创业,提高劳动力的IT技能和创新能力。

工业4.0将为创新的生产制造商、系统供应商和整个地区带来巨大机遇。它也会对那些迟迟不愿行动的落后者带来威胁。随着商业模式、经济模式和技术需求的转变,我们将在公司和地区的竞争格局中迎来巨大的变革。