工业 4.0 智慧工厂

我们是否濒临第四次工业革命——Industry 4.0的边缘呢？对此，西门子公司战略主管Peter Herweck显得更为冷静，“这一变革时期可能持续20年左右，从今天的观点看，其结果将是革命性的，但其中将涉及到许多个发展阶段。”

随着虚拟世界中生成的信息流入实际生产过程，全新的生产环境由此诞生。在智能工厂，由机器构成的团体将自行组织，供应链将自动相互协调，半成品可将下一道工序所需数据发送给负责将其变成商品的机器。在所有这些发展中，西门子都将扮演重要角色。

从计算机到生产线，新技术不断缩短从虚拟设计到实际生产的周期。

欧洲和美国打算大幅提升工业产值。德国媒体大肆报道制造业的下一个发展阶段，称之为朝着智能工厂演进的根本性变革，甚至宣称第四次工业革命即将到 来。18世纪，蒸汽机的发明和手工业的机械化掀起了第一次工业革命。20世纪初，批量生产技术的运用拉开了第二次工业革命的大幕。过去几十年来，面向自动 化生产工艺的电子系统和计算机技术开创了第三次工业革命。那么，我们是否濒临第四次工业革命——Industry 4.0的边缘呢？对此，西门子公司战略主管Peter Herweck显得更为冷静，“这一变革时期可能持续20年左右，从今天的观点看，其结果将是革命性的，但其中将涉及到许多个发展阶段。”
虽然如此，专家认为，相比于如今的工厂，未来的生产工厂的智能化程度将高得多。这样的智能将通过使用微型化处理器、存储装置、传感器和发送器来实 现，这些装置将被嵌入几乎所有机器、半成品和材料以及用于组织数据流的智能工具和新型软件中。所有这些创新将使产品和机器能够相互通信并交换命令。换言 之，未来的工厂将在很大程度上自行优化和控制其制造工序。然而，专家也认为，在这之前还有很长一段路要走。
不过，这丝毫不会削弱这一趋势。德国联邦政府已拨出近2亿欧元资金用于帮助行业协会、研究机构和企业制定实施战略。美国政府也极为重视创新制造战略 的制定，并计划拿出高达10亿美元资金建立一个覆盖全国研究机构和企业的网络。政府部门负责提供无处不在的宽带网络，工业界需要及时地将数据标准化和传输 协议系统部署到位。

在智能工厂，机器可以在很大程度上自行组织，但最终决策仍需由人来做出。

西门子工业战略主管Marion Horstmann是向德国政府提供有关高科技战略意见的科学家与工商界高管组织研究联盟中的西门子代表，他认为，“实现Industry 4.0目标需要我们解决介质和数据传输方面的大量不连续性问题”。该联盟创造了“Industry 4.0”这个术语。除德国之外的其他工业化国家虽未普遍使用这一术语，但不可改变的事实是，尽可能降低生产经营成本、提高灵活性和加快创新周期也是这些国 家的共同目标。
德国希望成为引领这一趋势的弄潮儿，许多政府和企业领导认为，当前形势对德国企业成为信息物理系统（CPS）的领先供应商非常有利。“信息物理系 统”是国际上用于描述源自软件、传感器、处理器和通信技术等的“Industry 4.0”概念的术语之一。德国国家科学与工程院（acatech）认为，该新型制造工序将使工业生产率提高30%。正如德国国家科学与工程院所指出的那 样，CPS不仅将彻底改变生产方式，还将在交通和医疗领域引发一场变革。
Herweck表示，“西门子将在这一过程中扮演关键角色，因为我们是自动化技术和工业软件系统的全球领先供应商。”西门子已经蓄势待发。 Horstmann指出，过去几年来，西门子每一次收购软件公司都是出于整合和进一步开发实现Industry 4.0所需的所有技术专长的战略考虑。他说：“多年来，西门子一直在扩张其与行业IT系统有关的业务。”
专家喜欢将Industry 4.0系统内的生产活动比喻为在一个大市场上，机器提供服务，并实时与产品交换信息。德国人工智能研究中心（DFKI）与包括西门子在内的20个工业与研 究合作伙伴在德国Kaiserslautern联合创办的一座智能工厂，演示了信息物理系统在实际应用中的运转方式。这座试点工厂利用皂液瓶来演示产品与 制造机器之间的通信方式：每个空皂液瓶底部都贴有射频识别（RFID）标签，以告知机器应为其套上黑色还是白色瓶盖。换句话说，这一制造流程中的产品从一 开始就携带有数字产品记忆，可以通过无线信号与周围环境进行沟通。这样一来，产品就成为了一个信息物理系统，将现实世界和虚拟世界合二为一。

灵活性：只要轻击鼠标。在德国安贝格市，一座因其在数字化领域取得的重大进步屡获殊荣的西门子电子装置工厂，表明智能工厂的一些要素 已经存在于现实当中。这座工厂的规划团队借助尖端的西门子PLM软件来确保高效地生产大概1,000件产品的标准程序。只要轻击鼠标，规划师就能为新产品 设计出多种不同的制造流程，并按诸如吞吐量和成本等参数进行计算和比较，然后从中选出效率最高的过程。Horstmann表示，“安贝格工厂昭示了我们前 进的方向。”在安贝格工厂，数字规划仍需以“人工”方式转换到实际生产中，因为目前这两个过程是顺次执行的。然而未来，这两个过程将日益重叠，最终实现同 时进行——在安贝格工厂以及所有其他高度自动化的工厂。到那个时候，工程师在设计新产品如新型开关的时候，将使用专门的软件来同步规划其制造流程，包括所 有有关机械、电气和自动化系统。
就像如今USB端口可用于将不同类型的设备连接至电脑一样，有朝一日，现场设备、机器以及其他设备等也能连接到Industry 4.0生产系统中，而无需进一步设置参数或编程。然而，设备与机器之间必须实现天衣无缝的交互。西门子的博途（TIA Portal）平台为利用反复出现的数据集来规划、试验和实现自动化生产过程创造了条件。Thomas Hahn博士负责管理西门子中央研究院（CT）所有与Industry 4.0有关的活动，他表示，“自动化早已不止是简单地控制生产过程。现在，自动化也涉及针对新产品快速调整机器和厂房。”
攻克数据不连续性问题。本文描绘的生产环境将逐渐成为现实。请就皂液瓶试点工厂，思考如下问题：机器如何知道有多少只皂液瓶需要白色 瓶盖，有多少只皂液瓶需要黑色瓶盖？机器如何知道工厂是否备有足够数量的瓶盖，或者将按时交付足够数量的瓶盖？库房是否有足够数量的工作人员可以收货？如 今，所有这些信息都保存在不同系统中。譬如，企业资源规划（ERP）系统负责管理物料物理、人员规划和成本计算，而制造执行系统（EMS）则负责控制生产 作业。问题是，这些不同系统所使用的多种不同的格式、操作系统和编程语言，妨碍了数据在系统之间顺畅、完整地转移——而这正是将现实世界和虚拟世界合二为 一所必需的。

研究项目将确定信息物理系统需要哪些类型的数据以及通过什么样的方式最有效地利用这些数据。

先进的模拟工具可以事先测试生产过程变化、成本发展和物料利用。

西门子中央研究院的生产优化专家Jürgen Back指出，“现在，我们首先要确定哪些数据是与生产有关的。”工业数据与日俱增，更加剧了这项任务的难度。西门子中央研究院的研究人员勇挑重担。 Hahn在报告中称，“现在，我们正计划与大学和研究机构的研究合作伙伴开展不同类型的合作项目。”
这些项目的具体目标当前尚在酝酿之中。Hahn说：“所有人都还记得，过去电话机的唯一用途就是打电话。现在，移动电话还可以发送和接收照片和视 频，管理约会，以及运行各种能在日常工作和生活中帮助我们的应用程序。同样地，未来的生产设施将不仅交换监测和控制数据，还要交换截然不同类型的产品和过 程内容。现在，我们正在研究这些内容究竟应当是哪种类型的内容。”数据安全是另一个重大研究问题，因为如果可以利用一个数据集完成制造整件产品，那么，企 业必须采取更加有效的保护措施，以防止工业间谍和产品盗版。
无论如何，显然“那些未能顺应这一发展趋势的企业将遭遗弃，”Armin Haupt博士如是道。Armin Haupt博士是德国爱尔兰根西门子中央研究院的生产规划与优化部门负责人。他解释道，“要想在数字化的未来占有一席之地，企业必须拥有连续可用的数据供 其处置。”这是必须首先实现的里程碑式目标。目前，西门子的顾问正在分析众多西门子生产工厂使用的数据，以便制定路线图计划——通过一系列开发，缔造标准 化数据环境。
实现Industry 4.0所需的许多技术已经问世，包括互联网、面向工业设施的标准化数据连接技术Profinet、模拟软件以及旨在加快工程设计的博途（TIA Portal）平台。因此，专家确信朝着Industry 4.0前进的步伐势不可挡。Herweck说：“Industry 4.0并非空中阁楼。”不同于过去风行一时的类似概念，如计算机一体化制造（CIM），Industry 4.0趋势是随着现有技术的融合和优化而发展的。
Herweck还指出了另一个重大差别，他说：“这个问题已经让大型国有企业、学术研究机构和政府联合起来，齐心追求一个共同目标。”

作者：Katrin Nikolaus

模拟软件：保持竞争优势的关键
要保持竞争力，企业必须减少开发和生产日益复杂的产品所需的时间和成本。与此同时，客户的要求也变得越来越苛刻，呈现出各种细微的差别。生产专家认 为，解决办法就是将虚拟规划与实物生产流程合二为一。这正是信息物理系统（CPS）和Industry 4.0等概念背后的理念。要实现这样的生产环境，必须采用定制软件，但通常并非像办公应用程序和数据库那样可用于许多不同应用的横向IT系统。更为重要的 是纵向IT系统，即专为特定工业领域及其特殊需求而开发的解决方案。开发这样的解决方案正是西门子的17,500位软件工程师的主要任务。西门子目前是仅 次于SAP的欧洲第二大软件公司。近年来，为了整合和优化其行业IT技术专长，西门子已经收购了数家软件公司并将它们整合入工业业务领域。其中大多数公司 都专长于某些涵盖了大型软件应用的特定分部的功能。西门子工业战略负责人Marion Horstmann表示，“这些软件公司的技术能力，结合西门子在自动化领域的技术专长，让我们得以提供贯穿产品开发和制造的整个价值创造过程的工业软 件。”

从摩托车到电机和挖掘机，利用西门子的模拟软件可以开发和试验各式各样的产品。

2007年，在收购美国公司UGS的同时，西门子宣布了新的软件战略。如今，该公司已更名为西门子产品生命周期管理（PLM）软件公司。PLM软件 最引人瞩目的应用典范是其在红牛赛车中的应用，以及用于设计2012年登陆“红色星球”的“好奇号”火星探测器。在开发“好奇号”火星探测器的过程中，美 国航空航天局全程采用了PLM软件，从设计初稿到模拟其进入火星大气层，不一而足。尽管这些博人眼球的项目引起了各方关注，但事实上，在航空和汽车等行业 已有超过700万名许可用户在使用PLM软件，早在规划阶段进行产品功能试验。通过在虚拟工厂中模拟生产流程，该软件缩短了生产规划周期。该特性让使用西 门子自动化系统的客户受益良多。PLM软件公司在德国的销售和服务主管Lothar Hahn表示，“对将要用于制造产品的机器的属性了解越透彻，所编写的模拟程序就越精确。”
西门子PLM已经并购了多家公司，德国格平根的完美成本核算解决方案公司（PeRFect Costing Solutions）便是其中之一。该公司于2012年9月加入西门子，其技术允许早在新产品规划阶段估算出其制造成本。Hahn说：“过去，成本核算往 往要到很晚的阶段才执行。”这导致了一些问题，因为待到开发人员向采购专员寻求意见时，规划工作已开展了一段时间，以至于任何变更都会导致巨大的额外费 用。完美成本核算解决方案公司提供的软件，有一个突出优点，那就是它可以持续不断地纳入所有影响到成本的变化因素。这意味着可以随时执行采购价格分析，并 且可以快速估算出设计和制造替代方案的成本。
此外，借助新的解决方案，如位于比利时勒芬的LMS公司——西门子PLM收购的另一家公司——推出的软件系统，现在可以回答像下面这样的问题：振动 会对风力发电机转子和机舱造成什么影响？这些影响会在多长时间后造成这些组件的磨损？一辆新款紧凑型汽车在铺满鹅卵石的道路上行驶时，其内部的噪声有多 大？通过LMS软件实现的计算机模拟，可以如实地执行有关试验及其他分析。西门子于2012年11月收购了LMS公司并将之整合到西门子PLM软件公司。 现在，LMS负责向所有大型汽车和飞机制造商提供模拟和机电一体化试验软件。实际试验设备与软件双剑合璧，允许对声学、震动、振动、运行稳定性和动力学等 进行更加精确的分析。所生成的数据库将有助于工业企业在未来模拟、试验、优化和制造产品。
2011年11月，西门子收购了位于马萨诸塞州Waltham的Vistagy公司，该公司专长于模拟复合材料，特别是碳纤维的属性。现代化飞机的 一大半材料都采用了碳纤维，这种专门开发的碳材料也被用于风力发电机的转子叶片。在汽车工业，碳纤维强化塑料也变得越来越重要。Vistagy提供了全球 唯一可以从开发阶段到制造过程，随时模拟这些复合材料的具体属性的软件。行业IT解决方案，如Vistagy和Kineo C.A.M.（西门子在法国的一家子公司，专攻自动化生产过程规划）开发的解决方案，将成为未来的制造系统中不可或缺的组件。Horstmann说：“像 西门子这样在软件领域拥有广博技术专长的大型企业，将成为推动Industry 4.0的主力军。”