智能制造及未來——西門子加速德國工業4.0的發展進程

《金屬加工》記者 趙宇龍

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

德國工業4.0又稱第四次工業革命，是指通過充分利用信息通信技術和網絡空間虛擬系統——信息物理系統相結合的手段，將制造業和智能化轉型。德國工業已經經歷了三次工業革命，第一次工業革命發生在18世紀末，主要是通過水力和蒸汽機實現工廠機械化；第二次工業革命發生在20世紀初，主要為電力的廣泛應用、內燃機和新交通工具的制造，新通信手段的發明和化學工業的建立；第三次工業革命從20世紀70年代至今，主要為基于PLC的生產工藝自動化，以原子能、計算機和空間技術的廣泛應用為主要標志的信息控制技術革命。

德國政府在2013的諾威工業博覽會上正式提出工業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的強大生命力，感受西門子在加速工業4.0進程中所發出的巨大“推背力”。

德國總理默克爾在西門子展臺與工業業務領域CEO魯斯沃博士交流

ZEOD RC賽車

數字化展臺

本屆展會共吸引來自全球65個國家和地區的約5000家展商參加。工業展共分為7個主題展，分別為：工業自動化、能源、移動技術、數控化工廠、工業供應、工業綠色技術以及科研與技術，展示了建設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，零件與機器可以相互交流，這令跨行業合作成為必然。”

西門子在3500m2藍寶石般半月形的展臺里展示了西門子工業企業的全部產品線，從產品設計、生產規劃、生產工程、生產實施和服務五個階段展示了智能制造的理念；同時還展出了一條工業4.0下的汽車生產線。為便于讀者理解，筆者結合展會和參觀到的數字化工廠將智能制造分為四個部分，分別為數字化產品設計、虛擬規劃、智能化生產和全生命周期的服務集成。

數字化產品設計

西門子展示了一款極具創新的日產ZEOD RC賽車。ZEOD（Zero Emission On Demand Racing Car，零排放定制賽車）標志著電力驅動裝置與內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，憑借先進的電動技術，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開發系統。

據悉，德國達姆斯塔特工業大學的學生們與DART賽車團隊共同開發制造的即將參加《大學生方程式汽車大賽》的電動賽車theta2013，也是依靠NX CAD/CAE/CAM系統完成了設計階段的全部工作。這套系統的優勢在于為包括幾乎所有零件在內的整個賽車提供了一套三維主設計模型，使得設計過程大大加快，為成功制造實際賽車奠定了堅實的基礎。這個案例出色地證明了最大限度優化設計效率對創新生產的重要作用。

在數字化制造下，設計和制造都基于同一個數據平臺，研發和生產幾乎同步，改變了傳統制造的節奏。在歐洲最先進的現代化工廠——工業4.0的雛形——西門子安貝格電子工廠參觀時，副總經理李永利告訴記者，數字化設計和生產已實現了緊密的結合，這使安貝格工廠的產品殘次品率從原先的500多/1000000下降到現在的12/1000000。

虛擬規劃

使用工業軟件即可實現在電腦屏幕上開發整座工廠及具體每一臺機器設備，通過徹底仿真優化生產過程。這種方法可以幫助客戶節約時間和資源，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，縮短產品上市時間達50%，同時提高產品質量。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

TIA平臺

IDS

智能化是一個過程，是工業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，零件與機器可以相互交流，跨行業合作成為必然。西門子展示了制造工程、制造執行軟件和集成，筆者在此統一稱為智能化生產。

（1）制造工程。隨著使用的硬件和軟件不斷增多，帶來的挑戰與日俱增，保證各個系統之間實現無縫通信與協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域的革命性進步，實現了各項自動化任務的全面集成和統一，同時還可優化工作流程，降低工程成本達30%。展臺上的工程區重點展示了一臺生產線末端包裝機，顯示出所有自動化部件在全集成自動化軟件TIA基礎上是如何實現完美協同互動的。西門子公關專員Peter Jefimiec先生表示，TIA是一個具有高開放性的數據平臺，是一個理念，可實現數據之間的無縫連接，組態便捷。

（2）全集成驅動系統（IDS）。2013年，西門子在中國提出了全集成驅動的概念，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制造工藝控制結構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率和生產質量，以此為基礎，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品組合。同時，IDS把動力總成和部件集成到西門子工業的TIA架構中，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——整個機器和產品的生命周期管理所有部件的技術數據都能在規劃、設計和投產等相應工業軟件中共享。通過集成的軟件和服務，這個集成生命周期不但可使投產更快及提高可靠性，而且降低維護成本。展臺現場一臺采用上行傳送技術（高層碼垛系統）的存儲與檢索設備很好地詮釋了IDS這一概念，這樣的系統在工廠的物流體系和生產線中發揮著重要作用。

機床的領先制造商DMG通過使用全集成驅動系統為在工業4.0框架下的集成制造工藝奠定了基礎。CAD/CAM系統和Sinumerik CNC系統之間的無縫數據交換使得通過虛擬模型生成現實機械的時間節省了80%；此外，在網絡化生產中，DMG可以通過基于指標的優化對生產規劃及通過產品開發讓啟動生產的速度提升了50%，自動化CAM設置則讓DMG研發流程的效率提升40%。

（3）未來的汽車生產線。我們可以想像未來的汽車組裝生產線是什么特點：數據信息、機器人和高柔性。

歐洲最先進的安貝格電子工廠1995年每天的數據信息是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，哪臺機器生產的，安裝尺寸和安裝位置及作用，經過掃描后，機器人就會按設定的程序抓取部件并安裝在車體上，這樣的生產線更適合不同車型的柔性生產。西門子在現場展示了一條實際應用的轎車生產線，該生產線所有的控制系統均為西門子公司產品，配備了3臺庫卡和西門子合作生產的機器人。該生產線的最大亮點就是這三臺機器人之間可以互相聯絡，如果第三臺機器人感覺節奏太快，它就會告訴前兩臺機器人：“親，你們慢點，我快跟不上了。”

未來汽車生產線

數字化工廠

（4）數字化工廠。西門子安貝格電子工廠是歐洲乃至全世界最先進的數字化工廠，副總經理李永利將在我們頭腦當中多年的虛擬工廠帶到了現實世界。安貝格工廠有1萬m2的生產車間，主要生產印刷電路板。走進車間，看不到一般國內工廠忙碌的工人身影，為數不多的工人在有條不紊地工作。當生產線上檢測到不合格的零件時會將其自動送出，檢測工位的工人經復檢和修復后再送進生產線。“自動線的最大好處是降低產品的廢品率，”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。”安貝格工廠75%的生產過程是由機器來完成的，包括物料配送、數據收集和數據整理等。為了更準確地收集到生產過程中的各種數據，安貝格工廠超過3億個元器件都有自己的身份識別，這些基礎信息包括哪條生產線生產的、什么材質等，工廠所有的設備都有掃描器和讀碼器，經過記錄和讀取數據，機器就會制定相應的執行動作和環境。當原材料出現問題時，就通過研發系統輸入指令，指令下發到工廠控制層，所有生產線都能識別到，當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。當出現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，當一個安裝件出現在工人面前時，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。西門子已經在成都成立全新的數字化工廠，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。

全生命周期的服務集成

高效維護可以提高工廠可用性，并在工業領域發揮至關重要的作用。但服務的作用遠不止于此。西門子可為工業領域客戶提供包括規劃、安裝、運營以及升級改造在內的全方位服務，涵蓋產品、系統以及應用，貫穿工廠的整個生命周期，以減少工廠停機時間、節約資源。

（1）PLM。實際上，西門子的全生命周期管理軟件PLM涵蓋了產品的規劃、設計直至制造和維護的全過程，比如更快的設計、仿真和制造的軟件NX，更高效的制造和支持產品TECNOMATIX，更智能地創新和協同軟件TEANCENTER，加速設計和加快產品上市的SOLID EDGE等軟件。當今社會制造卓越的產品正面臨前所未有的挑戰，產品的復雜性越來越高，制造工藝也越來越復雜。這種復雜性正在影響著消費者，與信息接收的容量相比，產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，就是讓參與產品開發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，實現數控化制造來加強研發能力，提高了生產效率，使每一款車型節約超過300萬元；日產汽車使用西門子的PLM軟件，減少了50%工程工作量，并通過標準化、知識重用及數字驗證幫助日產提升了一倍的車輛開發能力；包括上海大眾、奇瑞、通用五菱、東風汽車和華晨汽車等中國企業都在使用西門子的PLM軟件，顯著提高了生產效率。

西門子“中國日”活動

（2）信息安全性。工業領域的客戶目前正面臨著前所未有的全新挑戰，包括更廣泛的網絡威脅和攻擊。客戶通常缺乏有效應對信息安全事件的必要資源，且無從獲得全球范圍內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、工業標準、最佳案例，以及其他風險信息，這些在做出明智的商業決策的過程中都必不可少。

西門子工業業務領域與Intel Security邁克菲公司計劃深化雙方的合作伙伴關系，以加強和擴充工業信息安全產品線，聯手幫助工業客戶抵御不斷加劇的全球網絡安全威脅。雙方將充分利用各自強大的信息安全產品組合優勢，并在始于2011年的合作關系基礎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、作為托管安全服務一部分的全球安全威脅情報，以及其他專業性的服務，這些產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，同時降低知識產權被盜取的風險。

中國與制造業未來

新的工業革命即將來臨，各國政府都已做好了準備，中國提出了“工業化信息化融合”，美國提出了“設計創新和數字制造”，英國提出了“領先的技術網絡和創新中心”、荷蘭提出了“發展高端技術戰略”以及德國提出了“工業4.0”戰略，作為工業最發達的德國，其第四次工業革命戰略引起了世界的最廣泛的關注。

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4.0理念。西門子工業業務領域首席執行官魯斯沃博士表示：“第四次工業革命是一個漸進的過程。工業4.0的真正到來可能需要20年左右的時間，在此期間，變化將不斷出現和遞進。”魯斯沃認為目前就正處在一個可稱之為工業3.x的階段。它是建立在強大的生產執行系統和數字化企業平臺基礎上的。簡言之，虛擬世界和現實世界中的生產通過完全的數字化相互融合，目的就是令整個生產價值鏈的數據做到無縫交流。

魯斯沃認為，工業4.0時代完全到來時，會有以下三個主要元素：

第一個元素是生產執行系統、數字化企業平臺、產品生命周期管理和自動化系統的集成。它們的集成將帶來一個強大的制造運行管理系統。

第二個元素是虛擬世界和現實世界中生產的融合。這是基于一個統一的數據模型完成的。制造商可因此大大縮短產品的生命周期。

第三個元素則是信息物理融合系統。這也是增加生產靈活性，縮短產品上市時間的關鍵。互聯的機器可以通過網絡技術彼此交流，并靈活地集成于現有的生產過程中。這些元素令未來的工廠能夠更加靈活和及時地優化及控制其生產過程。

“在工業4.0的進程中，中國毫無疑問是西門子最重要的市場之一。我們的目標就是令中國的工業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先，還希望他們在未來工業4.0的時代里一馬當先。”魯斯沃說。