“工業(yè)4.0”精彩案例

何懿文

一、德國安貝格西門子智能工廠

作為工業(yè)4.0概念的提出者，德國也是第一個實踐智能工廠的國家。位于德國巴伐利亞州東部城市安貝格的西門子工廠就是德國政府、企業(yè)、大學(xué)以及研究機構(gòu)合力研發(fā)全自動、基于互聯(lián)網(wǎng)智能工廠的早期案例。占地10萬平方米的廠房內(nèi)，員工僅有1000名，近干個制造單元僅通過互聯(lián)網(wǎng)進行聯(lián)絡(luò)，大多數(shù)設(shè)備都在無人力操作狀態(tài)下進行挑選和組裝。最令人驚嘆的是，在安貝格工廠中，每100萬件產(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)品完全實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，堪稱智能工廠的典范。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)字化工廠不是無人工廠，而是根據(jù)生產(chǎn)工藝的實際情況，在考慮投資成本的情況下，為人提供最佳支持。這一點在安貝格工廠得到了很好的體現(xiàn)。整個廠內(nèi)甚至沒有看到一臺六軸機器人，但求所需，無求多余。目前安貝格工廠仍有1200多名員工，一條生產(chǎn)線仍然有6-8名操作工人，同時有30-40人的技術(shù)人員進行支撐，確保物料、設(shè)備、產(chǎn)品檢驗等工作。

持續(xù)改進的過程：安貝格工廠走到今天這樣出色，是持續(xù)改進的結(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，通過持續(xù)的改善，在員工沒有增加的情況下，產(chǎn)能提高到原來的8倍，質(zhì)量從上世紀(jì)90年代的560百萬出錯率，下降到2014年的11.5百萬出錯率，質(zhì)量水平達(dá)到了99.9989%。可見質(zhì)量是企業(yè)的生命線，而數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的工廠也絕對不是一蹴而就的，需要對產(chǎn)品、工藝進行持續(xù)的改進。

數(shù)字雙胞胎概念：西門子認(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)化及驗證全部實現(xiàn)數(shù)字化，并且能夠達(dá)到實體與數(shù)字信息同步，達(dá)到設(shè)計、制造、調(diào)試信息一體化的聯(lián)動，其中任何一個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)變化，都能在整個環(huán)節(jié)上同步進行變更，強調(diào)的是集成的、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。

信息化系統(tǒng)與自動化裝備的高度結(jié)合：安貝格工廠的生產(chǎn)過程的自動化率達(dá)到75%，但更為關(guān)鍵的是物流的自動化與信息的自動化、生產(chǎn)過程的自動化相匹配，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：縮短為客戶提供服務(wù)的周期，為客戶提供更加便捷的服務(wù)。目前安貝格工廠為全球6萬多家客戶提供產(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)計是其能夠靈活組織生產(chǎn)的重要保證，模塊化設(shè)計包含產(chǎn)品的設(shè)計，也包含了生產(chǎn)設(shè)備、信息化軟件系統(tǒng)的模塊化設(shè)計與相對標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計。

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

綜上所述，數(shù)字化、模擬仿真、模塊化及相對標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品設(shè)計，基于自己產(chǎn)品的物料清單和工藝清單的數(shù)字化，以及信息化與自動化的高度融合是德國實現(xiàn)“工業(yè)4.0”的重要因素。對產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)工藝持續(xù)的改進，并且不斷地將BOM與BOP進行數(shù)字化后與自動化裝備完美結(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

全球能效管理專家施耐德電氣2010年推出EcoStruxure能效管理平臺，該平臺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個領(lǐng)域的獨特技術(shù)和專業(yè)經(jīng)驗，為需要尋求多個業(yè)務(wù)領(lǐng)域提高能源效率的客戶提供智能化的能源管理解決方案。

EcoStruxure的承諾主要基于兩個方面：首先，EcoStruxure是基于5個技術(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的InfraStruxure架構(gòu)，該架構(gòu)采用了模塊化的、可擴展的方法，不但可以優(yōu)化關(guān)鍵電源和制冷服務(wù)，還可以改進重復(fù)建設(shè)導(dǎo)致的低效。（3）工業(yè)：自動化解決方案關(guān)注靈活性、可擴展性、易使用性，面向最終用戶及原始設(shè)備制造商需求提供自動化控制和管理控制平臺。（4）建筑樓宇：管理解決方案關(guān)注降低安裝和運營成本，并通過對溫度、照明以及百葉窗等的實時控制來提高最終用戶的舒適度。（5）安防：Pelco by SchneiderElectric提供的架構(gòu)擁有行業(yè)領(lǐng)先的視頻、門禁與安保技術(shù)，可以盡可能地降低計劃外的停機而導(dǎo)致的成本和效率損失，并提供全面的風(fēng)險分析。其次，EcoStruxure能夠?qū)⒁陨衔宸N技術(shù)整合在開放的、靈活的技術(shù)平臺上，（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)置不同級別。

除了實現(xiàn)了對電力、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)和專業(yè)經(jīng)驗的整合，EcoStruxure與其子系統(tǒng)更強調(diào)軟件帶來的靈活性。例如其為河北某鋼鐵集團執(zhí)行的MES項目，施耐德電氣為其10個廠區(qū)所有車間提供了統(tǒng)一的能源信息管理平臺，可以采集80000個水、電、蒸汽數(shù)據(jù)，囊括1800個電表，100個MES用戶。項目實施下來據(jù)估算該客戶每噸鋼的生產(chǎn)可節(jié)省100元的能源費用。同時，為客戶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，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繼續(xù)保護已有的客戶在ModbusTCP協(xié)議上的投資，同時延續(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系統(tǒng)中非常好地整合在一起。施耐德電氣可以提供整個基于以太網(wǎng)架構(gòu)的完整自動化方案，但是并不局限客戶只可以采用施耐德電氣的自動化產(chǎn)品，這樣可以給用戶更多的選擇。

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)場設(shè)備層面，比如和一些電氣設(shè)備如變頻器、馬達(dá)保護單元、電能和其他能源介質(zhì)的測量儀表和一些關(guān)鍵的資產(chǎn)和設(shè)備等。同時其核心控制器PAC系列也將實現(xiàn)從傳統(tǒng)的封閉式背板總線技術(shù)向以開放以太網(wǎng)技術(shù)過渡，實現(xiàn)“一網(wǎng)到底”的夢想，向“以太網(wǎng)內(nèi)置”跨越。

三、美國通用公司的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”

由于制造業(yè)巨頭德國提出了“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。所以，由通用公司倡導(dǎo)的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”戰(zhàn)略在美國興起。進而，AT&T、思科、通用電氣、IBM和英特爾幾家互聯(lián)網(wǎng)巨頭宣布成立美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟，正式進入美國“工業(yè)4.0”時代。

美國通用公司提出的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”與德國的“工業(yè)4.0”類似，即將智能設(shè)備、人和數(shù)據(jù)連接起來，并以智能的方式利用這些交換的數(shù)據(jù)。在通用看來，打造一個工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)必須具備三個要素：首先是智能機器，一是需要在機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)了解和知道機器運行的狀況。二是在收集到數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對機器進行控制，使機器的運行達(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)上進行分析或讓機器智能化。第二個要素就是對于所收集回來的數(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上，安裝在葉片上的一個傳感器，一天所生成的數(shù)據(jù)就將達(dá)到500TB。可以想像一下，如果一臺燃?xì)廨啓C有20個傳感器，而這樣的設(shè)備全球有12000臺，其數(shù)據(jù)量會是怎樣的規(guī)模？為打造存儲和廣義海量數(shù)據(jù)的能力，通用公司通過購買Pivotal公司10%股權(quán)的方式，在這方面加大投資力度。第三個要素則是數(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的數(shù)學(xué)、統(tǒng)計、運營、研發(fā)實力的博士生，來培養(yǎng)這方面的人才。

2015年6月，通用電氣向所有企業(yè)開放Predix操作系統(tǒng)，幫助各行業(yè)的企業(yè)創(chuàng)建和開發(fā)自己的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。在軟件定義的時代下，Predix設(shè)備將可面向復(fù)雜的對象與龐大的數(shù)據(jù)，可確保傳感器、監(jiān)控、現(xiàn)場設(shè)備之間開放、安全地通信，并可實現(xiàn)基于云的管理與服務(wù)。Predix是一個軟件平臺，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）和運營優(yōu)化服務(wù)。GE的APM系統(tǒng)每天共監(jiān)控和分析來自1萬億設(shè)備資產(chǎn)上的1000萬個傳感器發(fā)回的5000萬條數(shù)據(jù)，終極目標(biāo)是幫助客戶實現(xiàn)100%的無故障運行。

為了實現(xiàn)該理想，通用電氣不斷擴大其與英特爾和思科的合作關(guān)系，來不斷加強機器、系統(tǒng)、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的互聯(lián)，不斷實現(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)開發(fā)出一種Predix-ready思科工業(yè)路由器，外部經(jīng)過強化處理，能夠經(jīng)受石油和燃?xì)庠O(shè)施的惡劣環(huán)境考驗。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)化無線網(wǎng)絡(luò)連接方案。GE還與AT&T合作通過AT&T的網(wǎng)絡(luò)將火車、貨輪和飛機引擎連入云端。

四、日本安川電機的工業(yè)機器人

日本工業(yè)機器人行業(yè)的巨頭主要有安川電機、不二越、發(fā)那科等，這幾大公司堪稱日本機器人產(chǎn)業(yè)的基石，其中安川電機的工業(yè)機器人生產(chǎn)數(shù)量居世界第一，該公司的MOTOMAN工業(yè)機器人是日本首個全電動式工業(yè)機器人，廣泛應(yīng)用于汽車、電器制造等領(lǐng)域。安川的運動控制事業(yè)部通過豐富的Drive（驅(qū)動）、Motion（運動）、Controller（控制）產(chǎn)品組合，為從一般工業(yè)機械到高精度機床機械，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%。

安川電機成立于1915年，最初專業(yè)生產(chǎn)電動機。源于對電機產(chǎn)品的深入了解和“以獨特的技術(shù)，為社會和公共事業(yè)做貢獻(xiàn)”的理念，經(jīng)過100多年的專注研究和發(fā)展，安川電機如今在多個領(lǐng)域都首屈一指。截至2011年，安川電機生產(chǎn)的變頻器、交流伺服電機、機器人三項產(chǎn)品的全球市場份額均位于首位。

1977年安川電機運用獨自的運動控制技術(shù)開發(fā)生產(chǎn)出了日本第一臺全電氣化的工業(yè)用機器人一莫托曼1號。此后，相繼開發(fā)了焊接、裝配、噴漆、搬運等各種各樣的自動化作用機器人，并一直引領(lǐng)著全球產(chǎn)業(yè)用機器人市場。截至2014年，安川電機的工業(yè)機器人全球累計出貨量突破30萬臺。不僅全球份額領(lǐng)先，在中國，安川電機同樣以20%的高份額問鼎工業(yè)機器人領(lǐng)域名副其實的“狀元”。

安川電機的足跡已遍布中國大地。作為第一個到中國設(shè)廠生產(chǎn)機器人的日本企業(yè)，安川電機甚至將首個海外機器人的生產(chǎn)基地設(shè)立在中國江蘇省常州市。在上海，上海安川電動機器有限公司提供高品質(zhì)的變頻器和伺服電機，安川（中國）機器人有限公司則負(fù)責(zé)工業(yè)用機器人、控制系統(tǒng)的制造；在遼寧，安川電機（沈陽）有限公司生產(chǎn)并銷售伺服電機、伺服驅(qū)動器；在北京，安川首鋼機器人有限公司則負(fù)責(zé)機器人系統(tǒng)的設(shè)計制造、安裝及服務(wù)……安川電機的各個事業(yè)，在中國的土壤上遍地開花。

沒有持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新，安川電機則無法保持在全球工業(yè)機器人市場的領(lǐng)導(dǎo)地位。安川電機機器人專利申請數(shù)量穩(wěn)定提升，2011年為2005年的一倍左右；在機器人核心部件控制器方面，1979～2009年安川電機專利申請數(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，安川不斷把用戶需求融合到技術(shù)及產(chǎn)品的開發(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，以機電一體化產(chǎn)品及前沿運動控制技術(shù)活躍于全球工業(yè)領(lǐng)域的舞臺，為超高速、超精密控制做出貢獻(xiàn)。