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解读:第四次工业革命需要的智能工厂真面貌

2016-01-29 来源: 作者:


核心提示:德国总理默克尔观看的工业4.0智能生产演示中,英飞凌的安全产品对生产的各个环节进行身份认证,以保障整个生产过程的数据和信息安全除了在自己的工厂里实践工业4.0,还为别的企业提供解决方案。

依托信息物理系统(CPS)和信息通信技术的结合,工厂将引入大数据技术进行分析优化管理,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,最终将实现自动化、智能化、互联化的生产制造。

  在德国人的概念中,能实现这种制造方式的工厂被称为智能工厂。工业4.0战略的展开方向之一就是智能工厂。在这场新的变革中,汽车制造商、零部件供应商、软件提供商等站在各自需求角度对智能工厂都有着各自的解读,也因而带来了不同层面的实践,以及不同形态的智能制造解决方案。

  汽车工业是机器人应用最广泛的领域,汽车制造的高度自动化使得机器人越来越多地出现在工厂里。然而这还不够,互联时代对工业制造提出了更高的要求,自动化工厂进一步升级,增添了互联的概念:把工厂的机器以及人连接到网络中去,机器与机器之间、人与机器之间实现对话。

  从制造迈向“智造”

  广泛应用于汽车行业的自动化、数字化、智能化车间,已经成为汽车智能制造的重要载体。在这里,可以看到的工人越来越少,取而代之的是一只只效率和精准度更高的智能化机器手,越来越多的关键工序已经由机器人代替工人。近年来更是出现了“无人化”车间,弧焊、点焊、装配、搬运、喷漆、检测、码垛、研磨抛光和激光加工等复杂作业全部交由工业机器人来做一条传送带,上百台不同类型的机器人分工明确、林立两边,只需短短的1分钟,一辆完整的汽车就在机器人的“手忙脚乱”中“诞生”了。

  在我国,工业机器人最初主要用于汽车及工程机械的喷涂及焊接。随着汽车需求的不断增长,工业机器人已经广泛参与到汽车生产的四大工艺以及汽车关键零部件的生产。在汽车车身生产中,有大量压铸、焊接、检测等应用,这些目前均由工业机器人参与完成,特别是焊接线上的焊接机器人在汽车制造业中发挥着不可替代的作用。焊接机器人是在工业机器人基础上发展起来的先进焊接设备,是从事焊接(包括切割与喷涂)的工业机器人,主要用于工业自动化领域,其广泛应用于汽车及其零部件制造、摩托车、工程机械等行业,在汽车生产的冲压、焊装、涂装、总装四大生产工艺过程都有广泛应用,其中应用最多的以弧焊、点焊为主。与人工相比,使用机器人焊接具有质量稳定、效率大增、更加安全等三大优势。

  在汽车内饰件生产中,则需要表皮弱化机器人、发泡机器人、最后的产品切割机器人。汽车车身的喷涂由于工作量大,危险性强,通常都会采用工业机器人代替。近年来,适应现代汽车制造技术柔性化、灵捷化、智能化、信息化的发展趋势,国内汽车制造业在汽车生产中引入了AGV(又名移动机器人)技术,使汽车装配的生产组织、信息管理和物流技术等方面实现了质的飞跃。

  国外零部件工厂里的变化

  在德国博世洪堡工厂的一条液压产品生产线上,所有零件都配备一个独特的射频识别码(RHD),并能同沿途关卡自动对话,当工件到达某个工位时,显示屏上就会相应提示员工所需处理的具体工作内容,而每一个工位也可以根据员工的个性化设置进行自动调节。

  博世在全球超过250家工厂里应用工业4.0的理念和技术,其位于中国苏州的工厂也是其工业4.0试点基地之一,在那里,从基础的无纸化办公到自动备料系统的实施都已经——成为现实。在未来博世的工厂里,一台平板电脑的视频图像上会给出所显示部件的综合信息和维修指令,工人可以直接通过触摸屏处理这些信息。

工业4.0工厂

而德国蒂森克虏伯集团董事会主席海里希·赫辛根(Heinrich Hiesitiger)认为,工业4.0概念的推行是要做很多前期准备工作的。比如必须要做好IT基础设施的准备,网速要有保障,而且这些新的基础设施还要能整合到现有生产设施当中,才能保证以高效的方法来传递和输送大量信息和数据。

  现在,蒂森克虏伯集团希望将2300多个不同地点的IT网络能够通过高速和超宽带宽的基础设施联系起来。还有一个重要的前提是生产设施的自动化。2014年11月,蒂森克虏伯发动机系统(常州)有限公司正式开业,这家发动机系统生产基地将为中国生产发动机缸盖罩盖模块总成。

  客户通过电子订单系统把需要的钢板信息发送到蒂森克虏伯,这些信息和数据又马上会传送到生产公司,生产时的相关信息和数据又被录入到sap系统当中。这样,一块钢板在生产过程当中就已经被赋予一个电子编码,包含了完备的产品信息。

  在整个生产的过程当中,客户可以实时地知道所有钢板的待产情况,同时也可以更改一些序列,或者是一些生产的要求。只要在钢板付诸生产之前的8小时告诉蒂森克虏伯,就可以马上做出更改。目前这一流程已经在德国的一个工厂开始实施了。

  整车厂的应对

  工业4.0不是一场突然而至的革命,也不是可以一蹴而就的革新。宝马集团工业4.0生产专家克里斯蒂安·潘纯(Christian Patron)博士认为,“在宝马集团,不断改进生产系统是日常工作,工业4.0是符合宝马逻辑的下一步,而绝不是革命性改变”。

  宝马工厂在自动化、智能化上的一些尝试,有的已经被列为工业4.0的生产方式。一个广被提及的事例是,宝马兰茨胡特工厂在汽车保险杠生产中启用非接触式手势识别系统。这种系统被视为一种智能人机交互的范例。虚拟手势识别系统由安装在检验工作区域上方的2台3D摄像机、红外传感器等部分组成,系统内保存有保险杠部件的3D实体模型数据,并在检验区域建立起3D空间扫描坐标系。当工件进人检验区后,检验人员只需几个手势,即可完成检验工作:比如指点偏差所在的部位后,设备即可精确记录下该偏差产生的位置以及偏差数据;而如果零件合格,检验员只需滑动手指,就可以指示系统该零件已经通过检验。

  在这套创新系统的支持下,不但能够加速检测过程。检验精度和零件偏差的定位精度也大幅提升。同时因无需配备护目镜、麦克风等装备,提升了检验员工作的舒适度及工作效率,而且,系统操作简单易学,大受检验人员的认可和欢迎。

  这正印证了宝马集团新任董事长科鲁格(Harald Kmger)的表述——“对宝马而言,工业4.0并不是一味追求自动化,排斥人参与生产的全过程;与之相反,我们认为未来的智能科技将着眼于更高层次的人机交互领域,让科技装备为工作人员提供更好的支持”。

  5月22日,奥迪在公司年度股东大会上,通过“Encounter”杂志诠释“智能工厂”的愿景。在他们的规划中,有朝一日,汽车工厂将拥有与当下截然不同的智能系统、创新技术,以及高效组织构架。在他们的规划中,装配线已不复存在,井然有序的流水作业也不再适用。平板运输机器人——所谓的“自动运输系统”(Driverless Transport Systems)“搬运”着各种尚未制造完成的汽车,在这座工厂中你会看到奥迪的所有车型,但却已经找不到两辆完全相同的汽车。奥迪为这一场景转化为现实设定了时间截点——2030年。

相比宝马等德国车企,日系车企丰田也有自己成熟的制造体系,虽然日本没有提出类似工业4.0的概念,但丰田基于1960年代创造的精益生产的基础所做的扩展。在某种程度上,与21世纪出炉的工业4.0理念有很多相融合之处。

  双重角色

  在推进工业4.0的过程中,数据安全是企业非常关注的—项内容。英飞凌与德国电信就共同推出一款用于保护网络化生产的安全解决方案。

  在去年德国1T峰会上,德国总理默克尔观看的工业4.0智能生产演示中,英飞凌的安全产品对生产的各个环节进行身份认证,以保障整个生产过程的数据和信息安全除了在自己的工厂里实践工业4.0,还为别的企业提供解决方案。在工业4.0的推进中,英飞凌实际扮演了双重角色。

  同样扮演双重角色的还有博世、西门子等巨头企业,它们也基于各自的优势推出了自己的智能制造解决方案:西门子认为未来互联网与传统制造业的结合会在数字工厂落地,因此它推出了自己的数字工厂解决方案(Digital Factory Soluticm)。为此,西门子在2006年以32亿美元收购PLM软件商UGS。

  UCS拥有在线设计软件平台NX,其中内置CAD、CAM等一系列设计软件,还包括数字化生产流程规划软件以及市面上领先的解决方案。西门子将UGS的软件平台接入自己的工业自动化生产系统之上,形成了一套制造业解决方案。整合之后,西门子数字工厂蓝图初具规模,基于数据分享的合作平台,生产者与用户、供应商共同组成数字工厂,通过PLM、MES、TIA三位一体的软件系统平台,实时沟通,达成产品从研发设计到售后服务的全周期管理。

  在数字模拟平台上,虚拟产品与现实中在工厂走流程的产品一一对应。工厂内的具体执行系统,可以根据数字模拟平台的要求进行一定程度的重构。目前西门子的数字工厂解决方案,已经在一些高端汽车业的自动化制造过程中得到应用。另外,为了配合自己的工业自动化产品,西门子还推出了一款“西门子工业支持中心”的APP。这个APP将西门子的5000多份各种手册、操作指南,以及60000多个常见问题解答集成到网络平台,给客户提供了极大便利。

  博世也一直在研究工业4.0的解决方案,近来推出了“慧连制造”解决方案。该方案核心为制造物流软件平台,包括制程质量管理、远端服务管理、预测维护。

  有人认为,在这个方案中,制程质量管理已经具备了工厂内信息实时互联等智慧工厂的基本要素,远端服务管理、预测维修都是基于物联网产生的价值链延伸,也就是说博世的慧连制造已经具备了工业4.0的关键基础。


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