数字工厂与智能制造

2015-05-22 14:22:55 sophie

  在世界近现代经济发展史上,德国并不是最早进行工业化的国家,也不是最先发展制造业的国家,但却把制造业做到极致、做得厚实、做出风格、做成了大业。“德国制造”不仅是当前业内关注的一个话题,也是今后世界经济发展可供借鉴的一种模式。

  如今,德国提出的“工业4.0”已成为人们关注并成为热议的话题。笔者认为,德国“工业4.0”之所以受到各界关注,主要在于它提出了制造业未来的目标,指出了数字化工厂和智能制造是制造业的发展方向。相信不少制造企业都想了解:德国是如何发展数字化工厂和智能制造,从而实现“工业4.0”的目标?它给中国制造业带来怎样的影响与借鉴作用?笔者在此提出一些看法与读者交流。

“六自”和智能制造

  目前,全球制造业的发展模式正在发生转变,提高生产效率及产品质量,降低成本、实现精细化管理和生产过程智能化,以满足市场个性化需求,这些都为建设数字化工厂提供了广阔的市场空间。据国外统计资料显示,实现智能制造可以缩短产品上市时间30%、减少设计修改65%、缩短生产工艺规划时间40%、降低生产费用13%,更为重要的是产品质量获得了极大的提高。

  实现智能制造,首先应有智能制造装备,而这种装备需具备6个基本特征:自度量、自决策、自适应、自诊断、自修复、自学习(简称“六自”)。以此为基础,作为数字化、智能化工厂的自动化智能生产线还应具备“自组织”特征,即能自行组织生产。

  数字化、智能化工厂的智能制造装备通过外部条件的变化,能“自适应”生产工艺和要求的变化,及时对装备进行调整。智能制造装备能“自诊断”运行中发生的故障,及时发现问题,从而有效避免因设备故障而导致生产运行的中断。智能制造装备还能“自修复”装备发生的故障,进行自我维护,以使生产运行达到无须人干预的境界。智能制造装备还能通过人工智能技术,具备学习功能,能不断“自学习”而逐渐学会处理新的未曾遇到过的情形,进而像人一样聪明地进行生产。

  德国“工业4.0”的核心是通过CPS(Cyber-Physical Systems ——智能物理系统)使制造实现智能化。CPS使信息、网络、计算机与原来的物理系统相结合,让制造设备拥有通讯和对话功能,从而实现制造过程的自组织。德国弗劳恩霍夫协会的生产系统和设计技术研究所(Institute for Production Systems and Design Technology,其德文简称为IPK)目前正在开展为实现德国“工业4.0”的相关技术的研究。IPK正在进行一个项目研究室,水处理用的渗透膜如何实现“自组织”方式智能生产。“自组织”是通过在托盘或物件上黏结e-Grain实现的。e-Grain大小如同玉米粒,从上到下分5层:天线、主板、传感器、电源、底座。e-Grain具有通信功能,与各种传感器结合,对膜的生产进行“自行调度”。这个项目成功后将技术推广到其他制造企业。

  西门子公司是德国“工业4.0”的积极倡导者和参与者。目前,西门子公司已经有两个数字化工厂示范基地,一个在德国,一个在中国成都。西门子公司得益于创新软件和强力硬件,将数字化产品和实际生产融合,实现全集成自动化(TIA),已经形成一整套实现智能制造所需的软件,从CAD、CAE、PLM、ERP到MES、三维过程设计、TIA门户。西门子公司认为,数字化企业平台为实现德国“工业4.0”奠定了基础。

  “工业4.0”是德国为继续保持其制造业竞争优势的一种战略安排,是德国制造业的发展方向。但就德国制造业目前的状况看,要达到“工业4.0”的水平,还需要经过10~15年的努力。一些较先进的德国制造企业认为,目前自身也就处于“工业3.5”或“工业3.8”的水平。

  说到中国制造业,与德国相比存在不小差距。中国制造业是多层次、多类型的,有的还处于“工业2.0”,有的正在向“工业3.0”前进。因此,中国制造业实现智能制造,必然要经过更长、更艰巨的努力。

  在瑞士,笔者与有关专家交流,他们认为智能制造是德国制造的方向,而瑞士制造业当前最急需的是提高自动化程度。中国制造业推进智能制造,需根据国情制订现实路径。

中国制造业现状

  当前,全球正出现以信息网络、智能制造、新能源和新材料为代表的新一轮技术创新浪潮。在中国,已经制订的“战略性新兴产业十二五发展规划”,并在规划中安排和启动了智能制造装备发展专项。中国发展智能制造已经提到日程上来了。中国制造业将发展数字化工厂和智能制造,在信息化和自动化的基础上,将专家的知识不断融入制造过程以实现设计、制造和装备的智能化,实现拟人化制造,提高产品质量、生产效率,显著减少制造的资源消耗,降低排放和污染。中国制造业的转型升级和提升竞争力已迫在眉睫。

  中国制造业的总量和规模已居世界第一,但是大而不强。就制造业水平程度而言,美国制造业处于第一方阵,日本、德国处于第二方阵,中英法韩处于第三方阵。按照《制造强国战略》课题的研究结果,到2025年,中国制造业将进入第二方阵。按照现在的发展趋势,中国制造业总体发展水平要实现德国“工业4.0”中的目标,乐观估计大约需要20~30年。

  在笔者看来,中国目前还没做到“工业3.0”,顶多是“工业2.5”。因为我国层次差异较大,很多地方仍然使用“工业2.0”进行大规模批量生产,只有小部分的企业处于“工业3.0”。

  中国制造业要实现德国“工业4.0”的目标,应多层次多梯次推进。中国制造业还有大量的中小企业,生产力水平低下,产品质量处于中低档水平,生产工艺落后。这部分企业的生产水平得不到提高,中国制造业整体水平就难以提高。

  同时,中国工业机器人密度(每万名员工工业机器人使用量)2011年仅为21台,而世界平均水平55台,韩国接近347台,日本为339台。中国制造业的自动化水平可见一斑。

  中国制造业要实现德国“工业4.0”,还必须解决基础薄弱问题。中国制造业能造出整机,但关键部件依赖进口。据笔者了解,我国关键部件的生产企业,多数处于“工业2.0”、“工业3.0”阶段。对这些企业而言,首要的是实现自动化生产。只有通过实现自动化,才能避免资源的浪费,提高产品质量和一致性,逐步实现批量智能化生产。

  工业强基是一个绕不开的紧迫的任务。对此,工信部起草《关于加快推进工业强基的指导意见》(简称工业“四基”)。大力推进基础材料、基础件、基础工业的发展,扎实做好产业技术基础工作。

实现强国梦途径

  今年,正值中国深化改革元年。而德国“工业4.0”像巨浪一样,在国内变革潮流中,加大制造业的变革动力,以便获得全面发展。由于中国制造业的发展水平较先进国家差距甚大,因此,中国要想迅速实现“制造强国梦”,必须脚踏实地,努力做好以下几点:

  认清制造业的发展方向 德国“工业4.0”也是中国制造业的发展方向,但不能把方向当作现实。中国发展制造业必须依据本国的具体情况制定路径,再仔细思考该怎么走。方向没摸准,整体都会出错;方向对了,路径不一样,同样不行。中国现阶段的国情是“工业2.0”与“工业3.0”并存,甚至还未走到“工业2.0”。很多“工业2.0”的企业还是小作坊,生产组织落后、工作环境很差、工人的劳动强度很大;最差的企业还在用50年代的皮带车床进行生产加工。为了促进中国制造业的健康发展,需找准目标,再大力推进“工业2.0”与“工业3.0”的企业前进,缩短过程,赶上潮流。

  根据市场需求建智能生产线 如果制造企业不了解当下的市场需求,盲目去建智能生产线的话,后果不堪设想。生产效率的提高、生产规模的扩大要与市场的需求合拍。所以,在推行智能生产,建智能生产线时,首先要做市场预测与风险分析,然后考虑建什么样的生产规模,规模能建到多大,自动化、智能化程度做到多高。

  加快智能制造装备产业发展 如今,国内制造企业都在做智能制造,而智能制造需要很多智能制造装备,有了智能制造装备才能构成一条智能生产线或数字化工厂。

  在我国智能制造装备中,最薄弱的环节在基础部件上。如数控机床里的数控系统,国产的市场满足度不足10%。所以,在推行德国“工业4.0”实现智能制造的环境下,首先要解决国内自己能生产智能制造装备及所需的关键部件,尽快使智能制造装备产业发展起来,尽量避免在推行智能制造过程中,带动国外的智能制造装备产业的发展。

  解决眼前紧迫问题 对中国制造业而言,当前最紧迫的问题就是:怎样把中国智能制造装备产业尽快壮大起来,怎样让用户乐意采用中国自己制造的装备,怎样才能尽快在国人心目中树立起对中国装备的认可。

  德国“工业4.0”打造的数字化工厂与智能制造是也中国制造业的发展方向。但中国制造业要实现德国“工业4.0”的目标,任重道远!